唐 怡，陳 鑫，馮可梁，杜銀昌，張?zhí)靸x

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化是時代大潮，海上平臺自動化、數(shù)字化、智能化將會改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)操作方式，是未來的發(fā)展趨勢[1]。UPS系統(tǒng)作為整個海洋平臺中央控制系統(tǒng)的供電電源[2]，能夠在主電源斷電或電網(wǎng)故障時持續(xù)供電，主要負責給平臺通訊系統(tǒng)、中控系統(tǒng)等核心設(shè)備供電，是最重要的供電系統(tǒng)。在平臺發(fā)生斷電或者故障情況下，需要30min的應(yīng)急電源，保證整個平臺的安全；導航系統(tǒng)，主要負責給平臺的導航燈、障礙燈以及霧笛系統(tǒng)供電[3]。在平臺主電源斷電的情況下，需要96h的應(yīng)急電源，保證整個平臺的信號可視；當UPS失電，中控系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)將全部丟失，造成平臺出現(xiàn)嚴重的經(jīng)濟損失，并使通訊系統(tǒng)癱瘓，存在人員無法及時逃避的安全隱患；同時，導航系統(tǒng)失電，存在飛機及船只撞平臺的風險[4]。所以UPS系統(tǒng)及導航系統(tǒng)的后備電池的好壞，對平臺的生產(chǎn)及安全關(guān)系重大。

由于鎳鉻電池性能穩(wěn)定、自放電少、密封、經(jīng)濟等優(yōu)點，在海上平臺上迅速代替其他類型電池[5]。廠家承諾電池至少有10年使用壽命，然而平臺上很少使用壽命超過8年的電池。這主要是蓄電池長期浮充運行后，出現(xiàn)因電池失水、負極板硫酸化、熱失控、正極板腐蝕等原因?qū)е氯萘克ネ薣6]。蓄電池采用串聯(lián)成組方式運行，某一只電池的損壞將造成全電池組的失效，同時某只電池的故障會加速整組電池組中其他電池的老化。因此，準確識別蓄電池組中的失效電池并將其剔除出電池組，加強日常維護和監(jiān)測管理非常必要[7]。

目前，海上平臺上對蓄電池組的管理主要采用定期維護的方式[8]。電池的海上運維有月檢、年檢兩種，每月的月檢檢查每節(jié)電池外形狀態(tài)，包括連接片清理除銹、單節(jié)電壓、整體電池組電壓檢查、電解液位檢查等，部分電池的容量下降等問題通過月檢無法發(fā)現(xiàn)問題；兩年一次的外委年檢，通過年檢UPS系統(tǒng)和導航系統(tǒng)，斷開電池檢查各項電壓內(nèi)阻指標判斷是否需要更換，又因為兩年的檢查間隔較長，不能及時發(fā)現(xiàn)問題。這種維護方式主要存在如下缺點[9]：

1）維護工作量大，導致維護人員工作量很大。

2）無法及時掌握蓄電池組運行真實數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)無法進行系統(tǒng)地分析。

3）維護風險較高。

為了實時在線監(jiān)測蓄電池的運行狀態(tài)及各項運行參數(shù)，對電池進行自我診斷，延長電池壽命，對蓄電池的單體電壓、組壓、單體內(nèi)阻、電池內(nèi)部溫度等重要參數(shù)進行在線監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)某個參數(shù)有異?；蚱渥兓厔萦挟惓r立即告警，使管理維護人員及時發(fā)現(xiàn)問題或潛在的隱患，及時進行處理，保證UPS系統(tǒng)及導航系統(tǒng)的可靠性與安全性。因此，電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用勢在必行，提高了關(guān)鍵系統(tǒng)的安全性[10]。

電池在線檢測系統(tǒng)的優(yōu)勢在于相對于以往平臺的電池的管理，體現(xiàn)了以下幾方面的優(yōu)勢：

a）提前預警即將失效的蓄電池，排除潛在的隱患，確保UPS系統(tǒng)和導航系統(tǒng)安全。

b）無需進行定期的內(nèi)阻、電壓手工測量，減少人工時產(chǎn)生效益。

c）即時發(fā)現(xiàn)充電故障，延長蓄電池組壽命。

1 監(jiān)測系統(tǒng)

