浅谈数据中心机房UPS蓄电池在线监测系统研究

摘  要：蓄电池是数据中心机房设备在断电情况下正常工作的重要保障装备。确保蓄电池在紧急情况下的正常工作是数据中心运维管理的重要工作之一。本文研究采用蓄电池在线监测系统，实现7×24小时实时在线监测，并根据蓄电池内阻变化趋势对蓄电池性能进行评价，对出现隐患的蓄电池进行预防性维修或更换，从而保障数据中心机房设备安全运行。

关键词：蓄电池电压；蓄电池温度；蓄电池内阻；直流放电法；交流注入法

       数据中心是用于集中存放服务器、磁盘阵列、交换机、防火墙等设备的基础设施。在5G及移动互联网时代，伴随着“新基建"的浪潮以及信息化和智能化技术的高速发展，数据中心建设规模越来越大，数量也越来越多。蓄电池作为保障机房设备可靠运行的装备，其重要性和安全性也越来越受到人们的关注。

       数据中心蓄电池一般串联为蓄电池组使用，同一组蓄电池在正常使用一段时间后，单体电池之间的电压差异会逐渐变大，蓄电池组的电压一致性会逐渐变差，如果不采取有效措施，这种差异会越来越大，导致整组蓄电池容量降低甚至报废。

       此外，蓄电池还存在自放电现象，同一组蓄电池各个单体电池之间的自放电电流值大小不等，由此也会导致个别单体蓄电池发生过充电或者过放电的现象，从而影响整组蓄电池的健康度。

       本文所研究的数据中心机房蓄电池在线监测系统利用单体蓄电池监测模块、蓄电池组总电压监测模块和直流电流监测模块，可以实时采集各单体电池的电压、温度和内阻，以及蓄电池组的电压和充放电电流，并通过以上数据分析各单体电池和电池组的健康状况，对出现放电时间异常的电池及时进行维护或更换。

2.1系统架构设计

       数据中心蓄电池在线监测系统由监测中心设备和现场监测设备组成。系统组网结构如图1所示。

图1蓄电池监测系统组网图

       监测中心设备主要由数据库服务器、应用服务器、Web服务器、交换机和网管终端组成，实现对数据中心机房内所有被监测蓄电池实时数据的接收、处理、存储和展示，并提供重要参数及告警的统计分析功能、用户管理功能、日志管理功能和安全管理功能等。

       现场监测设备主要由单体蓄电池监测模块、蓄电池组总电压监测模块、电流变送器和数据处理单元组成。

2.2系统安全设计

       蓄电池组总电压监测模块采用隔离设计，从而保证进入数据采集处理单元的信号均为弱电安全电压，保证数据中心机房蓄电池监测系统的安全性和可靠性。单体蓄电池监测模块与采集处理单元之间采用一级电气隔离电路设计，高耐压2500Vac。采集处理单元与供电电源之间采用一级电气隔离电路设计，高耐压2500Vac。采集处理单元与上位机监测中心之间采用一级电气隔离电路，高耐压1000Vdc。

       单体蓄电池监测模块电源输入端采用自恢复电子保险，防止个别监测模块发生故障影响其它模块的正常工作。

3.1蓄电池内阻特性

       对单体蓄电池的监测指标主要包括电压、温度和内阻。蓄电池容量降低后，其单体电压值并无明显变化，而单体内阻值会明显升高，因此内阻是反映蓄电池容量变化及蓄电池健康度的重要指标。

传统的蓄电池监测模块仅采集单体电压指标，无法准确反映蓄电池健康状况。蓄电池内阻变化规律是维护单位更换蓄电池的主要依据，因此有必要对蓄电池内阻进行监测。

3.2蓄电池内阻测量原理

       蓄电池内阻的测量方法较多，相互之间的差异也比较大，一般常用的测量技术为交流注入法和直流放电法两种。交流注入法测量时会在蓄电池正负极之间施加一个高频交流信号，并测量由该高频交流信号所带来的蓄电池正负极之间的电压变化，根据欧姆定律可以计算出蓄电池的内阻值。采用交流注入法测量蓄电池内阻存在易受UPS充电器纹波电流和其它工频噪声源干扰的问题，有些设备无法在线对蓄电池进行测试。

