分布式UPS蓄電池遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)

韓峰 王代華

摘 要： 針對UPS蓄電池性能監(jiān)測需求的急迫性，提出一種蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測蓄電池運行時的電壓、內(nèi)阻、內(nèi)部溫度、表面溫度以及蓄電池組總電流等參數(shù)，通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器；分析參數(shù)后，對蓄電池單體性能進(jìn)行判斷，找出數(shù)據(jù)偏離均值范圍的蓄電池，預(yù)判性能下降的蓄電池。用戶通過瀏覽器，在網(wǎng)頁上隨時了解每塊蓄電池的狀態(tài)，及時維修或更換不合格的蓄電池。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠完成所述功能，內(nèi)阻測量精度達(dá)0.1 mΩ，其他參數(shù)測量精度也滿足判定需求。

關(guān)鍵詞： UPS蓄電池； 在線監(jiān)測； 內(nèi)阻； GPRS； 數(shù)據(jù)服務(wù)器； 測量精度

中圖分類號： TN931+.3?34； TM934； TN98 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）08?0163?04

Abstract： In allusion to the urgent need of performance monitoring for uninterrupted power supply （UPS） battery， a battery online monitoring system is proposed. The voltage， internal resistance， internal temperature， surface temperature， total current of battery pack， and other parameters during battery operation are monitored and uploaded to data server by means of GPRS wireless network. After analysis of these parameters， the battery cells are judged to find out the batteries whose data deviates from the scope of mean values and forecast the batteries whose performances are unqualified. Users can keep watch on the status of batteries whenever necessary on a browser， so as to maintain or replace the batteries below standard in time. The test results show that the system can realize the functions described above， the measurement accuracy of its internal resistance can be as high as 0.1 mΩ and that of other parameters can also meet the preset requirement.

Keywords： UPS battery； online monitoring； internal resistance， GPRS； data server； measurement accuracy

0 引 言

UPS電源能夠全面改善用電設(shè)備的用電質(zhì)量，并在電網(wǎng)電力中斷時繼續(xù)為用電設(shè)備提供電源，被廣泛應(yīng)用于銀行數(shù)據(jù)中心、交換機(jī)機(jī)房、通信基站、電力變電站和機(jī)場數(shù)據(jù)中心等重要部門[1]，而因UPS電源故障造成經(jīng)濟(jì)損失并引發(fā)嚴(yán)重事故的案件卻時有發(fā)生。根據(jù)調(diào)查，國內(nèi)大部分UPS蓄電池沒有安裝監(jiān)測設(shè)備，并且只有少部分的UPS蓄電池遵循規(guī)定進(jìn)行了周期性的維護(hù)，這使得UPS電源的可靠性與安全性存在潛在問題[2]。蓄電池是UPS電源的儲能部件與核心部件，只要有一個蓄電池單體失效（通常為容量低于80% 標(biāo)稱容量時），UPS電源將無法提供完好的后備電源功能，而蓄電池的健康狀況可以通過蓄電池工作時的相關(guān)參數(shù)有效體現(xiàn)出來[3]。

本文提出的UPS蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)，能在UPS電源工作時，實時監(jiān)測體現(xiàn)其蓄電池運行狀態(tài)的電信號，如：內(nèi)阻、端電壓、表面溫度、內(nèi)部溫度等參數(shù)，而不影響UPS電源的正常工作，采集的數(shù)據(jù)利用GPRS技術(shù)上傳至數(shù)據(jù)管理平臺，進(jìn)行分析處理。通過本系統(tǒng)，可及時發(fā)現(xiàn)健康狀況出現(xiàn)問題的蓄電池單體，排除危險于萌芽中，提高UPS電源可靠性與安全性，避免由蓄電池失效而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失和安全事故[4]。

1 蓄電池在線監(jiān)測方案

UPS蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由蓄電池運行工況參數(shù)監(jiān)測模塊（以下簡稱“監(jiān)測模塊”）、串行通信管理模塊和數(shù)據(jù)管理平臺三部分組成，如圖1所示。

監(jiān)測模塊負(fù)責(zé)采集蓄電池單體工作時的參數(shù)信息，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給串行通信管理模塊，蓄電池組的充放電電流與室內(nèi)溫度分別采用以數(shù)字形式輸出的霍爾電流傳感器與溫度傳感器進(jìn)行采集，傳感器的輸出端與串行通信管理模塊連接。串行通信管理模塊將接收到的數(shù)據(jù)通過GPRS無線通信方式發(fā)送到指定的IP地址或域名。數(shù)據(jù)管理平臺接收到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類、存儲、分析處理等操作，對蓄電池運行狀態(tài)進(jìn)行評估，預(yù)判出壽命將要終止的蓄電池。用戶可以使用計算機(jī)或手機(jī)通過瀏覽器訪問網(wǎng)頁，了解每塊UPS蓄電池的相關(guān)信息。如果數(shù)據(jù)異常，會對用戶與監(jiān)管人員進(jìn)行提示與告警。本系統(tǒng)是一種遠(yuǎn)程分布式UPS蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)[5]，可以方便地監(jiān)測一個區(qū)域中各監(jiān)測點的UPS蓄電池，保障用戶蓄電池安全運行。

