煤礦主要通風機配電系統(tǒng)雙電源切換裝置應用研究

鄧 雷，郭兆明

(延安大學 物理與電子信息學院，陜西 西安 710000)

煤炭資源隱藏在礦山地下中，因此開采工作主要以挖掘礦井的形式進行，而挖掘會使得礦下的有毒氣體逸出。為保證開采人員的安全，降低安全隱患，礦井內(nèi)的通風十分重要，所以風扇系統(tǒng)的存在十分重要[1]。在此背景下，盡可能保證風扇系統(tǒng)能夠不間斷運行。煤礦主要通風機配電系統(tǒng)一般存在2個電源，1個為主電源，1個為輔電源[2]。當主電源發(fā)生故障，無法繼續(xù)給風扇供電時，就需要輔電源來替代主電源，繼續(xù)給煤礦主要通風機供電，直至主電源修復好[3]。面對主電源與輔電源，二者之間存在的一個亟待解決的問題，即如何靈活地實現(xiàn)二者之間的穩(wěn)定切換[4]。

由于忽略了合閘、開閘過程中電壓穩(wěn)定性不足，易導致過電壓問題。基于前人研究經(jīng)驗，本文設計一種新型煤礦主要通風機配電系統(tǒng)雙電源切換裝置。該裝置在原有電源切換裝置的基礎上，并聯(lián)并容器吸收高頻電流。該裝置工作過程：首先利用傳感器采集煤礦主要通風機配電系統(tǒng)主電源的運行參數(shù)，然后判斷是否發(fā)生故障問題，當發(fā)生故障問題，立即進入切換程序，控制斷路器完成分閘、合閘操作，并通過電容器解決過電壓問題，實現(xiàn)雙電源之間的穩(wěn)定切換，以期實現(xiàn)煤礦主要通風機配電系統(tǒng)供電安全，降低礦產(chǎn)資源開采風險。

1 雙電源切換裝置

煤礦開采時，地下有毒氣體的存在會給開采人員帶來極大的安全風險[5]。為保證煤礦主要通風機系統(tǒng)持續(xù)運行，提高停機事故的綜合應急處置能力，一般設置2個電源，即主電源和輔電源，前者作為常用電源使用，后者作為備用電源使用[6]。常用電源無法繼續(xù)供電時，就需要備用電源來應急。在此背景下，亟待解決一個問題，即主輔雙電源的靈活切換。為此，本文設計一種配電系統(tǒng)雙電源切換裝置，將其應用到煤礦主要通風機系統(tǒng)當中，用于礦井通風應急處置。雙電源切換裝置組成結構包括前端采集設備、中間異常識別以及后期電源切換裝置3部分。

1.1 煤礦主要通風機配電系統(tǒng)電壓信號采樣

雙電源切換裝置的應用前提是判斷主電源供電是否存在異常，只有存在異常，才會觸發(fā)切換程序。主電源供電異常判斷首先需要采集煤礦主要通風機配電系統(tǒng)的運行電壓信號[7]。電壓互感器是電壓信號采集的常見設備。其工作原理與變壓器一樣[8]。當給煤礦主要通風機系統(tǒng)的供電發(fā)生故障時，其電壓信號與正常供電時的電壓會存在極大的差異，因此通過實時采樣煤礦主要通風機配電系統(tǒng)電壓信號并與正常信號進行比對，就可以實時監(jiān)測電源供電狀態(tài)。采集到的電壓信號中包含了大量的噪聲信號，因此需要去除處理[9]。在這里采用EEMD和ICA結合的方法進行去噪，具體過程如下。

(1)步驟1：利用EEMD算法將電壓信號分解為若干IFM分量，具體過程如下。

step1：輸入原始電壓信號x(t)。

step2：向x(t)中加入隨機白噪聲，組成新的電壓序列信號xi(t)。

xi(t)=x(t)+ni(t)，i=1，2，…，M

(1)

式中，ni(t)為隨機白噪聲；M為x(t)的平均處理次數(shù)。

step3：將xi(t)進行經(jīng)驗模態(tài)分解(EMD)，得到：

(2)

