一种基于氢气产生速率比率预知UPS电池故障方法

一种基于氢气产生速率比率预知ups电池故障方法
技术领域
1.本发明属于ups设备保护技术领域，具体涉及一种基于氢气产生速率比率预知ups电池故障方法。


背景技术：

2.usp(uninterrupted power supply)设备，即不间断电源设备,按照其工作方式可以简单分为三大类：后备式ups、在线式ups、在线互动式ups；在这其中，由于在线式ups无论是市电接通还是断开，都能够提供高质量的电能，所以此种 ups使用最为广泛，价格也较为贵一些。
3.但是无论是哪种ups都会具有以下几种结构：蓄电池、逆变器、整流器和静态开关，充电器；由于ups要求电能切换时间需要尽可能的短，所以除了电池容量的大小和电能的谐波含量这两个指标之外，静态开关这一组成部分就显得十分重要。
4.在科技发展迅速的21世纪，传统的市电难以满足用户的需求。最直接的体现就在于计算机的机房当中，当突然间的电力中断，或者由于电压波动太大造成的数据损坏，以及工人的作业未保存，都给人们带来了十分巨大的麻烦。于是 ups就应运而生，ups的使用目的在于两个方面；
5.1、ups具有滤波功能，当市电正常供给的时候，它会通过自身的整流电路把交流电变为直流电，一方面给自己的电池充电；另一方面再通过逆变器和滤波器进行滤波，最后再输送给用电器。值得注意的是，经过此过程之后市电的电压以及波形都比原来的更加符合标准。
6.2、ups可以作为备用能源，用于在市电突然中断的时候提供电能。由于电能切断时间极短，所以使得用电器相当于供电没有中断。而当市电再次接通时，电池就会停止供电，转为充电。
7.综合这两点，就可以得出ups为电工作者提供了更好的工作环境的结论。于是近些年来ups技术发展极为迅速，并且朝着体积小、容量大、免维修的方向前进。并且各个机房、私人电脑或者一些其他贵重设备也都添加了ups设备。
8.ups的故障类型分为多种，电力电子设备部分的故障、再或者是电池的故障。在这些故障中又以电池的故障所导致的后果最为严重，当电池发生严重故障时，如果没有比较及时的处理手段难么就会造成经济损失严重时会引起火灾，对人身安全也是重大的威胁。
9.所以如何预知、处理这些突发的状况，以便于使损失降到最低，变成了我们最需要考虑的问题。
10.ups的故障分为多种，但是归结其故障的起因有两个，分别是由充电条件不好所引起的热失控和电池内部的活性物质脱落。由于蓄电池都会有其使用寿命周期，所以电池老化并不属于电池故障。
11.如今对于ups电池保护措施十分缺少，很多保护仅仅只是通过经验所得，但是实际上，仅仅靠人为的判断而不加入一些电池准确地数据的判断是不可靠的，不仅仅因为人会
由于当前的工作而忘记判断ups的工作状态，在另一方面认为的判断总是滞后的，即使通过人为判断出了故障，此时ups的电池也会有很大程度上不可逆的损坏，此时我们的损失已经产生，难以挽回。
12.但更值得我们考虑的是，使用ups设备的人员并不一定会懂得ups故障的判断，所以我们更需要一种报警设备，能够准确的预报电池的故障在故障发生最开始几秒，再或者是预先知道故障的类型，并且采取对应的策略才能更加有效的降低我们的损失，甚至完全可以避免对电池使用寿命的影响。
13.在很多的机房中也配置了ups设备，虽然有着专业人员的定期维修，但是对于某些突发状况，仅凭借着机房的一般的保护设备(多为烟雾报警器)很难保证我们对于保护措施的期望。因为烟雾报警器存在着严重的滞后性，如图所示，从故障开始发生，最后到报警，人为采取措施起码会有几分钟的延时。等烟雾报警器开始报警器，蓄电池部分大多都已经严重损坏，不能进行利用了。
14.所以我们需要一种能够更为及时，且具有某种程度预报功能的报警方案，来使得即使故障发生，我们也要将损失降至最低。并且考虑到ups的价值问题，我们所做出的故障判断方法需要简单易行，造价便宜。


技术实现要素：

15.本发明的目的是提供一种基于氢气产生速率比率预知ups电池故障方法，用于预知电池内部的反应状况，达到预知电池故障的目的。
