淺(qian)談(tan)數(shu)據(ju)中心機房UPS蓄(xu)電(dian)池(chi)在線(xian)監(jian)測(ce)系(xi)統研究

安(an)科(ke)瑞電(dian)氣(qi)股(gu)份有(you)限公司 上(shang)海(hai)嘉定201801

摘(zhai)  要(yao)：蓄(xu)電(dian)池(chi)是數(shu)據(ju)中心機房設(she)備(bei)在(zai)斷(duan)電(dian)情況下正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)的(de)重要(yao)保(bao)障裝(zhuang)備(bei)。確(que)保(bao)蓄(xu)電(dian)池(chi)在緊(jin)急(ji)情況下的(de)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)是(shi)數(shu)據(ju)中心運維(wei)管(guan)理(li)的(de)重要工(gong)作(zuo)之壹(yi)。本文(wen)研究采用蓄(xu)電(dian)池(chi)在線(xian)監(jian)測(ce)系(xi)統，實(shi)現(xian)7×24小時實(shi)時在線(xian)監(jian)測(ce)，並根(gen)據(ju)蓄(xu)電(dian)池(chi)內阻變化(hua)趨勢對蓄(xu)電(dian)池(chi)性能(neng)進(jin)行評價，對出現隱(yin)患(huan)的(de)蓄(xu)電(dian)池(chi)進行預防(fang)性(xing)維(wei)修或(huo)更(geng)換，從而保(bao)障數(shu)據(ju)中心機房設(she)備(bei)安(an)全(quan)運行。

關鍵(jian)詞(ci)：蓄(xu)電(dian)池(chi)電(dian)壓；蓄(xu)電(dian)池(chi)溫度(du)；蓄(xu)電(dian)池(chi)內阻；直流(liu)放(fang)電(dian)法；交(jiao)流註(zhu)入(ru)法(fa)

       數(shu)據(ju)中心是(shi)用於集中存放服(fu)務器、磁(ci)盤(pan)陣(zhen)列(lie)、交(jiao)換(huan)機、防(fang)火(huo)墻等(deng)設備(bei)的(de)基(ji)礎設(she)施(shi)。在5G及移動(dong)互(hu)聯(lian)網(wang)時代，伴(ban)隨(sui)著(zhe)“新基(ji)建"的(de)浪(lang)潮(chao)以及信息(xi)化和(he)智(zhi)能(neng)化(hua)技術的高(gao)速(su)發(fa)展，數(shu)據(ju)中心建(jian)設(she)規(gui)模越來(lai)越大，數(shu)量也(ye)越(yue)來(lai)越多。蓄(xu)電(dian)池(chi)作為(wei)保(bao)障機房設(she)備(bei)可(ke)靠(kao)運行的裝(zhuang)備(bei)，其(qi)重要(yao)性(xing)和(he)安(an)全(quan)性也(ye)越(yue)來(lai)越受(shou)到(dao)人們(men)的(de)關註(zhu)。

       數(shu)據(ju)中心蓄(xu)電(dian)池(chi)壹(yi)般串聯(lian)為(wei)蓄(xu)電(dian)池(chi)組使(shi)用，同壹(yi)組蓄(xu)電(dian)池(chi)在正(zheng)常(chang)使(shi)用壹(yi)段(duan)時間後(hou)，單體電(dian)池(chi)之間(jian)的(de)電(dian)壓差(cha)異會逐漸(jian)變大(da)，蓄(xu)電(dian)池(chi)組的(de)電(dian)壓壹(yi)致性(xing)會逐漸(jian)變差(cha)，如(ru)果(guo)不(bu)采(cai)取有(you)效措施(shi)，這種差(cha)異(yi)會越來(lai)越大，導(dao)致(zhi)整組蓄(xu)電(dian)池(chi)容量(liang)降低甚(shen)至(zhi)報廢(fei)。

       此(ci)外，蓄(xu)電(dian)池(chi)還(hai)存在自(zi)放電(dian)現象(xiang)，同壹(yi)組蓄(xu)電(dian)池(chi)各(ge)個(ge)單體電(dian)池(chi)之間(jian)的(de)自(zi)放電(dian)電(dian)流值(zhi)大小不等(deng)，由(you)此(ci)也(ye)會導致個(ge)別單體蓄(xu)電(dian)池(chi)發生過(guo)充電(dian)或(huo)者(zhe)過(guo)放電(dian)的現(xian)象(xiang)，從而影響整組蓄(xu)電(dian)池(chi)的健康(kang)度(du)。

