礦用安全監(jiān)控系統(tǒng)隔爆兼本安型UPS電源狀態(tài)管理系統(tǒng)的研究

李 輝

1 前言

隨著煤礦安全管理自動化、信息化水平的不斷提升，安全監(jiān)控系統(tǒng)的安全保障作用變得越來越重要，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行對于礦井安全生產(chǎn)有著極其重大的意義。電源是監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，電子電路不正常工作約有七成是電源設(shè)備損壞引起的，電源性能是否穩(wěn)定直接關(guān)系著整個(gè)安全監(jiān)控系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定運(yùn)行。井下供電系統(tǒng)因故停運(yùn)后，UPS 電源可以為安全監(jiān)控系統(tǒng)分站提供不間斷的電力供應(yīng)，從而能夠持續(xù)發(fā)揮安全監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測作用，保證作業(yè)人員的安全。

實(shí)際工作中，井下UPS電源可靠性、耐用性均達(dá)不到理想狀態(tài)，研究性能優(yōu)良、通用性強(qiáng)、體積較小、使用壽命長且對其狀態(tài)能夠進(jìn)行有效管理的礦用后備電源迫在眉睫。目前UPS電源狀態(tài)管理在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用領(lǐng)域大多處于理論論證或試驗(yàn)階段，但是這一理念在其他領(lǐng)域已經(jīng)得到很好的應(yīng)用并取得了顯著地效果。

本文主要從以下兩個(gè)方面改進(jìn)UPS 電源：一是鋰離子蓄電池自主有序充放電控制；二是礦用隔爆兼本安型UPS電源雙重過流過壓保護(hù)。并在次基礎(chǔ)上建立安全監(jiān)控系統(tǒng)電源管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備井下電池SOC估算，電源運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，地面遠(yuǎn)程操作等功能。

2 鋰離子蓄電池自主有序充放電控制

目前礦井在用大量備用電源的運(yùn)行實(shí)踐表明，如不采用自主有序充放電技術(shù)，電池的使用壽命僅能達(dá)到設(shè)備標(biāo)稱值的一半，且使用時(shí)長也無法達(dá)到設(shè)備規(guī)定要求。煤礦企業(yè)必須每年一次或多次置換、更新蓄電池組，極大的增加礦井的生產(chǎn)成本。合理的充放電過程和方式能夠有效的延長電池組的使用壽命并保證在供電異常時(shí)能夠到達(dá)廠家標(biāo)定的預(yù)期放電時(shí)間，確保安全監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行。

由于煤礦具有特殊性，電池在進(jìn)行自主放電的過程的末段有可能是發(fā)生停電事故的時(shí)刻，雖然是小概率事件，但是有其發(fā)生的可能性。因此需要對自主充放電策略進(jìn)行研究，以滿足電源的使用要求。

鋰電池充電的基本要求是特定的充電電流和充電電壓，從而保證電池安全充電[1]。增加其它充電輔助功能是為了改善電池壽命，簡化充電的操作，其中包括給過放電的電池使用涓流充電、電池電壓檢測、輸入電流限制、充電完成后關(guān)斷充電器、電池部分放電后自動啟動充電等。鋰離子電池的充電過程可以分為四個(gè)階段：涓流充電（低壓預(yù)充）、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。

鋰電池的充電方式是限壓恒流，都是由IC芯片控制的，典型的充電方式是：先檢測待充電電池的電壓，如果電壓低于3 V，要先進(jìn)行預(yù)充電，充電電流為設(shè)定電流的1/10，電壓升到3 V后，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)充電過程。標(biāo)準(zhǔn)充電過程為：以設(shè)定電流進(jìn)行恒流充電，電池電壓升到4.20 V 時(shí)，改為恒壓充電，保持充電電壓為4.20 V。此時(shí)，充電電流逐漸下降，當(dāng)電流下降至設(shè)定充電電流的1/10 時(shí)，充電結(jié)束。圖1、2 分別為鋰電池充電曲線及鋰電池充電過程圖：

