煤矿井下智能一体化后备电源关键技术研究

天地（常州）自动化股份有限公司 郭孝园

1.引言

数字化矿山的环境监测、通讯联络等各种本安系统，一般均采用隔爆兼本安电源供电，多具有后备电池。

但由于各种弱电设备安装、布置较为分散，其隔爆电源的前端AC127/AC660V供电均为就近取电，一般取电自风机开关，水泵开关等，很少采用专项电单独为系统供电，存在可靠性差低，供电发生故障后停电时间长等缺点。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，即借鉴目前井下广泛应用的局部通风机供电模式，可以有效保证供电网络安全、可靠，但建设费用较高；随着煤矿变频器、软启动等非线性负荷装置应用的越来越多，给电网中注入了大量的电力谐波，此类干扰导致数字化矿山各类系统异常和事故逐年增长；安全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；目前数字化矿山相关子系统所采用的传统分散式供电模式，每个系统数十台电源，当系统电源故障时都需要技术人员在现场故障判断，现场解决，工作量较大，后期运行维护质量难以保障；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。

综上所述，有必要进行具有后备电池管理的，可实现各种系统隔爆兼本安电源可靠供电的智能一体化后备电源，进而保证数字化矿山各类本安系统可靠、经济、安全的不间断供电，为煤矿安全生产保驾护航。

2.分散式供电模式

目前煤矿井下广泛应用的分散式供电模式其应用为各类系统的隔爆兼本安电源取电自不同的馈电开关。

图1 局部分散供电供电取电方式

局部分散式供电的方式具有接线方便、成本低等优点，但此种方式亦存在如下缺点：

（1）后备电池冗余扩展的局限性：当需要提高本安设备不间断供电时间时，只有通过外挂电池箱有效的增加系统续航时间，但有些隔爆兼本安不间断电源不具有该扩展接口，即使具有扩展接口，也需要考虑电源内部的电气隔离耐压要求；

（2）供电范围局限性：无法实现防爆交换机、防爆PLC等非本安设备AC127V的输入，进而无法实现防爆PLC、防爆交换机等数字化矿山设备的供电；

（3）供电可靠性较差：目前煤矿井下软启动、变频器的使用中共模，差模干扰较大，隔爆电源上电的瞬间，及正常工作时均存在较大的高次、高频谐波，高频信号对于485、CAN传输干扰较大；

（4）无后备电池管理功能：无法远程实现后备电池、输出参数的监控。

3.智能一体化后备电源组成及工作原理

3.1 组成

本人设计基于一体化技术的后备电源主要由的关键技术由硬件实现、传输、上位机组成。

（1）底层硬件：设备层主要包括智能管理主机、锂电池箱、本安电源，通过底层硬件实现对系统中主机、锂电池箱、隔爆兼本安电源的出厂编号，运行时间，安标号，交流输出电流，输出电压，锂电荷电融，负载功率，本安电流等状态信息的采集，可实现本地显示及远程显示；具有故障智能自诊断功能，管理主机实现对系统中交流输出过载，旁路，本安短路保护等信息的采集，可实现快速定位，快速诊断；通过电池箱硬件实现对后备电池荷电容量、本安负荷超过设定值的报警，防止电池容量不够、本安负荷过重等危险的发生；通过隔爆兼本安硬件实现对其后备电池的远程手动放电操作，避免后备电池在交流电存在时长时间的浮充，进行电池预防式放电，可有效延长电池的使用寿命。

（2）传输：智能一体化电源设备接入各种系统、各种子设备采用标准的RS485接口，可接入矿方已有的工业以太环网或普通传输接口，提供标准格式的Modbus协议，方便与各类系统及设备互联互通。

（3）上位机：采用组态图形界面展示出智能主机，锂电池组，隔爆兼本安电源的各种状态信息，人性化的模拟图形界面，方便用户使用，具有开放的OPC接口，方便接入其他系统使用；具有用户权限等级划分管理功能，数据具有加密存储功能，防止篡改等。

图2 智能一体化后备电源组成

3.2 工作原理

AC660/1140V/127V输入到电池箱，实现对电池箱中锂电池充电；正常工作时AC660/1140V输入到电源主机，经过工频变压器、双冗余逆变电路板输出稳定、绿色AC127V为隔爆型各种数字化矿山设备供电。