       本文(wen)所研究的數(shu)據(ju)中心機房蓄(xu)電(dian)池(chi)在線(xian)監(jian)測(ce)系(xi)統利用單體蓄(xu)電(dian)池(chi)監(jian)測(ce)模(mo)塊(kuai)、蓄(xu)電(dian)池(chi)組總(zong)電(dian)壓監(jian)測(ce)模(mo)塊(kuai)和(he)直流(liu)電(dian)流監(jian)測(ce)模(mo)塊(kuai)，可(ke)以(yi)實(shi)時采集各(ge)單體電(dian)池(chi)的電(dian)壓、溫(wen)度(du)和內阻，以及蓄(xu)電(dian)池(chi)組的(de)電(dian)壓和(he)充放電(dian)電(dian)流，並通(tong)過(guo)以上(shang)數(shu)據(ju)分(fen)析各(ge)單體電(dian)池(chi)和電(dian)池(chi)組的(de)健康(kang)狀(zhuang)況，對出現放(fang)電(dian)時間異(yi)常(chang)的(de)電(dian)池(chi)及時進行維護或(huo)更(geng)換。

2.1系(xi)統架構(gou)設計(ji)

       數(shu)據(ju)中心蓄(xu)電(dian)池(chi)在線(xian)監(jian)測(ce)系(xi)統由(you)監(jian)測(ce)中心設(she)備(bei)和(he)現(xian)場(chang)監(jian)測(ce)設(she)備(bei)組(zu)成(cheng)。系(xi)統組網(wang)結(jie)構(gou)如圖(tu)1所(suo)示(shi)。

圖(tu)1蓄(xu)電(dian)池(chi)監(jian)測(ce)系(xi)統組網(wang)圖(tu)

       監(jian)測(ce)中心設(she)備(bei)主(zhu)要(yao)由(you)數(shu)據(ju)庫(ku)服務器、應(ying)用服務器、Web服務(wu)器、交換(huan)機和網(wang)管(guan)終(zhong)端(duan)組(zu)成(cheng)，實(shi)現(xian)對數(shu)據(ju)中心機房內所有(you)被(bei)監(jian)測(ce)蓄(xu)電(dian)池(chi)實(shi)時數(shu)據(ju)的(de)接(jie)收、處(chu)理(li)、存儲和(he)展示，並提(ti)供重要參數(shu)及告警的統(tong)計(ji)分(fen)析功能(neng)、用戶(hu)管(guan)理(li)功能(neng)、日(ri)誌管(guan)理(li)功能(neng)和(he)安(an)全(quan)管(guan)理(li)功能(neng)等(deng)。

       現場(chang)監(jian)測(ce)設(she)備(bei)主(zhu)要(yao)由(you)單體蓄(xu)電(dian)池(chi)監(jian)測(ce)模(mo)塊(kuai)、蓄(xu)電(dian)池(chi)組總(zong)電(dian)壓監(jian)測(ce)模(mo)塊(kuai)、電(dian)流變送(song)器和數(shu)據(ju)處(chu)理(li)單元組(zu)成(cheng)。

2.2系(xi)統安(an)全(quan)設計(ji)

       蓄(xu)電(dian)池(chi)組總(zong)電(dian)壓監(jian)測(ce)模(mo)塊(kuai)采(cai)用隔離設(she)計(ji)，從而保(bao)證進入(ru)數(shu)據(ju)采(cai)集處(chu)理(li)單元的(de)信(xin)號均為(wei)弱電(dian)安(an)全(quan)電(dian)壓，保(bao)證數(shu)據(ju)中心機房蓄(xu)電(dian)池(chi)監(jian)測(ce)系(xi)統的安(an)全(quan)性和可(ke)靠(kao)性。單體蓄(xu)電(dian)池(chi)監(jian)測(ce)模(mo)塊(kuai)與(yu)采(cai)集處(chu)理(li)單元之間(jian)采(cai)用壹(yi)級電(dian)氣(qi)隔(ge)離(li)電(dian)路設(she)計(ji)，高耐壓(ya)2500Vac。采(cai)集處(chu)理(li)單元與(yu)供電(dian)電(dian)源之間(jian)采(cai)用壹(yi)級電(dian)氣(qi)隔(ge)離(li)電(dian)路設(she)計(ji)，高耐壓(ya)2500Vac。采(cai)集處(chu)理(li)單元與(yu)上(shang)位(wei)機監(jian)測(ce)中心之間(jian)采(cai)用壹(yi)級電(dian)氣(qi)隔(ge)離(li)電(dian)路，高(gao)耐壓1000Vdc。