圖1 鋰電池充電曲線圖

圖2 鋰電池充電過程圖

階段1：涓流充電——涓流充電用來先對完全放電的電池單元進(jìn)行預(yù)充(恢復(fù)性充電)。在電池電壓低于3 V 左右時(shí)采用涓流充電，涓流充電電流是恒流充電電流的十分之一即0.1 C。(C 是以電池標(biāo)稱容量對照電流的一種表示方法，如電池是1 000 mAh的容量，1C就是充電電流1 000 mA。以恒定充電電流為1 A舉例，則涓流充電電流為100 mA。）

階段2：恒流充電——當(dāng)電池電壓上升到涓流充電閾值以上時(shí)，提高充電電流進(jìn)行恒流充電。恒流充電的電流在0.2 C～1.0 C 之間。電池電壓隨著恒流充電過程逐步升高，單節(jié)電池設(shè)定電壓為3.0 V ～4.2 V。

階段3：恒壓充電—— 當(dāng)電池電壓上升到4.2 V時(shí)，恒流充電結(jié)束，開始恒壓充電階段。電流根據(jù)電芯的飽和程度，隨著充電過程的繼續(xù)充電電流由最大值慢慢減少，當(dāng)減小到0.01 C時(shí)，認(rèn)為充電終止。

階段4：充電終止——有兩種典型的充電終止方法：采用最小充電電流判斷或采用定時(shí)器(或者兩者的結(jié)合)。最小電流法監(jiān)視恒壓充電階段的充電電流，并在充電電流減小到0.02 C 至0.07 C 范圍時(shí)終止充電。第二種方法從恒壓充電階段開始時(shí)計(jì)時(shí)，持續(xù)充電兩個(gè)小時(shí)后終止充電過程。

考慮電池在進(jìn)行自主放電過程的末段有可能是發(fā)生停電事故的時(shí)刻，從而導(dǎo)致“放電沖突”，因此對自主充放電策略要進(jìn)行研究，同時(shí)也可以通過其他手段輔助優(yōu)化控制策略，主要采取以下三種放電策略：

策略本身可以通過采集不同電池的充放電特性，再通過控制電池放電深度來縮小自主充放電的時(shí)間，從而減小“放電沖突”的可能性。

通過增大放電完成后的充電電流，對電池進(jìn)行快速充電來縮小自主充放電的時(shí)間，從而也可減小“放電沖突”的可能性。

通過遠(yuǎn)程狀態(tài)管理系統(tǒng)人為操作，在未停電時(shí)可隨時(shí)對某一電池進(jìn)行手動放電操作，計(jì)入自主充放電策略中，從而也可減小“放電沖突”的可能性。

3 礦用隔爆兼本安型UPS電源雙重過流過壓保護(hù)

雙重過壓過流保護(hù)可以保證在出現(xiàn)一級故障的情況下，依然能夠滿足本質(zhì)安全的要求，這樣可極大地提高了下電路工作的安全系數(shù)[2]。同時(shí)電源具備自恢復(fù)功能，當(dāng)系統(tǒng)故障排除后能自動回復(fù)到正常工作狀態(tài)。本安電源主要由交流或直流輸入電路，一級過流保護(hù)電路，二級過流保護(hù)電路，過壓保護(hù)電路和直流輸出電路組成。交流或直流輸入電路主要用來將127 V或660 V 的交流電壓或蓄電池供電的直流電壓轉(zhuǎn)化為+5 V，+12 V，+18 V，+24 V 不同等級的直流電壓。一級過流保護(hù)電路和二級過流保護(hù)電路主要用于防止本安電源的輸出電流過大（本安電源的最大輸出電流為800 mA，超過800 mA 電源即處于保護(hù)狀態(tài)）。過壓保護(hù)電路主要用于防止電源的輸出電壓過大。直流輸出電路主要用于保證電路輸出穩(wěn)定的+5 V，+12 V，+18 V，+24 V電壓。

4 礦井UPS電源狀態(tài)管理系統(tǒng)

