蓄电池在线监测系统在海上平台中的应用

胡 盼，莫醒宝，李常春

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江 524057）

0 引言

海洋石油是高投入和高风险的行业，最大风险是火灾和爆炸。一旦发生火灾或爆炸事故，可能会导致灾难性后果。因此，把控可能导致火灾或爆炸事故的隐患，显得尤为重要。据统计，全国因电气设备故障引起的火灾占总火灾事故的三成以上。从全国来看，电气火灾中因电池故障导致的火灾也占很大比例。在海洋石油平台上，电池是常见的和非常重要的电气设备。在实际生产中，如何更好地使用和维护电池一直都是电气人员研究的难题。

1 研究背景

UPS（Uninterruptible Power Supply，不间断电源）属于海洋石油平台的关键设备，为平台的中控系统、通信系统和水文气象系统等提供源源不断的电能。电池作为UPS 的备用电源，起到举足轻重的作用。正常情况下，电网的电能经过UPS 整流和逆变后输送给设备。当电网失电时，电池的直流电将通过UPS 逆变后供给设备。UPS 电池一旦发生故障，不仅可能会导致平台设备瘫痪，还有可能引发火灾事故。而且，近年海上石油平台也发生过几起电池故障导致的火灾险情。

某平台有2 台30 kV·A 的UPS，每台UPS 有20 个12 V、150 A·h 的铅酸电池。以往，对UPS 电池的维护与数据测量完全依赖于一年一度的电池充放电维保项目。虽然该项目能比较直观地反映出电池的优劣，但是也存在诸多缺点。首先，在UPS电池充放电之前必须要断开相应的电池开关。此时，一旦发生停电，直接导致UPS 关停。其次，该项目间隔周期和测量时间较长。该项目一年一次，如果电池刚好在一年以内发生故障，也无法及时处理。同时，维保电池时需要拆开相应的电池连接线，耗费大量时间。最后，拆或装电池连接线以及测量过程中存在电池短路造成人员受伤的风险。

通过安装UPS 电池在线监测系统，较好地解决了上述问题。通过相关探测器以及监控主机，能实时了解电池的电压、内阻、容量和温度等参数，及时发现电池内部故障。

2 测量原理

2.1 蓄电池内阻及等效模型

测量蓄电池内阻首先应了解电池等效电路模型（图1），通过模型可以将复杂的电化学结构等效为电参数元件，为测量方式提供简化计算方法。图1 中，E 是电池理想电动势，与电池SOC 有固定关系。R1 是欧姆电阻，由电池内部电极材料、电解液、隔膜内阻及各零件的接触电阻构成。R1 用于判断电池寿命，电池出现老化、电解液干涸表现为R1 增大。R2 是极化电阻，在化学反应过程中由极化反应引起的电阻。极化电阻与电池的电量有关，当电池放电时，随着电池电量减少，极化电阻将会明显增加。C 是极化电容，由极化反应引起的等效电容，与电池电量有关。

图1 电池等效电路模型

电池监测系统测量的电池内阻值为模型中的R1+R2。因电池放电过程处于直流状态，真正对其产生影响的只有R1 和R2。电容C 对电池直流电阻无实际意义，把电容值排除也有利于降低电池内阻值对测试频率的影响度。有些电池监测系统厂家采用的测量方法是将R1、R2、C 合并在一起，以阻抗的形式直接代表电池内阻。由于阻抗随测试频率变化而变化，这样会导致不同的设备厂家测试同一节电池得到不同的阻抗值。系统测量的内阻值为直流电阻值，不随测试频率变化，因此可以与标准测试仪表直接对比数值准确性。

2.2 接线方式

电池内阻为毫欧级的阻值，通常测试线缆本身的电阻就会有1 mΩ，再叠加上电线端子的电阻，导致测量系统本身引入的电阻已经超过了电池内阻。使得测量系统对电池内阻变化的敏感程度降低，无法有效判断电池内阻增大。由于线阻与现场施工质量有很大关系，甚至会随时间变化。因此软件优化的方式仍然无法解决测量精度低的问题。

电池监测系统中内阻采集模块与电池采用4 线法连接（图2），4 线法即电池的正负极分别有两根线与内阻模块连接，一根对电池进行脉冲放电，另一根用于信号采集。测量系统只从激励和采集线汇合处计算内阻，避免线阻对测量结果的影响，降低了对线缆连接质量的要求。

图2 电池传感器模块连接

2.3 内阻测量原理

内阻采集模块收到测量内阻的命令后，采用内部算法控制电流的幅度和频率，形成专有的放电波形对电池放电，放电电流为2～6 A，确保蓄电池的电压响应来自于蓄电池的真实能量层而不是表面能量层。模块提供的脉冲电流放电会引起电池电压的微小波动，由采集线将微弱电压信号采集到模块中。通过内部系统识别与放大处理后，转换为数字信号进行运算。最终得出等效模型中R1、R2 和C 的数值。在数据处理过程中，独特的滤波电路和软件算法可以对有效信号进行甄别，剔除电池充电设备或其他设备带来的干扰信号，保证最终内阻数值具有很高的重复精度。

3 系统架构

该系统主要由电池内阻采集模块、电池电流采集模块、主控模块和监控系统软件组成。其中，电池内阻采集模块用于监测电池电压、内阻和温度，电池电流采集模块用于监测电池组电流，主控模块负责汇总单体电池、电流数据，处理告警信息并上传数据。监控系统软件可以方便工作人员在计算机上查看电池的各项数据（图3）。