直流放电法测量内阻的原理是对蓄电池进行瞬间放电并测量蓄电池正负极之间的电压变化值。当断开和接通负载设备时，依据瞬时的压升和压降，根据欧姆定律计算出蓄电池等效内阻。早期受A/D采样芯片精度的限制，内阻测量时瞬时放电的电流一般要达到30安培以上，对蓄电池性能有一定损害，同时也存在一定的安全隐患。随着A/D采集芯片及抗干扰技术的不断发展，现在可以准确地测量出电池上小至0.5mV的电压变化，与之前的技术相比，电压分辨率提高了80%以上，在同等内阻测量精度下，内阻放电电流可以减小80%，所以采用小电流测内阻时电流一般可设定在5A左右。

3.3蓄电池性能评价

       不同于普通电阻,蓄电池的内阻包括金属部分和化学部分，受到制造工艺和材料差异的影响，即使采用相同的测量仪表，同一批次的每节蓄电池之间内阻值也存在差异，有时这种差异会达到50%以上。采用交流法监测内阻时，由于电池内部电容的旁路作用，交流法测量出的内阻会比直流法小，不同交流法或直流法测出的内阻值之间也存在差别，但同一节蓄电池内阻的变化规律一致。因此，仅通过蓄电池内阻绝对值来判断蓄电池性能并不可行。

       目前国内尚无针对蓄电池在线监测的标准或行业规范，IEEEStd1188-2005《站用阀控铅酸（VRLA）蓄电池的维护、测试和更换方法》（RecommendedPracticeforMaintenance,Testing,andReplacementofValveRegulatedLead-Acid(VRLA)BatteriesforStationaryApplications）中提到，当单体蓄电池内阻值变大至该电池基准内阻值的1.3至1.5倍时，其容量将降低至额定值的80%，即使电池仍具有满足直流系统负载的电流能力，其性能退化速度也在加剧，建议更换蓄电池。

       综上，本文所研究的数据中心机房蓄电池在线监测系统在蓄电池投运初期记录初始内阻值，并作为该节蓄电池的基准内阻值。系统将定期测量的内阻值与基准值进行比较，根据蓄电池内阻值变化幅度来评价蓄电池的性能。

4.1概述

       安科瑞公司ABAT系列铅酸蓄电池在线监测系统是在线电池监测产品，可以提前对失效的铅酸蓄电池进行预警及电池均衡，符合ANSI/TIA-942标准要求。

  该系统具有监测电池的电压、内阻与内部温度功能，安装、维护与接入非常方便。系统主要由ABAT-S模块、ABAT-C模块及ABAT-M采集器组成，可通过采集器查询告警与实时数据、设置参数等，可选配监测平台实现网络化集中管理。

4.2系统组网

4.3软件介绍

       本文所设计的数据中心机房蓄电池在线监测系统已在国铁集团多个调度楼信息机房及全国大量高铁站信息主机房投入使用，系统实现了对机房蓄电池组的实时监测，当蓄电池内阻变大并超出安全范围时，系统会自动发出报警提示，维护人员据此及时作出响应，对容量下降的蓄电池进行隔离和更换，保证蓄电池组工作在良好状态，避免停电后造成后备电源系统瘫痪，从而提高数据中心机房的安全性和可靠性。

图2乌鲁木齐铁路局调度楼信息机房应用效果图

 

【参考文献】 

【1】袁振江,周家梁,数据中心机房蓄电池在线监测系统研究.电子与通信技术.2020,(7).139-140

【2】邹育鹏.蓄电池在线监测系统的实践应用和效果【J】.通信电源技术，2019,36（12）：89-91

【3】魏治华，奚少华，许飞.UPS蓄电池监测系统原理及应用

【4】安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5版

 

作者简介：柏为为，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事数据中心的设计与应用。