影響隔爆兼本安型UPS電源壽命長短的因素多種多樣，UPS 儲能介質(zhì)失效受濕度、環(huán)境溫度、生產(chǎn)工藝等都會影響UPS 電源的壽命[3]。根據(jù)井下的現(xiàn)場應(yīng)用條件，結(jié)合樣機(jī)地面試驗(yàn)運(yùn)行特性及系統(tǒng)試運(yùn)行數(shù)據(jù)，構(gòu)建礦用隔爆兼本安型UPS電源及管理系統(tǒng)。

狀態(tài)管理系統(tǒng)當(dāng)中包含電源狀態(tài)評估模塊，狀態(tài)評估模塊主要評估電源儲能介質(zhì)狀態(tài)是否退化，產(chǎn)生狀態(tài)監(jiān)測記錄。狀態(tài)評估主要基于UPS電源各種狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)以及自主有序充放電次數(shù)等數(shù)據(jù)信息，如圖3所示。

圖3 狀態(tài)管理系統(tǒng)

狀態(tài)管理系統(tǒng)軟件安裝在地面控制室內(nèi)的工業(yè)計(jì)算機(jī)上，可以對分散在不同區(qū)域的作業(yè)面的UPS 電源進(jìn)行集中狀態(tài)監(jiān)控管理。

監(jiān)測的主要參數(shù)：輸入電壓、電流、功率、各路輸出的電壓、電流、功率以及鋰電池管理系統(tǒng)(BMS)的監(jiān)測參數(shù)等。

監(jiān)控的主要報(bào)警信號：過壓、過流、直流側(cè)短路、交流輸入側(cè)短路、鋰電池故障等。

各工作面的電源參數(shù)和報(bào)警信號通過485以及以太網(wǎng)傳給中控室，通過編程可做出齊全的畫面。包括系統(tǒng)狀態(tài)畫面：電源的狀態(tài)，電池的狀態(tài)、通訊網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等；實(shí)時(shí)曲線畫面：各電源參數(shù)和電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示；歷史曲線畫面：各電源參數(shù)和電池狀態(tài)的歷史曲線；報(bào)警畫面：系統(tǒng)各報(bào)警信息的顯示，記錄；報(bào)表打印：各種參數(shù)的報(bào)表，可定時(shí)打印、隨時(shí)打印；權(quán)限級別：具有操作員、工程師、管理員級別設(shè)定。

狀態(tài)系統(tǒng)可記錄各電源的參數(shù)和各電池的充放電狀態(tài)；可自動合理的安排各電池的自主充放電，保持電池的活性；并可通過檢測的電池?cái)?shù)據(jù)，分析電池壽命，為更換電池提供一定的建議。通過監(jiān)測的數(shù)據(jù)預(yù)測電源壽命，為電源的維護(hù)保養(yǎng)提供建議，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

從四臺礦應(yīng)用效果來看，采用鋰離子蓄電池自主有序充放電控制及UPS 電源雙重過流過壓保護(hù)后，安全監(jiān)控系統(tǒng)分站UPS 電源使用時(shí)長可以大幅度提高，可以從平均1小時(shí)延長至5～6小時(shí)。

5 結(jié)論

本套方案可以延長隔爆兼本安型UPS電源的使用壽命，減緩井下蓄電池組的老化，降低UPS電源電池的更替速率，同時(shí)地面監(jiān)控操作人員可以實(shí)時(shí)查看各UPS 電源裝置的工作狀況，在發(fā)生停電事故時(shí)可按照設(shè)備標(biāo)定工作時(shí)間保障負(fù)荷的正常運(yùn)行。

通過對鋰離子蓄電池充放電策略的調(diào)整，使用雙重過流過壓保護(hù)，并借助智能模型來預(yù)測、監(jiān)控和管理井下電源設(shè)備，構(gòu)建了井下UPS 電源技術(shù)保障體系。狀態(tài)管理系統(tǒng)在四臺礦天津中煤電子信息工程有限公司KJ86N 型安全監(jiān)控系統(tǒng)試運(yùn)行正常，完全可以保證UPS電源按照設(shè)計(jì)值正常穩(wěn)定運(yùn)行。