蓄電池在線監測系統在海上平臺中的應用

胡 盼，莫醒寶，李常春

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

0 引言

海洋石油是高投入和高風險的行業，最大風險是火災和爆炸。一旦發生火災或爆炸事故，可能會導致災難性后果。因此，把控可能導致火災或爆炸事故的隱患，顯得尤為重要。據統計，全國因電氣設備故障引起的火災占總火災事故的三成以上。從全國來看，電氣火災中因電池故障導致的火災也占很大比例。在海洋石油平臺上，電池是常見的和非常重要的電氣設備。在實際生產中，如何更好地使用和維護電池一直都是電氣人員研究的難題。

1 研究背景

UPS（Uninterruptible Power Supply，不間斷電源）屬于海洋石油平臺的關鍵設備，為平臺的中控系統、通信系統和水文氣象系統等提供源源不斷的電能。電池作為UPS 的備用電源，起到舉足輕重的作用。正常情況下，電網的電能經過UPS 整流和逆變后輸送給設備。當電網失電時，電池的直流電將通過UPS 逆變后供給設備。UPS 電池一旦發生故障，不僅可能會導致平臺設備癱瘓，還有可能引發火災事故。而且，近年海上石油平臺也發生過幾起電池故障導致的火災險情。

某平臺有2 臺30 kV·A 的UPS，每臺UPS 有20 個12 V、150 A·h 的鉛酸電池。以往，對UPS 電池的維護與數據測量完全依賴于一年一度的電池充放電維保項目。雖然該項目能比較直觀地反映出電池的優劣，但是也存在諸多缺點。首先，在UPS電池充放電之前必須要斷開相應的電池開關。此時，一旦發生停電，直接導致UPS 關停。其次，該項目間隔周期和測量時間較長。該項目一年一次，如果電池剛好在一年以內發生故障，也無法及時處理。同時，維保電池時需要拆開相應的電池連接線，耗費大量時間。最后，拆或裝電池連接線以及測量過程中存在電池短路造成人員受傷的風險。

通過安裝UPS 電池在線監測系統，較好地解決了上述問題。通過相關探測器以及監控主機，能實時了解電池的電壓、內阻、容量和溫度等參數，及時發現電池內部故障。

2 測量原理

2.1 蓄電池內阻及等效模型

測量蓄電池內阻首先應了解電池等效電路模型（圖1），通過模型可以將復雜的電化學結構等效為電參數元件，為測量方式提供簡化計算方法。圖1 中，E 是電池理想電動勢，與電池SOC 有固定關系。R1 是歐姆電阻，由電池內部電極材料、電解液、隔膜內阻及各零件的接觸電阻構成。R1 用于判斷電池壽命，電池出現老化、電解液干涸表現為R1 增大。R2 是極化電阻，在化學反應過程中由極化反應引起的電阻。極化電阻與電池的電量有關，當電池放電時，隨著電池電量減少，極化電阻將會明顯增加。C 是極化電容，由極化反應引起的等效電容，與電池電量有關。

圖1 電池等效電路模型

電池監測系統測量的電池內阻值為模型中的R1+R2。因電池放電過程處于直流狀態，真正對其產生影響的只有R1 和R2。電容C 對電池直流電阻無實際意義，把電容值排除也有利于降低電池內阻值對測試頻率的影響度。有些電池監測系統廠家采用的測量方法是將R1、R2、C 合并在一起，以阻抗的形式直接代表電池內阻。由于阻抗隨測試頻率變化而變化，這樣會導致不同的設備廠家測試同一節電池得到不同的阻抗值。系統測量的內阻值為直流電阻值，不隨測試頻率變化，因此可以與標準測試儀表直接對比數值準確性。

2.2 接線方式

電池內阻為毫歐級的阻值，通常測試線纜本身的電阻就會有1 mΩ，再疊加上電線端子的電阻，導致測量系統本身引入的電阻已經超過了電池內阻。使得測量系統對電池內阻變化的敏感程度降低，無法有效判斷電池內阻增大。由于線阻與現場施工質量有很大關系，甚至會隨時間變化。因此軟件優化的方式仍然無法解決測量精度低的問題。

電池監測系統中內阻采集模塊與電池采用4 線法連接（圖2），4 線法即電池的正負極分別有兩根線與內阻模塊連接，一根對電池進行脈沖放電，另一根用于信號采集。測量系統只從激勵和采集線匯合處計算內阻，避免線阻對測量結果的影響，降低了對線纜連接質量的要求。

圖2 電池傳感器模塊連接

2.3 內阻測量原理

內阻采集模塊收到測量內阻的命令后，采用內部算法控制電流的幅度和頻率，形成專有的放電波形對電池放電，放電電流為2～6 A，確保蓄電池的電壓響應來自于蓄電池的真實能量層而不是表面能量層。模塊提供的脈沖電流放電會引起電池電壓的微小波動，由采集線將微弱電壓信號采集到模塊中。通過內部系統識別與放大處理后，轉換為數字信號進行運算。最終得出等效模型中R1、R2 和C 的數值。在數據處理過程中，獨特的濾波電路和軟件算法可以對有效信號進行甄別，剔除電池充電設備或其他設備帶來的干擾信號，保證最終內阻數值具有很高的重復精度。

3 系統架構

該系統主要由電池內阻采集模塊、電池電流采集模塊、主控模塊和監控系統軟件組成。其中，電池內阻采集模塊用于監測電池電壓、內阻和溫度，電池電流采集模塊用于監測電池組電流，主控模塊負責匯總單體電池、電流數據，處理告警信息并上傳數據。監控系統軟件可以方便工作人員在計算機上查看電池的各項數據（圖3）。