電池在線檢測系統(tǒng)，監(jiān)測內(nèi)容包括電池的單體電壓、單體內(nèi)阻、組壓、環(huán)境溫度及充放電電流，并配置監(jiān)測軟件，遠程讀取并顯示數(shù)據(jù)，同時數(shù)據(jù)可接入到第三方監(jiān)控系統(tǒng)中。

蓄電池組在線監(jiān)測由主模塊與擴展模塊組成，每個模塊采集每節(jié)電池的電壓與內(nèi)阻，通過電流互感器采集電池組充放電電流，主模塊讀取這些數(shù)據(jù)后進行分析處理并保存。通過主模塊查詢實時數(shù)據(jù)與告警記錄，也可設(shè)置所有運行參數(shù)。主模塊有多種通信接口，支持各種通訊協(xié)議，第三方監(jiān)測系統(tǒng)可通過發(fā)送命令讀取實時與歷史數(shù)據(jù)。電池檢測系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電池檢測系統(tǒng)拓撲圖Fig.1 Topological diagram of battery detection system

1.1 監(jiān)測內(nèi)容

單體電壓、單體內(nèi)阻、組壓、充放電電流、環(huán)境溫度，電池內(nèi)部溫度，連接條電阻。

1.2 設(shè)備固定

主模塊與擴展模塊可以被安裝在標準的網(wǎng)絡(luò)柜內(nèi)，也可安裝在電池架上。

1.3 設(shè)備與電池間接線

電壓采集線與內(nèi)阻采集線已在工廠預制好，施工時需通過采集線將電池連接到模塊上，每根采集線在電池端都帶有短路保護裝置。

1.4 模塊間接線

電池監(jiān)測系統(tǒng)的主模塊與其擴展模塊可通過通信線纜連接，實現(xiàn)電源供給與數(shù)據(jù)傳輸。

1.5 顯示

電池監(jiān)測系統(tǒng)的主模塊上帶液晶顯示，可以顯示并查詢所有實時數(shù)據(jù)及告警記錄，可以對任意時刻的運行參數(shù)進行設(shè)置。

電池監(jiān)測系統(tǒng)配置專用的WINDOWS的監(jiān)測軟件，可以訪問主模塊來讀取所有監(jiān)測信號和數(shù)據(jù)，也可以接入到第三方監(jiān)測設(shè)備中，在統(tǒng)一的監(jiān)測平臺上集中顯示。

1.6 告警

當監(jiān)測到蓄電池某個參數(shù)超過限定值時，主模塊的屏幕上會顯示告警內(nèi)容，蜂鳴器響，進行保護及報警動作，使其對應(yīng)干節(jié)點動作，并將干接點接到第三方監(jiān)測系統(tǒng)上，實現(xiàn)統(tǒng)一平臺告警。

2 項目應(yīng)用

渤海某海油平臺應(yīng)用電池檢測系統(tǒng)，電池房間與UPS設(shè)備間距離為25m。由于海上平臺電池間空間狹小且電池數(shù)量多，H2密度高，被劃分為危險區(qū)域，故放在電池間的設(shè)備需滿足此區(qū)域的防爆要求。

2.1 主模塊與拓展模塊的安裝

為了避免防爆設(shè)備的增加，將主模塊放置在距離電池間25m的UPS設(shè)備間（非防爆區(qū)域），安裝在獨立網(wǎng)絡(luò)柜內(nèi)，同時主模塊設(shè)置液晶顯示器對每塊電池的健康狀態(tài)進行實時監(jiān)測。主模塊主要集中了采集、控制、顯示與上傳等功能。

與主模塊相比，拓展模塊沒有顯示、控制及上傳功能，一個拓展模塊只能監(jiān)測一組電池，拓展模塊不能獨立工作，受控于主模塊。以本項目UPS系統(tǒng)電池為例，一套電池176塊，需要一個主模塊，8塊電池為一組，拓展模塊為22個。

2.2 電流互感器安裝

電流互感器應(yīng)串在每兩塊電池間的連接電纜上，電流互感器上標示的方向應(yīng)與蓄電池充電電流方向一致，電流互感器設(shè)計安裝在安全區(qū)域，所以無需防爆要求。

