煤礦“六大系統(tǒng)”供電保障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

樊曉明

摘 要：針對煤礦井下“六大系統(tǒng)”供電使用過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析梳理和總結(jié)，并結(jié)合實(shí)際的工程應(yīng)用提出了煤礦“六大系統(tǒng)”供電保障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對 “六大系統(tǒng)”供電保障系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo)進(jìn)行了分析，提出一些意見和思路。

關(guān)鍵詞：“六大系統(tǒng)”；供電保障；設(shè)計(jì)

目前煤礦井下的監(jiān)測監(jiān)控、人員定位、無線通訊、廣播等各類數(shù)字化礦山系統(tǒng)設(shè)備分布廣，布置比較分散，供電方式多為就近接入巷道內(nèi)排水、照明供電系統(tǒng)，可靠性差較差，供電發(fā)生故障后停電時間長，無法保證數(shù)字化礦山系統(tǒng)可靠運(yùn)行，影響煤礦安全生產(chǎn)；如果數(shù)字礦山系統(tǒng)全部采用雙回路、專用變壓器、專用開關(guān)方式供電，可以有效保證供電網(wǎng)絡(luò)安全、可靠，但建設(shè)費(fèi)用較高；監(jiān)測監(jiān)控等系統(tǒng)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(xiàn)場交流斷電一旦超過2小時，則供電中斷，系統(tǒng)將無法正常運(yùn)行；數(shù)字礦山系統(tǒng)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(tài)，會大幅度降低電池使用壽命，必須進(jìn)行周期性放電操作，以保證電池使用壽命；數(shù)字化礦山相關(guān)子系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的分散式供電方式，每個系統(tǒng)數(shù)十臺電源，都采用人員工檢查和放電的維護(hù)模式，工作量較大，后期運(yùn)行維護(hù)質(zhì)量難以保障。

1 目前“六大系統(tǒng)”供電現(xiàn)狀

余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司井下現(xiàn)有中央變電所及各采區(qū)變電所共12處，各變電所內(nèi)共建設(shè)有安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)、百兆及千兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等?，F(xiàn)各系統(tǒng)雖有后備電源，但普遍存在電源容量小，供電時間短，當(dāng)變電所區(qū)域出現(xiàn)長時間斷電的情況時，會造成各系統(tǒng)無法正常使用。而且各系統(tǒng)使用各自獨(dú)立的電源供電，無法做到高可靠性集中供電與有效監(jiān)測。

2 集中供電保障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是開發(fā)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(jù)需要靈活擴(kuò)展，電池切換時間為零，保證負(fù)載設(shè)備的不間斷工作，最大可實(shí)現(xiàn)15度的供電方案，集中供電裝置中應(yīng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的1+1冗余，電池箱單機(jī)的N+1冗余，有效保證裝置的可靠運(yùn)行。

3 實(shí)現(xiàn)集中供電保障系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大容量UPS冗余技術(shù)

冗余功能：可以實(shí)現(xiàn)裝置中關(guān)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(wěn)定性；

不間斷供電的系統(tǒng)擴(kuò)展：原各種系統(tǒng)獨(dú)立供電時，有可能有的系統(tǒng)的供電電源不具有后備電池，如視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，通過集中供電，某些原不具備不間斷供電的系統(tǒng)，也具有了不間斷供電的功能；

系統(tǒng)供電時間擴(kuò)展：集中供電系統(tǒng)在現(xiàn)場使用中，可能為不同功率的負(fù)載供電，供電時間亦不同，當(dāng)需要增加電池組容量時，只需根據(jù)實(shí)際需要擴(kuò)展電池箱實(shí)現(xiàn)直流端并聯(lián)即可滿足要求。

3.2 UPS高可靠性供電

穩(wěn)定可靠的正弦波輸出：通過逆變器DSP數(shù)字化控制技術(shù)，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(tǒng)及設(shè)備提供穩(wěn)定、可靠的標(biāo)準(zhǔn)AC127V，50Hz正弦波；

不間斷供電：當(dāng)交流斷電時，切換到電池放電保證系統(tǒng)供電的不間斷，零切換時間。

3.3 區(qū)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(shí)現(xiàn)集中供電系統(tǒng)故障的快速診斷，快速定位，方便用戶快速進(jìn)行故障排查、解決；

電池管理：支持遠(yuǎn)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(qiáng)制進(jìn)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(shù)據(jù)，提供專業(yè)的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表，帶來預(yù)防式的集中監(jiān)控管理；電池組的SOC誤差不大于5%，提供給用戶準(zhǔn)確的剩余電量信息。