       單體蓄(xu)電(dian)池(chi)監(jian)測(ce)模(mo)塊(kuai)電(dian)源輸入(ru)端(duan)采(cai)用自恢復電(dian)子保(bao)險，防(fang)止個(ge)別監(jian)測(ce)模(mo)塊(kuai)發(fa)生故障影響其(qi)它(ta)模(mo)塊(kuai)的(de)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)。

3.1蓄(xu)電(dian)池(chi)內阻特性

       對單體蓄(xu)電(dian)池(chi)的監(jian)測(ce)指(zhi)標(biao)主(zhu)要(yao)包括電(dian)壓、溫(wen)度(du)和內阻。蓄(xu)電(dian)池(chi)容量(liang)降低後，其(qi)單體電(dian)壓值(zhi)並無(wu)明(ming)顯(xian)變化(hua)，而(er)單體內阻值會明(ming)顯(xian)升(sheng)高，因此(ci)內阻是反(fan)映(ying)蓄(xu)電(dian)池(chi)容量(liang)變化(hua)及蓄(xu)電(dian)池(chi)健康(kang)度(du)的重(zhong)要(yao)指標(biao)。

傳統(tong)的(de)蓄(xu)電(dian)池(chi)監(jian)測(ce)模(mo)塊(kuai)僅(jin)采(cai)集單體電(dian)壓指(zhi)標(biao)，無(wu)法(fa)準(zhun)確反(fan)映(ying)蓄(xu)電(dian)池(chi)健康(kang)狀(zhuang)況。蓄(xu)電(dian)池(chi)內阻變化(hua)規(gui)律是維(wei)護單位(wei)更(geng)換蓄(xu)電(dian)池(chi)的主(zhu)要(yao)依(yi)據(ju)，因此(ci)有(you)必(bi)要(yao)對蓄(xu)電(dian)池(chi)內阻進行監(jian)測(ce)。

3.2蓄(xu)電(dian)池(chi)內阻測量原(yuan)理(li)

       蓄(xu)電(dian)池(chi)內阻的測量(liang)方(fang)法(fa)較多，相互(hu)之間(jian)的(de)差(cha)異也(ye)比(bi)較大，壹(yi)般常(chang)用的測量(liang)技術(shu)為(wei)交流(liu)註(zhu)入(ru)法(fa)和(he)直流(liu)放(fang)電(dian)法兩(liang)種。交(jiao)流(liu)註(zhu)入(ru)法(fa)測(ce)量(liang)時會在蓄(xu)電(dian)池(chi)正(zheng)負(fu)極(ji)之間(jian)施(shi)加壹(yi)個(ge)高頻交(jiao)流(liu)信號，並測量由(you)該高(gao)頻交流信號所帶來(lai)的蓄(xu)電(dian)池(chi)正(zheng)負(fu)極(ji)之間(jian)的(de)電(dian)壓變化(hua)，根(gen)據(ju)歐(ou)姆(mu)定律(lv)可(ke)以(yi)計(ji)算出蓄(xu)電(dian)池(chi)的內阻值。采用交流註(zhu)入(ru)法(fa)測(ce)量(liang)蓄(xu)電(dian)池(chi)內阻存在易受(shou)UPS充(chong)電(dian)器紋波電(dian)流和(he)其(qi)它(ta)工(gong)頻(pin)噪(zao)聲源幹擾(rao)的(de)問(wen)題(ti)，有(you)些設(she)備(bei)無(wu)法(fa)在線對蓄(xu)電(dian)池(chi)進行測試。

