UPS蓄電池監測系統在無人值守平臺的應用

段平安 蔡濤 成明 郭建萍

1中海石油（中國）有限公司湛江分公司

2中海石油（中國）有限公司上海分公司

3渤海鉆探工程有限公司井下作業分公司鉆修工程作業部

油氣田智能化的基礎是在線式集中監測、預測性報警、定期維修及巡檢，中心平臺建造時通常會配置功率管理系統（PMS）對供配電系統進行監控和操作。電池監控是供電監控系統的核心[1]，不間斷電源（UPS）作為海上油氣田的關鍵電氣設備，其電池卻一直以來并沒有納入到PMS 系統進行實時監測。因此，在現有的有人平臺無人化、智能化改造中，通過研究、設計和實施改造，配置一套適合現場使用的電池監測系統非常有必要。

1 海洋采油UPS及電池

海上采油平臺UPS系統如圖1所示。它主要負責給采油平臺中央控制系統（CCS）、通信系統、核心設備電控系統等供電，是海上平臺最重要的供電系統。通常由平臺的燃氣發電機提供主電源和旁路電源，當平臺發生緊急關斷（ESD），失去主電和旁路電源時，UPS 瞬間能自動切換到電池供電，通過逆變送出220 V、110 V 交流電源供這些重要負荷使用。

圖1 海上平臺UPS系統Fig.1 Offshore platform UPS system

蓄電池是UPS 系統的重要組成部分[2]，一旦出現應急情況，若UPS電池不能正常供電或供電時間不足，動力設備、高溫高壓工藝流程可能面臨失控，輕則設備損壞，重則人員受傷、平臺發生火災，帶來災難性的后果。采油平臺上UPS電池通常選擇高質量的鉛酸電池和鎳鎘電池，因為海上的使用環境比較惡劣，實際5年以內就會出現大批量電池容量不足問題，個別電池甚至3 年內就出現故障。蓄電池作為UPS系統的最重要部件，它的優劣直接關系到整個UPS系統的可靠性；然而，根據實際經驗，蓄電池卻是UPS系統中平均無故障時間最短的部件。據統計，85%的UPS系統的失效，是由于電池的故障導致的，所以維護UPS主要是檢測并維護蓄電池，延長其使用壽命。

采油平臺上維修人員對UPS蓄電池進行維修保護，檢測手段一般分為三種：

（1）使用萬用表量電壓來完成，每月1次，耗時較多，實際操作中經常會發現在浮充狀態下壞電池或落后電池與正常電池的電壓沒有太明顯區別[3]。

（2）用核對性放電方式（每年1次）對蓄電池進行容量檢測，并且做電池活化試驗。該方式的缺點是周期長，不能及時反映蓄電池容量的變化情況[4]，時效性太差；雖然是測試電池剩余容量的最有效方法，但不能作為日常維修保護手段使用。

（3）UPS 放電測試，每季度進行1 次，人為關斷UPS 交流輸入[5]，進行蓄電池逆變放電測試。該方式時效性稍好，但風險很大，稍有不慎可能會出現主電未及時恢復電池被放光,電池未帶上負荷而導致的設備關停。而部分UPS廠家為了防止此類事件，某些機型上集成了測試功能，可以實現蓄電池自動監測與管理[6]，在主機面板上進行放電測試。

綜上所述，三種方式都需要維護人員實地操作，不能實時、在線完成操作，不適合采油平臺的智能化、無人化的發展新要求。采油平臺無人化后，每月只定檢1次，集中維護設備，平常不會有人進行設備巡檢，故障的電池通常在2 周內失效；如不能及時發現會影響到其他電池的性能，甚至會因為內部短路、過沖等造成爆炸和火災。因此，迫切需要研究、補充一種可行的UPS蓄電池在線監測系統，通過對各個蓄電池的檢測，及時發現異常問題，并在電腦界面上展示出來[7]，定性、定量、可視、及時地把蓄電池的狀態遠傳到值班的中心平臺上，對故障情況提供聲光警報，引起值班人員的注意，及時進行人工干預，安排人員上平臺進行檢修更換。

2 監測功能需求

單純蓄電池電壓檢測不可靠，反饋的實際容量往往是失真的。根據實驗發現，當蓄電池的內阻上升到一定程度后，電池就進入非穩定狀態，很容易導致損壞。當內阻上升到出廠值的130%以后，有效容量就降低到額定容量的80%，此時就該引起平臺維護人員的重視。

內阻與容量有很好的相關性，因此監測系統除了實時巡檢電池電壓和電流外，還需每天定時測量每塊電池的內阻，記錄歷史數據，繪制曲線，揭示性能特性和老化趨勢。

監測系統應有事件記錄和報警設置，能顯示蓄電池報警狀態（浮充電壓高、浮充電壓低、過放和內阻異常等信息），并提供聲光報警。

當平臺有人時，可以通過本地控制盤進行數據監測；當平臺無人時，則可以在中心平臺上通過上位機進行數據監測。通過數據的連續記錄，形成歷史曲線，并且通過調取歷史曲線能夠觀察蓄電池運行狀況是否良好，在數據對比過程中能夠及時發現問題，及早將問題解決，減少設備發生故障的可能性。

3 監測系統的實現

3.1 檢測原理

檢測核心原理為電池內阻的在線監測。選擇交流法測量方法[8]，對單塊電池的內阻在線監測，向電池里面輸入疊加一個交流電流分量信號，測量這個信號帶來的電壓變化，即可通過計算，算出電池的交流內阻。