式中，n為EMD分解的IMF的數(shù)量；IFMi為 IMF分量；ri(t)為殘余分量。

step4：重復上述步驟M次，得到若干個IFM分量。

(3)

1.2 供電異常判別

基于采集并處理好的煤礦主要通風機配電系統(tǒng)電壓信號，進行異常判斷與識別，以此作為電源切換的觸發(fā)標準。異常判斷與識別通過基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡構建的判別模型來實現(xiàn)[11]。在這里電壓信號特征作為輸入，以煤礦主要通風機配電系統(tǒng)電源運行狀態(tài)作為輸出(異常或者正常)[12]。基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的判別模型需要訓練，訓練好的模型才能應用到實際主電源異常監(jiān)測當中[13]。模型訓練分為2個階段，即前向傳播過程與反向傳播過程。

(1)步驟1：初始化權值和閾值。

(2)步驟2：輸入訓練樣本X=[x1x2…xi…xm]，i=1，2，…，m到模型當中。

(3)步驟3：求出隱含層、輸出層各單元的輸出：

(4)

(5)

式中，yi為隱含層輸出；Ol為輸出層輸出；wij為隱含層各單元權值；θj為隱含層連接閾值；vjl為輸出層各單元權值；θl為輸出層連接閾值[14]。

(4)步驟4：計算上述實際輸出與期望輸出之間的誤差e。

(5)步驟5：判斷e是否小于設定的閾值。小于，則完成模型訓練；否則，利用e進行權值和閾值更新，直至達到訓練結束條件，即反向傳播[15]。

將訓練好的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的判別模型應用到實際煤礦主要通風機配電系統(tǒng)電源運行狀態(tài)分析當中，即可完成電源的切換程序的觸發(fā)[16]。但是，BP神經(jīng)網(wǎng)絡存在局部最小值，易陷入局部最優(yōu)，結合思維進化算法優(yōu)化網(wǎng)絡閾值依據(jù)權重值，實現(xiàn)全局最優(yōu)。改進BP神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)供電異常判別流程如圖1所示。

圖1 改進BP神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)供電異常判別流程Fig.1 Improve BP neural network to realize the process of power supply abnormality judgment

1.3 雙電源切換程序

基于上述判別模型的識別結果，作為雙電源切換程序的觸發(fā)條件[17]。當存在異常狀況時，利用繼電保護裝置進行預警并向所控制的主電源斷路器發(fā)出開閘命令，切斷電力供應，同時向所控制的輔電源斷路器發(fā)出合閘命令，輔電源進行供電；當主電源異常被排除之后，就會再次觸發(fā)雙電源切換程序，即將煤礦主要通風機電源供應切換回主電源，輔電源開閘，關閉電源，等待下一次應急處理[18]。上述過程就是主電源與輔電源之間切換過程，具體過程如下：①煤礦主要通風機配電系統(tǒng)初始化；②檢測兩路電源狀態(tài)，主電源優(yōu)先上電；③電壓定時循環(huán)監(jiān)測；④觀察窗口顯示主電源供電狀態(tài)；⑤判斷供電電壓是否正常，若不正常，則進行下一步驟；否則，主電源繼續(xù)供電；⑥啟動電源轉換程序；⑦繼電保護裝置向主電源斷路器發(fā)出開閘命令，切斷異常供電，并發(fā)出啟動輔電源供電命令；⑧輔電源斷路器執(zhí)行合閘命令，輔電源進行供電；⑨判斷主電源異常是否被排除，若排除，再次觸發(fā)雙電源切換程序，即將煤礦主要通風機電源供應切換回主電源，并關閉輔電源[19];⑩等待下一輪應急任務。斷路器是實現(xiàn)主電源和輔電源雙電源切換的關鍵設備，主要任務是執(zhí)行合閘或合閘操作。繼電保護裝置是控制斷路器合閘或合閘的裝置，是切換命令的發(fā)出者[20]。利用斷路器和繼電保護裝置共同實現(xiàn)了電源的靈活切換。一般合閘操作時，由于突然電流的突然接通，經(jīng)常出現(xiàn)過電壓問題，導致電源爆炸短路，通過并聯(lián)電容器來穩(wěn)定電壓。

