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

        2022-01-19 09:57:36曹建文
        煤礦機(jī)電 2021年6期
        關(guān)鍵詞:總線瓦斯電源

        曹建文

        (1. 中國煤炭科工集團(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)需專用變壓器、專用開關(guān)、抓弄電纜“三?!惫╇姡栝L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,只能通過手動(dòng)模式重新啟動(dòng)通風(fēng)機(jī),無法完成遠(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]。國內(nèi)外科研院所對煤礦局部通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)展開深入研究,根據(jù)供電系統(tǒng)實(shí)際使用情況,依次提出了“一路三專、一路動(dòng)力”、“雙三?!薄ⅰ叭L(fēng)機(jī)、三電源”、“四風(fēng)機(jī)、三電源、雙風(fēng)筒、一專人”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)還存在的主要問題有:

        1) 局部通風(fēng)控制器失電后無法自啟動(dòng)。

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

        3) 局部通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測參數(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)。針對上述問題,以高瓦斯煤礦局部通風(fēng)機(jī)為研究對象,增加UPS應(yīng)急電源裝置,采用Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對電池SOC值進(jìn)行預(yù)測,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、放電倍率、自放電率等密切相關(guān)[4-5]。通過SOC值估算蓄電池的剩余容量,進(jìn)而完成對局部通風(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)測方法可對剩余電池容量進(jìn)行精確預(yù)測,指導(dǎo)對局部通風(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)測樣本進(jìn)行驗(yàn)證,將SOC的預(yù)測值達(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、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)

        圖1 電池剩余容量預(yù)測結(jié)果對比

        測對比值。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn),69次迭代后的Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法可將誤差控制在0.139 0以內(nèi),實(shí)現(xiàn)對電池剩余容量更精準(zhǔn)的預(yù)測,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縫切換。該UPS可接收的輸入電壓等級有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)長大于3 h;當(dāng)輸出電流為2A時(shí),供電時(shí)長大于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)測電池的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)以及故障信息;監(jiān)測電池的充電、放電過程,防止過度充電、過度放電,延長電池使用壽命;對電池剩余容量進(jìn)行預(yù)測,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、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)急開關(guān)K1斷開,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、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,測量電壓精度為±1.6 mV,轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 μs。用于測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 ℃,測量精度為±5%。用于測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?、預(yù)測SOC、報(bào)警信息、系統(tǒng)狀態(tài)以及保護(hù)狀態(tài)等。預(yù)測SOC值采用百分制表示,有自動(dòng)檢測、手動(dòng)檢測兩種模式,內(nèi)嵌基于Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)SOC預(yù)測系統(tǒng),預(yù)測精度高,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UPS電池電量進(jìn)行精確預(yù)測,保障供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定工作,對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)

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