煤礦井下智能一體化后備電源關(guān)鍵技術(shù)研究

天地（常州）自動化股份有限公司 郭孝園

1.引言

數(shù)字化礦山的環(huán)境監(jiān)測、通訊聯(lián)絡(luò)等各種本安系統(tǒng)，一般均采用隔爆兼本安電源供電，多具有后備電池。

但由于各種弱電設(shè)備安裝、布置較為分散，其隔爆電源的前端AC127/AC660V供電均為就近取電，一般取電自風(fēng)機開關(guān)，水泵開關(guān)等，很少采用專項電單獨為系統(tǒng)供電，存在可靠性差低，供電發(fā)生故障后停電時間長等缺點。如果數(shù)字礦山系統(tǒng)全部采用雙回路、專用變壓器、專用開關(guān)方式供電，即借鑒目前井下廣泛應(yīng)用的局部通風(fēng)機供電模式，可以有效保證供電網(wǎng)絡(luò)安全、可靠，但建設(shè)費用較高；隨著煤礦變頻器、軟啟動等非線性負(fù)荷裝置應(yīng)用的越來越多，給電網(wǎng)中注入了大量的電力諧波，此類干擾導(dǎo)致數(shù)字化礦山各類系統(tǒng)異常和事故逐年增長；安全監(jiān)控等系統(tǒng)自帶的后備電池容量有限，一般只能滿足2小時后備供電，現(xiàn)場交流斷電一旦超過2小時，則供電中斷，系統(tǒng)將無法正常運行；目前數(shù)字化礦山相關(guān)子系統(tǒng)所采用的傳統(tǒng)分散式供電模式，每個系統(tǒng)數(shù)十臺電源，當(dāng)系統(tǒng)電源故障時都需要技術(shù)人員在現(xiàn)場故障判斷，現(xiàn)場解決，工作量較大，后期運行維護(hù)質(zhì)量難以保障；數(shù)字礦山系統(tǒng)電源不具有電池智能管理功能，后備電源電池長期處于浮充狀態(tài)，會大幅度降低電池使用壽命，必須進(jìn)行周期性放電操作，以保證電池使用壽命。

綜上所述，有必要進(jìn)行具有后備電池管理的，可實現(xiàn)各種系統(tǒng)隔爆兼本安電源可靠供電的智能一體化后備電源，進(jìn)而保證數(shù)字化礦山各類本安系統(tǒng)可靠、經(jīng)濟(jì)、安全的不間斷供電，為煤礦安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

2.分散式供電模式

目前煤礦井下廣泛應(yīng)用的分散式供電模式其應(yīng)用為各類系統(tǒng)的隔爆兼本安電源取電自不同的饋電開關(guān)。

圖1 局部分散供電供電取電方式

局部分散式供電的方式具有接線方便、成本低等優(yōu)點，但此種方式亦存在如下缺點：

（1）后備電池冗余擴展的局限性：當(dāng)需要提高本安設(shè)備不間斷供電時間時，只有通過外掛電池箱有效的增加系統(tǒng)續(xù)航時間，但有些隔爆兼本安不間斷電源不具有該擴展接口，即使具有擴展接口，也需要考慮電源內(nèi)部的電氣隔離耐壓要求；

（2）供電范圍局限性：無法實現(xiàn)防爆交換機、防爆PLC等非本安設(shè)備AC127V的輸入，進(jìn)而無法實現(xiàn)防爆PLC、防爆交換機等數(shù)字化礦山設(shè)備的供電；

（3）供電可靠性較差：目前煤礦井下軟啟動、變頻器的使用中共模，差模干擾較大，隔爆電源上電的瞬間，及正常工作時均存在較大的高次、高頻諧波，高頻信號對于485、CAN傳輸干擾較大；

