礦用安全監(jiān)控系統(tǒng)隔爆兼本安型UPS電源狀態(tài)管理系統(tǒng)的研究

李 輝

1 前言

隨著煤礦安全管理自動(dòng)化、信息化水平的不斷提升，安全監(jiān)控系統(tǒng)的安全保障作用變得越來(lái)越重要，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于礦井安全生產(chǎn)有著極其重大的意義。電源是監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，電子電路不正常工作約有七成是電源設(shè)備損壞引起的，電源性能是否穩(wěn)定直接關(guān)系著整個(gè)安全監(jiān)控系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定運(yùn)行。井下供電系統(tǒng)因故停運(yùn)后，UPS 電源可以為安全監(jiān)控系統(tǒng)分站提供不間斷的電力供應(yīng)，從而能夠持續(xù)發(fā)揮安全監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作用，保證作業(yè)人員的安全。

實(shí)際工作中，井下UPS電源可靠性、耐用性均達(dá)不到理想狀態(tài)，研究性能優(yōu)良、通用性強(qiáng)、體積較小、使用壽命長(zhǎng)且對(duì)其狀態(tài)能夠進(jìn)行有效管理的礦用后備電源迫在眉睫。目前UPS電源狀態(tài)管理在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用領(lǐng)域大多處于理論論證或試驗(yàn)階段，但是這一理念在其他領(lǐng)域已經(jīng)得到很好的應(yīng)用并取得了顯著地效果。

本文主要從以下兩個(gè)方面改進(jìn)UPS 電源：一是鋰離子蓄電池自主有序充放電控制；二是礦用隔爆兼本安型UPS電源雙重過(guò)流過(guò)壓保護(hù)。并在次基礎(chǔ)上建立安全監(jiān)控系統(tǒng)電源管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備井下電池SOC估算，電源運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，地面遠(yuǎn)程操作等功能。

2 鋰離子蓄電池自主有序充放電控制

目前礦井在用大量備用電源的運(yùn)行實(shí)踐表明，如不采用自主有序充放電技術(shù)，電池的使用壽命僅能達(dá)到設(shè)備標(biāo)稱(chēng)值的一半，且使用時(shí)長(zhǎng)也無(wú)法達(dá)到設(shè)備規(guī)定要求。煤礦企業(yè)必須每年一次或多次置換、更新蓄電池組，極大的增加礦井的生產(chǎn)成本。合理的充放電過(guò)程和方式能夠有效的延長(zhǎng)電池組的使用壽命并保證在供電異常時(shí)能夠到達(dá)廠家標(biāo)定的預(yù)期放電時(shí)間，確保安全監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行。

由于煤礦具有特殊性，電池在進(jìn)行自主放電的過(guò)程的末段有可能是發(fā)生停電事故的時(shí)刻，雖然是小概率事件，但是有其發(fā)生的可能性。因此需要對(duì)自主充放電策略進(jìn)行研究，以滿(mǎn)足電源的使用要求。

鋰電池充電的基本要求是特定的充電電流和充電電壓，從而保證電池安全充電[1]。增加其它充電輔助功能是為了改善電池壽命，簡(jiǎn)化充電的操作，其中包括給過(guò)放電的電池使用涓流充電、電池電壓檢測(cè)、輸入電流限制、充電完成后關(guān)斷充電器、電池部分放電后自動(dòng)啟動(dòng)充電等。鋰離子電池的充電過(guò)程可以分為四個(gè)階段：涓流充電（低壓預(yù)充）、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。

鋰電池的充電方式是限壓恒流，都是由IC芯片控制的，典型的充電方式是：先檢測(cè)待充電電池的電壓，如果電壓低于3 V，要先進(jìn)行預(yù)充電，充電電流為設(shè)定電流的1/10，電壓升到3 V后，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)充電過(guò)程。標(biāo)準(zhǔn)充電過(guò)程為：以設(shè)定電流進(jìn)行恒流充電，電池電壓升到4.20 V 時(shí)，改為恒壓充電，保持充電電壓為4.20 V。此時(shí)，充電電流逐漸下降，當(dāng)電流下降至設(shè)定充電電流的1/10 時(shí)，充電結(jié)束。圖1、2 分別為鋰電池充電曲線及鋰電池充電過(guò)程圖：