当交流断电时，多组电池箱的直流输出DC48V到智能电源主机，经过效率可达95%，同时具有PFC逆变电路，实现AC127V的不间断供电，实现各类系统隔爆兼本安电源的不间断供电。

图3 智能一体化电源工作原理图

3.3 实现功能

（1）实现了智能一体化电源中电源主机、电池箱、隔爆兼本安电源等设备完善保护机制的建立，当单台电源的输出、输入，人为、非人为的操作故障均不会对系统的正常工作造成影响。

（2）系统电源主机、电池箱、隔爆兼本安电源均通过EMC试验，通过了“射频电磁场，浪涌冲击，电快速瞬变/脉冲群抗扰度，传导辐射、静电放电抗扰度，”试验，评价等级为A，有效保证了系统供电的可靠性。

（3）扩展了数字化矿山供电系统的供电时间，可实现多台电池箱的级联使用，满足不同负荷功率设备供电的个体化要求，电池箱外壳结构的固定采用物理公母叠加的加固方式，摆放式形成有机的整体，加强了系统的整体性构造。

（4）实现了整个数字化矿山供电系统的诊断功能，可以实现电源主机、电池箱、隔爆兼本安电源出现的由于上级供电设备异常造成的输入过压、输入过流、输入短路等故障的快速诊断，快速定位，可以实现电源主机、电池箱、隔爆兼本安电源本机设备输出过压、输出过流、输出过载，缺相，飘零等故障快速诊断，快速定位，有效保证了系统的安全，有效降低了人力成本。

（5）实现了全矿井各个系统各种电源的统一管理，通过RSA加密方式及人工智能对电池充放电历史数据挖掘，可有效提醒电池的荷电SOC状态，结合负载情况，电压，电流等状态，引入专家挖掘系统，选择最优的电池充放电解决方案，可远程，异地，手机APP端进行电池等易损配件的强制性保护性、预防式操作。避免由于单机设备的失效造成系统的无法运行，可进行孤岛式的判断及预估。

4.关键技术

目前国内以DSP技术为核心的在智能一体化后备电源中的研究应用主要体现在如下两个方面：一是将各种实时性较高的、先进的算法用于逆变数字控制，二是利用DSP数字控制技术实现更准确、更迅速的锁相环控制，本文以TI的TMS320F2807 为MCU的技术方案，此MCU可通过三角运算硬件加速器提升，该加速器利用 CPU指令（如正弦、余弦和反正切函数）提高了转矩环路和位置计算中常见的基于三角运算的算法性能。针对逆变的电网扰动及多谐波非稳态出现的特点，采用了PID控制来改善逆变输出的稳态特性，通过具有故障保护功能的增强型脉宽调制器 (ePWM)实现故障状态下设备运行的快速切换及保护，

通过配有四个窗 口化比较器子系统 (CMPSS)，可在过压或过流条件下非常快速地直接触发PWM，防止设备意外发生。

电源主机与上位机的通讯接口电路，设计了电源主机中DSP控制的蓄电池低压检测电路、低压保护电路，滞回触发电路，127V输出电压过压检测等电路，故障报警电路，对电源主机中的DSP资源进行了分配，充分利用了DSP的外设多和速度快的特点。在软件方面，设计了各部分的程序，其中包括主程序，通讯程序，软件锁相，保护分析，故障诊断，输出稳态控制程序以及各种相关的中断及保护程序。

近年来由于IGBT等高频、大功率开关器件广泛使用，虽然提高了效率，实现了大功率驱动，目前多组冗余逆变控制多采用ePWM信号来驱动逆变器。ePWM方式主要采用正弦脉宽调制(SPWM)和空间矢量调制(SVPWM)两种。如智能一体化的逆变输出对于减少输出AC127V高频干扰，改善输出127V调节的非静态态性能和输出电压的偏离值要求较高，则选择正弦脉宽调制的方式可以满足要求，以基于线性控制理论的系统控制算法PID分析，通过对极大均值的策略控制，调整输出电压幅值的静态非脉冲冲击，有效的降低了输出AC127V在轻载、重载情况的波形的畸变，有效保证了输出电压的质量。