16.本发明解决其技术问题的技术方案为：一种基于氢气产生速率比率预知ups 电池故障方法，其特征在于：包括以下步骤：
17.s1：通过氢敏传感器获取氢气浓度的测量c
t
，每两秒获取一次，其中t代表当前时间点，为偶数；
18.s2：选择ups电池当前氢气产生速率与初始氢气产生的速率之比为故障变量，作为标准来判断故障，定义par值为当前氢气的速率与初始氢气产生的速率之比，则：
[0019][0020]
其中为从第n
‑
10秒到第n秒之间10内的平均速率，为最开始运行时，起始十秒的平均速率。
[0021]
s3：对于所产生的氢气量进行求和并且带入式(1)得到
[0022][0023]
其中par为我们预设的指标，h
n
‑
2k
为时间区间(n
‑
2(k+1),n
‑
2k)内所产生的氢气，n为当前运行时间为第n秒，取偶数。
[0024]
s4：因为氢敏传感器测得的为氢气浓度c
t
，c
t
为第t秒氢气的浓度，h
n
‑
2k
可
[0025]
计算为：
[0026]
h
n
‑
2k
＝(c
n
‑
2(k+1)
‑
c
n
‑
2k
)
×
v
容
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0027]
式中v
容
为ups电池内部空间的容积；
[0028]
由当前10秒内氢气产生的平均速率，通过联立公式(2)(3)求得故障变量为：
[0029][0030]
对公式(4)进行化简得到
[0031][0032]
s5：为了充分利用数据c
t
，引入牛顿
‑
科茨newton
‑
cotes公式，
[0033]
假设积分时间区间为[a,b],并且对其进行n等分，选取等距节点
[0034][0035]
根据(6)求得插值型求积公式的求积系数
[0036][0037]
其中l
k
(x)称为为x
k
处的插值基函数
[0038]
x＝a+th
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0039]
此时结合(7)(8)进行积分变换
[0040][0041]
此时取
[0042][0043]
根据式继续根据式(10)(11)可以得到所需要的牛顿
‑
科茨公式
[0044][0045][0046]
此时(12)即为我们所需要的求积公式；它有着极高的准确度，并且由的表达式也可以看出，它不仅和积分区间无关并且和被积函数也无关，也就是说我们只需要在编程时加入几个简单的数据就可以根据测量的浓度进行积分，再进而进行氢气发生速率的比较；
[0047]
s6：由于选取的为10秒内的速率比较因此取n＝4，此时所有的数据均可使用，科茨系数分别为7/90,16/45,2/15,16/45,7/90
[0048]
此时par求解公式为：
[0049][0050]
其中为科茨系数取n＝4，分别是7/90,16/45,2/15,16/45,7/90，h
t
为为时间区间(t
‑
2,t)内所产生的氢气，由式(3)求得；
[0051]
s6：当par值大于1.2且小于2.0时，判断为热失控；当par值大于2.0时，判断为活性物质脱落；
[0052]
当电池的par值没有异常，根据氢气的产生速率和第一次使用时的偏移量判断电池是否需要进行补水，以及电池的老化程度。
[0053]
当在ups电池开启的前十秒就已经发生了故障，采用此次的par值和上次正常工作时相对比，如果par值与上一次正常工作时偏移量较小，则认为前十秒是正常工作状态，并且以此为基准进行接下来的计算。
[0054]
本发明的有益效果为：
[0055]
一：较之别的方案在故障发生之后才采取报警措施的方案，本方法具有预测功能，能在故障还未发生是进行预报并且及时准确。
[0056]
二：较之市面上的不够完备的保护措施，本发明选择根据铅酸蓄电池的内部单位时间所产生的氢气量和正常运行时单位时间所产生的氢气量做对比所得标准值为本方案预测故障的判据，不仅简易可行，并且相对于烟雾报警器等设备，此方法可以明显的提前故障的预报时间，可以在最短时限内发出报警，既保证电池使用寿命，又保证不会导致其他更加严重的故障，并且可以准确的预报故障类型，完全可以替代其他的保护设备,还可以某种程度上降低专业人员的工作强度。
