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淺談數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS蓄電池在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

更新時(shí)間：2022-11-17

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吳柯霓

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：蓄電池是數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)備在斷電情況下正常工作的重要保障裝備。確保蓄電池在緊急情況下的正常工作是數(shù)據(jù)中心運(yùn)維管理的重要工作之一。本文研究采用蓄電池在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)7×24小時(shí)實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)蓄電池內(nèi)阻變化趨勢(shì)對(duì)蓄電池性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)出現(xiàn)隱患的蓄電池進(jìn)行預(yù)防性維修或更換，從而保障數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)備安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：蓄電池電壓；蓄電池溫度；蓄電池內(nèi)阻；直流放電法；交流注入法

1 引言

數(shù)據(jù)中心是用于集中存放服務(wù)器、磁盤(pán)陣列、交換機(jī)、防火墻等設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)施。在5G及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，伴隨著“新基建"的浪潮以及信息化和智能化技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，數(shù)量也越來(lái)越多。蓄電池作為保障機(jī)房設(shè)備可靠運(yùn)行的裝備，其重要性和安全性也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

數(shù)據(jù)中心蓄電池一般串聯(lián)為蓄電池組使用，同一組蓄電池在正常使用一段時(shí)間后，單體電池之間的電壓差異會(huì)逐漸變大，蓄電池組的電壓一致性會(huì)逐漸變差，如果不采取有效措施，這種差異會(huì)越來(lái)越大，導(dǎo)致整組蓄電池容量降低甚至報(bào)廢。

此外，蓄電池還存在自放電現(xiàn)象，同一組蓄電池各個(gè)單體電池之間的自放電電流值大小不等，由此也會(huì)導(dǎo)致個(gè)別單體蓄電池發(fā)生過(guò)充電或者過(guò)放電的現(xiàn)象，從而影響整組蓄電池的健康度。

本文所研究的數(shù)據(jù)中心機(jī)房蓄電池在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用單體蓄電池監(jiān)測(cè)模塊、蓄電池組總電壓監(jiān)測(cè)模塊和直流電流監(jiān)測(cè)模塊，可以實(shí)時(shí)采集各單體電池的電壓、溫度和內(nèi)阻，以及蓄電池組的電壓和充放電電流，并通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析各單體電池和電池組的健康狀況，對(duì)出現(xiàn)放電時(shí)間異常的電池及時(shí)進(jìn)行維護(hù)或更換。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心蓄電池在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)中心設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備組成。系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)圖

監(jiān)測(cè)中心設(shè)備主要由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、Web服務(wù)器、交換機(jī)和網(wǎng)管終端組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)所有被監(jiān)測(cè)蓄電池實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收、處理、存儲(chǔ)和展示，并提供重要參數(shù)及告警的統(tǒng)計(jì)分析功能、用戶(hù)管理功能、日志管理功能和安全管理功能等。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要由單體蓄電池監(jiān)測(cè)模塊、蓄電池組總電壓監(jiān)測(cè)模塊、電流變送器和數(shù)據(jù)處理單元組成。

2.2 系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

蓄電池組總電壓監(jiān)測(cè)模塊采用隔離設(shè)計(jì)，從而保證進(jìn)入數(shù)據(jù)采集處理單元的信號(hào)均為弱電安全電壓，保證數(shù)據(jù)中心機(jī)房蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全性和可靠性。單體蓄電池監(jiān)測(cè)模塊與采集處理單元之間采用一級(jí)電氣隔離電路設(shè)計(jì)，高耐壓2500Vac。采集處理單元與供電電源之間采用一級(jí)電氣隔離電路設(shè)計(jì)，高耐壓2500Vac。采集處理單元與上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心之間采用一級(jí)電氣隔離電路，高耐壓1000Vdc。

單體蓄電池監(jiān)測(cè)模塊電源輸入端采用自恢復(fù)電子保險(xiǎn)，防止個(gè)別監(jiān)測(cè)模塊發(fā)生故障影響其它模塊的正常工作。

3 蓄電池內(nèi)阻監(jiān)測(cè)

3.1 蓄電池內(nèi)阻特性

對(duì)單體蓄電池的監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要包括電壓、溫度和內(nèi)阻。蓄電池容量降低后，其單體電壓值并無(wú)明顯變化，而單體內(nèi)阻值會(huì)明顯升高，因此內(nèi)阻是反映蓄電池容量變化及蓄電池健康度的重要指標(biāo)。

傳統(tǒng)的蓄電池監(jiān)測(cè)模塊僅采集單體電壓指標(biāo)，無(wú)法準(zhǔn)確反映蓄電池健康狀況。蓄電池內(nèi)阻變化規(guī)律是維護(hù)單位更換蓄電池的主要依據(jù)，因此有必要對(duì)蓄電池內(nèi)阻進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2 蓄電池內(nèi)阻測(cè)量原理

蓄電池內(nèi)阻的測(cè)量方法較多，相互之間的差異也比較大，一般常用的測(cè)量技術(shù)為交流注入法和直流放電法兩種。交流注入法測(cè)量時(shí)會(huì)在蓄電池正負(fù)極之間施加一個(gè)高頻交流信號(hào)，并測(cè)量由該高頻交流信號(hào)所帶來(lái)的蓄電池正負(fù)極之間的電壓變化，根據(jù)歐姆定律可以計(jì)算出蓄電池的內(nèi)阻值。采用交流注入法測(cè)量蓄電池內(nèi)阻存在易受UPS充電器紋波電流和其它工頻噪聲源干擾的問(wèn)題，有些設(shè)備無(wú)法在線(xiàn)對(duì)蓄電池進(jìn)行測(cè)試。