圖1 鋰電池充電曲線圖

圖2 鋰電池充電過(guò)程圖

階段1：涓流充電——涓流充電用來(lái)先對(duì)完全放電的電池單元進(jìn)行預(yù)充(恢復(fù)性充電)。在電池電壓低于3 V 左右時(shí)采用涓流充電，涓流充電電流是恒流充電電流的十分之一即0.1 C。(C 是以電池標(biāo)稱(chēng)容量對(duì)照電流的一種表示方法，如電池是1 000 mAh的容量，1C就是充電電流1 000 mA。以恒定充電電流為1 A舉例，則涓流充電電流為100 mA。）

階段2：恒流充電——當(dāng)電池電壓上升到涓流充電閾值以上時(shí)，提高充電電流進(jìn)行恒流充電。恒流充電的電流在0.2 C～1.0 C 之間。電池電壓隨著恒流充電過(guò)程逐步升高，單節(jié)電池設(shè)定電壓為3.0 V ～4.2 V。

階段3：恒壓充電—— 當(dāng)電池電壓上升到4.2 V時(shí)，恒流充電結(jié)束，開(kāi)始恒壓充電階段。電流根據(jù)電芯的飽和程度，隨著充電過(guò)程的繼續(xù)充電電流由最大值慢慢減少，當(dāng)減小到0.01 C時(shí)，認(rèn)為充電終止。

階段4：充電終止——有兩種典型的充電終止方法：采用最小充電電流判斷或采用定時(shí)器(或者兩者的結(jié)合)。最小電流法監(jiān)視恒壓充電階段的充電電流，并在充電電流減小到0.02 C 至0.07 C 范圍時(shí)終止充電。第二種方法從恒壓充電階段開(kāi)始時(shí)計(jì)時(shí)，持續(xù)充電兩個(gè)小時(shí)后終止充電過(guò)程。

考慮電池在進(jìn)行自主放電過(guò)程的末段有可能是發(fā)生停電事故的時(shí)刻，從而導(dǎo)致“放電沖突”，因此對(duì)自主充放電策略要進(jìn)行研究，同時(shí)也可以通過(guò)其他手段輔助優(yōu)化控制策略，主要采取以下三種放電策略：

策略本身可以通過(guò)采集不同電池的充放電特性，再通過(guò)控制電池放電深度來(lái)縮小自主充放電的時(shí)間，從而減小“放電沖突”的可能性。

通過(guò)增大放電完成后的充電電流，對(duì)電池進(jìn)行快速充電來(lái)縮小自主充放電的時(shí)間，從而也可減小“放電沖突”的可能性。

通過(guò)遠(yuǎn)程狀態(tài)管理系統(tǒng)人為操作，在未停電時(shí)可隨時(shí)對(duì)某一電池進(jìn)行手動(dòng)放電操作，計(jì)入自主充放電策略中，從而也可減小“放電沖突”的可能性。

3 礦用隔爆兼本安型UPS電源雙重過(guò)流過(guò)壓保護(hù)

雙重過(guò)壓過(guò)流保護(hù)可以保證在出現(xiàn)一級(jí)故障的情況下，依然能夠滿(mǎn)足本質(zhì)安全的要求，這樣可極大地提高了下電路工作的安全系數(shù)[2]。同時(shí)電源具備自恢復(fù)功能，當(dāng)系統(tǒng)故障排除后能自動(dòng)回復(fù)到正常工作狀態(tài)。本安電源主要由交流或直流輸入電路，一級(jí)過(guò)流保護(hù)電路，二級(jí)過(guò)流保護(hù)電路，過(guò)壓保護(hù)電路和直流輸出電路組成。交流或直流輸入電路主要用來(lái)將127 V或660 V 的交流電壓或蓄電池供電的直流電壓轉(zhuǎn)化為+5 V，+12 V，+18 V，+24 V 不同等級(jí)的直流電壓。一級(jí)過(guò)流保護(hù)電路和二級(jí)過(guò)流保護(hù)電路主要用于防止本安電源的輸出電流過(guò)大（本安電源的最大輸出電流為800 mA，超過(guò)800 mA 電源即處于保護(hù)狀態(tài)）。過(guò)壓保護(hù)電路主要用于防止電源的輸出電壓過(guò)大。直流輸出電路主要用于保證電路輸出穩(wěn)定的+5 V，+12 V，+18 V，+24 V電壓。

4 礦井UPS電源狀態(tài)管理系統(tǒng)

