煤矿“六大系统”供电保障系统的设计

樊晓明

摘 要：针对煤矿井下“六大系统”供电使用过程中出现的问题进行分析梳理和总结，并结合实际的工程应用提出了煤矿“六大系统”供电保障系统的设计，并对 “六大系统”供电保障系统的预期目标进行了分析，提出一些意见和思路。

关键词：“六大系统”；供电保障；设计

目前煤矿井下的监测监控、人员定位、无线通讯、广播等各类数字化矿山系统设备分布广，布置比较分散，供电方式多为就近接入巷道内排水、照明供电系统，可靠性差较差，供电发生故障后停电时间长，无法保证数字化矿山系统可靠运行，影响煤矿安全生产；如果数字矿山系统全部采用双回路、专用变压器、专用开关方式供电，可以有效保证供电网络安全、可靠，但建设费用较高；监测监控等系统自带的后备电池容量有限，一般只能满足2小时后备供电，现场交流断电一旦超过2小时，则供电中断，系统将无法正常运行；数字矿山系统电源不具有电池智能管理功能，后备电源电池长期处于浮充状态，会大幅度降低电池使用寿命，必须进行周期性放电操作，以保证电池使用寿命；数字化矿山相关子系统采用传统的分散式供电方式，每个系统数十台电源，都采用人员工检查和放电的维护模式，工作量较大，后期运行维护质量难以保障。

1 目前“六大系统”供电现状

余吾煤业有限责任公司井下现有中央变电所及各采区变电所共12处，各变电所内共建设有安全监测监控系统、人员定位系统、应急广播系统、百兆及千兆工业环网、视频监控系统等。现各系统虽有后备电源，但普遍存在电源容量小，供电时间短，当变电所区域出现长时间断电的情况时，会造成各系统无法正常使用。而且各系统使用各自独立的电源供电，无法做到高可靠性集中供电与有效监测。

2 集中供电保障系统的设计思路

本系统实现的目标是开发一套集中不间断供电装置，该装置具有AC1140V/AC660V的输入电压等级，输出AC127V，装置中后备电池容量可根据需要灵活扩展，电池切换时间为零，保证负载设备的不间断工作，最大可实现15度的供电方案，集中供电装置中应实现关键设备的1+1冗余，电池箱单机的N+1冗余，有效保证装置的可靠运行。

3 实现集中供电保障系统的关键技术

3.1 大容量UPS冗余技术

冗余功能：可以实现装置中关键部件1+1冗余，电池箱N+1冗余，有效保证了整个供电装置工作的稳定性；

不间断供电的系统扩展：原各种系统独立供电时，有可能有的系统的供电电源不具有后备电池，如视频监控系统等，通过集中供电，某些原不具备不间断供电的系统，也具有了不间断供电的功能；

系统供电时间扩展：集中供电系统在现场使用中，可能为不同功率的负载供电，供电时间亦不同，当需要增加电池组容量时，只需根据实际需要扩展电池箱实现直流端并联即可满足要求。

3.2 UPS高可靠性供电

稳定可靠的正弦波输出：通过逆变器DSP数字化控制技术，消除瞬间高电压、瞬间低电压、频率偏移等电源污染，为各种系统及设备提供稳定、可靠的标准AC127V，50Hz正弦波；

不间断供电：当交流断电时，切换到电池放电保证系统供电的不间断，零切换时间。

3.3 区域集中供电管理

故障自诊断：通过电池箱、逆变器硬件电路实现集中供电系统故障的快速诊断，快速定位，方便用户快速进行故障排查、解决；

电池管理：支持远程控制电池箱电池容量测试，保证后备电池在较长时间的浮充后，强制进行放电，有效延长了电池的使用寿命，方便用户了解电池箱的备用时间；记录历史数据，提供专业的统计分析报表，带来预防式的集中监控管理；电池组的SOC误差不大于5%，提供给用户准确的剩余电量信息。

电池箱孤岛保护：电池箱输出端具有输出短路、过流、过电压等多种保护，当多台电池箱使用中某台出现故障时并不影响整个供电系统的工作，实现了电池箱的孤岛保护。

4 系统组成以及现实功能

4.1 系统组成

区域UPS集中供电装置主要由电源主机、电池箱组成，主要应用场所是采区变电所、皮带机头区域的集中供电，以在这些易断电的区域提供稳定、无污染、电源1+1冗余的供电系统。

4.2 实现功能

集中供电保障系统实现后可达到如下功能：

1、稳定、可靠、经济的供电：对比分析采用双回路、专用网络供电模式，与以现有就近取电方式为基础的智能电源集中供电模式的稳定性、可靠性，经济性，研究适合于煤矿井下的数字化矿山供电模式；

2、数字化矿山统一的供电平台：研究被供电设备的输入电压规格及参数，研发出可以广泛适用于数字化矿山各种输入电压等级的供电设备和系统，实现供电网络的规范管理。

3、 故障诊断管理：分析系统和关键设备的故障点及故障出现时工作状态，研发出可以实现关键技术1+1冗余的设备和系统，实现科学、有效的故障自诊断专家管理系统的建立，实现故障报警；

4、智能电池冗余管理：分析井下不同环境下设备检修、维护、故障排除时间的大数据，科学布置后备电池的电量，研发适合于煤矿井下的后备电池冗余管理系统，应不仅保证系统不间断供电，同时有效节约成本；

5、智能电池充放电管理：分析本机设备供电适用环境和被供电设备特点，建立起一套科学的预防式的电池分组充放电管理机制，以实现当需要放电时电池有电可放；

6、锂电池的充放电管理：研究锂电池在不同温度环境下的充放电曲线，采用合适算法实现对电池SOC（荷电容量）的准确计算，完善锂电池保护机制，有效降低电池的后期维护成本；

5 预期目标

该系统和设备实现后可以解决分散式供电的诸多问题，无论是系统级、设备级均具有冗余设计，极大提高了被供电设备的可靠性，保证了数字化矿山各类系统的可靠供电。该系统可以直观展示出煤矿各系统被供电设备的实时工作状态及运行参数，实现覆盖整个井下的无盲点管控。

1、该系统和设备适用范围较大，既具有非安DC24V输出，又具有非安AC127V输出，同时还具有本安DC18V输出，可以广泛覆盖各种厂家的各类系统及设备。以现有就近取电方式为基础的智能电源集中供电模式，可以形成数字化矿山稳定、可靠、经济的供电网络。

2、该系统可以实现对煤矿井下后备电池的统一管理，具有专业的电池容量诊断功能，为及时更换电池提供技术支撑。系统和设备具有完善的保护、报警机制，通过电源故障专家诊断系统，方便现场故障定点排查，快速检修，有效减少了维护人员。

3、系统支持对电池箱后备电池、隔爆兼本安电源后备电池远程充放电管理操作，有效延长了后备电池的使用寿命，减少了电池更换的次数。

6 结语

系统完成后，通过智能化电源集中供电系统成功用于煤矿井下，实现了数字化矿山各类系统的正常工作，为煤矿的安全生产保驾护航，该系统具有科学、易管理、易扩展、易维护等特点。

参考文献

[1] 王晓阳.KJ95N型煤矿综合监控系统[J].西安科技大学学报，2008，28（2）：397-399

[2] 徐磊 周孟然 赵祥 . 煤矿实用本安电源设计[J]. 《煤矿机械》 2012年03期