[0057]
三：考虑到故障预报系统的造价问题，我们对于氢气产生速率的算法进行的优化，可以通过较为简单的处理器，仅仅通过测量的浓度来进行加法乘法以及除法运算，不包含微分积分，以及其他的大量数据的运算，来算得我们的所需要的判断故障的依据(par值)，并且对数据充分利用，不会因为一两个错误数据误报。所以此方案不仅仅觉有极高的可靠性，并且生产价格较低，易于大面积推广。
附图说明
[0058]
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
[0059]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0060]
蓄电池是一种通过把电能以化学能的形式储存起来，等到使用时再将化学能转换为电能的设备。而铅酸蓄电池内部化学反应如以下公式所示。
[0061]
正极：
[0062]
负极：
[0063]
总反应：
[0064]
这是电池最为理想的情况下的反应，但是在电池充电的过程中电池负极总会速速平均的产生一些氢气，此时存在以下反应：
[0065]
正极：2h2o
→
o2↑
+4h
+
+4e
[0066]
负极：4h
+
+4e
→
2h2↑
[0067]
由于氢气的相对分子质量比空气要小得多，我们选择把氢敏传感器放在ups 的正上方以便于氢气浓度的测量。
[0068]
考虑到氢气的浓度是随着时间不断增加的，我们不选取浓度作为指标，选择产生氢气的速率为标准来判断故障的类型。由于在不同的地点以及不同的条件下氢气释放的速率也会产生相应的变化，所以为了结果更准确我们通过运算处理器来设置一个参数，在我们开始使用ups前几秒进行自动设定。
[0069]
如图1所示，本发明包括以下步骤：
[0070]
s1：通过氢敏传感器获取氢气浓度的测量c
t
，每两秒获取一次，其中t代表当前时间点，为偶数；
[0071]
s2：选择ups电池当前氢气产生速率与初始氢气产生的速率之比为故障变量，作为标准来判断故障，定义par值为当前氢气的速率与初始氢气产生的速率之比，则：
[0072][0073]
其中为从第n
‑
10秒到第n秒之间10内的平均速率，为最开始运行时，起始十秒的平均速率。
[0074]
s3：对于所产生的氢气量进行求和并且带入式(1)得到
[0075][0076]
其中par为我们预设的指标，h
n
‑
2k
为时间区间(n
‑
2(k+1),n
‑
2k)内所产生的氢气，n为当前运行时间为第n秒，取偶数。
[0077]
s4：因为氢敏传感器测得的为氢气浓度c
t
，c
t
为第t秒氢气的浓度，h
n
‑
2k
可
[0078]
计算为：
[0079]
h
n
‑
2k
＝(c
n
‑
2(k+1)
‑
c
n
‑
2k
)
×
v
容
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0080]
式中v
容
为ups电池内部空间的容积；
[0081]
由当前10秒内氢气产生的平均速率，通过联立公式(2)(3)求得故障变量为：
[0082][0083]
对公式(4)进行化简得到
[0084][0085]
s5：由数据冗余规则可知，式(5)计算是不可靠的，因为拥有12个数据，计算中仅用到两个，当其中一个数据引入较大误差或数据出错时，报警系统可能不可靠，系统安全得不到保障，为了充分利用这些数据，引入牛顿
‑
科茨 newton
‑
cotes公式，
[0086]
假设积分时间区间为[a,b],并且对其进行n等分，选取等距节点
[0087][0088]
根据(6)求得插值型求积公式的求积系数
[0089][0090]
其中l
k
(x)称为为x
k
处的插值基函数
[0091]
x＝a+th
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0092]
