淺談數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

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監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)7×24小時(shí)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，并根據(jù)蓄電池內(nèi)阻變化趨勢對蓄電池性能進(jìn)行評價(jià)，對出現(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

數(shù)據(jù)中心是用于集中存放服務(wù)器、磁盤陣列、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)模越來越大，數(shù)量也越來越多。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)生過充電或者過放電的現(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)房蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)利用單體蓄電池監(jiān)測模塊、蓄電池組總電壓監(jiān)測模塊和直流電流監(jiān)測模塊，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，并通過以上數(shù)據(jù)分析各單體電池和電池組的健康狀況，對出現(xiàn)放電時(shí)間異常的電池及時(shí)進(jìn)行維護(hù)或更換。

2.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測中心設(shè)備和現(xiàn)場監(jiān)測設(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)測系統(tǒng)組網(wǎng)圖

監(jiān)測中心設(shè)備主要由數(shù)據(jù)庫服務(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)對數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)所有被監(jiān)測蓄電池實(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、用戶管理功能、日志管理功能和安全管理功能等。

現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備主要由單體蓄電池監(jiān)測模塊、蓄電池組總電壓監(jiān)測模塊、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)測系統(tǒng)的安全性和可靠性。單體蓄電池監(jiān)測模塊與采集處理單元之間采用一級電氣隔離電路設(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)測中心之間采用一級電氣隔離電路，高耐壓1000Vdc。

單體蓄電池監(jiān)測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)測模塊發(fā)生故障影響其它模塊的正常工作。

3.1蓄電池內(nèi)阻特性

對單體蓄電池的監(jiān)測指標(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)測模塊僅采集單體電壓指標(biāo)，無法準(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)，因此有必要對蓄電池內(nèi)阻進(jìn)行監(jiān)測。

3.2蓄電池內(nèi)阻測量原理

蓄電池內(nèi)阻的測量方法較多，相互之間的差異也比較大，一般常用的測量技術(shù)為交流注入法和直流放電法兩種。交流注入法測量時(shí)會(huì)在蓄電池正負(fù)極之間施加一個(gè)高頻交流信號，并測量由該高頻交流信號所帶來的蓄電池正負(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題，有些設(shè)備無法在線對蓄電池進(jìn)行測試。

直流放電法測量內(nèi)阻的原理是對蓄電池進(jìn)行瞬間放電并測量蓄電池正負(fù)極之間的電壓變化值。當(dāng)斷開和接通負(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)阻測量時(shí)瞬時(shí)放電的電流一般要達(dá)到30安培以上，對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)阻測量精度下，內(nèi)阻放電電流可以減小80%，所以采用小電流測內(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，即使采用相同的測量儀表，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)測內(nèi)阻時(shí)，由于電池內(nèi)部電容的旁路作用，交流法測量出的內(nèi)阻會(huì)比直流法小，不同交流法或直流法測出的內(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，僅通過蓄電池內(nèi)阻絕對值來判斷蓄電池性能并不可行。

目前國內(nèi)尚無針對蓄電池在線監(jiān)測的標(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)房蓄電池在線監(jiān)測系統(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)阻值變化幅度來評價(jià)蓄電池的性能。

4.1概述

安科瑞公司ABAT系列鉛酸蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)是在線電池監(jiān)測產(chǎn)品，可以提前對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，可通過采集器查詢告警與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)等，可選配監(jiān)測平臺(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

本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)中心機(jī)房蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)已在國鐵集團(tuán)多個(gè)調(diào)度樓信息機(jī)房及全國大量高鐵站信息主機(jī)房投入使用，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對機(jī)房蓄電池組的實(shí)時(shí)監(jiān)測，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

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作者簡介：任運(yùn)業(yè)，男，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。