智能一体化后备电源研制.pdf

第 4 2卷 第 1 1 期 2 0 1 6年 1 1 月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 1 1 NO V ． 2 01 6 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 1 0 0 8 1 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 6 ． 1 1 ． 0 2 0 陈湘源． 智能一体化后备 电源研制[ J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 6 ， 4 2 1 1 8 1 8 4 ． 智能一体化后备电源研制 陈 湘 源 榆林神华能源有限责任公司 ， 陕西 榆林 7 1 9 0 0 0 摘要 针对 煤矿 井 下分散 式供 电存在 可 靠性低 、 抗 干扰 能 力差 、 后 备 电池容 量 不方便 扩展 等 问题 ， 研 制 了 智能一体化后备 电源， 详细介绍了该 电源的工作原理和组成 。该 电源抗干扰能力强， 具有过压 、 过流、 短路等 故障的快速诊断、 快速定位功能， 可防止 电池组过放电， 为数字化矿 山各类 系统提供 了可靠、 经济 、 安全的不 间断供 电 。 关键 词 煤 矿供 电；分散 式供 电；逆 变技 术 ；故 障诊 断 ； 放 电管理 中图分类号 T D6 1 1 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 1 0 ～ 2 8 1 6 3 3 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 O 1 6 1 0 2 8 ． 1 6 3 3 ． 0 2 0 ． h t ml De v e l o p me n t o f i n t e gr a t e d i n t e l l i g e n t ba c ku p p o we r s u pp l y CHEN Xi a n gy ua n Yu l i n S h e n h u a En e r g y Co ． ，L t d． ，Yu l i n 7 1 9 0 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t I n vi e w o f pr o bl e m s o f l o w p owe r s u pp l y r e l i a b i l i t y， p oo r a nt i i n t e r f e r e nc e a bi l i t y a nd i n c o nv e n i e n t e x t e ns i o n o f ba c ku p ba t t e r y c a p a c i t y e x i s t e d i n c o a l m i n e und e r g r ou nd d i s t r i bu t e d po we r s upp l y，a n i n t e g r a t e d i nt e l l i ge n t ba c k u p po we r s u pp l y wa s de v e l o pe d，wo r ki ng p r i nc i pl e a n d c o mpo s i t i o n o f t he p o we r s up pl y we r e i nt r o du c e d i n de t a i l ．Th e po we r s up pl y ha s s t r o ng a nt i i n t e r f e r e n c e c a p a bi l i t y， r a p i d f a u l t d i a g n o s i s ，r a p i d f a u l t p o s i t i o n i n g f u n c t i o n f o r o v e r v o l t a g e ，o v e r c u r r e n t ，s h o r t c i r c u i t ．