唐 怡，陈 鑫，冯可梁，杜银昌，张天仪

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

网络化、数字化、智能化是时代大潮，海上平台自动化、数字化、智能化将会改变人们的生产操作方式，是未来的发展趋势[1]。UPS系统作为整个海洋平台中央控制系统的供电电源[2]，能够在主电源断电或电网故障时持续供电，主要负责给平台通讯系统、中控系统等核心设备供电，是最重要的供电系统。在平台发生断电或者故障情况下，需要30min的应急电源，保证整个平台的安全；导航系统，主要负责给平台的导航灯、障碍灯以及雾笛系统供电[3]。在平台主电源断电的情况下，需要96h的应急电源，保证整个平台的信号可视；当UPS失电，中控系统的历史数据将全部丢失，造成平台出现严重的经济损失，并使通讯系统瘫痪，存在人员无法及时逃避的安全隐患；同时，导航系统失电，存在飞机及船只撞平台的风险[4]。所以UPS系统及导航系统的后备电池的好坏，对平台的生产及安全关系重大。

由于镍铬电池性能稳定、自放电少、密封、经济等优点，在海上平台上迅速代替其他类型电池[5]。厂家承诺电池至少有10年使用寿命，然而平台上很少使用寿命超过8年的电池。这主要是蓄电池长期浮充运行后，出现因电池失水、负极板硫酸化、热失控、正极板腐蚀等原因导致容量衰退[6]。蓄电池采用串联成组方式运行，某一只电池的损坏将造成全电池组的失效，同时某只电池的故障会加速整组电池组中其他电池的老化。因此，准确识别蓄电池组中的失效电池并将其剔除出电池组，加强日常维护和监测管理非常必要[7]。

目前，海上平台上对蓄电池组的管理主要采用定期维护的方式[8]。电池的海上运维有月检、年检两种，每月的月检检查每节电池外形状态，包括连接片清理除锈、单节电压、整体电池组电压检查、电解液位检查等，部分电池的容量下降等问题通过月检无法发现问题；两年一次的外委年检，通过年检UPS系统和导航系统，断开电池检查各项电压内阻指标判断是否需要更换，又因为两年的检查间隔较长，不能及时发现问题。这种维护方式主要存在如下缺点[9]：

1）维护工作量大，导致维护人员工作量很大。

2）无法及时掌握蓄电池组运行真实数据，并且数据无法进行系统地分析。

3）维护风险较高。

为了实时在线监测蓄电池的运行状态及各项运行参数，对电池进行自我诊断，延长电池寿命，对蓄电池的单体电压、组压、单体内阻、电池内部温度等重要参数进行在线监测，一旦发现某个参数有异常或其变化趋势有异常时立即告警，使管理维护人员及时发现问题或潜在的隐患，及时进行处理，保证UPS系统及导航系统的可靠性与安全性。因此，电池在线监测系统的应用势在必行，提高了关键系统的安全性[10]。

电池在线检测系统的优势在于相对于以往平台的电池的管理，体现了以下几方面的优势：

a）提前预警即将失效的蓄电池，排除潜在的隐患，确保UPS系统和导航系统安全。

b）无需进行定期的内阻、电压手工测量，减少人工时产生效益。

c）即时发现充电故障，延长蓄电池组寿命。

1 监测系统

电池在线检测系统，监测内容包括电池的单体电压、单体内阻、组压、环境温度及充放电电流，并配置监测软件，远程读取并显示数据，同时数据可接入到第三方监控系统中。

蓄电池组在线监测由主模块与扩展模块组成，每个模块采集每节电池的电压与内阻，通过电流互感器采集电池组充放电电流，主模块读取这些数据后进行分析处理并保存。通过主模块查询实时数据与告警记录，也可设置所有运行参数。主模块有多种通信接口，支持各种通讯协议，第三方监测系统可通过发送命令读取实时与历史数据。电池检测系统的拓扑结构如图1所示。

图1 电池检测系统拓扑图Fig.1 Topological diagram of battery detection system

1.1 监测内容

单体电压、单体内阻、组压、充放电电流、环境温度，电池内部温度，连接条电阻。

1.2 设备固定

主模块与扩展模块可以被安装在标准的网络柜内，也可安装在电池架上。

1.3 设备与电池间接线

电压采集线与内阻采集线已在工厂预制好，施工时需通过采集线将电池连接到模块上，每根采集线在电池端都带有短路保护装置。

1.4 模块间接线

电池监测系统的主模块与其扩展模块可通过通信线缆连接，实现电源供给与数据传输。

1.5 显示

电池监测系统的主模块上带液晶显示，可以显示并查询所有实时数据及告警记录，可以对任意时刻的运行参数进行设置。

电池监测系统配置专用的WINDOWS的监测软件，可以访问主模块来读取所有监测信号和数据，也可以接入到第三方监测设备中，在统一的监测平台上集中显示。

1.6 告警

当监测到蓄电池某个参数超过限定值时，主模块的屏幕上会显示告警内容，蜂鸣器响，进行保护及报警动作，使其对应干节点动作，并将干接点接到第三方监测系统上，实现统一平台告警。