4.1 DSP核心控制部分

图4所示逆变系统硬件原理框图，DSP完成AD转换，PWM波驱动，双边非对称算法等功能，其ePWM模块可实现定时，计数比较，死区控制，载波发生等功能，有效实现整个系统的保护机制。

工作正常时TMS320F2807的12位AD实时检测一体化主机、多台电池箱电压、电流、交直流工作状态，SOC荷电容量等模拟状态量信息，通过CLA 实时控制协处理器进行，此并行处理功能 可有效加倍实时控制系统的计算性能通过PID算法其PWM驱动模块进行有效的控制，进而实现电池箱直流输出通过IGBT驱动开关管的转换，最终实现逆变AC127V的输出。

现场使用时无论由于环境因素、人为因素、或者设备本身故障引起的输入过压，输入旁路，输出短等故障情况，本安输出过压、过流保护，电池深度放电，多台电池箱电压单体电池过放，过充、输出放电过流等各种异常的非正常工作状态，通过MCU的实时监测、计算、通讯、报警等功能的工作，最终实现整个智能一体化后备电源系统的正常工作。

图4 DSP控制电路

4.2 锂电池管理技术

图5 锂电池充放电管理电路

本文中选择的电池箱的后备电池选择为60AH磷酸铁锂电池，该磷酸铁锂寿命长是聚合物锂电池的三倍，三元聚合物一般只有800次左右的寿命。磷酸铁锂理论状态可以达到3000次DOD循环依然可以保证电池容量不小于80%，比较符合目前主流的绿色、环保、无污染的国家要求；磷酸铁锂安全系数高，磷酸铁锂正确使用绝不爆炸起火等，目前国家有关于锂电池正确使用厂家、类型、容量、保护方式、精度等要求，比较符合煤矿井下要求安全第一的规定；磷酸铁锂动力强，目前国家规定煤矿井下用于非运输的磷酸铁锂电池使用的最大容量为60AH，其最大的放电电流可达2C，即120A持续放电，该电流完全可以满足现场的使用要求。

文中隔爆锂电池充放电管理选择凌特的LTC6803-3可以满足要求，可实现了16节电池的充放电管理，具有4路12位ADC、一个精准型电压基准、一个高电压输入多路复用器和一个串行接口，可支持温度传感器和热敏电阻输入，具内置噪声滤波器的 ΔΣ 转换器。可通过一个独特的电平移位串行接口，支持把多个器件串联起来以监视长串串接电池中每节电池的电压，同时每个电池输入具有一个相关联的NO沟通MOSFET电源开关，实现高边驱动，通过对过度充电的电池进行放电，在内部将IC的地端与电池负相连。使用该IC配合外围简单电路实现符合国家关于隔爆锂电池使用规定的电源管理系统。

4.3 大容量锂电池矿用特殊要求

由于该系统电池箱选用磷酸铁锂电池作为后备电池，故要求应具有完善的保护机制及容错机制，根据安标规定，磷酸铁锂正常充、放电过程中单体电池的最高温度应应不超过60度，当超过环境温度超过55度时实现报警，超过60度时实现充放电回路断电；由于大容量用于煤矿井下属于新技术的应用，故国标对于该锂电池的应用有强制性的明确要求，其外壳静压可以承受1.5MPa，并且应电池和电气部件应电气分腔，防止由于电池的爆炸引起衍生危险。

该锂电池箱具有全面的、准确的、预防式保护机制，不仅具有单体电池过充电压保护功能，还具有预防式的单体电池过充电压保护失效检测功能，不仅具有单体电池过放电压保护功能，还具有预防式单体电池过放电压保护失效检测功能，整机具有充电过流保护功能，具有放电过流保护功能等安全性保护功能。

图6 主程序流程图

4.4 程序控制

智能一体化后备电源系统相关主程序初始化、各外设子模块和变量、函数初始化，当前运行状态监测，保护控制操作及循环。程序流程图如图6所示。

5.总结与展望

基于智能一体化后备电源的供电模式实现了煤矿井下区域数字化矿山安全、可靠、经济的供电，解决了目前分散式供电模式的诸多问题，无论是系统级、设备级均具有冗余设计，提高了被供电设备的稳定性、可靠性；系统和设备具有全面的自诊断、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；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、科学的充放电管理操作，有效延长了后备电池的使用寿命，减少了电池更换的次数，有效节约了成本。