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摘 要：数据中心机房设备处于断电的情况下,蓄电池是维持正常运行的重要保障设备。为了确保蓄电池在紧急情况下能 够正常运行,需要数据中心运行维护管理工作着重处理此类问题。本文对蓄电池在线监测系统进行了研究,根据电池的种种变 化趋势进行了一系列分析和评估,对存在隐患的蓄电池及时进行更换和维护,保障数据中心机房设备的安全稳定运行。
关键词：蓄电池,在线监测,数据中心,应用研究
Application of Battery Online Monitoring System in Data Center
ZHANG Chuang'ao, WU Hui, WANG Yuanliang, WANG Liming, WANG Weilin (Zhejiang Renyao Electric Technology Co., Ltd., Jinhua Zhejiang 321000)
【Abstract】： When the equipment in the computer room of the data center is powered off, the storage battery is an important guarantee equipment to maintain normal operation. In order to ensure that the storage battery can operate normally in an emergency, the operation, maintenance and management of the data center need to focus on dealing with such problems. This article has studied the battery online monitoring system, carried out a series of analysis and evaluation according to the change trend of the battery, and timely replaced and maintained the batteries with hidden dangers to ensure the safe and stable operation of the equipment in the data center machine room.
【Key words】： battery;online monitoring;data center;application research
0 引言
在高速发展的现代社会,供电质量的好坏将影响社 会经济的发展。现有的电网供电大多十分稳定,一般来说, 只有在进行线路检修时才会停电。在电网供电中,一般 会采用蓄电池组作为停电时的应急电源,由于蓄电池组 的运行状态受到多种因素的影响,容易出现蓄能不足的 情况。如果蓄电池的运行状态欠佳,将会因为蓄电池故 障导致在需要使用时不能启动发电机,影响供电质量。
1 概述
数据中心包含了一些基础设施,比如说服务器、交 换机、防火墙等,这些设备随着移动互联网时代地快速 发展也会逐渐升级,新技术建设的发展步伐也在逐渐加 快,信息化技术和智能化技术都得到了快速发展。在数 据中心的建设过程当中,整体规模越来越大,其中所包 含的设备重量也会越来越多,为了进一步保障中心机房 设备稳定运行,需要安装蓄电池,从根本上提高系统的稳定性和安全性。数据中心蓄电池可以维持系统在一段 时间内的正常运行,单体电池之间会存在一定的电压差 异,这种差异会逐渐增大,如果短时间内不采取有效的 措施,会导致后续运行存在一定的危险,蓄电池整体的 容量也会被降低。蓄电池会存在自放电的现象,每一组 蓄电池之间所存在的自放电电流之大小是不同的,有的 单体蓄电池会处于充电的现象,有的则会处于放电的现 象,整组蓄电池的使用状态是不同的。在高速发展的现 代社会,供电质量的好坏将影响社会经济的发展。现有 的电网供电大多十分稳定,一般来说,只有在进行线路 检修时才会停电。在工业用电中,备用电源启动时使用 蓄电池作为动力源。由于蓄电池是化学产品,运行状态 不够稳定。如果蓄电池的运行状态欠佳,将会因为蓄电 池故障导致在需要使用时不能启动发电机,影响供电质 量。由于我国的变电站大多是无人值守变电站,自动化 水平较高,传统的人工维护工作难以开展。再加上蓄电池的充放电循环一般需要 30 个小时, 人工依靠手工操作, 必然会造成成本高、周期长、效率低等问题。