直流(liu)放(fang)電(dian)法測(ce)量內阻的原(yuan)理(li)是(shi)對蓄(xu)電(dian)池(chi)進行瞬間放(fang)電(dian)並測量蓄(xu)電(dian)池(chi)正(zheng)負(fu)極(ji)之間(jian)的(de)電(dian)壓變化(hua)值(zhi)。當斷(duan)開(kai)和(he)接(jie)通(tong)負(fu)載設(she)備(bei)時，依(yi)據(ju)瞬(shun)時的壓(ya)升(sheng)和壓(ya)降，根(gen)據(ju)歐(ou)姆(mu)定律(lv)計(ji)算出蓄(xu)電(dian)池(chi)等(deng)效內阻。早期受(shou)A/D采(cai)樣(yang)芯(xin)片(pian)精(jing)度(du)的限制，內阻測量時瞬時放電(dian)的電(dian)流壹(yi)般要達到30安(an)培(pei)以上(shang)，對蓄(xu)電(dian)池(chi)性能(neng)有(you)壹(yi)定損(sun)害，同時也(ye)存在壹(yi)定的(de)安(an)全(quan)隱患(huan)。隨(sui)著(zhe)A/D采(cai)集芯(xin)片(pian)及抗幹擾技(ji)術的(de)不(bu)斷(duan)發(fa)展，現在可(ke)以(yi)準(zhun)確地(di)測(ce)量(liang)出電(dian)池(chi)上(shang)小至0.5mV的電(dian)壓變化(hua)，與(yu)之前(qian)的(de)技術(shu)相比(bi)，電(dian)壓分(fen)辨率(lv)提(ti)高(gao)了(le)80%以(yi)上(shang)，在(zai)同等(deng)內阻測量精(jing)度(du)下，內阻放電(dian)電(dian)流可(ke)以(yi)減(jian)小80%，所以采用小電(dian)流測(ce)內阻時電(dian)流壹(yi)般可(ke)設(she)定在(zai)5A左(zuo)右(you)。

3.3蓄(xu)電(dian)池(chi)性能(neng)評(ping)價

       不同於普(pu)通(tong)電(dian)阻,蓄(xu)電(dian)池(chi)的內阻包括金屬(shu)部分(fen)和化(hua)學(xue)部分(fen)，受(shou)到(dao)制(zhi)造(zao)工(gong)藝和材料(liao)差異(yi)的(de)影(ying)響，即使(shi)采用相同的測量(liang)儀表，同壹(yi)批次(ci)的每節(jie)蓄(xu)電(dian)池(chi)之間(jian)內阻值也(ye)存在差(cha)異，有(you)時這種差(cha)異(yi)會達到50%以(yi)上(shang)。采(cai)用交流法(fa)監(jian)測(ce)內阻時，由(you)於電(dian)池(chi)內部電(dian)容的(de)旁路作用，交流法(fa)測量(liang)出的內阻會比(bi)直流(liu)法(fa)小，不同交流法(fa)或(huo)直流(liu)法(fa)測(ce)出的內阻值之間(jian)也(ye)存在差(cha)別，但(dan)同壹(yi)節蓄(xu)電(dian)池(chi)內阻的變化(hua)規(gui)律壹(yi)致。因此(ci)，僅(jin)通(tong)過(guo)蓄(xu)電(dian)池(chi)內阻來(lai)判斷(duan)蓄(xu)電(dian)池(chi)性能(neng)並不可(ke)行。

       目前(qian)國(guo)內尚無(wu)針(zhen)對蓄(xu)電(dian)池(chi)在線(xian)監(jian)測(ce)的(de)標(biao)準(zhun)或(huo)行業(ye)規(gui)範(fan)，IEEEStd1188-2005《站用閥控(kong)鉛酸（VRLA）蓄(xu)電(dian)池(chi)的維(wei)護、測(ce)試(shi)和(he)更(geng)換方(fang)法(fa)》（RecommendedPracticeforMaintenance,Testing,andReplacementofValveRegulatedLead-Acid(VRLA)BatteriesforStationaryApplications）中提(ti)到(dao)，當(dang)單體蓄(xu)電(dian)池(chi)內阻值變大(da)至(zhi)該電(dian)池(chi)基(ji)準(zhun)內阻值的1.3至(zhi)1.5倍時，其(qi)容量(liang)將(jiang)降(jiang)低至額定值(zhi)的(de)80%，即使(shi)電(dian)池(chi)仍具(ju)有(you)滿(man)足(zu)直流(liu)系(xi)統負(fu)載的(de)電(dian)流能(neng)力(li)，其(qi)性能(neng)退(tui)化速度(du)也(ye)在(zai)加劇(ju)，建議更(geng)換蓄(xu)電(dian)池(chi)。