Th e p o we r s u pp l y c a n p r e v e nt b a t t e r y di s c h a r ge ， a n d p r o vi d e s r e l i a bl e， e c on o m i c ， s a f e a n d un i nt e r r u pt e d p o we r s up pl y f or a l l k i nd s o f d i g i t a l mi ne s y s t e m ． Ke y wo r d s c o a l mi ne p owe r s u ppl y； d i s t r i bu t e d po we r s u pp l y；i nv e r t e r t e c hn ol o gy；f a u l t di a gn os i s； di s c h a r ge ma na ge m e nt 0 引言 目前 ， 大多数 煤矿 装备 了监 测监 控系 统 、 人 员定 位 系统 、 无线 通信 系统 等各类 数 字化 矿 山系统 ， 系统 设 备分 布广 ， 布置 比较 分散口 ] ， 大 多采用 分散 式供 电 模式， 就近接人巷道 内排水、 照明供 电系统 ， 可靠性 较差 ， 供 电发生故障后停电时间长， 无法保证数字化 矿 山系统 可靠 运行 ， 影 响煤矿 安全 生产 。 分散式供 电模式主要是指各类系统的隔爆兼本 安不间断电源取电自不同馈电开关， 如图 1所示 。 分散式供电模式具有接线方便等优点 ] ， 但此 照 明轹骨侏 卒，女稿蹦 隔爆兼本安不间断 电源 人员 定位 局部通风机综合保护 本安输出 隔爆兼本安不间断电源 安全监控 煤电钻综合保护 本安输出 隔爆兼本安不间断电源 矿压监测 本安输 出 隔爆兼本安不间断电源 图 1分 散 式 供 电取 电方 式 种 方 式亦存 在某 些局 限性 。 1 电池 容量 扩展 性差 。现 有 隔爆 兼 本安 不 间 断电源不具备扩展接 口， 当需要提高本质安全设备 不 问断供电时间时 ， 只能通过外挂电池箱增加系统 续 航 时 间 。 2 使用范围窄。难以实现隔爆交换机 、 隔爆 收稿 日期 2 0 1 6 0 4 0 5 ； 修 回日期 2 0 1 6 0 9 2 8 ； 责任编辑 张强。 作者简 介 陈湘源 1 9 7 2 一 ， 男 ， 内蒙古鄂尔多斯人 ， 注册安全工程师 ， 现主要从事信息 自动化管 理方 面的工作 ， E ma i l l 1 6 3 2 0 0 2 s h e n h u a ． c c 。 8 2 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 P L C等设备 AC 1 2 7 V 的接入 ， 无法实现隔爆 P L C、 隔爆交换机等设备的不间断供电。 3 供电质量较差 。由于井下变频 器的干扰 ， 馈电开关的输出电压存在较 大的畸波 ， 从而影响被 供电设备的可靠性 。 4 无电源管理功能。当设备故障时无法实现 故障诊断， 无法实现实时报警 。 针对分散式供 电模式存在 的局限性 ， 笔者研制 了智能一体化后备 电源 ， 可为数字化矿 山各类系统 提供可靠、 经济、 安全的不间断供电。 1 电源工作 原理 及组成 1 ． 1 电 源工作原 理 智能一体化后备电源主要由电源主机、 电池箱、 隔爆兼本安 电源 3部分组成。智能一体化电源工作 原理如 图 2所示 。 图 2 智能一体化 电源工作原理 正常工作时， AC 6 6 0 ／ I 1 4 0 V输入到电池箱， 对 电池箱中电池充电； 市电存在时， AC 6 6 O ／ 1 1 4 0 V输 入到电源主机 ， 经过 内部变压器 、 逆 变 电路后输 出 AC 1 2 7 V， 为隔爆兼本安电源、 P L C、 交换 机等设备 供 电 。 当交 流断 电时 ， 多组 电池箱 的直 流输 出到 电源 主机 ， 经 过 DS P逆变控 制 电路 ， 实 现 AC 1 2 7 V 的不 间断供电， 保证各类系统 隔爆兼本安电源 的不间断 供电。 通信接 口采用标准的 RS 4 8 5接 口， 通信协议采 用 Mo d b u s R T U 协议 ， 方便该电源与各类系统及传 输 设备互 联互 通 。 1 ． 2 电源组成 1 ． 2 ． 1 电源主机 电源主机是一体化后备电源 的重要组成部分 ， 以 DS P 为 核 心 ，D S P 选 用T MS 3 2 0 F 2 8 0 3 5 。 