电池状态信 息采集系统主要是对蓄电池的电压、电流、温度、剩余 电量等信息进行采集,了解蓄电池的工作状态,并且对可 能出现的故障进行预判及预警。近年来, 5G 通信得到了 较为快速的发展,由于 5G 具有极高的稳定性、可靠性和 融合性,已经广泛应用于各行各业。针对我国变电站蓄电 池状态信息手工采集困难等问题, 本文拟定以 5G 网络为 基础,开发一套蓄电池状态信息采集系统,该系统能够实 时获取蓄电池的电压、电流、温度、剩余电量等信息 [1]。 通过电池状态信息采集系统可以实时了解蓄电池的运行 状态,解决无人值守变电站蓄电池维护和状态回传受限 的问题,从而保障工业用户正常切换用电的实际问题。
2 系统设计
Atmel 公司研制出了 AT89S52 单片机,以此作为 主要的控制核心, DS2438 是一种新型的智能电池采集 芯片,可以对蓄电池的各项数据进行精准的采集,该芯 片会直接接通到多路模拟开关当中,自身体系在运行的 过程当中会对电压信号进行自动选择, DS2438 智能电 池采集芯片需要和单片机进行连接,连接的过程当中主 要是通过 1-Wire。
2.1 系统架构设计
数据中心蓄电池在线监测系统在进行架构设计的过 程当中,主要是包含了监测中心设备和现场的监测设 备,监测中心设备包含了交换机、数据库服务器、网管 终端、应用服务器、Web 服务器,监测蓄电池实时对 数据的接收和处理,以便于后续可以对数据进行存储和 展示,通过统计分析功能和用户管理功能可以确保系统 运行的安全性和稳定性,与此同时还可以充分发挥安全 管理功能和日志管理功能。现场的检测设备主要包含了 电流变送器、数据处理单元、蓄电池监测模块、蓄电 池总电压检测模块。采用 AT89S52 作为控制器, 该控 制器是一种低能耗、高性能的工业级别控制器,自带 8K 编程 Flash 存储器, 拥有灵巧的 8 位 CPU,256 字 节 RAM, 32 位 I/O 口线,看门狗定时器, 2 个数据指 针, 3 个 16 位定时器 / 计数器,能够为多种嵌入式应用 系统提供多样化的解决方案 [2]。采用 DS2438 智能电池 监测芯片来采集电流和电压, DS2438 智能电池监测芯 片支持 1-Wire 单总线的通信方式,将 DS2438 智能电 池监测芯片的 DQ 和单片机 AT89S52 的 I/O 物理连接, 实现电流电压信号的采集。DS2438 智能电池监测芯片 采用 SOIC 方式封装,可测电流范围一般为毫安级。但 是,变电站的蓄电池组一般都是十安培以上的电流量,需要根据实际情况计算电阻的阻值,让转化后的电流满 足 DS2438 智能电池监测芯片输入信号范围之内。将芯 片 DS2438 的 引脚 VSENS+ 和 VSENS- 连接在 闭环 电 流霍尔传感器采样电阻 RSENS 的两端, 电容 CF 和电 阻 R 构成截止频率为 15.9Hz 的一个 RC 低通滤波器。 通过低通滤波器可以消除电流尖峰对采集电路的影响, 能够更加准确测量出流经芯片 DS2438 的总电流,提高 电流测量精度。
2.2 系统安全设计
单体电压指标,并不能对蓄电池的健康状况进行有 效反应,维护单位更换蓄电池的主要科学依据是蓄电 池内阻变化的规律,进一步保障系统运行安全性和稳 定性,提高数据监测的准确性和科学性。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,最高耐 压 2500Vac。一般来说,单节蓄电池的单体电压测量 需要两个选通信号,如果蓄电池组的串联单体越多,光 耦开发的数量就会增加,从而降低测量精度,提高测量 复杂度。本文拟定选用 Altera 公司生产的可编程逻辑 器件 CPLD 的 EPM7064 型号实现光耦开关的控制。蓄 电池的标称容量与蓄电池的温度、电压、充放电电流有 关,并不是一个定值。所以,在实践中,大多采用蓄电 池的实际容量来计算剩余容量。剩余容量的计算公式为 ：C = j t(t)0(1)i(t)dt , C 为电池当前容量 ;i(t) 为在任意时刻电池放出的电流 ;t0 为放电开始时刻 ;t1 为放电终止 时刻。荷电状态 SOC(State of Charge) 是评价电池 荷电状态的重要指标,本系统采用智能电池采集芯片 DS2468 中的集成电流累加器(ICA)来计算蓄电池的 荷电状态 SOC。本系统的通信模块采用的是 WH-LTE- 7S4V2 芯片,该芯片可以用于移动、联通、电信的 5G 网络制式,能够实现数据的通信和传输。本系统的单片 机 I/O 接口与 5G 模块的 RX 和 TX 连接,可以实现串 口与 MCU 的双向数据传输。同时支持注册包、心跳包 等功能,能够与 5G 的信号发射频率一致。支持 Socket 连接,能够为网页数据的更新提供数据,便于用户实时 通过网页来查看电池信息 [3]。
