高瓦斯煤礦局部通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

曹建文

(1. 中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 太原 030006；2. 煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 太原 030006)

0 引言

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，煤礦井下局部通風(fēng)機(jī)需專(zhuān)用變壓器、專(zhuān)用開(kāi)關(guān)、抓弄電纜“三專(zhuān)”供電，需長(zhǎng)時(shí)間不停電工作；發(fā)生供電故障后，局部通風(fēng)機(jī)必須在5 s內(nèi)恢復(fù)供電。當(dāng)局部通風(fēng)機(jī)控制器失電后，只能通過(guò)手動(dòng)模式重新啟動(dòng)通風(fēng)機(jī)，無(wú)法完成遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)切換運(yùn)行模式，存在安全隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高瓦斯礦井約35%的瓦斯超限事故原因是由突發(fā)停電造成的。因此，研究局部通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的持續(xù)可靠供電具有重要意義[1-3]。國(guó)內(nèi)外科研院所對(duì)煤礦局部通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)展開(kāi)深入研究，根據(jù)供電系統(tǒng)實(shí)際使用情況，依次提出了“一路三專(zhuān)、一路動(dòng)力”、“雙三專(zhuān)”、“三風(fēng)機(jī)、三電源”、“四風(fēng)機(jī)、三電源、雙風(fēng)筒、一專(zhuān)人”等多種供電模式，提供煤礦井下局部通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、保障煤礦井下安全生產(chǎn)。目前煤礦井下局部通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)還存在的主要問(wèn)題有：

1) 局部通風(fēng)控制器失電后無(wú)法自啟動(dòng)。

2) 局部通風(fēng)機(jī)應(yīng)急電源剩余容量預(yù)測(cè)誤差大，無(wú)法保障系統(tǒng)可靠工作。

3) 局部通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)不全，不能完全掌握局部通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。針對(duì)上述問(wèn)題，以高瓦斯煤礦局部通風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，增加UPS應(yīng)急電源裝置，采用Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電池SOC值進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)設(shè)計(jì)了UPS管理監(jiān)控平臺(tái)，保證局部通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)穩(wěn)定、高效工作。

1 電池電量預(yù)測(cè)方案設(shè)計(jì)

電池電量用荷電狀態(tài)(SOC，State of Charge)表示，SOC可定義為式(1)：

(1)

式中:Qt為電池瞬時(shí)剩余電量;Q0為電池初始電量，SOC表示電池剩余容量。

電池的SOC值與工作溫度、工作時(shí)長(zhǎng)、放電倍率、自放電率等密切相關(guān)[4-5]。通過(guò)SOC值估算蓄電池的剩余容量，進(jìn)而完成對(duì)局部通風(fēng)機(jī)應(yīng)急電源(UPS，Uninterruptible PowerSystem)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，防止主回路突然停電。

UPS電源在使用過(guò)程中，端電壓與電池剩余電量的關(guān)系可表示為式(2)以及式(3)：

U=φ(I;T;Y;u)

(2)

Y=φ-1(U;I;T;u)

(3)

式中：U為電池端電壓，與放電電流I、放電時(shí)間T、放電電壓u關(guān)系密切;Y為電池剩余電量。

式(2)、式(3)利用數(shù)學(xué)公式求解困難，根據(jù)電池容量變化規(guī)律性強(qiáng)的特點(diǎn)，應(yīng)用Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方法可對(duì)剩余電池容量進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，指導(dǎo)對(duì)局部通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)的控制[6-7]。設(shè)計(jì)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸入信號(hào)為電池容量采樣樣本序號(hào)，輸出信號(hào)為端電壓、放電電流、溫度以及電池剩余電量；訓(xùn)練函數(shù)為trainlm，激活函數(shù)為sinmod。將采集的樣本數(shù)據(jù)作為Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本輸入，將該電池的放電數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)樣本進(jìn)行驗(yàn)證，將SOC的預(yù)測(cè)值達(dá)到精度要求[8]。圖1所示為電池剩余容量采樣真實(shí)值與Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)

圖1 電池剩余容量預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

測(cè)對(duì)比值。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，69次迭代后的Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法可將誤差控制在0.139 0以?xún)?nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池剩余容量更精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)，更能真實(shí)反應(yīng)電池SOC值。

2 供電方案設(shè)計(jì)

2.1 UPS選型

為增加煤礦井下局部通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，選用DXJL2880/127J型UPS作為應(yīng)急電源，實(shí)現(xiàn)市電與電池供電間的無(wú)縫切換。該UPS可接收的輸入電壓等級(jí)有AC 660 V、AC 380 V、AC 220 V以及AC 127 V，輸出的電壓頻率為50±5% Hz，額定輸出電流為5A；當(dāng)輸出電流為5A時(shí)，供電時(shí)長(zhǎng)大于3 h；當(dāng)輸出電流為2A時(shí)，供電時(shí)長(zhǎng)大于7 h。1臺(tái)該型號(hào)的UPS應(yīng)急電源包含8塊磷酸鐵鋰蓄電池，可為15臺(tái)控制器供電，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 BMS設(shè)計(jì)

電池管理系統(tǒng)(BMS，Battery ManagementSystem)用于對(duì)局部通風(fēng)機(jī)UPS供電系統(tǒng)進(jìn)行管理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)以及故障信息；監(jiān)測(cè)電池的充電、放電過(guò)程，防止過(guò)度充電、過(guò)度放電，延長(zhǎng)電池使用壽命；對(duì)電池剩余容量進(jìn)行預(yù)測(cè)，保證不間斷供電。