T MS 3 2 0 F 2 8 0 3 5 是高性能 的 3 2位处理 芯片 ， 具有 丰富的外设资源 ， 完全可以满足智能一体化后备 电 源的需要 。主机 D S P逆变控 制电路 如 图 3 所 示 ， D S P 完成 A D转换 、 P WM 波产生、 双闭环控制算法等， 其 中， P WM模块实现定时、 计数 比较、 死区控制 、 载波发 生等功能， 有效实现对整个电源的保护。 正 常工作 时 ， D S P 处理 器 的ADC 模 块实 时检 图 3 主机 D S P逆变控制 电路 测 电源 主机 、 电池 箱输入 电压 、 输 入 电流 、 输 出 电压 、 输出电流等模拟状态量信息 ， 当电池箱输入 电压低 于 DC 2 0 V时 ， 切断 AC 1 2 7 V 的输出， 防止 电池组 过 放 电 。 通过电平转换的隔离光耦有效实现故障状态等 开关量信息的检测及 隔离 ， 防止 1 2 7 V高电压对控 制电路 的干扰 ， 通过专用 P I D算法对 P WM 驱动模 块 进行 有效 控制 。 当 出现输入 缺 相 、 输 人 过 压 、 输 出短 路 、 输 出过 载、 输出低压、 通风机过热等故障情况 ， 或电池箱 出 现电压过低、 电压过高、 输 出放电过流等系统设备的 非正常工作状态时 ， 通过 D S P的实时检测、 分析 、 通 信、 报警等功能 ， 可实现整个智能一体化后备电源的 可靠工作 。过流、 过压保护电路如图 4所示 。 DS P程序包 括 系 统初 始 化 、 各外 设 模 块 和变 量 初始化、 保护控制操作及循环程序 。主程序流程如 图 5所示 ， 中断子程序流程如图 6 所示。 1 ． 2 ． 2 电池箱 电池 箱 后 备 电 池选 择 6 O A h的磷 酸铁 锂 电 池 ， 磷酸铁锂电池 全新 的实验室理论值有 2 8 0 0次 寿命 ， 即 经 过 了 2 8 0 0次 完 整 的 D OD D e p t h o f D i s c h a r g e ， 放 电深 度 依 然 可 保 证 电池 容 量 不 小 于 8 O ， 安全系数高 ， 完全可满足现场的使用要求。 锂 电池 充 放 电管 理 电路如 图 7所 示 ， 选 择 L T C6 8 0 3 3作为管理芯片， 实现了 8节电池的充放 电管理 。L T C 6 8 0 3 ～ 3内置 1 2位 AD C、 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。每个 L TC 6 8 0 3 3能够测量 多达 1 2个 串接 电池或 超级 电容器 的 电压 。通过运 用一 个独 特 的电 平移位串行接 口可以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 ， 每个 电池输人具 有一个相关联 的 MOS F E T电源开关 ， 用 于对 过度 充 电的电池进行放 电， 在 内部将电池组的底端与电 2 0 1 6 年 第 1 1期 陈湘源 智 能一体 化后备 电源研 究 8 3 3 ． 3V T l l 4 J 2 1 OVE R 1 2 M2 3 9 _ ● ● ●_ - a 过流保护 电路 萄 R ]o8 20 11 kQ l N C 1_r’1 十 、 巫 ／ R1 ] 1 1 0 k ．Q l E 一 C 1_ r 1十＼ LM2 3 9 b 过压保护电路 图 4 过流 、 过压保护 电路 图 5主程序流程 保护现场 读 A DC转换结果 电流 P I 调节 读频率 计算位置角 转速 P I 调节 计算 P WM脉冲 PWM 驱动 恢复现场驱动 图 6 中断子程 序流程 池负极 相连 。 由于该 电池箱选用磷酸铁锂 电池 作为后备 电 池， 故要求其具有完善的保护机制。在 电池箱正常 充 、 放 电过程 中 ， 单体 电池 的最高 温度 应不 超过 C SDO S C KI R3 l 1 M Q 图 7锂 电 池 充 放 电 管 理 电 路 6 O℃ ， 当环境 温 度 超过 5 5℃ 时实 现 报警 ， 超 过 6 O℃时实现充放电回路断电； 电池箱采用隔爆型式 ， 其外壳 防爆结构、 性能和标志应满足 G B 3 8 3 6 ． 1 -- 2 0 1 0的要求 ， 其 中放置电池的隔爆腔体能承受不小 于 1 ． 