       綜上(shang)，本(ben)文(wen)所研究的數(shu)據(ju)中心機房蓄(xu)電(dian)池(chi)在線(xian)監(jian)測(ce)系(xi)統在蓄(xu)電(dian)池(chi)投(tou)運初(chu)期(qi)記錄初(chu)始(shi)內阻值，並作為(wei)該節(jie)蓄(xu)電(dian)池(chi)的基(ji)準(zhun)內阻值。系(xi)統將定期(qi)測(ce)量的(de)內阻值與基(ji)準(zhun)值進(jin)行比(bi)較，根(gen)據(ju)蓄(xu)電(dian)池(chi)內阻值變化(hua)幅(fu)度(du)來(lai)評價蓄(xu)電(dian)池(chi)的性(xing)能(neng)。

4.1概(gai)述

       安(an)科(ke)瑞公司ABAT系(xi)列鉛酸蓄(xu)電(dian)池(chi)在線(xian)監(jian)測(ce)系(xi)統是在線電(dian)池(chi)監(jian)測(ce)產(chan)品，可(ke)以(yi)提(ti)前(qian)對失(shi)效的鉛酸蓄(xu)電(dian)池(chi)進行預警及電(dian)池(chi)均衡，符(fu)合ANSI/TIA-942標(biao)準(zhun)要求(qiu)。

  該系(xi)統具有(you)監(jian)測(ce)電(dian)池(chi)的電(dian)壓、內阻與內部溫度(du)功能(neng)，安(an)裝(zhuang)、維(wei)護與(yu)接(jie)入(ru)非(fei)常(chang)方(fang)便(bian)。系(xi)統主(zhu)要(yao)由(you)ABAT-S模(mo)塊(kuai)、ABAT-C模(mo)塊(kuai)及ABAT-M采集器組成(cheng)，可(ke)通(tong)過(guo)采集器查(zha)詢告警與實(shi)時數(shu)據(ju)、設(she)置(zhi)參數(shu)等(deng)，可(ke)選(xuan)配監(jian)測(ce)平(ping)臺實(shi)現(xian)網(wang)絡(luo)化(hua)集中管(guan)理(li)。

4.2系(xi)統組網(wang)

4.3軟件(jian)介紹(shao)

       本文(wen)所設(she)計(ji)的數(shu)據(ju)中心機房蓄(xu)電(dian)池(chi)在線(xian)監(jian)測(ce)系(xi)統已在國鐵(tie)集團多個(ge)調度(du)樓信(xin)息(xi)機房及全國大量(liang)高鐵(tie)站信(xin)息(xi)主(zhu)機房投(tou)入(ru)使(shi)用，系(xi)統實(shi)現(xian)了對機房蓄(xu)電(dian)池(chi)組的(de)實(shi)時監(jian)測(ce)，當(dang)蓄(xu)電(dian)池(chi)內阻變大(da)並超出安(an)全(quan)範(fan)圍時，系(xi)統會自動(dong)發(fa)出報警提(ti)示(shi)，維(wei)護人員(yuan)據(ju)此(ci)及時作出響應(ying)，對容量(liang)下降(jiang)的(de)蓄(xu)電(dian)池(chi)進行隔離和(he)更(geng)換，保(bao)證蓄(xu)電(dian)池(chi)組工(gong)作(zuo)在(zai)良好狀(zhuang)態，避免停(ting)電(dian)後造(zao)成後備(bei)電(dian)源系(xi)統癱瘓，從而提(ti)高(gao)數(shu)據(ju)中心機房的(de)安(an)全(quan)性和可(ke)靠(kao)性。

圖(tu)2烏(wu)魯(lu)木(mu)齊調度(du)樓信(xin)息(xi)機房應(ying)用效果(guo)圖(tu)

 

【參(can)考文(wen)獻】 

【1】袁振江,周家(jia)梁,數(shu)據(ju)中心機房蓄(xu)電(dian)池(chi)在線(xian)監(jian)測(ce)系(xi)統研究.電(dian)子與(yu)通(tong)信(xin)技(ji)術(shu).2020,(7).139-140

【2】鄒(zou)育(yu)鵬(peng).蓄(xu)電(dian)池(chi)在線(xian)監(jian)測(ce)系(xi)統的實(shi)踐(jian)應(ying)用和效果(guo)【J】.通(tong)信(xin)電(dian)源技術(shu)，2019,36（12）：89-91

【3】魏治華，奚少華，許飛(fei).UPS蓄(xu)電(dian)池(chi)監(jian)測(ce)系(xi)統原(yuan)理(li)及應(ying)用

【4】安(an)科(ke)瑞企業(ye)微(wei)電(dian)網(wang)設(she)計(ji)與應(ying)用手冊2022.5版(ban)