2.3 電壓及內(nèi)阻采樣線

在連接蓄電池到主模塊或擴展模塊時，需先給電池編號及安裝采樣端子。內(nèi)阻采集端子上有兩個引腳，一個用來連接電壓采集線，另一個連接內(nèi)阻測試線。連接電壓采集線的端子頭上串接了一個電阻，連接內(nèi)阻測試線的端子頭上串接了一個保險絲。保險絲在線路發(fā)生故障時會產(chǎn)生電火花，如果要放置在電池間需滿足防爆要求，所以將檢測電壓及內(nèi)阻的電壓及保險絲放置在非防爆區(qū)域的主機側(cè)，同時監(jiān)測精度滿足設(shè)備要求。

為了避免將測試原件放在防爆區(qū)域，連接其設(shè)備的線纜需要特制。對于電壓采集線處于電池間的部分，出廠時端子與線芯焊接并延長安全區(qū)后再焊接測試元件電阻，第二段線為主機與測試元件電阻的連接線；內(nèi)阻采集線與電壓采集線類似。環(huán)境溫度線從電池間引出，串聯(lián)安全柵后再接到主機，主機放在安全區(qū)UPS設(shè)備間。因此，目前基于本項目特點的電池在線檢測系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 本項目電池檢測方案Fig.2 The battery detection scheme of this project

2.4 環(huán)境溫度傳感器接線

環(huán)境溫度傳感器接口連接主模塊上。溫度探頭最好在蓄電池上方固定，確保更準確的測量環(huán)境溫度，將測溫模塊串聯(lián)安全柵，成為本質(zhì)安全電路，將電壓電流限制在一定安全范圍內(nèi)。

目前電池在線檢測系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能：

1）對電池進行實時狀態(tài)監(jiān)測，可以防止因電池故障導致的任何計劃外的斷電，并可適當?shù)剡M行預知性的電池維修，最大限度地延長電池的壽命。

2）預知性的維修可以讓維護人員有預先計劃的工作，可以配合整體檢修計劃，降低電池斷電對平臺的影響。

3）電池在線監(jiān)測系統(tǒng)可以協(xié)助平臺了解電池的實時健康狀況，保證蓄電池在關(guān)鍵時刻能夠正常運行，并發(fā)揮其作用。

4）后臺系統(tǒng)可以顯示所有監(jiān)測數(shù)據(jù)，可通過數(shù)據(jù)表格、曲線及柱狀圖的方式體現(xiàn)，至少可以保存兩年的完整數(shù)據(jù)。

5）電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用降低了月檢運維時對電池檢查的工作量，減少人工成本，為今后的智能化無人平臺提供設(shè)計借鑒。

3 結(jié)論

為了降低海洋石油平臺因電池故障導致的停電、停機、著火等安全事故概率，并結(jié)合本項目UPS及導航系統(tǒng)后備電池的特性進行分析研究，在國內(nèi)首次海上平臺設(shè)計中對每塊電池進行電壓及內(nèi)阻的在線檢測。此系統(tǒng)需具備總體控制功能、電壓探測、電流探測、電解液比重探測、單電池內(nèi)阻探測、溫度探測、信息匯總分析功能、故障預警功能、信息傳遞等功能。本次電池在線檢測系統(tǒng)的應(yīng)用相對于以往平臺的電池的管理，進行了實時、智能、全面、精準的監(jiān)測。

實時：通過實時性（在線）監(jiān)測，區(qū)別于以往項目通過充放電管理電池的健康狀態(tài)，本項目實現(xiàn)了及時發(fā)現(xiàn)故障電池。

智能：通過各項參數(shù)記錄分析電池趨勢，判斷故障電池并發(fā)出預警，預留儀表報警點輸出。并且通過不同數(shù)量硬件，實現(xiàn)了滿足可以監(jiān)控單塊電池級別或者到幾塊電池的不同運維需求。

全面：增加的模塊收集每塊電池內(nèi)阻、每塊電池端電壓、電池組總電壓、電池組總電流和電池溫度，保證了有效分析電池狀態(tài)，有著比以往平臺月檢項目更多的數(shù)據(jù)支持。

精準：通過全面的狀態(tài)收集以及智能分析，及時找出故障電池。

作為海洋平臺電力系統(tǒng)的重要組成部分，蓄電池的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)對保證平臺設(shè)施、人員安全有著至關(guān)重要的作用。