分布式UPS蓄电池远程在线监测系统

韩峰 王代华

摘 要： 针对UPS蓄电池性能监测需求的急迫性，提出一种蓄电池在线监测系统。监测蓄电池运行时的电压、内阻、内部温度、表面温度以及蓄电池组总电流等参数，通过GPRS无线网络上传至数据服务器；分析参数后，对蓄电池单体性能进行判断，找出数据偏离均值范围的蓄电池，预判性能下降的蓄电池。用户通过浏览器，在网页上随时了解每块蓄电池的状态，及时维修或更换不合格的蓄电池。测试结果表明，该系统能够完成所述功能，内阻测量精度达0.1 mΩ，其他参数测量精度也满足判定需求。

关键词： UPS蓄电池； 在线监测； 内阻； GPRS； 数据服务器； 测量精度

中图分类号： TN931+.3?34； TM934； TN98 文献标识码： A 文章编号： 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電源能够全面改善用电设备的用电质量，并在电网电力中断时继续为用电设备提供电源，被广泛应用于银行数据中心、交换机机房、通信基站、电力变电站和机场数据中心等重要部门[1]，而因UPS电源故障造成经济损失并引发严重事故的案件却时有发生。根据调查，国内大部分UPS蓄电池没有安装监测设备，并且只有少部分的UPS蓄电池遵循规定进行了周期性的维护，这使得UPS电源的可靠性与安全性存在潜在问题[2]。蓄电池是UPS电源的储能部件与核心部件，只要有一个蓄电池单体失效（通常为容量低于80% 标称容量时），UPS电源将无法提供完好的后备电源功能，而蓄电池的健康状况可以通过蓄电池工作时的相关参数有效体现出来[3]。

本文提出的UPS蓄电池在线监测系统，能在UPS电源工作时，实时监测体现其蓄电池运行状态的电信号，如：内阻、端电压、表面温度、内部温度等参数，而不影响UPS电源的正常工作，采集的数据利用GPRS技术上传至数据管理平台，进行分析处理。通过本系统，可及时发现健康状况出现问题的蓄电池单体，排除危险于萌芽中，提高UPS电源可靠性与安全性，避免由蓄电池失效而导致的经济损失和安全事故[4]。

1 蓄电池在线监测方案

UPS蓄电池在线监测系统主要由蓄电池运行工况参数监测模块（以下简称“监测模块”）、串行通信管理模块和数据管理平台三部分组成，如图1所示。

监测模块负责采集蓄电池单体工作时的参数信息，将采集的数据发送给串行通信管理模块，蓄电池组的充放电电流与室内温度分别采用以数字形式输出的霍尔电流传感器与温度传感器进行采集，传感器的输出端与串行通信管理模块连接。串行通信管理模块将接收到的数据通过GPRS无线通信方式发送到指定的IP地址或域名。数据管理平台接收到数据后，对数据进行归类、存储、分析处理等操作，对蓄电池运行状态进行评估，预判出寿命将要终止的蓄电池。用户可以使用计算机或手机通过浏览器访问网页，了解每块UPS蓄电池的相关信息。如果数据异常，会对用户与监管人员进行提示与告警。本系统是一种远程分布式UPS蓄电池在线监测系统[5]，可以方便地监测一个区域中各监测点的UPS蓄电池，保障用户蓄电池安全运行。

2 各模块设计

2.1 蓄电池运行工况参数监测模块

每块蓄电池两极上并联一块监测模块，一组蓄电池中的监测模块之间用通信电缆连接，连成一条总线，总线起始端或尾端的端口与串行通信管理模块相连接，连接方式如图1所示。工况参数监测仪采用RS 485接口与串行通信管理模块通信，各监测模块具有独立的识别码，内部并联，数据传输时互不影响，内部框架如图2所示。因UPS电源工作时，有较强的电磁干扰，所以电路端口需具有EMC（电磁兼容性）设计，以增强抗电磁干扰能力，提高测量精度。

实际应用中，UPS蓄电池组中的蓄电池是挨放在一起的，所以监测模块需要小型化，不仅是为了布线的方便与简洁美观、便于安装与维护，更是为了减少蓄电池散热时的不利因素。减小体积一般有两种方法：一是利用片上系统SoC（System on Chip）技术，例如使用Cypress公司的PSoC[6?7]（Programmable System on Chip）系列芯片，其指甲盖大小的体积内部集成了MCU、数字系统、模拟系统与系统资源四部分，构成一个具有信号采集、转换、存储、I/O处理功能的系统，电压、内阻、温度等采集电路、信号调理电路、模/数转换电路等都可在其内部进行配置，大大减少所需芯片数量；二是采用蓄电池智能检测芯片，例如DS2438[8?10]芯片，它可以检测蓄电池的电压、电流、剩余容量、温度等参数，本质上讲，它是一种功能固定了的成熟的SoC芯片，满足一般的蓄电池检测需求。但它存在两个缺陷：一是无法检测内阻；二是使用安时法测量剩余容量，这种方法会累计测量误差，长时间后检测结果与真实值误差较大[11]。

