韓峰 王代華

摘 要： 針對(duì)UPS蓄電池性能監(jiān)測(cè)需求的急迫性，提出一種蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)蓄電池運(yùn)行時(shí)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器；分析參數(shù)后，對(duì)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(yè)上隨時(shí)了解每塊蓄電池的狀態(tài)，及時(shí)維修或更換不合格的蓄電池。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠完成所述功能，內(nèi)阻測(cè)量精度達(dá)0.1 mΩ，其他參數(shù)測(cè)量精度也滿足判定需求。

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

中圖分類號(hào)： TN931+.3?34； TM934； TN98 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(shí)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(chǎng)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(shí)有發(fā)生。根據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)大部分UPS蓄電池沒有安裝監(jiān)測(cè)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(chǔ)能部件與核心部件，只要有一個(gè)蓄電池單體失效（通常為容量低于80% 標(biāo)稱容量時(shí)），UPS電源將無(wú)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(shí)的相關(guān)參數(shù)有效體現(xiàn)出來(lái)[3]。

本文提出的UPS蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能在UPS電源工作時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體現(xiàn)其蓄電池運(yùn)行狀態(tài)的電信號(hào)，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(tái)，進(jìn)行分析處理。通過本系統(tǒng)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)健康狀況出現(xiàn)問題的蓄電池單體，排除危險(xiǎn)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(cè)方案

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

監(jiān)測(cè)模塊負(fù)責(zé)采集蓄電池單體工作時(shí)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(wú)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(tái)接收到數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類、存儲(chǔ)、分析處理等操作，對(duì)蓄電池運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，預(yù)判出壽命將要終止的蓄電池。用戶可以使用計(jì)算機(jī)或手機(jī)通過瀏覽器訪問網(wǎng)頁(yè)，了解每塊UPS蓄電池的相關(guān)信息。如果數(shù)據(jù)異常，會(huì)對(duì)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(cè)系統(tǒng)[5]，可以方便地監(jiān)測(cè)一個(gè)區(qū)域中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的UPS蓄電池，保障用戶蓄電池安全運(yùn)行。

2 各模塊設(shè)計(jì)

2.1 蓄電池運(yùn)行工況參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊

每塊蓄電池兩極上并聯(lián)一塊監(jiān)測(cè)模塊，一組蓄電池中的監(jiān)測(cè)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(cè)儀采用RS 485接口與串行通信管理模塊通信，各監(jiān)測(cè)模塊具有獨(dú)立的識(shí)別碼，內(nèi)部并聯(lián)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)互不影響，內(nèi)部框架如圖2所示。因UPS電源工作時(shí)，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(jì)，以增強(qiáng)抗電磁干擾能力，提高測(cè)量精度。

實(shí)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(cè)模塊需要小型化，不僅是為了布線的方便與簡(jiǎn)潔美觀、便于安裝與維護(hù)，更是為了減少蓄電池散熱時(shí)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(gè)具有信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、I/O處理功能的系統(tǒng)，電壓、內(nèi)阻、溫度等采集電路、信號(hào)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(cè)芯片，例如DS2438[8?10]芯片，它可以檢測(cè)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(cè)需求。但它存在兩個(gè)缺陷：一是無(wú)法檢測(cè)內(nèi)阻；二是使用安時(shí)法測(cè)量剩余容量，這種方法會(huì)累計(jì)測(cè)量誤差，長(zhǎng)時(shí)間后檢測(cè)結(jié)果與真實(shí)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(cè)模塊的集中管理及數(shù)據(jù)管理平臺(tái)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(chǔ)器、微控制單元MCU（Microcontroller Unit）、有線數(shù)字傳輸模塊、GPRS無(wú)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(cè)模塊通信。一條總線配置一組蓄電池中的監(jiān)測(cè)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(cè)模塊最大數(shù)量由使用的RS 485芯片型號(hào)決定，例如使用MAX1482型號(hào)，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(yùn)營(yíng)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(wú)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(jì)費(fèi)，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(shí)，可以傳輸數(shù)據(jù)。串行通信管理模塊具有存儲(chǔ)功能，可保存最近一段時(shí)間內(nèi)的蓄電池運(yùn)行數(shù)據(jù)。若與數(shù)據(jù)管理平臺(tái)通信終斷，可使用便攜存儲(chǔ)器從數(shù)據(jù)管理平臺(tái)中拷貝中斷期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入服務(wù)器，也可等通信恢復(fù)后，自動(dòng)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(hào)的電流傳感器、溫度傳感器與其他監(jiān)測(cè)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(jì)，以減少電磁干擾。

2.3 數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

數(shù)據(jù)傳輸流程如圖4所示。

數(shù)據(jù)管理平臺(tái)軟件部分由數(shù)據(jù)庫(kù)以及應(yīng)用程序組成。路由器接收串行通信管理模塊傳來(lái)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(kù)中，對(duì)各數(shù)據(jù)歸類管理、處理分析，以實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)顯示、直觀的變化曲線顯示在網(wǎng)頁(yè)上，供用戶與維護(hù)人員查看。數(shù)據(jù)管理平臺(tái)系統(tǒng)采用 B/S 結(jié)構(gòu)，基于 B/S 結(jié)構(gòu)的網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)將應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)報(bào)表、數(shù)據(jù)打印、視圖管理與蓄電池狀態(tài)評(píng)估等功能。主要功能框圖如圖5所示。

在此列出幾個(gè)主要的功能描述。電池實(shí)時(shí)信息功能中顯示每個(gè)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(gè)體差異。系統(tǒng)對(duì)每節(jié)蓄電池單體進(jìn)行的狀態(tài)評(píng)定，評(píng)定的結(jié)果分為“良好、中等、落后”三個(gè)級(jí)別，并給出“需關(guān)注、需維護(hù)、需更換”等處理意見。評(píng)定的邏輯綜合了一段時(shí)間段內(nèi)阻、電壓、表面溫度、內(nèi)部溫度四個(gè)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(shì)，還可以查看事件的時(shí)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(bào)表、年報(bào)表、容量測(cè)試報(bào)告等報(bào)表；報(bào)警設(shè)置功能中用戶可以設(shè)定報(bào)警的界值范圍、偏離歷史數(shù)據(jù)均值時(shí)的報(bào)警范圍、報(bào)警間隔時(shí)間、防誤報(bào)取值個(gè)數(shù)等，可以選擇報(bào)警方式：手機(jī)撥號(hào)、短信通知、語(yǔ)音警告等。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證整套系統(tǒng)的性能，實(shí)際應(yīng)用測(cè)試中，對(duì)20只不同型號(hào)、新舊程度不同的12 V，100 A·H蓄電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)試結(jié)果如圖6所示，由圖6可看出，內(nèi)阻的測(cè)量精確度可達(dá)0.1 mΩ，電壓測(cè)量精度可達(dá)0.01 V，溫度測(cè)量精度達(dá)到0.1 ℃。監(jiān)測(cè)參量的檢測(cè)精度符合設(shè)計(jì)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(yǔ)

本文提出的基于GPRS的遠(yuǎn)程UPS蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，討論工況參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊、串行通信管理模塊和數(shù)據(jù)管理平臺(tái)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(jì)要求發(fā)揮正常作用；依托數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，全面獲取被監(jiān)測(cè)UPS蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)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(jí)管理人員可及時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行狀況。經(jīng)實(shí)測(cè)表明，整套系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單，各個(gè)工作參數(shù)的測(cè)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(shí)且有針對(duì)性地對(duì)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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