2 项目应用

渤海某海油平台应用电池检测系统，电池房间与UPS设备间距离为25m。由于海上平台电池间空间狭小且电池数量多，H2密度高，被划分为危险区域，故放在电池间的设备需满足此区域的防爆要求。

2.1 主模块与拓展模块的安装

为了避免防爆设备的增加，将主模块放置在距离电池间25m的UPS设备间（非防爆区域），安装在独立网络柜内，同时主模块设置液晶显示器对每块电池的健康状态进行实时监测。主模块主要集中了采集、控制、显示与上传等功能。

与主模块相比，拓展模块没有显示、控制及上传功能，一个拓展模块只能监测一组电池，拓展模块不能独立工作，受控于主模块。以本项目UPS系统电池为例，一套电池176块，需要一个主模块，8块电池为一组，拓展模块为22个。

2.2 电流互感器安装

电流互感器应串在每两块电池间的连接电缆上，电流互感器上标示的方向应与蓄电池充电电流方向一致，电流互感器设计安装在安全区域，所以无需防爆要求。

2.3 电压及内阻采样线

在连接蓄电池到主模块或扩展模块时，需先给电池编号及安装采样端子。内阻采集端子上有两个引脚，一个用来连接电压采集线，另一个连接内阻测试线。连接电压采集线的端子头上串接了一个电阻，连接内阻测试线的端子头上串接了一个保险丝。保险丝在线路发生故障时会产生电火花，如果要放置在电池间需满足防爆要求，所以将检测电压及内阻的电压及保险丝放置在非防爆区域的主机侧，同时监测精度满足设备要求。

为了避免将测试原件放在防爆区域，连接其设备的线缆需要特制。对于电压采集线处于电池间的部分，出厂时端子与线芯焊接并延长安全区后再焊接测试元件电阻，第二段线为主机与测试元件电阻的连接线；内阻采集线与电压采集线类似。环境温度线从电池间引出，串联安全栅后再接到主机，主机放在安全区UPS设备间。因此，目前基于本项目特点的电池在线检测系统方案如图2所示。

图2 本项目电池检测方案Fig.2 The battery detection scheme of this project

2.4 环境温度传感器接线

环境温度传感器接口连接主模块上。温度探头最好在蓄电池上方固定，确保更准确的测量环境温度，将测温模块串联安全栅，成为本质安全电路，将电压电流限制在一定安全范围内。

目前电池在线检测系统已经投入使用，系统可实现如下功能：

1）对电池进行实时状态监测，可以防止因电池故障导致的任何计划外的断电，并可适当地进行预知性的电池维修，最大限度地延长电池的寿命。

2）预知性的维修可以让维护人员有预先计划的工作，可以配合整体检修计划，降低电池断电对平台的影响。

3）电池在线监测系统可以协助平台了解电池的实时健康状况，保证蓄电池在关键时刻能够正常运行，并发挥其作用。

4）后台系统可以显示所有监测数据，可通过数据表格、曲线及柱状图的方式体现，至少可以保存两年的完整数据。

5）电池在线监测系统的应用降低了月检运维时对电池检查的工作量，减少人工成本，为今后的智能化无人平台提供设计借鉴。

3 结论

为了降低海洋石油平台因电池故障导致的停电、停机、着火等安全事故概率，并结合本项目UPS及导航系统后备电池的特性进行分析研究，在国内首次海上平台设计中对每块电池进行电压及内阻的在线检测。此系统需具备总体控制功能、电压探测、电流探测、电解液比重探测、单电池内阻探测、温度探测、信息汇总分析功能、故障预警功能、信息传递等功能。本次电池在线检测系统的应用相对于以往平台的电池的管理，进行了实时、智能、全面、精准的监测。

实时：通过实时性（在线）监测，区别于以往项目通过充放电管理电池的健康状态，本项目实现了及时发现故障电池。

智能：通过各项参数记录分析电池趋势，判断故障电池并发出预警，预留仪表报警点输出。并且通过不同数量硬件，实现了满足可以监控单块电池级别或者到几块电池的不同运维需求。

全面：增加的模块收集每块电池内阻、每块电池端电压、电池组总电压、电池组总电流和电池温度，保证了有效分析电池状态，有着比以往平台月检项目更多的数据支持。

精准：通过全面的状态收集以及智能分析，及时找出故障电池。

作为海洋平台电力系统的重要组成部分，蓄电池的实时在线监测系统对保证平台设施、人员安全有着至关重要的作用。