煤礦井下智能一體化后備電源關鍵技術研究

天地（常州）自動化股份有限公司 郭孝園

1.引言

數字化礦山的環境監測、通訊聯絡等各種本安系統，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，一般取電自風機開關，水泵開關等，很少采用專項電單獨為系統供電，存在可靠性差低，供電發生故障后停電時間長等缺點。如果數字礦山系統全部采用雙回路、專用變壓器、專用開關方式供電，即借鑒目前井下廣泛應用的局部通風機供電模式，可以有效保證供電網絡安全、可靠，但建設費用較高；隨著煤礦變頻器、軟啟動等非線性負荷裝置應用的越來越多，給電網中注入了大量的電力諧波，此類干擾導致數字化礦山各類系統異常和事故逐年增長；安全監控等系統自帶的后備電池容量有限，一般只能滿足2小時后備供電，現場交流斷電一旦超過2小時，則供電中斷，系統將無法正常運行；目前數字化礦山相關子系統所采用的傳統分散式供電模式，每個系統數十臺電源，當系統電源故障時都需要技術人員在現場故障判斷，現場解決，工作量較大，后期運行維護質量難以保障；數字礦山系統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，會大幅度降低電池使用壽命，必須進行周期性放電操作，以保證電池使用壽命。

綜上所述，有必要進行具有后備電池管理的，可實現各種系統隔爆兼本安電源可靠供電的智能一體化后備電源，進而保證數字化礦山各類本安系統可靠、經濟、安全的不間斷供電，為煤礦安全生產保駕護航。

2.分散式供電模式

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

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：當需要提高本安設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續航時間，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，也需要考慮電源內部的電氣隔離耐壓要求；

（2）供電范圍局限性：無法實現防爆交換機、防爆PLC等非本安設備AC127V的輸入，進而無法實現防爆PLC、防爆交換機等數字化礦山設備的供電；

（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：無法遠程實現后備電池、輸出參數的監控。

3.智能一體化后備電源組成及工作原理

3.1 組成

本人設計基于一體化技術的后備電源主要由的關鍵技術由硬件實現、傳輸、上位機組成。

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

（2）傳輸：智能一體化電源設備接入各種系統、各種子設備采用標準的RS485接口，可接入礦方已有的工業以太環網或普通傳輸接口，提供標準格式的Modbus協議，方便與各類系統及設備互聯互通。

（3）上位機：采用組態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，方便接入其他系統使用；具有用戶權限等級劃分管理功能，數據具有加密存儲功能，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，經過工頻變壓器、雙冗余逆變電路板輸出穩定、綠色AC127V為隔爆型各種數字化礦山設備供電。

當交流斷電時，多組電池箱的直流輸出DC48V到智能電源主機，經過效率可達95%，同時具有PFC逆變電路，實現AC127V的不間斷供電，實現各類系統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 實現功能

（1）實現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備完善保護機制的建立，當單臺電源的輸出、輸入，人為、非人為的操作故障均不會對系統的正常工作造成影響。

（2）系統電源主機、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，傳導輻射、靜電放電抗擾度，”試驗，評價等級為A，有效保證了系統供電的可靠性。

（3）擴展了數字化礦山供電系統的供電時間，可實現多臺電池箱的級聯使用，滿足不同負荷功率設備供電的個體化要求，電池箱外殼結構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，加強了系統的整體性構造。

（4）實現了整個數字化礦山供電系統的診斷功能，可以實現電源主機、電池箱、隔爆兼本安電源出現的由于上級供電設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，可以實現電源主機、電池箱、隔爆兼本安電源本機設備輸出過壓、輸出過流、輸出過載，缺相，飄零等故障快速診斷，快速定位，有效保證了系統的安全，有效降低了人力成本。

（5）實現了全礦井各個系統各種電源的統一管理，通過RSA加密方式及人工智能對電池充放電歷史數據挖掘，可有效提醒電池的荷電SOC狀態，結合負載情況，電壓，電流等狀態，引入專家挖掘系統，選擇最優的電池充放電解決方案，可遠程，異地，手機APP端進行電池等易損配件的強制性保護性、預防式操作。避免由于單機設備的失效造成系統的無法運行，可進行孤島式的判斷及預估。

4.關鍵技術

目前國內以DSP技術為核心的在智能一體化后備電源中的研究應用主要體現在如下兩個方面：一是將各種實時性較高的、先進的算法用于逆變數字控制，二是利用DSP數字控制技術實現更準確、更迅速的鎖相環控制，本文以TI的TMS320F2807 為MCU的技術方案，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）提高了轉矩環路和位置計算中常見的基于三角運算的算法性能。針對逆變的電網擾動及多諧波非穩態出現的特點，采用了PID控制來改善逆變輸出的穩態特性，通過具有故障保護功能的增強型脈寬調制器 (ePWM)實現故障狀態下設備運行的快速切換及保護，