（4）無后備電池管理功能：無法遠(yuǎn)程實現(xiàn)后備電池、輸出參數(shù)的監(jiān)控。

3.智能一體化后備電源組成及工作原理

3.1 組成

本人設(shè)計基于一體化技術(shù)的后備電源主要由的關(guān)鍵技術(shù)由硬件實現(xiàn)、傳輸、上位機組成。

（1）底層硬件：設(shè)備層主要包括智能管理主機、鋰電池箱、本安電源，通過底層硬件實現(xiàn)對系統(tǒng)中主機、鋰電池箱、隔爆兼本安電源的出廠編號，運行時間，安標(biāo)號，交流輸出電流，輸出電壓，鋰電荷電融，負(fù)載功率，本安電流等狀態(tài)信息的采集，可實現(xiàn)本地顯示及遠(yuǎn)程顯示；具有故障智能自診斷功能，管理主機實現(xiàn)對系統(tǒng)中交流輸出過載，旁路，本安短路保護(hù)等信息的采集，可實現(xiàn)快速定位，快速診斷；通過電池箱硬件實現(xiàn)對后備電池荷電容量、本安負(fù)荷超過設(shè)定值的報警，防止電池容量不夠、本安負(fù)荷過重等危險的發(fā)生；通過隔爆兼本安硬件實現(xiàn)對其后備電池的遠(yuǎn)程手動放電操作，避免后備電池在交流電存在時長時間的浮充，進(jìn)行電池預(yù)防式放電，可有效延長電池的使用壽命。

（2）傳輸：智能一體化電源設(shè)備接入各種系統(tǒng)、各種子設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口，可接入礦方已有的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)或普通傳輸接口，提供標(biāo)準(zhǔn)格式的Modbus協(xié)議，方便與各類系統(tǒng)及設(shè)備互聯(lián)互通。

（3）上位機：采用組態(tài)圖形界面展示出智能主機，鋰電池組，隔爆兼本安電源的各種狀態(tài)信息，人性化的模擬圖形界面，方便用戶使用，具有開放的OPC接口，方便接入其他系統(tǒng)使用；具有用戶權(quán)限等級劃分管理功能，數(shù)據(jù)具有加密存儲功能，防止篡改等。

圖2 智能一體化后備電源組成

3.2 工作原理

AC660/1140V/127V輸入到電池箱，實現(xiàn)對電池箱中鋰電池充電；正常工作時AC660/1140V輸入到電源主機，經(jīng)過工頻變壓器、雙冗余逆變電路板輸出穩(wěn)定、綠色AC127V為隔爆型各種數(shù)字化礦山設(shè)備供電。

當(dāng)交流斷電時，多組電池箱的直流輸出DC48V到智能電源主機，經(jīng)過效率可達(dá)95%，同時具有PFC逆變電路，實現(xiàn)AC127V的不間斷供電，實現(xiàn)各類系統(tǒng)隔爆兼本安電源的不間斷供電。

圖3 智能一體化電源工作原理圖

3.3 實現(xiàn)功能

（1）實現(xiàn)了智能一體化電源中電源主機、電池箱、隔爆兼本安電源等設(shè)備完善保護(hù)機制的建立，當(dāng)單臺電源的輸出、輸入，人為、非人為的操作故障均不會對系統(tǒng)的正常工作造成影響。

（2）系統(tǒng)電源主機、電池箱、隔爆兼本安電源均通過EMC試驗，通過了“射頻電磁場，浪涌沖擊，電快速瞬變/脈沖群抗擾度，傳導(dǎo)輻射、靜電放電抗擾度，”試驗，評價等級為A，有效保證了系統(tǒng)供電的可靠性。

（3）擴展了數(shù)字化礦山供電系統(tǒng)的供電時間，可實現(xiàn)多臺電池箱的級聯(lián)使用，滿足不同負(fù)荷功率設(shè)備供電的個體化要求，電池箱外殼結(jié)構(gòu)的固定采用物理公母疊加的加固方式，擺放式形成有機的整體，加強了系統(tǒng)的整體性構(gòu)造。

（4）實現(xiàn)了整個數(shù)字化礦山供電系統(tǒng)的診斷功能，可以實現(xiàn)電源主機、電池箱、隔爆兼本安電源出現(xiàn)的由于上級供電設(shè)備異常造成的輸入過壓、輸入過流、輸入短路等故障的快速診斷，快速定位，可以實現(xiàn)電源主機、電池箱、隔爆兼本安電源本機設(shè)備輸出過壓、輸出過流、輸出過載，缺相，飄零等故障快速診斷，快速定位，有效保證了系統(tǒng)的安全，有效降低了人力成本。

（5）實現(xiàn)了全礦井各個系統(tǒng)各種電源的統(tǒng)一管理，通過RSA加密方式及人工智能對電池充放電歷史數(shù)據(jù)挖掘，可有效提醒電池的荷電SOC狀態(tài)，結(jié)合負(fù)載情況，電壓，電流等狀態(tài)，引入專家挖掘系統(tǒng)，選擇最優(yōu)的電池充放電解決方案，可遠(yuǎn)程，異地，手機APP端進(jìn)行電池等易損配件的強制性保護(hù)性、預(yù)防式操作。避免由于單機設(shè)備的失效造成系統(tǒng)的無法運行，可進(jìn)行孤島式的判斷及預(yù)估。

