淺談數據中心機房UPS蓄電池在線監測系統研究

摘  要：蓄電池是數據中心機房設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據中心運維管理的重要工作之一。本文研究采用蓄電池在線監測系統，實現7×24小時實時在線監測，并根據蓄電池內阻變化趨勢對蓄電池性能進行評價，對出現隱患的蓄電池進行預防性維修或更換，從而保障數據中心機房設備安全運行。
關鍵詞：蓄電池電壓；蓄電池溫度；蓄電池內阻；直流放電法；交流注入法
1引言
     數據中心是用于集中存放服務器、磁盤陣列、交換機、防火墻等設備的基礎設施。在5G及移動互聯網時代，伴隨著“新基建”的浪潮以及信息化和智能化技術的高速發展，數據中心建設規模越來越大，數量也越來越多。蓄電池作為保障機房設備可靠運行的裝備，其重要性和安全性也越來越受到人們的關注。
     數據中心蓄電池一般串聯為蓄電池組使用，同一組蓄電池在正常使用一段時間后，單體電池之間的電壓差異會逐漸變大，蓄電池組的電壓一致性會逐漸變差，如果不采取有效措施，這種差異會越來越大，導致整組蓄電池容量降低甚至報廢。
     此外，蓄電池還存在自放電現象，同一組蓄電池各個單體電池之間的自放電電流值大小不等，由此也會導致個別單體蓄電池發生過充電或者過放電的現象，從而影響整組蓄電池的健康度。
     本文所研究的數據中心機房蓄電池在線監測系統利用單體蓄電池監測模塊、蓄電池組總電壓監測模塊和直流電流監測模塊，可以實時采集各單體電池的電壓、溫度和內阻，以及蓄電池組的電壓和充放電電流，并通過以上數據分析各單體電池和電池組的健康狀況，對出現放電時間異常的電池及時進行維護或更換。
2系統設計
2.1系統架構設計
     數據中心蓄電池在線監測系統由監測中心設備和現場監測設備組成。系統組網結構如圖1所示。

圖1蓄電池監測系統組網圖
     監測中心設備主要由數據庫服務器、應用服務器、Web服務器、交換機和網管終端組成，實現對數據中心機房內所有被監測蓄電池實時數據的接收、處理、存儲和展示，并提供重要參數及告警的統計分析功能、用戶管理功能、日志管理功能和安全管理功能等。
     現場監測設備主要由單體蓄電池監測模塊、蓄電池組總電壓監測模塊、電流變送器和數據處理單元組成。
2.2系統安全設計
     蓄電池組總電壓監測模塊采用隔離設計，從而保證進入數據采集處理單元的信號均為弱電安全電壓，保證數據中心機房蓄電池監測系統的安全性和可靠性。單體蓄電池監測模塊與采集處理單元之間采用一級電氣隔離電路設計，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計，高耐壓2500Vac。采集處理單元與上位機監測中心之間采用一級電氣隔離電路，高耐壓1000Vdc。
     單體蓄電池監測模塊電源輸入端采用自恢復電子保險，防止個別監測模塊發生故障影響其它模塊的正常工作。
3蓄電池內阻監測
3.1蓄電池內阻特性
     對單體蓄電池的監測指標主要包括電壓、溫度和內阻。蓄電池容量降低后，其單體電壓值并無明顯變化，而單體內阻值會明顯升高，因此內阻是反映蓄電池容量變化及蓄電池健康度的重要指標。
傳統的蓄電池監測模塊僅采集單體電壓指標，無法準確反映蓄電池健康狀況。蓄電池內阻變化規律是維護單位更換蓄電池的主要依據，因此有必要對蓄電池內阻進行監測。
3.2蓄電池內阻測量原理
     蓄電池內阻的測量方法較多，相互之間的差異也比較大，一般常用的測量技術為交流注入法和直流放電法兩種。交流注入法測量時會在蓄電池正負極之間施加一個高頻交流信號，并測量由該高頻交流信號所帶來的蓄電池正負極之間的電壓變化，根據歐姆定律可以計算出蓄電池的內阻值。采用交流注入法測量蓄電池內阻存在易受UPS充電器紋波電流和其它工頻噪聲源干擾的問題，有些設備無法在線對蓄電池進行測試。
直流放電法測量內阻的原理是對蓄電池進行瞬間放電并測量蓄電池正負極之間的電壓變化值。當斷開和接通負載設備時，依據瞬時的壓升和壓降，根據歐姆定律計算出蓄電池等效內阻。早期受A/D采樣芯片精度的限制，內阻測量時瞬時放電的電流一般要達到30安培以上，對蓄電池性能有一定損害，同時也存在一定的安全隱患。隨著A/D采集芯片及抗干擾技術的不斷發展，現在可以準確地測量出電池上小至0.5mV的電壓變化，與之前的技術相比，電壓分辨率提高了80%以上，在同等內阻測量精度下，內阻放電電流可以減小80%，所以采用小電流測內阻時電流一般可設定在5A左右。
3.3蓄電池性能評價
     不同于普通電阻,蓄電池的內阻包括金屬部分和化學部分，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，同一批次的每節蓄電池之間內阻值也存在差異，有時這種差異會達到50%以上。采用交流法監測內阻時，由于電池內部電容的旁路作用，交流法測量出的內阻會比直流法小，不同交流法或直流法測出的內阻值之間也存在差別，但同一節蓄電池內阻的變化規律一致。因此，僅通過蓄電池內阻絕對值來判斷蓄電池性能并不可行。
     目前國內尚無針對蓄電池在線監測的標準或行業規范，IEEEStd1188-2005《站用閥控鉛酸（VRLA）蓄電池的維護、測試和更換方法》（RecommendedPracticeforMaintenance,Testing,andReplacementofValveRegulatedLead-Acid(VRLA)BatteriesforStationaryApplications）中提到，當單體蓄電池內阻值變大至該電池基準內阻值的1.3至1.5倍時，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負載的電流能力，其性能退化速度也在加劇，建議更換蓄電池。
     綜上，本文所研究的數據中心機房蓄電池在線監測系統在蓄電池投運初期記錄初始內阻值，并作為該節蓄電池的基準內阻值。系統將定期測量的內阻值與基準值進行比較，根據蓄電池內阻值變化幅度來評價蓄電池的性能。
4安科瑞蓄電池監測系統介紹設備選型
4.1概述
     安科瑞公司ABAT系列鉛酸蓄電池在線監測系統是在線電池監測產品，可以提前對失效的鉛酸蓄電池進行預警及電池均衡，符合ANSI/TIA-942標準要求。
該系統具有監測電池的電壓、內阻與內部溫度功能，安裝、維護與接入非常方便。系統主要由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時數據、設置參數等，可選配監測平臺實現網絡化集中管理。

4.2系統組網

4.3軟件介紹


5總結
     本文所設計的數據中心機房蓄電池在線監測系統已在國鐵集團多個調度樓信息機房及全國大量高鐵站信息主機房投入使用，系統實現了對機房蓄電池組的實時監測，當蓄電池內阻變大并超出安全范圍時，系統會自動發出報警提示，維護人員據此及時作出響應，對容量下降的蓄電池進行隔離和更換，保證蓄電池組工作在良好狀態，避免停電后造成后備電源系統癱瘓，從而提高數據中心機房的安全性和可靠性。

圖2烏魯木齊鐵路局調度樓信息機房應用效果圖
【參考文獻】
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【4】安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.5版