直流放電法測(cè)量?jī)?nèi)阻的原理是對(duì)蓄電池進(jìn)行瞬間放電并測(cè)量蓄電池正負(fù)極之間的電壓變化值。當(dāng)斷開(kāi)和接通負(fù)載設(shè)備時(shí)，依據(jù)瞬時(shí)的壓升和壓降，根據(jù)歐姆定律計(jì)算出蓄電池等效內(nèi)阻。早期受A/D采樣芯片精度的限制，內(nèi)阻測(cè)量時(shí)瞬時(shí)放電的電流一般要達(dá)到30安培以上，對(duì)蓄電池性能有一定損害，同時(shí)也存在一定的安全隱患。隨著A/D采集芯片及抗干擾技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在可以準(zhǔn)確地測(cè)量出電池上小至0.5mV的電壓變化，與之前的技術(shù)相比，電壓分辨率提高了80%以上，在同等內(nèi)阻測(cè)量精度下，內(nèi)阻放電電流可以減小80%，所以采用小電流測(cè)內(nèi)阻時(shí)電流一般可設(shè)定在5A左右。

3.3 蓄電池性能評(píng)價(jià)

不同于普通電阻,蓄電池的內(nèi)阻包括金屬部分和化學(xué)部分，受到制造工藝和材料差異的影響，即使采用相同的測(cè)量?jī)x表，同一批次的每節(jié)蓄電池之間內(nèi)阻值也存在差異，有時(shí)這種差異會(huì)達(dá)到50%以上。采用交流法監(jiān)測(cè)內(nèi)阻時(shí)，由于電池內(nèi)部電容的旁路作用，交流法測(cè)量出的內(nèi)阻會(huì)比直流法小，不同交流法或直流法測(cè)出的內(nèi)阻值之間也存在差別，但同一節(jié)蓄電池內(nèi)阻的變化規(guī)律一致。因此，僅通過(guò)蓄電池內(nèi)阻值來(lái)判斷蓄電池性能并不可行。

目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)針對(duì)蓄電池在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)規(guī)范，IEEEStd1188-2005《站用閥控鉛酸（VRLA）蓄電池的維護(hù)、測(cè)試和更換方法》（RecommendedPracticeforMaintenance,Testing,andReplacementofValveRegulatedLead-Acid(VRLA)BatteriesforStationaryApplications）中提到，當(dāng)單體蓄電池內(nèi)阻值變大至該電池基準(zhǔn)內(nèi)阻值的1.3至1.5倍時(shí)，其容量將降低至額定值的80%，即使電池仍具有滿(mǎn)足直流系統(tǒng)負(fù)載的電流能力，其性能退化速度也在加劇，建議更換蓄電池。

綜上，本文所研究的數(shù)據(jù)中心機(jī)房蓄電池在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在蓄電池投運(yùn)初期記錄初始內(nèi)阻值，并作為該節(jié)蓄電池的基準(zhǔn)內(nèi)阻值。系統(tǒng)將定期測(cè)量的內(nèi)阻值與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，根據(jù)蓄電池內(nèi)阻值變化幅度來(lái)評(píng)價(jià)蓄電池的性能。

4 安科瑞蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹設(shè)備選型

4.1 概述

安科瑞公司ABAT系列鉛酸蓄電池在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在線(xiàn)電池監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，可以提前對(duì)失效的鉛酸蓄電池進(jìn)行預(yù)警及電池均衡，符合ANSI/TIA-942標(biāo)準(zhǔn)要求。

該系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)電池的電壓、內(nèi)阻與內(nèi)部溫度功能，安裝、維護(hù)與接入非常方便。系統(tǒng)主要由ABAT-S模塊、ABAT-C模塊及ABAT-M采集器組成，可通過(guò)采集器查詢(xún)告警與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)等，可選配監(jiān)測(cè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化集中管理。

4.2 系統(tǒng)組網(wǎng)

4.3 軟件介紹

5 總結(jié)

本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)中心機(jī)房蓄電池在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在國(guó)鐵集團(tuán)多個(gè)調(diào)度樓信息機(jī)房及全國(guó)大量高鐵站信息主機(jī)房投入使用，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)房蓄電池組的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)蓄電池內(nèi)阻變大并超出安全范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警提示，維護(hù)人員據(jù)此及時(shí)作出響應(yīng)，對(duì)容量下降的蓄電池進(jìn)行隔離和更換，保證蓄電池組工作在良好狀態(tài)，避免停電后造成后備電源系統(tǒng)癱瘓，從而提高數(shù)據(jù)中心機(jī)房的安全性和可靠性。

圖2 烏魯木齊鐵路局調(diào)度樓信息機(jī)房應(yīng)用效果圖

【參考文獻(xiàn)】

【1】袁振江,周家梁,數(shù)據(jù)中心機(jī)房蓄電池在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究.電子與通信技術(shù).2020,(7).139-140

【2】鄒育鵬.蓄電池在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用和效果【J】.通信電源技術(shù)，2019,36（12）：89-91

【3】魏治華，奚少華，許飛.UPS蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理及應(yīng)用

【4】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.5版

作者簡(jiǎn)介：吳柯霓，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。