2.2.1 核心控制部分設(shè)計(jì)

BMS核心控制部分芯片選用STM32F103ZET6，分別完成數(shù)據(jù)采集、SOC預(yù)測(cè)、CAN總線通信、電池信息保存等工作。圖2所示為核心控制部分的主電路圖，當(dāng)局部通風(fēng)機(jī)因故障斷電后，核心控制器將應(yīng)急開(kāi)關(guān)K1斷開(kāi)，應(yīng)急供電電源與局部通風(fēng)機(jī)形成孤島供電，保障局部通風(fēng)機(jī)正常、連續(xù)工作。圖2中的UB為應(yīng)急供電電源、ZL為阻感型負(fù)載，雙向變換器工作在升壓模式，三相橋式VSR工作在逆變模式。

BMS核心控制部分軟件處理流程如圖3所示，分別完成系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、SOC預(yù)測(cè)、CAN總線通信以及信息保存等工作。圖4所示為BMS核心控制部分的數(shù)據(jù)處理流程，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在芯片的寄存器中，并完成讀取。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理部分設(shè)計(jì)

BMS數(shù)據(jù)處理部分芯片選用AD 7280，對(duì)電池充電電壓、放電電壓、放電電流、溫度等進(jìn)行周期性采集并實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。AD 7280芯片的工作電壓為DC 8～30 V，測(cè)量電壓精度為±1.6 mV，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 μs。用于測(cè)量電池溫度的傳感器選用MF52A型NTC熱敏電阻溫度采集器，可采集的溫度范圍為-45 ℃～105 ℃，測(cè)量精度為±5%。用于測(cè)量放電電流傳感器的型號(hào)為HNC-25SY，可采集的電流范圍為0～37.5A，該電流傳感器基于霍爾原理，抗干擾能力強(qiáng)，采集精度高。

圖2 BMS核心控制部分主電路

圖4 數(shù)據(jù)處理程序流程

2.2.3 CAN總線通信部分設(shè)計(jì)

BMS CAN總線通信部分芯片選用CTM8251T，實(shí)現(xiàn)BMS核心控制部分與監(jiān)控平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸。CTM8251T芯片的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、高效傳輸。自定義BMS系統(tǒng)與監(jiān)控平臺(tái)的CAN總線通信協(xié)議，采用CAN2.0B協(xié)議，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用小端模式、使用29位擴(kuò)展幀，總線傳輸速率位250 kbit/s。BMS CAN總線通信流程在STM32F103ZEET6內(nèi)部完成，使用中斷模式實(shí)現(xiàn)。核心控制部分程序觸發(fā)CAN總線通信中斷后，進(jìn)入CAN總線通信部分處理流程，首先進(jìn)入CAN總線初始化配置模式完成CAN控制器初始化并使能CAN總線后退出初始化模式；定時(shí)時(shí)間Ttcan后，啟動(dòng)CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送中斷子程序，將待發(fā)數(shù)據(jù)復(fù)制至發(fā)送緩沖區(qū)；待CAN總線發(fā)送周期達(dá)到后將發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送至UPS監(jiān)控平臺(tái)并將發(fā)送緩沖區(qū)、定時(shí)器清零；定時(shí)時(shí)間Trcan后，啟動(dòng)CAN總線數(shù)據(jù)接收中斷子程序，接收UPS監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)并存放至接收緩沖區(qū)；待將接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)處理完畢后，將接收緩沖區(qū)、定時(shí)器清零。圖5所示為以CTM8251T芯片為核心的CAN總線通信收發(fā)裝置，傳輸效率高、不易受外界信號(hào)干擾、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。

圖5 CAN總線通信收發(fā)裝置電路

3 應(yīng)用分析

為驗(yàn)證高瓦斯煤礦局部通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)方案的工作性能，設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)在線管理監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)UPS工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高UPS供電系統(tǒng)的可靠性。一個(gè)UPS內(nèi)部有8塊磷酸鐵鋰蓄電池，圖6所示為UPS管理系統(tǒng)在線管理監(jiān)控平臺(tái)。通過(guò)該平臺(tái)可查看各UPS的8臺(tái)電池電壓、電池溫度，同時(shí)可查看該UPS的當(dāng)前總?cè)萘俊㈩A(yù)測(cè)SOC、報(bào)警信息、系統(tǒng)狀態(tài)以及保護(hù)狀態(tài)等。預(yù)測(cè)SOC值采用百分制表示，有自動(dòng)檢測(cè)、手動(dòng)檢測(cè)兩種模式，內(nèi)嵌基于Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)SOC預(yù)測(cè)系統(tǒng)，預(yù)測(cè)精度高，可準(zhǔn)確反應(yīng)電池的實(shí)際SOC值。

4 結(jié)論

為避免和減少因停電導(dǎo)致高瓦斯煤礦井下局部通風(fēng)機(jī)無(wú)法正常工作，瓦斯積聚進(jìn)而引發(fā)煤礦安全事故，確保局部通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)連續(xù)、可靠、穩(wěn)定工作，設(shè)計(jì)了針對(duì)局部通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的UPS供電方案，并基于Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)UPS電池電量進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，保障供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定工作，對(duì)高瓦斯煤礦安全生產(chǎn)有著重要意義。

圖6 局部通風(fēng)機(jī)UPS管理系統(tǒng)