矿用安全监控系统隔爆兼本安型UPS电源状态管理系统的研究

李 辉

1 前言

随着煤矿安全管理自动化、信息化水平的不断提升，安全监控系统的安全保障作用变得越来越重要，系统稳定运行对于矿井安全生产有着极其重大的意义。电源是监控系统稳定运行的基础，电子电路不正常工作约有七成是电源设备损坏引起的，电源性能是否稳定直接关系着整个安全监控系统能否正常稳定运行。井下供电系统因故停运后，UPS 电源可以为安全监控系统分站提供不间断的电力供应，从而能够持续发挥安全监控系统的实时监测作用，保证作业人员的安全。

实际工作中，井下UPS电源可靠性、耐用性均达不到理想状态，研究性能优良、通用性强、体积较小、使用寿命长且对其状态能够进行有效管理的矿用后备电源迫在眉睫。目前UPS电源状态管理在煤矿安全生产中的应用领域大多处于理论论证或试验阶段，但是这一理念在其他领域已经得到很好的应用并取得了显著地效果。

本文主要从以下两个方面改进UPS 电源：一是锂离子蓄电池自主有序充放电控制；二是矿用隔爆兼本安型UPS电源双重过流过压保护。并在次基础上建立安全监控系统电源管理系统，该系统具备井下电池SOC估算，电源运行数据实时监控，地面远程操作等功能。

2 锂离子蓄电池自主有序充放电控制

目前矿井在用大量备用电源的运行实践表明，如不采用自主有序充放电技术，电池的使用寿命仅能达到设备标称值的一半，且使用时长也无法达到设备规定要求。煤矿企业必须每年一次或多次置换、更新蓄电池组，极大的增加矿井的生产成本。合理的充放电过程和方式能够有效的延长电池组的使用寿命并保证在供电异常时能够到达厂家标定的预期放电时间，确保安全监控系统正常运行。

由于煤矿具有特殊性，电池在进行自主放电的过程的末段有可能是发生停电事故的时刻，虽然是小概率事件，但是有其发生的可能性。因此需要对自主充放电策略进行研究，以满足电源的使用要求。

锂电池充电的基本要求是特定的充电电流和充电电压，从而保证电池安全充电[1]。增加其它充电辅助功能是为了改善电池寿命，简化充电的操作，其中包括给过放电的电池使用涓流充电、电池电压检测、输入电流限制、充电完成后关断充电器、电池部分放电后自动启动充电等。锂离子电池的充电过程可以分为四个阶段：涓流充电（低压预充）、恒流充电、恒压充电以及充电终止。

锂电池的充电方式是限压恒流，都是由IC芯片控制的，典型的充电方式是：先检测待充电电池的电压，如果电压低于3 V，要先进行预充电，充电电流为设定电流的1/10，电压升到3 V后，进入标准充电过程。标准充电过程为：以设定电流进行恒流充电，电池电压升到4.20 V 时，改为恒压充电，保持充电电压为4.20 V。此时，充电电流逐渐下降，当电流下降至设定充电电流的1/10 时，充电结束。图1、2 分别为锂电池充电曲线及锂电池充电过程图：

图1 锂电池充电曲线图

图2 锂电池充电过程图

阶段1：涓流充电——涓流充电用来先对完全放电的电池单元进行预充(恢复性充电)。在电池电压低于3 V 左右时采用涓流充电，涓流充电电流是恒流充电电流的十分之一即0.1 C。(C 是以电池标称容量对照电流的一种表示方法，如电池是1 000 mAh的容量，1C就是充电电流1 000 mA。以恒定充电电流为1 A举例，则涓流充电电流为100 mA。）

阶段2：恒流充电——当电池电压上升到涓流充电阈值以上时，提高充电电流进行恒流充电。恒流充电的电流在0.2 C～1.0 C 之间。电池电压随着恒流充电过程逐步升高，单节电池设定电压为3.0 V ～4.2 V。

阶段3：恒压充电—— 当电池电压上升到4.2 V时，恒流充电结束，开始恒压充电阶段。电流根据电芯的饱和程度，随着充电过程的继续充电电流由最大值慢慢减少，当减小到0.01 C时，认为充电终止。

阶段4：充电终止——有两种典型的充电终止方法：采用最小充电电流判断或采用定时器(或者两者的结合)。最小电流法监视恒压充电阶段的充电电流，并在充电电流减小到0.02 C 至0.07 C 范围时终止充电。第二种方法从恒压充电阶段开始时计时，持续充电两个小时后终止充电过程。