2.3 系统软件设计
2.3.1 系统主程序设计
本文采用 DS2438 芯片进行蓄电池的电压、电流、 温度等运行参数的监控,以了解蓄电池的工作状态。根 据实践需要,首先完成 AT89S52 单片机的初始化。
2.3.2 后端软件设计
本设计的后端软件主要包括电流电压采集模块的程 序设计、剩余功率采集模块的程序设计、温度采集模块的程序设计和通信模块的程序设计。电流采集模块、剩 余功率采集模块、电压采集模块均采用 DS2438 芯片进 行信息采集,设计思路一致。以电压采集模块为例,该 模块的程序设计思路如下 ：首先发送响应指令,系统匹 配完成之后会对电压指令进行自动转换,相关设备也会 对其中的数据进行自动读取,从而可以对里面的存储数 据进行有效传达, SRAM00 会对数据进行处理,然后 复制到寄存器当中,最终会返回电压值。电池收集信息 的整个过程当中会对收集的模块进行优化,这主要是通 过电流蓄能器 ICA 所实现的,温度采集模块由数字温 度传感器 DS18B20 实现,DS18B20 与单片机 AT89S52 之间的数据通信采用一线总线实现。整体设计的过程 当中需要使用 DS18B20 芯片,数据在传输的过程当中 比较简单,为了实现系统性的通信需要应用 Skip ROM (CCH)指令, 其中包含了对温度转换的命令, 对存储 的数据进行临时读取的命令,在此过程当中尤其要注意 需要将数据进行完整的传输。如果传输被中断,复位脉 冲可以在任何时候发送 [4]。数据处理完成后,单片机提 取数据并封装成帧,通过串口通信,数据将定期通过 5G 模块与服务器进行通信,服务器将在网页上显示接 收到的数据。
3 蓄电池内阻监测
3.1 蓄电池内阻特性
单体蓄电池会包含一定的监测指标,比如说内阻、 温度、电压,蓄电池的容量降低时,单体的电压值并没 有发生过多的变化,虽然单体的内阻值会逐渐升高,但 并不会影响整个系统的正常运行,从这一点可以看出, 整体容量变化是反应蓄电池使用状态的最佳指标。传统 的蓄电池监测模块在运行的过程当中,所采用的都是 单体电压指标,并不能对蓄电池的健康状况进行有效反 应,维护单位更换蓄电池的主要科学依据是蓄电池内阻 变化的规律,由此可见,需要对蓄电池的内阻进行全方 位的监测和管理。
3.2 蓄电池内阻测量原理
测量电池内阻的方法有很多种,它们之间的差异比 较大,常用的测量方法有直流放电法和交流注射法。用 交流注射法测量电池内阻,可以了解电池正负极之间的 电压变化,最后根据欧姆定律计算出电池的内阻值。直流放电法在测量内阻的过程中,主要是根据电池瞬间放 电的原理,可以进一步了解电池负载正负电压之间的变 化值,这在一定程度上会干扰电池的性能,会影响到整 个蓄电池组运行的安全性和稳定性,随着 A/D 采集芯 片及抗干扰技术的不断发展,可以对电池的细小变化进 行精准的测量,和传统的技术相比有效提高了电压的分 辨率。
3.3 蓄电池性能评价
蓄电池的内阻包含了化学部分和金属部分不同于以 往的普通电阻,很容易受到材料和制造工艺的影响,即 使采用的测量仪表是相同的,同一批次的蓄电池直接内 阻值,也会存在着明显的差异,这种差异会达到 50% 以上。交流法监测电阻的过程当中,电池内部电容会存 在旁路作用,交流法所测量出的电阻会比直流法测量出 来的数值小,直流法和交流法所测量出来的电阻存在着 明显的差异,这也导致后续的计算体系发生明显的变 化,仅仅通过对蓄电池内阻的绝对值进行判断,并不能 全面地了解蓄电池的使用性能。
4 结论
数据中心机房蓄电池在线监测系统在多个领域当中 都得到了广泛的应用,比如说国铁集团调度楼信息机房 和高铁站信息主机房,该系统可以对机房蓄电池组进行 有效地监测,当蓄电池内阻超出安全范围时,系统会自 动报警并提醒工作人员对此类问题进行及时解决,从而 有效保障蓄电池组工作一直处于良好的运行状态,避免 停电后对整个电源系统造成影响。
参考文献
[1] IEEE站用蓄电池标准合作专家委员会.IEEEStd1188-2005 站用阀控铅酸(VRLA)蓄电池的维护、测试和更换方法[Z]. 2019.
[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[J].中 国有线电视,2013(4):507-510.
[4] 袁振江,周家梁.数据中心机房蓄电池在线监测系统研究[J]. 信息技术与信息化,2020(7):139-140.
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