5 MP a的静压试验。同时设计该 电池箱时应 保证磷酸铁锂蓄电池放置在独立的隔爆腔 内， 且该 隔爆腔内只放置电池管理系统中检测单体电池温度 的传感元件和防止锂离子蓄电池安装时发生短路的 熔断器 ， 不应放置其他电气元件， 有效提高了整个设 备的可靠性。 电池箱具有 比较全面、 准确的保护机制 ， 具有单 体电池过充 电压保护功能、 单体 电池过充 电压保护 失效检测功能、 单体电池过放电压保护功能、 单体电 池过放电压保护失效检测功能 、 充电过流保护功能 、 放 电过流保护功能、 输 出短路保护功能、 温度保护功 能 、 均衡 充 电 控 制 功 能 、 电池 信 息 采 集 线 开 路 保 护 功 能 。 1 ． 2 ． 3 隔爆兼 本 安 电源 隔 爆兼本 安 电源 主要 由隔离 变压 器 、 AC ／ D C开 关 电源 、 控制 板 、 电源板 、 电池管理 系 统 、 电池组 等组 成 ， 原理 如 图 8所 示 。不 同 电压 等 级 的 交 流输 入 经 保险管进隔离变压器的输入端。隔离变压器 的输 出 连接 AC ／ D C开关电源 ， AC ／ D C开关 电源输出稳定 的直流电压。该直流 电源分 2路输 出 一路经充放 电电路连接蓄 电池 ； 另一路经 D C ／ DC和本安保护 电路得到稳定 的本质安全电源输出。当交流电停 电 时 ， 蓄电池中储存的电能通过电源控制板放电 ， 保持 喜；洲 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ∞ ㈣ 鹋 ∞ 舛 v ～ “T 静 H v 墓 [1 v 一 8 4 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 国 曰 图 { 圈 3 实现了数字化矿 山供 电系统不问断供电时 间的扩展 ， 通过多台电池箱的接入 ， 满足不同负荷功 率设备供电的个性化要求 ， 电池箱 固定采用物理叠 加 的加 固方式 ， 空间上形成整体化的摆放 ， 有效减小 了整体体积。 4 可实现输入过压 、 输入过流、 输人短路等故 障的快速诊断和快速定位 ， 有效保证 了电源的安全 。 具有短路 、 后备 电池亏电容量不足等 自诊断功能 ； 采 用动态图形界面展示 出系统供 电状态、 电源设 备的 工作 状 态 ， 方 便 用 户 直 观 了解 整 个 系 统 的 工作 状态 j 。 5 实现了电池 的统一管理 ， 通过挖掘后备电 池充放电历史数据 ， 结合当前电池的荷电容量、 电压 等数据实现了电池状态 的专家分析 ， 可提供专业的 充放 电解决方案 ， 杜绝了电池长期浮充 、 过放等损害 电池的操作 ， 有效延长了电池 的使用寿命 ； 实现了专 业 的 电池容 量诊 断 功 能 ， 具 有 预 防式 的后 备 电池 提 醒 功能 ， 以便 事先 采取措 施 ， 预 防后备 电池放 电时间 不满 足要求 的情 况发 生[ 5 ] 。 3 结 语 智能一体化后备电源实现了数字化矿 山安全、 可靠 、 经济的供电， 解决了分散式供电模式存在的问 题 ， 提高 了被供电设备的稳定性、 可靠性 。目前 ， 该 电源已在神华某大型矿井得到成功应用 ， 核心重点 区域 不 问断 供 电 可 以达 2 4 h以上 ， 得 到 了用 户 的 好评 。 参考文献 E l l GB 3 8 3 6 ． 4 --2 0 1 0爆 炸性 环境第 4部 分 由本质安 全 型“ i ” 保护的设备[ s ] ． [ 2 ] 周 书伟． UP S集 中供 电在 深圳 地 铁 中的 应用 [ c] ／ ／ 2 0 1 3年 轨 道 交 通 电 气 与 信 息 技 术 国 际 学 术 会 议 E I T RT 2 O 1 3 ， 长 春， 2 O 1 3 2 8 3 O ． [ 3 ] 孔庆宇 ， 陈凯利． 井下供 电标 准化 管理创新研究 E J 5 ． 煤 炭科学技术 ， 2 0 1 3 ， 4 1 增刊 1 5 2 5 7 ． E 4 ] 李 飞． 浅析 井 下 供 电 监 控技 术 [ J ] ． 机 械 管 理 开 发 ， 2 0 1 4， 2 9 1 5 5 5 7 ． [ 5 ] 吴秀文． 煤矿井 下供 电系统安 全问题解 决措 施 [ J ] ． 科 技 与 企 、 【 ， 2 0 1 3 5 2 6 ．