考虑电池在进行自主放电过程的末段有可能是发生停电事故的时刻，从而导致“放电冲突”，因此对自主充放电策略要进行研究，同时也可以通过其他手段辅助优化控制策略，主要采取以下三种放电策略：

策略本身可以通过采集不同电池的充放电特性，再通过控制电池放电深度来缩小自主充放电的时间，从而减小“放电冲突”的可能性。

通过增大放电完成后的充电电流，对电池进行快速充电来缩小自主充放电的时间，从而也可减小“放电冲突”的可能性。

通过远程状态管理系统人为操作，在未停电时可随时对某一电池进行手动放电操作，计入自主充放电策略中，从而也可减小“放电冲突”的可能性。

3 矿用隔爆兼本安型UPS电源双重过流过压保护

双重过压过流保护可以保证在出现一级故障的情况下，依然能够满足本质安全的要求，这样可极大地提高了下电路工作的安全系数[2]。同时电源具备自恢复功能，当系统故障排除后能自动回复到正常工作状态。本安电源主要由交流或直流输入电路，一级过流保护电路，二级过流保护电路，过压保护电路和直流输出电路组成。交流或直流输入电路主要用来将127 V或660 V 的交流电压或蓄电池供电的直流电压转化为+5 V，+12 V，+18 V，+24 V 不同等级的直流电压。一级过流保护电路和二级过流保护电路主要用于防止本安电源的输出电流过大（本安电源的最大输出电流为800 mA，超过800 mA 电源即处于保护状态）。过压保护电路主要用于防止电源的输出电压过大。直流输出电路主要用于保证电路输出稳定的+5 V，+12 V，+18 V，+24 V电压。

4 矿井UPS电源状态管理系统

影响隔爆兼本安型UPS电源寿命长短的因素多种多样，UPS 储能介质失效受湿度、环境温度、生产工艺等都会影响UPS 电源的寿命[3]。根据井下的现场应用条件，结合样机地面试验运行特性及系统试运行数据，构建矿用隔爆兼本安型UPS电源及管理系统。

状态管理系统当中包含电源状态评估模块，状态评估模块主要评估电源储能介质状态是否退化，产生状态监测记录。状态评估主要基于UPS电源各种状态历史数据、工作状态以及自主有序充放电次数等数据信息，如图3所示。

图3 状态管理系统

状态管理系统软件安装在地面控制室内的工业计算机上，可以对分散在不同区域的作业面的UPS 电源进行集中状态监控管理。

监测的主要参数：输入电压、电流、功率、各路输出的电压、电流、功率以及锂电池管理系统(BMS)的监测参数等。

监控的主要报警信号：过压、过流、直流侧短路、交流输入侧短路、锂电池故障等。

各工作面的电源参数和报警信号通过485以及以太网传给中控室，通过编程可做出齐全的画面。包括系统状态画面：电源的状态，电池的状态、通讯网络状态等；实时曲线画面：各电源参数和电池状态的实时显示；历史曲线画面：各电源参数和电池状态的历史曲线；报警画面：系统各报警信息的显示，记录；报表打印：各种参数的报表，可定时打印、随时打印；权限级别：具有操作员、工程师、管理员级别设定。

状态系统可记录各电源的参数和各电池的充放电状态；可自动合理的安排各电池的自主充放电，保持电池的活性；并可通过检测的电池数据，分析电池寿命，为更换电池提供一定的建议。通过监测的数据预测电源寿命，为电源的维护保养提供建议，从而保证系统的稳定、安全运行。

从四台矿应用效果来看，采用锂离子蓄电池自主有序充放电控制及UPS 电源双重过流过压保护后，安全监控系统分站UPS 电源使用时长可以大幅度提高，可以从平均1小时延长至5～6小时。

5 结论

本套方案可以延长隔爆兼本安型UPS电源的使用寿命，减缓井下蓄电池组的老化，降低UPS电源电池的更替速率，同时地面监控操作人员可以实时查看各UPS 电源装置的工作状况，在发生停电事故时可按照设备标定工作时间保障负荷的正常运行。

通过对锂离子蓄电池充放电策略的调整，使用双重过流过压保护，并借助智能模型来预测、监控和管理井下电源设备，构建了井下UPS 电源技术保障体系。状态管理系统在四台矿天津中煤电子信息工程有限公司KJ86N 型安全监控系统试运行正常，完全可以保证UPS电源按照设计值正常稳定运行。