電池箱孤島保護(hù)：電池箱輸出端具有輸出短路、過流、過電壓等多種保護(hù)，當(dāng)多臺電池箱使用中某臺出現(xiàn)故障時并不影響整個供電系統(tǒng)的工作，實(shí)現(xiàn)了電池箱的孤島保護(hù)。

4 系統(tǒng)組成以及現(xiàn)實(shí)功能

4.1 系統(tǒng)組成

區(qū)域UPS集中供電裝置主要由電源主機(jī)、電池箱組成，主要應(yīng)用場所是采區(qū)變電所、皮帶機(jī)頭區(qū)域的集中供電，以在這些易斷電的區(qū)域提供穩(wěn)定、無污染、電源1+1冗余的供電系統(tǒng)。

4.2 實(shí)現(xiàn)功能

集中供電保障系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后可達(dá)到如下功能：

1、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)的供電：對比分析采用雙回路、專用網(wǎng)絡(luò)供電模式，與以現(xiàn)有就近取電方式為基礎(chǔ)的智能電源集中供電模式的穩(wěn)定性、可靠性，經(jīng)濟(jì)性，研究適合于煤礦井下的數(shù)字化礦山供電模式；

2、數(shù)字化礦山統(tǒng)一的供電平臺：研究被供電設(shè)備的輸入電壓規(guī)格及參數(shù)，研發(fā)出可以廣泛適用于數(shù)字化礦山各種輸入電壓等級的供電設(shè)備和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)供電網(wǎng)絡(luò)的規(guī)范管理。

3、 故障診斷管理：分析系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備的故障點(diǎn)及故障出現(xiàn)時工作狀態(tài)，研發(fā)出可以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)1+1冗余的設(shè)備和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、有效的故障自診斷專家管理系統(tǒng)的建立，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警；

4、智能電池冗余管理：分析井下不同環(huán)境下設(shè)備檢修、維護(hù)、故障排除時間的大數(shù)據(jù)，科學(xué)布置后備電池的電量，研發(fā)適合于煤礦井下的后備電池冗余管理系統(tǒng)，應(yīng)不僅保證系統(tǒng)不間斷供電，同時有效節(jié)約成本；

5、智能電池充放電管理：分析本機(jī)設(shè)備供電適用環(huán)境和被供電設(shè)備特點(diǎn)，建立起一套科學(xué)的預(yù)防式的電池分組充放電管理機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)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(huán)境下的充放電曲線，采用合適算法實(shí)現(xiàn)對電池SOC（荷電容量）的準(zhǔn)確計(jì)算，完善鋰電池保護(hù)機(jī)制，有效降低電池的后期維護(hù)成本；

5 預(yù)期目標(biāo)

該系統(tǒng)和設(shè)備實(shí)現(xiàn)后可以解決分散式供電的諸多問題，無論是系統(tǒng)級、設(shè)備級均具有冗余設(shè)計(jì)，極大提高了被供電設(shè)備的可靠性，保證了數(shù)字化礦山各類系統(tǒng)的可靠供電。該系統(tǒng)可以直觀展示出煤礦各系統(tǒng)被供電設(shè)備的實(shí)時工作狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)覆蓋整個井下的無盲點(diǎn)管控。

1、該系統(tǒng)和設(shè)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(tǒng)及設(shè)備。以現(xiàn)有就近取電方式為基礎(chǔ)的智能電源集中供電模式，可以形成數(shù)字化礦山穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)的供電網(wǎng)絡(luò)。

2、該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對煤礦井下后備電池的統(tǒng)一管理，具有專業(yè)的電池容量診斷功能，為及時更換電池提供技術(shù)支撐。系統(tǒng)和設(shè)備具有完善的保護(hù)、報(bào)警機(jī)制，通過電源故障專家診斷系統(tǒng)，方便現(xiàn)場故障定點(diǎn)排查，快速檢修，有效減少了維護(hù)人員。

3、系統(tǒng)支持對電池箱后備電池、隔爆兼本安電源后備電池遠(yuǎn)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(shù)。

6 結(jié)語

系統(tǒng)完成后，通過智能化電源集中供電系統(tǒng)成功用于煤礦井下，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化礦山各類系統(tǒng)的正常工作，為煤礦的安全生產(chǎn)保駕護(hù)航，該系統(tǒng)具有科學(xué)、易管理、易擴(kuò)展、易維護(hù)等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 徐磊 周孟然 趙祥 . 煤礦實(shí)用本安電源設(shè)計(jì)[J]. 《煤礦機(jī)械》 2012年03期