2 各模塊設(shè)計

2.1 蓄電池運行工況參數(shù)監(jiān)測模塊

每塊蓄電池兩極上并聯(lián)一塊監(jiān)測模塊，一組蓄電池中的監(jiān)測模塊之間用通信電纜連接，連成一條總線，總線起始端或尾端的端口與串行通信管理模塊相連接，連接方式如圖1所示。工況參數(shù)監(jiān)測儀采用RS 485接口與串行通信管理模塊通信，各監(jiān)測模塊具有獨立的識別碼，內(nèi)部并聯(lián)，數(shù)據(jù)傳輸時互不影響，內(nèi)部框架如圖2所示。因UPS電源工作時，有較強(qiáng)的電磁干擾，所以電路端口需具有EMC（電磁兼容性）設(shè)計，以增強(qiáng)抗電磁干擾能力，提高測量精度。

實際應(yīng)用中，UPS蓄電池組中的蓄電池是挨放在一起的，所以監(jiān)測模塊需要小型化，不僅是為了布線的方便與簡潔美觀、便于安裝與維護(hù)，更是為了減少蓄電池散熱時的不利因素。減小體積一般有兩種方法：一是利用片上系統(tǒng)SoC（System on Chip）技術(shù)，例如使用Cypress公司的PSoC[6?7]（Programmable System on Chip）系列芯片，其指甲蓋大小的體積內(nèi)部集成了MCU、數(shù)字系統(tǒng)、模擬系統(tǒng)與系統(tǒng)資源四部分，構(gòu)成一個具有信號采集、轉(zhuǎn)換、存儲、I/O處理功能的系統(tǒng)，電壓、內(nèi)阻、溫度等采集電路、信號調(diào)理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路等都可在其內(nèi)部進(jìn)行配置，大大減少所需芯片數(shù)量；二是采用蓄電池智能檢測芯片，例如DS2438[8?10]芯片，它可以檢測蓄電池的電壓、電流、剩余容量、溫度等參數(shù)，本質(zhì)上講，它是一種功能固定了的成熟的SoC芯片，滿足一般的蓄電池檢測需求。但它存在兩個缺陷：一是無法檢測內(nèi)阻；二是使用安時法測量剩余容量，這種方法會累計測量誤差，長時間后檢測結(jié)果與真實值誤差較大[11]。

2.2 串行通信管理模塊

串行通信管理模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測模塊的集中管理及數(shù)據(jù)管理平臺的數(shù)據(jù)、指令通信。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括RS 485通信模塊、存儲器、微控制單元MCU（Microcontroller Unit）、有線數(shù)字傳輸模塊、GPRS無線傳輸模塊和電源管理模塊，若干I/O接口。

串行通信管理模塊采用RS 485總線方式與監(jiān)測模塊通信。一條總線配置一組蓄電池中的監(jiān)測模塊，總線數(shù)量由UPS電源的蓄電池組數(shù)決定。串行通信管理模塊理論上可管理的監(jiān)測模塊最大數(shù)量由使用的RS 485芯片型號決定，例如使用MAX1482型號，輸入阻抗為標(biāo)準(zhǔn)RS 485的[18，]所以最大可并聯(lián)256塊。

通過租用手機(jī)SIM（Subscriber Identity Module）卡，依托運營公司的網(wǎng)絡(luò)，使用GPRS進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。GPRS是一種基于2G通信與3G通信之間的2.5G無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，依托于已有的GSM網(wǎng)絡(luò)，接入網(wǎng)絡(luò)速度快，傳輸速率可達(dá)170 kbit/s，可以始終與數(shù)據(jù)終端處于連線狀態(tài)，只按數(shù)據(jù)流量計費，適用于發(fā)送頻率高而數(shù)據(jù)不多的信息傳輸。GPRS模塊就是為使用GPRS服務(wù)而開發(fā)的，直接與MCU連接，插入SIM卡就可傳輸數(shù)據(jù)。有線數(shù)字通信模塊作為后備部分，當(dāng)GPRS通信出現(xiàn)問題時，可以傳輸數(shù)據(jù)。串行通信管理模塊具有存儲功能，可保存最近一段時間內(nèi)的蓄電池運行數(shù)據(jù)。若與數(shù)據(jù)管理平臺通信終斷，可使用便攜存儲器從數(shù)據(jù)管理平臺中拷貝中斷期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，導(dǎo)入服務(wù)器，也可等通信恢復(fù)后，自動續(xù)傳數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理模塊還具有若干I/O接口，允許接入輸出為數(shù)字信號的電流傳感器、溫度傳感器與其他監(jiān)測設(shè)備（例如攝像機(jī)、煙霧傳感器等）。本模塊同樣具有EMC設(shè)計，以減少電磁干擾。