3.2 系統組成

電池監測系統由中心平臺監控中心的遠程電腦（上位機）、就地安裝的蓄電池顯示控制屏（下位機）、布置在電池房的電池檢測模塊、總電流傳感器、通信轉換器模塊等組成（圖2）。

圖2 電池監測系統組成Fig.2 Composition of battery monitoring system

顯示控制屏負責電池組數據收集、調度、分析、統計、顯示、對外通信上位機。電池檢測模塊負責測試電池電壓、內阻參數。遠程電腦負責遠程的監測和報警。監控系統為模塊化設計，拓展性良好，配備通信接口，通過交換機將多套監控子系統進行組網，單個遠程電腦程序可集中管理多個平臺的蓄電池監控系統。

3.3 功能實現

首先進行電池分組，以某平臺UPS蓄電池組為例，其電池型號為SAFT SPH115，每組電池12 V，共分成19組，每組配置一個電池監測模塊，如圖3所示。

通過集成電路板件監測模塊監測電壓和內阻（圖4）。

監測模塊連接到每組蓄電池兩端正負接線柱，接線示意圖見圖5。由于平臺電池間是CLASS1 DIVISION 2防爆區，正常情況下，本模塊雖不會產生火花和電弧，但為進一步提高安全程度，防止電氣設備產生危險溫度、電弧和電火花的可能性，選擇增安型（Exe）[9]的接線盒來安裝此模塊。

圖3 某平臺蓄電池分組圖Fig.3 Battery grouping diagram of a platform

圖4 集成電路板件監測模塊Fig.4 Plate monitoring module of integrated circuit

圖5 監測模塊接線圖Fig.5 Wiring diagram of monitoring module

監測模塊帶有兩個RJ10 口，一個進，一個出，模塊之間互相串聯，收集的信息以MODBUS協議通過通信線傳至控制箱的通信轉換器模塊。監測模塊MODBUS RTU 通信點表見圖6。通信轉化器將接受到的MODUBUS信號和總電流霍爾檢測的數據，一起通過RS485口傳到顯示控制屏上。顯示控制屏通過采樣和處理，提供人機交互，并通過一個RJ45 口，使用MODBUS/TCP 協議，將數據傳入上位機開發的管理程序中。

顯示控制屏選擇7 in 昆侖通態TPC7062Ti 屏，使用軟件MCGS 嵌入版進行組態，完成開機畫面、參數設置、手動采樣、主界面、電壓曲線、電流曲線、總電壓和電流等畫面組態及參數設置。典型組態畫面見圖7。

圖6 RTU通信點表Fig.6 RTU communication point table

圖7 觸摸屏組態Fig.7 Touch screen configuration

顯示控制屏有一個RJ45 口，使用MODBUS/TCP協議，通過網線連接到PMS系統網關上，通過海底光纖傳輸到中心平臺PMS系統電腦上。PMS系統電腦（上位機）使用組態王進行程序開發，讀取傳輸來的數據，各畫面與觸摸屏類似，其程序中設置如下報警：①充電電流上限，當電池組充電電流大于此值時告警；②放電電流上限，當電池組放電電流大于此值時告警；③單電池電壓上限，當電池在浮充狀態下，單電池電壓大于此值時告警；④單電池電壓下限，當電池在浮充狀態下，單電池電壓小于此值時告警；⑤終止放電電壓，當電池在放電狀態下，單電池電壓小于此值時告警；⑥出廠內阻值，根據蓄電池出廠檢驗報告設定；⑦內阻異常閾值，當內阻變化率大于此值時告警。

程序運行后，需在系統設置頁面中將各報警定值人工進行輸入。當檢測到電池參數超限值時，就會在主畫面上顯示報警，并可以對過去一段時間電池的內阻、電壓值數據進行保存，用EXCEL 文件可打開查看。設置頁面同樣可以對內阻采樣時間、電池預警和采集電池數量進行相應設置，也可以手動控制采集內阻。在系統設置頁面中的“內阻采樣時間”下的輸入框內，可設置每天內阻采樣的具體時間（圖8）。

圖8 報警設置畫面Fig.8 Picture of alarm setting

4 使用效果

平臺蓄電池監測系統調試后投入運行。2019年3月，中心平臺值班人員巡檢時發現電池監控系統報警，查看畫面發現組電壓異常，報警顯示浮充電壓高，迅速進入人工干預程序，斷開蓄電池回路。通過查看歷史曲線，發現蓄電池組電壓出現周期性波動，蓄電池組內阻顯著上升（圖9），通過進一步排查發現，是UPS 整流模塊CT 出現故障，導致充電電壓異常上升。監控系統及時報警，防止了過沖可能導致的電池損壞、甚至是爆炸，歷史數據的記錄給故障的判斷提供了很好的依據。

圖9 蓄電池組電壓異常畫面Fig.9 Picture of abnormal voltage for stor storage battery

5 結束語

平臺無人化后，最重要的就是確保設備可靠和平臺安全。根據實際應用效果，UPS電池組在線監測系統的投用確實可以預防電池故障，提醒維護人員進行預防性的維修保護，提高UPS可靠性，最大限度地延長電池壽命，避免狀況良好的電池被壞的電池影響。維護人員通過中心平臺的監控畫面就可以實時掌控UPS電池的使用狀況，通過警報信息及時進行人工干預，將故障和事故消滅在萌芽階段。此項技術和這套設備不僅可用于海上采油平臺的無人化、智能化改造上，而且可在新平臺的設計、建造階段中進行推廣。