2 應用效果仿真測試與分析

為驗證所設計的雙電源切換裝置在煤礦主要通風機配電系統(tǒng)中的應用效果，以MATLAB2015a作為仿真工具，進行測試與分析。

2.1 仿真測試環(huán)境

將設計的雙電源切換裝置應用在某地區(qū)煤礦井主要通風機系統(tǒng)當中。在該礦井下有1個通風口，通風口設置了1臺風扇進行礦井通風，以此為參考搭建應用測試環(huán)境，進行應用效果仿真測試。仿真測試環(huán)境如圖2所示。

圖2 應用效果仿真測試環(huán)境Fig.2 Simulation test environment of application effect

2.2 電源切換裝置各組成設備選型與安裝

電源切換裝置的組成設備中關鍵有2種，即斷路器和電容器。下面對這2種組成設備的選型進行具體分析。

(1)斷路器。所選用的斷路器為萬能式斷路器CW1-2000。該設備關鍵性能參數(shù)：脫扣類型為C；保護功能為過載保護/短路保護；分斷能力為6 000 A；電流規(guī)格為32 A/63 A；電壓400 V。

(2)電容器。所選用的電容器為CBB61，該設備體積小、壽命長、比例特性高且具有自愈性能。應用ZnAI邊沿金屬化膜制作、耐大電流沖擊、抗電強度高、使用安全可靠插片、不分正負極、任意接線。基于電源切換裝置中各組成設備，將斷路器和電容器安裝到礦井主要通風機系統(tǒng)中，安裝方案如圖3所示。

圖3 電源切換裝置安裝方案Fig.3 Installation scheme of the power switching device

2.3 電壓信號采集

運行煤礦礦井內(nèi)主要通風機系統(tǒng)，利用電壓互感器采集配電系統(tǒng)的電力供應狀態(tài)信號。電力供應狀態(tài)信號分為2種：為正常供電下的電壓信號；異常供電下的電壓信號。二者情況下的電壓信號波形圖像如圖4所示。

圖4 電壓信號波形圖像Fig.4 Voltage signal waveform image

2.4 供電異常判別結果

人為破壞主電源電路，使得主電源電路出現(xiàn)短路故障，利用改進BP神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)供電異常判別。改進BP神經(jīng)網(wǎng)絡參數(shù)見表1，給出的判別結果如圖5所示。

表1 改進神經(jīng)網(wǎng)絡參數(shù)Tab.1 Improving the neural network parameters

圖5 供電異常判別給出的判別結果Fig.5 Discrimination results given by discrimination for power supply anomalies

2.5 應用效果測試

按照上述供電異常判別結果，運行所設計裝置，進行電源切換，觀察并聯(lián)電容前后負載端電壓波形的變化情況。從圖6中可以看出，電容器未并聯(lián)時，當斷路器開合閘時，在負載端產(chǎn)生了一段較大波動的電壓，這一段穩(wěn)定性較差，而電容器未并聯(lián)后，主電源切換到輔電源，合閘時，則光滑度很好，電壓波動幅值較小。由此可知所設計的新裝置電源切換時，穩(wěn)定性更好，更能保證煤礦主要通風機的持續(xù)、穩(wěn)定供電。

圖6 應用效果測試Fig.6 Application effect test

3 結語

礦井下蘊含著很多很危險的氣體(如瓦斯)，極易引發(fā)爆炸的危險，給礦產(chǎn)資源開采帶來很大的安全事故。為此，保證礦井下的持續(xù)通風至關重要。為達到上述目標，本文設計一種煤礦主要通風機通風配電系統(tǒng)雙電源切換裝置。該裝置通過主電源與輔電源的使用來達到持續(xù)供電的目的。二者之間的轉換通過故障檢測來觸發(fā)，即通過識別主電源無法繼續(xù)供電的情況下，利用斷路器來進行開閘和合閘，以此將電力供應轉換到輔電源。最后通過應用測試，證明了裝置的切換能力。本研究僅在仿真環(huán)境中進行一系列的實驗，缺乏可靠的數(shù)據(jù)支持研究結果，有待進一步分析。