通過配有四個窗 口化比較器子系統 (CMPSS)，可在過壓或過流條件下非常快速地直接觸發PWM，防止設備意外發生。

電源主機與上位機的通訊接口電路，設計了電源主機中DSP控制的蓄電池低壓檢測電路、低壓保護電路，滯回觸發電路，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資源進行了分配，充分利用了DSP的外設多和速度快的特點。在軟件方面，設計了各部分的程序，其中包括主程序，通訊程序，軟件鎖相，保護分析，故障診斷，輸出穩態控制程序以及各種相關的中斷及保護程序。

近年來由于IGBT等高頻、大功率開關器件廣泛使用，雖然提高了效率，實現了大功率驅動，目前多組冗余逆變控制多采用ePWM信號來驅動逆變器。ePWM方式主要采用正弦脈寬調制(SPWM)和空間矢量調制(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調節的非靜態態性能和輸出電壓的偏離值要求較高，則選擇正弦脈寬調制的方式可以滿足要求，以基于線性控制理論的系統控制算法PID分析，通過對極大均值的策略控制，調整輸出電壓幅值的靜態非脈沖沖擊，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量。

4.1 DSP核心控制部分

圖4所示逆變系統硬件原理框圖，DSP完成AD轉換，PWM波驅動，雙邊非對稱算法等功能，其ePWM模塊可實現定時，計數比較，死區控制，載波發生等功能，有效實現整個系統的保護機制。

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，SOC荷電容量等模擬狀態量信息，通過CLA 實時控制協處理器進行，此并行處理功能 可有效加倍實時控制系統的計算性能通過PID算法其PWM驅動模塊進行有效的控制，進而實現電池箱直流輸出通過IGBT驅動開關管的轉換，最終實現逆變AC127V的輸出。

現場使用時無論由于環境因素、人為因素、或者設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，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，通過MCU的實時監測、計算、通訊、報警等功能的工作，最終實現整個智能一體化后備電源系統的正常工作。

圖4 DSP控制電路

4.2 鋰電池管理技術

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。磷酸鐵鋰理論狀態可以達到3000次DOD循環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、環保、無污染的國家要求；磷酸鐵鋰安全系數高，磷酸鐵鋰正確使用絕不爆炸起火等，目前國家有關于鋰電池正確使用廠家、類型、容量、保護方式、精度等要求，比較符合煤礦井下要求安全第一的規定；磷酸鐵鋰動力強，目前國家規定煤礦井下用于非運輸的磷酸鐵鋰電池使用的最大容量為60AH，其最大的放電電流可達2C，即120A持續放電，該電流完全可以滿足現場的使用要求。

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，可實現了16節電池的充放電管理，具有4路12位ADC、一個精準型電壓基準、一個高電壓輸入多路復用器和一個串行接口，可支持溫度傳感器和熱敏電阻輸入，具內置噪聲濾波器的 ΔΣ 轉換器。可通過一個獨特的電平移位串行接口，支持把多個器件串聯起來以監視長串串接電池中每節電池的電壓，同時每個電池輸入具有一個相關聯的NO溝通MOSFET電源開關，實現高邊驅動，通過對過度充電的電池進行放電，在內部將IC的地端與電池負相連。使用該IC配合外圍簡單電路實現符合國家關于隔爆鋰電池使用規定的電源管理系統。

4.3 大容量鋰電池礦用特殊要求

由于該系統電池箱選用磷酸鐵鋰電池作為后備電池，故要求應具有完善的保護機制及容錯機制，根據安標規定，磷酸鐵鋰正常充、放電過程中單體電池的最高溫度應應不超過60度，當超過環境溫度超過55度時實現報警，超過60度時實現充放電回路斷電；由于大容量用于煤礦井下屬于新技術的應用，故國標對于該鋰電池的應用有強制性的明確要求，其外殼靜壓可以承受1.5MPa，并且應電池和電氣部件應電氣分腔，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、準確的、預防式保護機制，不僅具有單體電池過充電壓保護功能，還具有預防式的單體電池過充電壓保護失效檢測功能，不僅具有單體電池過放電壓保護功能，還具有預防式單體電池過放電壓保護失效檢測功能，整機具有充電過流保護功能，具有放電過流保護功能等安全性保護功能。

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相關主程序初始化、各外設子模塊和變量、函數初始化，當前運行狀態監測，保護控制操作及循環。程序流程圖如圖6所示。

5.總結與展望

基于智能一體化后備電源的供電模式實現了煤礦井下區域數字化礦山安全、可靠、經濟的供電，解決了目前分散式供電模式的諸多問題，無論是系統級、設備級均具有冗余設計，提高了被供電設備的穩定性、可靠性；系統和設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，方便現場故障定點排查，快速檢修，有效減少了維護人員；系統支持對電池箱后備電池、隔爆兼本安電源后備電池遠程、科學的充放電管理操作，有效延長了后備電池的使用壽命，減少了電池更換的次數，有效節約了成本。