分布式UPS蓄電池遠程在線監測系統

韓峰 王代華

摘 要： 針對UPS蓄電池性能監測需求的急迫性，提出一種蓄電池在線監測系統。監測蓄電池運行時的電壓、內阻、內部溫度、表面溫度以及蓄電池組總電流等參數，通過GPRS無線網絡上傳至數據服務器；分析參數后，對蓄電池單體性能進行判斷，找出數據偏離均值范圍的蓄電池，預判性能下降的蓄電池。用戶通過瀏覽器，在網頁上隨時了解每塊蓄電池的狀態，及時維修或更換不合格的蓄電池。測試結果表明，該系統能夠完成所述功能，內阻測量精度達0.1 mΩ，其他參數測量精度也滿足判定需求。

關鍵詞： UPS蓄電池； 在線監測； 內阻； GPRS； 數據服務器； 測量精度

中圖分類號： TN931+.3?34； TM934； TN98 文獻標識碼： 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備的用電質量，并在電網電力中斷時繼續為用電設備提供電源，被廣泛應用于銀行數據中心、交換機機房、通信基站、電力變電站和機場數據中心等重要部門[1]，而因UPS電源故障造成經濟損失并引發嚴重事故的案件卻時有發生。根據調查，國內大部分UPS蓄電池沒有安裝監測設備，并且只有少部分的UPS蓄電池遵循規定進行了周期性的維護，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參數有效體現出來[3]。

本文提出的UPS蓄電池在線監測系統，能在UPS電源工作時，實時監測體現其蓄電池運行狀態的電信號，如：內阻、端電壓、表面溫度、內部溫度等參數，而不影響UPS電源的正常工作，采集的數據利用GPRS技術上傳至數據管理平臺，進行分析處理。通過本系統，可及時發現健康狀況出現問題的蓄電池單體，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致的經濟損失和安全事故[4]。

1 蓄電池在線監測方案

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

監測模塊負責采集蓄電池單體工作時的參數信息，將采集的數據發送給串行通信管理模塊，蓄電池組的充放電電流與室內溫度分別采用以數字形式輸出的霍爾電流傳感器與溫度傳感器進行采集，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據通過GPRS無線通信方式發送到指定的IP地址或域名。數據管理平臺接收到數據后，對數據進行歸類、存儲、分析處理等操作，對蓄電池運行狀態進行評估，預判出壽命將要終止的蓄電池。用戶可以使用計算機或手機通過瀏覽器訪問網頁，了解每塊UPS蓄電池的相關信息。如果數據異常，會對用戶與監管人員進行提示與告警。本系統是一種遠程分布式UPS蓄電池在線監測系統[5]，可以方便地監測一個區域中各監測點的UPS蓄電池，保障用戶蓄電池安全運行。

2 各模塊設計

2.1 蓄電池運行工況參數監測模塊

每塊蓄電池兩極上并聯一塊監測模塊，一組蓄電池中的監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。工況參數監測儀采用RS 485接口與串行通信管理模塊通信，各監測模塊具有獨立的識別碼，內部并聯，數據傳輸時互不影響，內部框架如圖2所示。因UPS電源工作時，有較強的電磁干擾，所以電路端口需具有EMC（電磁兼容性）設計，以增強抗電磁干擾能力，提高測量精度。

實際應用中，UPS蓄電池組中的蓄電池是挨放在一起的，所以監測模塊需要小型化，不僅是為了布線的方便與簡潔美觀、便于安裝與維護，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SoC（System on Chip）技術，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部集成了MCU、數字系統、模擬系統與系統資源四部分，構成一個具有信號采集、轉換、存儲、I/O處理功能的系統，電壓、內阻、溫度等采集電路、信號調理電路、模/數轉換電路等都可在其內部進行配置，大大減少所需芯片數量；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，本質上講，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責監測模塊的集中管理及數據管理平臺的數據、指令通信。具體結構如圖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總線方式與監測模塊通信。一條總線配置一組蓄電池中的監測模塊，總線數量由UPS電源的蓄電池組數決定。串行通信管理模塊理論上可管理的監測模塊最大數量由使用的RS 485芯片型號決定，例如使用MAX1482型號，輸入阻抗為標準RS 485的[18，]所以最大可并聯256塊。

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

2.3 數據管理平臺

數據傳輸流程如圖4所示。

數據管理平臺軟件部分由數據庫以及應用程序組成。路由器接收串行通信管理模塊傳來的數據，通過RJ 45網線傳給服務器，解析后，放進數據庫中，對各數據歸類管理、處理分析，以實時的數據顯示、直觀的變化曲線顯示在網頁上，供用戶與維護人員查看。數據管理平臺系統采用 B/S 結構，基于 B/S 結構的網頁設計將應用程序和數據庫放在服務器上，方便系統更新維護和功能擴充。