4.關(guān)鍵技術(shù)

目前國內(nèi)以DSP技術(shù)為核心的在智能一體化后備電源中的研究應(yīng)用主要體現(xiàn)在如下兩個方面：一是將各種實時性較高的、先進(jìn)的算法用于逆變數(shù)字控制，二是利用DSP數(shù)字控制技術(shù)實現(xiàn)更準(zhǔn)確、更迅速的鎖相環(huán)控制，本文以TI的TMS320F2807 為MCU的技術(shù)方案，此MCU可通過三角運算硬件加速器提升，該加速器利用 CPU指令（如正弦、余弦和反正切函數(shù)）提高了轉(zhuǎn)矩環(huán)路和位置計算中常見的基于三角運算的算法性能。針對逆變的電網(wǎng)擾動及多諧波非穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)的特點，采用了PID控制來改善逆變輸出的穩(wěn)態(tài)特性，通過具有故障保護(hù)功能的增強型脈寬調(diào)制器 (ePWM)實現(xiàn)故障狀態(tài)下設(shè)備運行的快速切換及保護(hù)，

通過配有四個窗 口化比較器子系統(tǒng) (CMPSS)，可在過壓或過流條件下非?？焖俚刂苯佑|發(fā)PWM，防止設(shè)備意外發(fā)生。

電源主機與上位機的通訊接口電路，設(shè)計了電源主機中DSP控制的蓄電池低壓檢測電路、低壓保護(hù)電路，滯回觸發(fā)電路，127V輸出電壓過壓檢測等電路，故障報警電路，對電源主機中的DSP資源進(jìn)行了分配，充分利用了DSP的外設(shè)多和速度快的特點。在軟件方面，設(shè)計了各部分的程序，其中包括主程序，通訊程序，軟件鎖相，保護(hù)分析，故障診斷，輸出穩(wěn)態(tài)控制程序以及各種相關(guān)的中斷及保護(hù)程序。

近年來由于IGBT等高頻、大功率開關(guān)器件廣泛使用，雖然提高了效率，實現(xiàn)了大功率驅(qū)動，目前多組冗余逆變控制多采用ePWM信號來驅(qū)動逆變器。ePWM方式主要采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)和空間矢量調(diào)制(SVPWM)兩種。如智能一體化的逆變輸出對于減少輸出AC127V高頻干擾，改善輸出127V調(diào)節(jié)的非靜態(tài)態(tài)性能和輸出電壓的偏離值要求較高，則選擇正弦脈寬調(diào)制的方式可以滿足要求，以基于線性控制理論的系統(tǒng)控制算法PID分析，通過對極大均值的策略控制，調(diào)整輸出電壓幅值的靜態(tài)非脈沖沖擊，有效的降低了輸出AC127V在輕載、重載情況的波形的畸變，有效保證了輸出電壓的質(zhì)量。

4.1 DSP核心控制部分

圖4所示逆變系統(tǒng)硬件原理框圖，DSP完成AD轉(zhuǎn)換，PWM波驅(qū)動，雙邊非對稱算法等功能，其ePWM模塊可實現(xiàn)定時，計數(shù)比較，死區(qū)控制，載波發(fā)生等功能，有效實現(xiàn)整個系統(tǒng)的保護(hù)機制。

工作正常時TMS320F2807的12位AD實時檢測一體化主機、多臺電池箱電壓、電流、交直流工作狀態(tài)，SOC荷電容量等模擬狀態(tài)量信息，通過CLA 實時控制協(xié)處理器進(jìn)行，此并行處理功能 可有效加倍實時控制系統(tǒng)的計算性能通過PID算法其PWM驅(qū)動模塊進(jìn)行有效的控制，進(jìn)而實現(xiàn)電池箱直流輸出通過IGBT驅(qū)動開關(guān)管的轉(zhuǎn)換，最終實現(xiàn)逆變AC127V的輸出。

現(xiàn)場使用時無論由于環(huán)境因素、人為因素、或者設(shè)備本身故障引起的輸入過壓，輸入旁路，輸出短等故障情況，本安輸出過壓、過流保護(hù)，電池深度放電，多臺電池箱電壓單體電池過放，過充、輸出放電過流等各種異常的非正常工作狀態(tài)，通過MCU的實時監(jiān)測、計算、通訊、報警等功能的工作，最終實現(xiàn)整個智能一體化后備電源系統(tǒng)的正常工作。

圖4 DSP控制電路

4.2 鋰電池管理技術(shù)