2.2 串行通信管理模块

串行通信管理模块负责监测模块的集中管理及数据管理平台的数据、指令通信。具体结构如图3所示，包括RS 485通信模块、存储器、微控制单元MCU（Microcontroller Unit）、有线数字传输模块、GPRS无线传输模块和电源管理模块，若干I/O接口。

串行通信管理模块采用RS 485总线方式与监测模块通信。一条总线配置一组蓄电池中的监测模块，总线数量由UPS电源的蓄电池组数决定。串行通信管理模块理论上可管理的监测模块最大数量由使用的RS 485芯片型号决定，例如使用MAX1482型号，输入阻抗为标准RS 485的[18，]所以最大可并联256块。

通过租用手机SIM（Subscriber Identity Module）卡，依托运营公司的网络，使用GPRS进行网络数据传输。GPRS是一种基于2G通信与3G通信之间的2.5G无线网络通信技术，依托于已有的GSM网络，接入网络速度快，传输速率可达170 kbit/s，可以始终与数据终端处于连线状态，只按数据流量计费，适用于发送频率高而数据不多的信息传输。GPRS模块就是为使用GPRS服务而开发的，直接与MCU连接，插入SIM卡就可传输数据。有线数字通信模块作为后备部分，当GPRS通信出现问题时，可以传输数据。串行通信管理模块具有存储功能，可保存最近一段时间内的蓄电池运行数据。若与数据管理平台通信终断，可使用便携存储器从数据管理平台中拷贝中断期间的监测数据，导入服务器，也可等通信恢复后，自动续传数据。数据管理模块还具有若干I/O接口，允许接入输出为数字信号的电流传感器、温度传感器与其他监测设备（例如摄像机、烟雾传感器等）。本模块同样具有EMC设计，以减少电磁干扰。

2.3 数据管理平台

数据传输流程如图4所示。

数据管理平台软件部分由数据库以及应用程序组成。路由器接收串行通信管理模块传来的数据，通过RJ 45网线传给服务器，解析后，放进数据库中，对各数据归类管理、处理分析，以实时的数据显示、直观的变化曲线显示在网页上，供用户与维护人员查看。数据管理平台系统采用 B/S 结构，基于 B/S 结构的网页设计将应用程序和数据库放在服务器上，方便系统更新维护和功能扩充。

服務程序主要功能为实现数据管理、数据分析、数据报表、数据打印、视图管理与蓄电池状态评估等功能。主要功能框图如图5所示。

在此列出几个主要的功能描述。电池实时信息功能中显示每个电池组与单体电池的当前状态，清晰表明单体蓄电池之间的个体差异。系统对每节蓄电池单体进行的状态评定，评定的结果分为“良好、中等、落后”三个级别，并给出“需关注、需维护、需更换”等处理意见。评定的逻辑综合了一段时间段内阻、电压、表面温度、内部温度四个重要因素，按照不同权重打分；历史信息查询功能中，以折线图的方式显示数据，表明其变化趋势，还可以查看事件的时间、起因、处理方法；系统可按照预设定的格式输出月报表、年报表、容量测试报告等报表；报警设置功能中用户可以设定报警的界值范围、偏离历史数据均值时的报警范围、报警间隔时间、防误报取值个数等，可以选择报警方式：手机拨号、短信通知、语音警告等。

3 实验数据

为了验证整套系统的性能，实际应用测试中，对20只不同型号、新旧程度不同的12 V，100 A·H蓄电池进行监测，测试结果如图6所示，由图6可看出，内阻的测量精确度可达0.1 mΩ，电压测量精度可达0.01 V，温度测量精度达到0.1 ℃。监测参量的检测精度符合设计要求，满足蓄电池性能和健康状况判定的精度需求。

4 结 语

本文提出的基于GPRS的远程UPS蓄电池在线监测系统，讨论工况参数监测模块、串行通信管理模块和数据管理平台的组成与功能；考虑到系统的可扩展性，预留了若干I/O接口；利用备份、冗余等技术手段和措施，排除意外因素的干扰和影响，保证系统按设计要求发挥正常作用；依托数据管理平台，全面获取被监测UPS蓄电池的运行状态，实现状态信息的多角度利用，数据多层次共享，使各级管理人员可及时了解设备运行状况。经实测表明，整套系统运行稳定、操作简单，各个工作参数的测量精度达到判定蓄电池状态的所需精度要求，能够发现性能落后电池，使工作人员及时且有针对性地对蓄电池进行维护或更换，有效地提高了UPS电源的安全性和可靠性。

注：本文通讯作者为王代华。

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