煤礦“六大系統”供電保障系統的設計

樊曉明

摘 要：針對煤礦井下“六大系統”供電使用過程中出現的問題進行分析梳理和總結，并結合實際的工程應用提出了煤礦“六大系統”供電保障系統的設計，并對 “六大系統”供電保障系統的預期目標進行了分析，提出一些意見和思路。

關鍵詞：“六大系統”；供電保障；設計

目前煤礦井下的監測監控、人員定位、無線通訊、廣播等各類數字化礦山系統設備分布廣，布置比較分散，供電方式多為就近接入巷道內排水、照明供電系統，可靠性差較差，供電發生故障后停電時間長，無法保證數字化礦山系統可靠運行，影響煤礦安全生產；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，可以有效保證供電網絡安全、可靠，但建設費用較高；監測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；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；數字化礦山相關子系統采用傳統的分散式供電方式，每個系統數十臺電源，都采用人員工檢查和放電的維護模式，工作量較大，后期運行維護質量難以保障。

1 目前“六大系統”供電現狀

余吾煤業有限責任公司井下現有中央變電所及各采區變電所共12處，各變電所內共建設有安全監測監控系統、人員定位系統、應急廣播系統、百兆及千兆工業環網、視頻監控系統等。現各系統雖有后備電源，但普遍存在電源容量小，供電時間短，當變電所區域出現長時間斷電的情況時，會造成各系統無法正常使用。而且各系統使用各自獨立的電源供電，無法做到高可靠性集中供電與有效監測。

2 集中供電保障系統的設計思路

本系統實現的目標是開發一套集中不間斷供電裝置，該裝置具有AC1140V/AC660V的輸入電壓等級，輸出AC127V，裝置中后備電池容量可根據需要靈活擴展，電池切換時間為零，保證負載設備的不間斷工作，最大可實現15度的供電方案，集中供電裝置中應實現關鍵設備的1+1冗余，電池箱單機的N+1冗余，有效保證裝置的可靠運行。

3 實現集中供電保障系統的關鍵技術

3.1 大容量UPS冗余技術

冗余功能：可以實現裝置中關鍵部件1+1冗余，電池箱N+1冗余，有效保證了整個供電裝置工作的穩定性；

不間斷供電的系統擴展：原各種系統獨立供電時，有可能有的系統的供電電源不具有后備電池，如視頻監控系統等，通過集中供電，某些原不具備不間斷供電的系統，也具有了不間斷供電的功能；

系統供電時間擴展：集中供電系統在現場使用中，可能為不同功率的負載供電，供電時間亦不同，當需要增加電池組容量時，只需根據實際需要擴展電池箱實現直流端并聯即可滿足要求。

3.2 UPS高可靠性供電

穩定可靠的正弦波輸出：通過逆變器DSP數字化控制技術，消除瞬間高電壓、瞬間低電壓、頻率偏移等電源污染，為各種系統及設備提供穩定、可靠的標準AC127V，50Hz正弦波；

不間斷供電：當交流斷電時，切換到電池放電保證系統供電的不間斷，零切換時間。

3.3 區域集中供電管理

故障自診斷：通過電池箱、逆變器硬件電路實現集中供電系統故障的快速診斷，快速定位，方便用戶快速進行故障排查、解決；

電池管理：支持遠程控制電池箱電池容量測試，保證后備電池在較長時間的浮充后，強制進行放電，有效延長了電池的使用壽命，方便用戶了解電池箱的備用時間；記錄歷史數據，提供專業的統計分析報表，帶來預防式的集中監控管理；電池組的SOC誤差不大于5%，提供給用戶準確的剩余電量信息。

電池箱孤島保護：電池箱輸出端具有輸出短路、過流、過電壓等多種保護，當多臺電池箱使用中某臺出現故障時并不影響整個供電系統的工作，實現了電池箱的孤島保護。

4 系統組成以及現實功能

4.1 系統組成

區域UPS集中供電裝置主要由電源主機、電池箱組成，主要應用場所是采區變電所、皮帶機頭區域的集中供電，以在這些易斷電的區域提供穩定、無污染、電源1+1冗余的供電系統。

4.2 實現功能

集中供電保障系統實現后可達到如下功能：

1、穩定、可靠、經濟的供電：對比分析采用雙回路、專用網絡供電模式，與以現有就近取電方式為基礎的智能電源集中供電模式的穩定性、可靠性，經濟性，研究適合于煤礦井下的數字化礦山供電模式；

2、數字化礦山統一的供電平臺：研究被供電設備的輸入電壓規格及參數，研發出可以廣泛適用于數字化礦山各種輸入電壓等級的供電設備和系統，實現供電網絡的規范管理。

3、 故障診斷管理：分析系統和關鍵設備的故障點及故障出現時工作狀態，研發出可以實現關鍵技術1+1冗余的設備和系統，實現科學、有效的故障自診斷專家管理系統的建立，實現故障報警；

4、智能電池冗余管理：分析井下不同環境下設備檢修、維護、故障排除時間的大數據，科學布置后備電池的電量，研發適合于煤礦井下的后備電池冗余管理系統，應不僅保證系統不間斷供電，同時有效節約成本；

5、智能電池充放電管理：分析本機設備供電適用環境和被供電設備特點，建立起一套科學的預防式的電池分組充放電管理機制，以實現當需要放電時電池有電可放；

6、鋰電池的充放電管理：研究鋰電池在不同溫度環境下的充放電曲線，采用合適算法實現對電池SOC（荷電容量）的準確計算，完善鋰電池保護機制，有效降低電池的后期維護成本；

5 預期目標

該系統和設備實現后可以解決分散式供電的諸多問題，無論是系統級、設備級均具有冗余設計，極大提高了被供電設備的可靠性，保證了數字化礦山各類系統的可靠供電。該系統可以直觀展示出煤礦各系統被供電設備的實時工作狀態及運行參數，實現覆蓋整個井下的無盲點管控。

1、該系統和設備適用范圍較大，既具有非安DC24V輸出，又具有非安AC127V輸出，同時還具有本安DC18V輸出，可以廣泛覆蓋各種廠家的各類系統及設備。以現有就近取電方式為基礎的智能電源集中供電模式，可以形成數字化礦山穩定、可靠、經濟的供電網絡。

2、該系統可以實現對煤礦井下后備電池的統一管理，具有專業的電池容量診斷功能，為及時更換電池提供技術支撐。系統和設備具有完善的保護、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。

3、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。

6 結語

系統完成后，通過智能化電源集中供電系統成功用于煤礦井下，實現了數字化礦山各類系統的正常工作，為煤礦的安全生產保駕護航，該系統具有科學、易管理、易擴展、易維護等特點。

參考文獻

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