2.3 數(shù)據(jù)管理平臺

數(shù)據(jù)傳輸流程如圖4所示。

數(shù)據(jù)管理平臺軟件部分由數(shù)據(jù)庫以及應(yīng)用程序組成。路由器接收串行通信管理模塊傳來的數(shù)據(jù)，通過RJ 45網(wǎng)線傳給服務(wù)器，解析后，放進(jìn)數(shù)據(jù)庫中，對各數(shù)據(jù)歸類管理、處理分析，以實時的數(shù)據(jù)顯示、直觀的變化曲線顯示在網(wǎng)頁上，供用戶與維護(hù)人員查看。數(shù)據(jù)管理平臺系統(tǒng)采用 B/S 結(jié)構(gòu)，基于 B/S 結(jié)構(gòu)的網(wǎng)頁設(shè)計將應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫放在服務(wù)器上，方便系統(tǒng)更新維護(hù)和功能擴(kuò)充。

服務(wù)程序主要功能為實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)打印、視圖管理與蓄電池狀態(tài)評估等功能。主要功能框圖如圖5所示。

在此列出幾個主要的功能描述。電池實時信息功能中顯示每個電池組與單體電池的當(dāng)前狀態(tài)，清晰表明單體蓄電池之間的個體差異。系統(tǒng)對每節(jié)蓄電池單體進(jìn)行的狀態(tài)評定，評定的結(jié)果分為“良好、中等、落后”三個級別，并給出“需關(guān)注、需維護(hù)、需更換”等處理意見。評定的邏輯綜合了一段時間段內(nèi)阻、電壓、表面溫度、內(nèi)部溫度四個重要因素，按照不同權(quán)重打分；歷史信息查詢功能中，以折線圖的方式顯示數(shù)據(jù)，表明其變化趨勢，還可以查看事件的時間、起因、處理方法；系統(tǒng)可按照預(yù)設(shè)定的格式輸出月報表、年報表、容量測試報告等報表；報警設(shè)置功能中用戶可以設(shè)定報警的界值范圍、偏離歷史數(shù)據(jù)均值時的報警范圍、報警間隔時間、防誤報取值個數(shù)等，可以選擇報警方式：手機(jī)撥號、短信通知、語音警告等。

3 實驗數(shù)據(jù)

為了驗證整套系統(tǒng)的性能，實際應(yīng)用測試中，對20只不同型號、新舊程度不同的12 V，100 A·H蓄電池進(jìn)行監(jiān)測，測試結(jié)果如圖6所示，由圖6可看出，內(nèi)阻的測量精確度可達(dá)0.1 mΩ，電壓測量精度可達(dá)0.01 V，溫度測量精度達(dá)到0.1 ℃。監(jiān)測參量的檢測精度符合設(shè)計要求，滿足蓄電池性能和健康狀況判定的精度需求。

4 結(jié) 語

本文提出的基于GPRS的遠(yuǎn)程UPS蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)，討論工況參數(shù)監(jiān)測模塊、串行通信管理模塊和數(shù)據(jù)管理平臺的組成與功能；考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，預(yù)留了若干I/O接口；利用備份、冗余等技術(shù)手段和措施，排除意外因素的干擾和影響，保證系統(tǒng)按設(shè)計要求發(fā)揮正常作用；依托數(shù)據(jù)管理平臺，全面獲取被監(jiān)測UPS蓄電池的運行狀態(tài)，實現(xiàn)狀態(tài)信息的多角度利用，數(shù)據(jù)多層次共享，使各級管理人員可及時了解設(shè)備運行狀況。經(jīng)實測表明，整套系統(tǒng)運行穩(wěn)定、操作簡單，各個工作參數(shù)的測量精度達(dá)到判定蓄電池狀態(tài)的所需精度要求，能夠發(fā)現(xiàn)性能落后電池，使工作人員及時且有針對性地對蓄電池進(jìn)行維護(hù)或更換，有效地提高了UPS電源的安全性和可靠性。

注：本文通訊作者為王代華。

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