图3 电池在线监测系统架构

（1）UPS 蓄电池在线监测系统架构为每节电池配备一个电池传感器模块（图4），每组电池配备一个电流检测模块，通过通信线连接成环路到主控模块（图5）。主控模块负责采集数据、显示数据和上传数据，电池传感器模块负责电压、温度、内阻采集，电流检测模块负责电流的采集。同时系统可以通过以太网、RS485 接口连接至中控系统。

图4 电池传感器模块

图5 主控模块

（2）电池监测主控模块是整个蓄电池监测系统的核心组件。主要进行蓄电池数据的收集、告警判断和处理上传等工作。用户可通过主控模块在本地查询电池的详细数据和告警数据。

（3）电池传感器模块主要完成对蓄电池的电压、温度、内阻参数测试工作。在接收到主控模块发出的测试命令后，立即启动相应测试，测试完成后以数据形式返回给主控模块。测试回路与通信回路采用光电隔离，确保用户系统安全。电池传感器模块由纹波电流供电，功耗极低（26 mA），对电池影响可忽略不计。

（4）蓄电池在线管理软件是基于SQL 数据库，针对蓄电池在线监测产品研发的上位机软件，可以轻松获得单体蓄电池的电压、电流运行曲线，以及单体蓄电池的内阻数据，为判断蓄电池的状态提供可靠依据。具有以下功能：①实时监测蓄电池组的电压、电流；②实时监测蓄电池组中的单体蓄电池电压、温度，可以通过数据列表、曲线图等多种方式显示数据；③实时测量并记录单体蓄电池的内阻，给出蓄电池全部使用期间的内阻曲线，便于用户分析蓄电池的状态变化情况；④在蓄电池充放电状态下，记录蓄电池的充放电过程，给出蓄电池的充放电曲线及参数，提供蓄电池电压、电流、温度和内阻等参数的报警。

4 实现功能

（1）在线测量电池的单体电压、单体内阻、组压、充电电压和环境温度（图6）。一旦发现某个参数有异常或其变化趋势有异常时立即告警，使得管理维护人员及时发现问题或潜在的隐患，及时进行处理，保证系统的可靠性与安全性。单体电压、组压和单体电阻等参数超限时自动告警，告警阀值可设置。告警发生时设备发出告警声音，通过设备查询具体告警内容。

图6 组电池曲线

（2）在线24 h 监测，实现蓄电池组无人值守，实时掌握电池状况，减少人工维护量。可实现网络化自动集中实时监控、远程维护管理及故障预警通知。

5 海上电网UPS 蓄电池在线监测系统的优势

（1）安全优势。电池传感器模块内置完善的过温、过流保护措施。电路设计采用三重保护，模块万一失效，不会对电池和UPS 造成影响。电池传感器模块电池端和通信端接口采用电气隔离，可达到3750 V 安全隔离电压。电池连接采用随时和电池分离的可拆卸式监测端子。

（2）技术优势。电池内阻测试采用中小信号交流法，测试频率根据UPS 参数动态调整，高抗扰性保证内阻值不受UPS 纹波干扰。一次只测试一节电池内阻（测试时间5 s），不给整组电池同时加激励信号，避免干扰UPS 正常工作。产品生命周期经过完善的物料、设计、测试、生产和失效分析流程，保证产品可靠性。采用最先进的外置温度探头模式，采用半导体温度传感器，不存在热电偶随时间性能退化的问题。外置温度探头可灵活安装在电池任何位置，最准确地测量电池真实温度。

（3）应用优势。在电池健康度分析方面积累了大量基础数据，有丰富的经验可预警出有恶化趋势的电池。产品可兼容各种UPS（工频、高频等），在不同工业场合下均能保证测试准确。

（4）工程优势。产品安装架构的合理设计，保证产品布线简洁，施工容易。归一化的模块布置给平台维护人员带来正规、整齐的感觉。操作电池阶段只需安装检测垫片（不需布线），让电池脱离UPS 时间最短，最大化降低施工阶段带来的风险。施工前结合平台现场情况，制作3D 布线效果图供客户审核，保证施工效果和客户预期一致。

6 结语

UPS 蓄电池在线监测系统是对UPS 蓄电池的电池内阻和端电压状态监测与分析的电池故障在线监测预警系统。发现性能严重劣化故障电池，立即报警；跟踪电池的性能均衡性，发现个别蓄电池早期失效的情况，失效提前预警，为电池“精细”维护提供依据。此次项目实施，可以有效地降低因电池故障导致的停电和着火等安全事故概率。能够树立良好的电池使用方式，延长使用寿命，节约采购成本，能为平台建立完整的蓄电池运维数据库，为蓄电池的产品选择提供依据，保障了电池组稳定可靠，确保UPS 电源系统正常工作。同时，大大提高了电池维护效率，节省人员和时间的投入，使得UPS 电池维护需要的人数从3 人减少到1 人，维护时间从4 h 缩短到5 min，为平台后期UPS 电池维护节约了成本。蓄电池在线监测系统不仅可在UPS 蓄电池中使用，在变电站直流电源系统及需要配置蓄电池的场所均可使用，具有广泛的应用价值。