圖3 電池在線監測系統架構

（1）UPS 蓄電池在線監測系統架構為每節電池配備一個電池傳感器模塊（圖4），每組電池配備一個電流檢測模塊，通過通信線連接成環路到主控模塊（圖5）。主控模塊負責采集數據、顯示數據和上傳數據，電池傳感器模塊負責電壓、溫度、內阻采集，電流檢測模塊負責電流的采集。同時系統可以通過以太網、RS485 接口連接至中控系統。

圖4 電池傳感器模塊

圖5 主控模塊

（2）電池監測主控模塊是整個蓄電池監測系統的核心組件。主要進行蓄電池數據的收集、告警判斷和處理上傳等工作。用戶可通過主控模塊在本地查詢電池的詳細數據和告警數據。

（3）電池傳感器模塊主要完成對蓄電池的電壓、溫度、內阻參數測試工作。在接收到主控模塊發出的測試命令后，立即啟動相應測試，測試完成后以數據形式返回給主控模塊。測試回路與通信回路采用光電隔離，確保用戶系統安全。電池傳感器模塊由紋波電流供電，功耗極低（26 mA），對電池影響可忽略不計。

（4）蓄電池在線管理軟件是基于SQL 數據庫，針對蓄電池在線監測產品研發的上位機軟件，可以輕松獲得單體蓄電池的電壓、電流運行曲線，以及單體蓄電池的內阻數據，為判斷蓄電池的狀態提供可靠依據。具有以下功能：①實時監測蓄電池組的電壓、電流；②實時監測蓄電池組中的單體蓄電池電壓、溫度，可以通過數據列表、曲線圖等多種方式顯示數據；③實時測量并記錄單體蓄電池的內阻，給出蓄電池全部使用期間的內阻曲線，便于用戶分析蓄電池的狀態變化情況；④在蓄電池充放電狀態下，記錄蓄電池的充放電過程，給出蓄電池的充放電曲線及參數，提供蓄電池電壓、電流、溫度和內阻等參數的報警。

4 實現功能

（1）在線測量電池的單體電壓、單體內阻、組壓、充電電壓和環境溫度（圖6）。一旦發現某個參數有異常或其變化趨勢有異常時立即告警，使得管理維護人員及時發現問題或潛在的隱患，及時進行處理，保證系統的可靠性與安全性。單體電壓、組壓和單體電阻等參數超限時自動告警，告警閥值可設置。告警發生時設備發出告警聲音，通過設備查詢具體告警內容。

圖6 組電池曲線

（2）在線24 h 監測，實現蓄電池組無人值守，實時掌握電池狀況，減少人工維護量。可實現網絡化自動集中實時監控、遠程維護管理及故障預警通知。

5 海上電網UPS 蓄電池在線監測系統的優勢

（1）安全優勢。電池傳感器模塊內置完善的過溫、過流保護措施。電路設計采用三重保護，模塊萬一失效，不會對電池和UPS 造成影響。電池傳感器模塊電池端和通信端接口采用電氣隔離，可達到3750 V 安全隔離電壓。電池連接采用隨時和電池分離的可拆卸式監測端子。

（2）技術優勢。電池內阻測試采用中小信號交流法，測試頻率根據UPS 參數動態調整，高抗擾性保證內阻值不受UPS 紋波干擾。一次只測試一節電池內阻（測試時間5 s），不給整組電池同時加激勵信號，避免干擾UPS 正常工作。產品生命周期經過完善的物料、設計、測試、生產和失效分析流程，保證產品可靠性。采用最先進的外置溫度探頭模式，采用半導體溫度傳感器，不存在熱電偶隨時間性能退化的問題。外置溫度探頭可靈活安裝在電池任何位置，最準確地測量電池真實溫度。

（3）應用優勢。在電池健康度分析方面積累了大量基礎數據，有豐富的經驗可預警出有惡化趨勢的電池。產品可兼容各種UPS（工頻、高頻等），在不同工業場合下均能保證測試準確。

（4）工程優勢。產品安裝架構的合理設計，保證產品布線簡潔，施工容易。歸一化的模塊布置給平臺維護人員帶來正規、整齊的感覺。操作電池階段只需安裝檢測墊片（不需布線），讓電池脫離UPS 時間最短，最大化降低施工階段帶來的風險。施工前結合平臺現場情況，制作3D 布線效果圖供客戶審核，保證施工效果和客戶預期一致。

6 結語

UPS 蓄電池在線監測系統是對UPS 蓄電池的電池內阻和端電壓狀態監測與分析的電池故障在線監測預警系統。發現性能嚴重劣化故障電池，立即報警；跟蹤電池的性能均衡性，發現個別蓄電池早期失效的情況，失效提前預警，為電池“精細”維護提供依據。此次項目實施，可以有效地降低因電池故障導致的停電和著火等安全事故概率。能夠樹立良好的電池使用方式，延長使用壽命，節約采購成本，能為平臺建立完整的蓄電池運維數據庫，為蓄電池的產品選擇提供依據，保障了電池組穩定可靠，確保UPS 電源系統正常工作。同時，大大提高了電池維護效率，節省人員和時間的投入，使得UPS 電池維護需要的人數從3 人減少到1 人，維護時間從4 h 縮短到5 min，為平臺后期UPS 電池維護節約了成本。蓄電池在線監測系統不僅可在UPS 蓄電池中使用，在變電站直流電源系統及需要配置蓄電池的場所均可使用，具有廣泛的應用價值。