服務程序主要功能為實現數據管理、數據分析、數據報表、數據打印、視圖管理與蓄電池狀態評估等功能。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前狀態，清晰表明單體蓄電池之間的個體差異。系統對每節蓄電池單體進行的狀態評定，評定的結果分為“良好、中等、落后”三個級別，并給出“需關注、需維護、需更換”等處理意見。評定的邏輯綜合了一段時間段內阻、電壓、表面溫度、內部溫度四個重要因素，按照不同權重打分；歷史信息查詢功能中，以折線圖的方式顯示數據，表明其變化趨勢，還可以查看事件的時間、起因、處理方法；系統可按照預設定的格式輸出月報表、年報表、容量測試報告等報表；報警設置功能中用戶可以設定報警的界值范圍、偏離歷史數據均值時的報警范圍、報警間隔時間、防誤報取值個數等，可以選擇報警方式：手機撥號、短信通知、語音警告等。

3 實驗數據

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

4 結 語

本文提出的基于GPRS的遠程UPS蓄電池在線監測系統，討論工況參數監測模塊、串行通信管理模塊和數據管理平臺的組成與功能；考慮到系統的可擴展性，預留了若干I/O接口；利用備份、冗余等技術手段和措施，排除意外因素的干擾和影響，保證系統按設計要求發揮正常作用；依托數據管理平臺，全面獲取被監測UPS蓄電池的運行狀態，實現狀態信息的多角度利用，數據多層次共享，使各級管理人員可及時了解設備運行狀況。經實測表明，整套系統運行穩定、操作簡單，各個工作參數的測量精度達到判定蓄電池狀態的所需精度要求，能夠發現性能落后電池，使工作人員及時且有針對性地對蓄電池進行維護或更換，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。

參考文獻

[1] 石磊.UPS電源技術及發展[J].電氣開關，2009，47（1）：8?10.

SHI Lei. Development of UPS technology [J]. Electric switchgear， 2009， 47（1）： 8?10.

[2] 何軍.淺談UPS電源在信息化機房中的使用及維護方法[J].電子世界，2016（9）：190.

HE Jun. Introduction to the use and maintenance methods of UPS power supply in informationized computer room [J]. Electronics world， 2016（9）： 190.

[3] JIRAMOREE T， PAISUWANNA P， KHOMFOI S. A multilevel convener charger utilizing superimposed pulse frequency method for prolonging lead?acid battery lifetime [C]// Proceedings of 8th International Conference on Electrical Engineering/Electronics， Computer， Telecommunications and Information Technology. Khon Kaen： IEEE， 2011： 768?771.

[4] 張佳倖，陳小惠，楊焱存.網絡化蓄電池運行參數在線監測系統的設計[J].電子測量與儀器學報，2014，28（2）：177?183.

ZHANG Jiaxing， CHEN Xiaohui， YANG Yancun. Design of networked on?line monitoring system for storage battery operation parameters [J]. Journal of electronic measurement and instrumentation， 2014， 28（2）： 177?183.

[5] 包蕊.變電站蓄電池在線監測方案[J].東北電力技術，2015，36（3）：16?18.

BAO Rui. Substation battery online?monitoring scheme [J]. Northeast electric power technology， 2015， 36（3）： 16?18.

[6] 丁仁偉，邢冰冰，王繼業.基于PSoC技術的實踐教學探索[J].實驗技術與管理，2013，30（6）：105?106.

DING Renwei， XING Bingbing， WANG Jiye. Exploration of practice teaching based on PSoC technology [J]. Experimental technology and management， 2013， 30（6）： 105?106.

[7] 趙德正.基于PSoC技術的嵌入式系統設計[J].湖北工業大學學報，2006，21（3）：132?134.

ZHAO Dezheng. Design of embedded system based on PSoC technology [J]. Journal of Hubei University of Technology， 2006， 21（3）： 132?134.

[8] 王琢，吳細秀，魏洪濤，等.基于DS2438的電池剩余電量監測系統的實現[J].微型機與應用，2012，31（14）：24?26.

WANG Zhuo， WU Xixiu， WEI Hongtao， et al. Implementation of monitoring system of battery remaining capacity based on DS2438 [J]. Microcomputer and its applications， 2012， 31（14）： 24?26.

[9] 嚴加朋，王大志，金有超.基于DS2438的大功率蓄電池狀態檢測[J].單片機與嵌入式系統應用，2011，11（3）：40?42.

YAN Jiapeng， WANG Dazhi， JIN Youchao. Detection of high?power battery based on DS2438 [J]. Microcontrollers &； embedded systems， 2011， 11（3）： 40?42.

[10] 張威，涂承媛，孫樹文.基于單總線技術蓄電池監控系統設計[J].微計算機信息，2009（4）：81?82.

ZHANG Wei， TU Chengyuan， SUN Shuwen. Design of accumulator inspect system based on 1?wire technology [J]. Microcomputer information， 2009（4）： 81?82.

[11] 季迎旭，杜海江，孫航.蓄電池SoC估算方法綜述[J].電測與儀表，2014，51（4）：18?22.

JI Yingxu， DU Haijiang， SUN Hang. A survey of state of charge estimation methods [J]. Electrical measurement &； instrumentation， 2014， 51（4）： 18?22.