此时结合(7)(8)进行积分变换
[0093][0094]
此时取
[0095][0096]
根据式继续根据式(10)(11)可以得到所需要的牛顿
‑
科茨公式
[0097][0098][0099]
此时(12)即为我们所需要的求积公式；它有着极高的准确度，并且由的表达式也可以看出，它不仅和积分区间无关并且和被积函数也无关，也就是说我们只需要在编程时加入几个简单的数据就可以根据测量的浓度进行积分，再进而进行氢气发生速率的比较；
[0100]
s6：由于选取的为10秒内的速率比较因此取n＝4，此时所有的数据均可使用，科茨系数分别为7/90,16/45,2/15,16/45,7/90
[0101]
此时par求解公式为：
[0102]
[0103]
其中为科茨系数取n＝4，分别是7/90,16/45,2/15,16/45,7/90，h
t
为为时间区间(t
‑
2,t)内所产生的氢气，由式(3)求得；
[0104]
显然当n越大的时候测量越准确，但是实际上为了保证算法的稳定性，我们一般取n<8，此时系数是全是正数，算法是稳定的。为了更加进一步说明该算法的精度比较高(n为偶数时有n+1次代数精度)，在此给出证明。
[0105]
r
n
[f]＝i[f]
‑
i
n
[f]
ꢀꢀ
(14)
[0106]
式(14)中我们取r
n
[f]为我们的误差，i[f]和i
n
[f]分别为准确的曲线和拟合的曲线。
[0107]
此时会得到误差余项
[0108][0109][0110]
式(15)中ξ
x
∈[a,b]，为了说明其代数精度只需要证明式(16)等于零即可
[0111]
取n为偶数，根据式(6)令x＝a+th，进行积分变换，进而可以得到
[0112][0113]
n为偶数时n/2为整数，令t＝u+n/2则
[0114][0115]
得证其当n为奇数时至少有n次代数精度，n为偶数时至少有n+1次代数精度。同时也很好的说明了算法的准确性。
[0116]
s6：当par值大于1.2且小于2.0时，判断为热失控；当par值大于2.0时，判断为活性物质脱落；
[0117]
当电池的par值没有异常，根据氢气的产生速率和第一次使用时的偏移量判断电池是否需要进行补水，以及电池的老化程度。
[0118]
当在ups电池开启的前十秒就已经发生了故障，采用此次的par值和上次正常工作时相对比，如果par值与上一次正常工作时偏移量较小，则认为前十秒是正常工作状态，并且以此为基准进行接下来的计算。
[0119]
本实施例适用于市面上大部分的铅酸蓄电池，而ups设备的蓄电池也大多是选用的铅酸蓄电池，可以根据铅酸蓄电池的内部单位时间所产生的氢气量和正常运行时单位时间所产生的氢气量做对比，来预知电池内部的反应状况，从而可以达到预知电池故障的目的。而且此种方法与ups的内部结构不会产生冲突，更能及时的汇报电池的状态。
[0120]
本发明的有益效果为：
[0121]
一：较之别的方案在故障发生之后才采取报警措施的方案，本方法具有预测功能，能在故障还未发生是进行预报并且及时准确。
[0122]
二：较之市面上的不够完备的保护措施，本发明选择根据铅酸蓄电池的内部单位时间所产生的氢气量和正常运行时单位时间所产生的氢气量做对比所得标准值为本方案预测故障的判据，不仅简易可行，并且相对于烟雾报警器等设备，此方法可以明显的提前故障的预报时间，可以在最短时限内发出报警，既保证电池使用寿命，又保证不会导致其他更加严重的故障，并且可以准确的预报故障类型，完全可以替代其他的保护设备,还可以某种程度上降低专业人员的工作强度。
[0123]
三：考虑到故障预报系统的造价问题，我们对于氢气产生速率的算法进行的优化，可以通过较为简单的处理器，仅仅通过测量的浓度来进行加法乘法以及除法运算，不包含微分积分，以及其他的大量数据的运算，来算得我们的所需要的判断故障的依据(par值)，并且对数据充分利用，不会因为一两个错误数据误报。所以此方案不仅仅觉有极高的可靠性，并且生产价格较低，易于大面积推广。