圖5 鋰電池充放電管理電路

本文中選擇的電池箱的后備電池選擇為60AH磷酸鐵鋰電池，該磷酸鐵鋰壽命長是聚合物鋰電池的三倍，三元聚合物一般只有800次左右的壽命。磷酸鐵鋰?yán)碚摖顟B(tài)可以達(dá)到3000次DOD循環(huán)依然可以保證電池容量不小于80%，比較符合目前主流的綠色、環(huán)保、無污染的國家要求；磷酸鐵鋰安全系數(shù)高，磷酸鐵鋰正確使用絕不爆炸起火等，目前國家有關(guān)于鋰電池正確使用廠家、類型、容量、保護(hù)方式、精度等要求，比較符合煤礦井下要求安全第一的規(guī)定；磷酸鐵鋰動力強，目前國家規(guī)定煤礦井下用于非運輸?shù)牧姿徼F鋰電池使用的最大容量為60AH，其最大的放電電流可達(dá)2C，即120A持續(xù)放電，該電流完全可以滿足現(xiàn)場的使用要求。

文中隔爆鋰電池充放電管理選擇凌特的LTC6803-3可以滿足要求，可實現(xiàn)了16節(jié)電池的充放電管理，具有4路12位ADC、一個精準(zhǔn)型電壓基準(zhǔn)、一個高電壓輸入多路復(fù)用器和一個串行接口，可支持溫度傳感器和熱敏電阻輸入，具內(nèi)置噪聲濾波器的 ΔΣ 轉(zhuǎn)換器?？赏ㄟ^一個獨特的電平移位串行接口，支持把多個器件串聯(lián)起來以監(jiān)視長串串接電池中每節(jié)電池的電壓，同時每個電池輸入具有一個相關(guān)聯(lián)的NO溝通MOSFET電源開關(guān)，實現(xiàn)高邊驅(qū)動，通過對過度充電的電池進(jìn)行放電，在內(nèi)部將IC的地端與電池負(fù)相連。使用該IC配合外圍簡單電路實現(xiàn)符合國家關(guān)于隔爆鋰電池使用規(guī)定的電源管理系統(tǒng)。

4.3 大容量鋰電池礦用特殊要求

由于該系統(tǒng)電池箱選用磷酸鐵鋰電池作為后備電池，故要求應(yīng)具有完善的保護(hù)機制及容錯機制，根據(jù)安標(biāo)規(guī)定，磷酸鐵鋰正常充、放電過程中單體電池的最高溫度應(yīng)應(yīng)不超過60度，當(dāng)超過環(huán)境溫度超過55度時實現(xiàn)報警，超過60度時實現(xiàn)充放電回路斷電；由于大容量用于煤礦井下屬于新技術(shù)的應(yīng)用，故國標(biāo)對于該鋰電池的應(yīng)用有強制性的明確要求，其外殼靜壓可以承受1.5MPa，并且應(yīng)電池和電氣部件應(yīng)電氣分腔，防止由于電池的爆炸引起衍生危險。

該鋰電池箱具有全面的、準(zhǔn)確的、預(yù)防式保護(hù)機制，不僅具有單體電池過充電壓保護(hù)功能，還具有預(yù)防式的單體電池過充電壓保護(hù)失效檢測功能，不僅具有單體電池過放電壓保護(hù)功能，還具有預(yù)防式單體電池過放電壓保護(hù)失效檢測功能，整機具有充電過流保護(hù)功能，具有放電過流保護(hù)功能等安全性保護(hù)功能。

圖6 主程序流程圖

4.4 程序控制

智能一體化后備電源系統(tǒng)相關(guān)主程序初始化、各外設(shè)子模塊和變量、函數(shù)初始化，當(dāng)前運行狀態(tài)監(jiān)測，保護(hù)控制操作及循環(huán)。程序流程圖如圖6所示。

5.總結(jié)與展望

基于智能一體化后備電源的供電模式實現(xiàn)了煤礦井下區(qū)域數(shù)字化礦山安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的供電，解決了目前分散式供電模式的諸多問題，無論是系統(tǒng)級、設(shè)備級均具有冗余設(shè)計，提高了被供電設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性；系統(tǒng)和設(shè)備具有全面的自診斷、報警機制，通過電源故障專家診斷系統(tǒng)，方便現(xiàn)場故障定點排查，快速檢修，有效減少了維護(hù)人員；系統(tǒng)支持對電池箱后備電池、隔爆兼本安電源后備電池遠(yuǎn)程、科學(xué)的充放電管理操作，有效延長了后備電池的使用壽命，減少了電池更換的次數(shù)，有效節(jié)約了成本。