影響隔爆兼本安型UPS電源壽命長(zhǎng)短的因素多種多樣，UPS 儲(chǔ)能介質(zhì)失效受濕度、環(huán)境溫度、生產(chǎn)工藝等都會(huì)影響UPS 電源的壽命[3]。根據(jù)井下的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件，結(jié)合樣機(jī)地面試驗(yàn)運(yùn)行特性及系統(tǒng)試運(yùn)行數(shù)據(jù)，構(gòu)建礦用隔爆兼本安型UPS電源及管理系統(tǒng)。

狀態(tài)管理系統(tǒng)當(dāng)中包含電源狀態(tài)評(píng)估模塊，狀態(tài)評(píng)估模塊主要評(píng)估電源儲(chǔ)能介質(zhì)狀態(tài)是否退化，產(chǎn)生狀態(tài)監(jiān)測(cè)記錄。狀態(tài)評(píng)估主要基于UPS電源各種狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)以及自主有序充放電次數(shù)等數(shù)據(jù)信息，如圖3所示。

圖3 狀態(tài)管理系統(tǒng)

狀態(tài)管理系統(tǒng)軟件安裝在地面控制室內(nèi)的工業(yè)計(jì)算機(jī)上，可以對(duì)分散在不同區(qū)域的作業(yè)面的UPS 電源進(jìn)行集中狀態(tài)監(jiān)控管理。

監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)：輸入電壓、電流、功率、各路輸出的電壓、電流、功率以及鋰電池管理系統(tǒng)(BMS)的監(jiān)測(cè)參數(shù)等。

監(jiān)控的主要報(bào)警信號(hào)：過(guò)壓、過(guò)流、直流側(cè)短路、交流輸入側(cè)短路、鋰電池故障等。

各工作面的電源參數(shù)和報(bào)警信號(hào)通過(guò)485以及以太網(wǎng)傳給中控室，通過(guò)編程可做出齊全的畫(huà)面。包括系統(tǒng)狀態(tài)畫(huà)面：電源的狀態(tài)，電池的狀態(tài)、通訊網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等；實(shí)時(shí)曲線畫(huà)面：各電源參數(shù)和電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示；歷史曲線畫(huà)面：各電源參數(shù)和電池狀態(tài)的歷史曲線；報(bào)警畫(huà)面：系統(tǒng)各報(bào)警信息的顯示，記錄；報(bào)表打?。焊鞣N參數(shù)的報(bào)表，可定時(shí)打印、隨時(shí)打??；權(quán)限級(jí)別：具有操作員、工程師、管理員級(jí)別設(shè)定。

狀態(tài)系統(tǒng)可記錄各電源的參數(shù)和各電池的充放電狀態(tài)；可自動(dòng)合理的安排各電池的自主充放電，保持電池的活性；并可通過(guò)檢測(cè)的電池?cái)?shù)據(jù)，分析電池壽命，為更換電池提供一定的建議。通過(guò)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)電源壽命，為電源的維護(hù)保養(yǎng)提供建議，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

從四臺(tái)礦應(yīng)用效果來(lái)看，采用鋰離子蓄電池自主有序充放電控制及UPS 電源雙重過(guò)流過(guò)壓保護(hù)后，安全監(jiān)控系統(tǒng)分站UPS 電源使用時(shí)長(zhǎng)可以大幅度提高，可以從平均1小時(shí)延長(zhǎng)至5～6小時(shí)。

5 結(jié)論

本套方案可以延長(zhǎng)隔爆兼本安型UPS電源的使用壽命，減緩井下蓄電池組的老化，降低UPS電源電池的更替速率，同時(shí)地面監(jiān)控操作人員可以實(shí)時(shí)查看各UPS 電源裝置的工作狀況，在發(fā)生停電事故時(shí)可按照設(shè)備標(biāo)定工作時(shí)間保障負(fù)荷的正常運(yùn)行。

通過(guò)對(duì)鋰離子蓄電池充放電策略的調(diào)整，使用雙重過(guò)流過(guò)壓保護(hù)，并借助智能模型來(lái)預(yù)測(cè)、監(jiān)控和管理井下電源設(shè)備，構(gòu)建了井下UPS 電源技術(shù)保障體系。狀態(tài)管理系統(tǒng)在四臺(tái)礦天津中煤電子信息工程有限公司KJ86N 型安全監(jiān)控系統(tǒng)試運(yùn)行正常，完全可以保證UPS電源按照設(shè)計(jì)值正常穩(wěn)定運(yùn)行。