高瓦斯煤矿局部通风机供电系统方案设计

曹建文

(1. 中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 太原 030006；2. 煤矿采掘机械装备国家工程实验室， 太原 030006)

0 引言

根据《煤矿安全规程》规定，煤矿井下局部通风机需专用变压器、专用开关、抓弄电缆“三专”供电，需长时间不停电工作；发生供电故障后，局部通风机必须在5 s内恢复供电。当局部通风机控制器失电后，只能通过手动模式重新启动通风机，无法完成远程控制和自动切换运行模式，存在安全隐患。据统计，高瓦斯矿井约35%的瓦斯超限事故原因是由突发停电造成的。因此，研究局部通风机控制系统的持续可靠供电具有重要意义[1-3]。国内外科研院所对煤矿局部通风机供电系统展开深入研究，根据供电系统实际使用情况，依次提出了“一路三专、一路动力”、“双三专”、“三风机、三电源”、“四风机、三电源、双风筒、一专人”等多种供电模式，提供煤矿井下局部通风机供电系统的稳定性、保障煤矿井下安全生产。目前煤矿井下局部通风机供电系统还存在的主要问题有：

1) 局部通风控制器失电后无法自启动。

2) 局部通风机应急电源剩余容量预测误差大，无法保障系统可靠工作。

3) 局部通风机运行状态监测系统监测参数不全，不能完全掌握局部通风机供电系统运行状态。针对上述问题，以高瓦斯煤矿局部通风机为研究对象，增加UPS应急电源装置，采用Elman神经网络对电池SOC值进行预测，同时设计了UPS管理监控平台，保证局部通风机供电系统稳定、高效工作。

1 电池电量预测方案设计

电池电量用荷电状态(SOC，State of Charge)表示，SOC可定义为式(1)：

(1)

式中:Qt为电池瞬时剩余电量;Q0为电池初始电量，SOC表示电池剩余容量。

电池的SOC值与工作温度、工作时长、放电倍率、自放电率等密切相关[4-5]。通过SOC值估算蓄电池的剩余容量，进而完成对局部通风机应急电源(UPS，Uninterruptible PowerSystem)的实时监控，防止主回路突然停电。

UPS电源在使用过程中，端电压与电池剩余电量的关系可表示为式(2)以及式(3)：

U=φ(I;T;Y;u)

(2)

Y=φ-1(U;I;T;u)

(3)

式中：U为电池端电压，与放电电流I、放电时间T、放电电压u关系密切;Y为电池剩余电量。

式(2)、式(3)利用数学公式求解困难，根据电池容量变化规律性强的特点，应用Elman神经网络预测方法可对剩余电池容量进行精确预测，指导对局部通风机供电系统的控制[6-7]。设计Elman神经网络系统的输入信号为电池容量采样样本序号，输出信号为端电压、放电电流、温度以及电池剩余电量；训练函数为trainlm，激活函数为sinmod。将采集的样本数据作为Elman神经网络的样本输入，将该电池的放电数据作为预测样本进行验证，将SOC的预测值达到精度要求[8]。图1所示为电池剩余容量采样真实值与Elman神经网络预测、BP神经网络预

图1 电池剩余容量预测结果对比

测对比值。经对比发现，69次迭代后的Elman神经网络预测法可将误差控制在0.139 0以内，实现对电池剩余容量更精准的预测，更能真实反应电池SOC值。

2 供电方案设计

2.1 UPS选型

为增加煤矿井下局部通风机控制系统运行的可靠性，选用DXJL2880/127J型UPS作为应急电源，实现市电与电池供电间的无缝切换。该UPS可接收的输入电压等级有AC 660 V、AC 380 V、AC 220 V以及AC 127 V，输出的电压频率为50±5% Hz，额定输出电流为5A；当输出电流为5A时，供电时长大于3 h；当输出电流为2A时，供电时长大于7 h。1台该型号的UPS应急电源包含8块磷酸铁锂蓄电池，可为15台控制器供电，并可实现远程监控。

2.2 BMS设计

电池管理系统(BMS，Battery ManagementSystem)用于对局部通风机UPS供电系统进行管理，实时监测电池的运行状态、参数以及故障信息；监测电池的充电、放电过程，防止过度充电、过度放电，延长电池使用寿命；对电池剩余容量进行预测，保证不间断供电。

2.2.1 核心控制部分设计

BMS核心控制部分芯片选用STM32F103ZET6，分别完成数据采集、SOC预测、CAN总线通信、电池信息保存等工作。图2所示为核心控制部分的主电路图，当局部通风机因故障断电后，核心控制器将应急开关K1断开，应急供电电源与局部通风机形成孤岛供电，保障局部通风机正常、连续工作。图2中的UB为应急供电电源、ZL为阻感型负载，双向变换器工作在升压模式，三相桥式VSR工作在逆变模式。

BMS核心控制部分软件处理流程如图3所示，分别完成系统初始化、数据采集、SOC预测、CAN总线通信以及信息保存等工作。图4所示为BMS核心控制部分的数据处理流程，将数据存储在芯片的寄存器中，并完成读取。

2.2.2 数据处理部分设计

BMS数据处理部分芯片选用AD 7280，对电池充电电压、放电电压、放电电流、温度等进行周期性采集并实现A/D转换。AD 7280芯片的工作电压为DC 8～30 V，测量电压精度为±1.6 mV，转换时间为1 μs。用于测量电池温度的传感器选用MF52A型NTC热敏电阻温度采集器，可采集的温度范围为-45 ℃～105 ℃，测量精度为±5%。用于测量放电电流传感器的型号为HNC-25SY，可采集的电流范围为0～37.5A，该电流传感器基于霍尔原理，抗干扰能力强，采集精度高。

图2 BMS核心控制部分主电路

图4 数据处理程序流程

2.2.3 CAN总线通信部分设计

BMS CAN总线通信部分芯片选用CTM8251T，实现BMS核心控制部分与监控平台之间的数据传输。CTM8251T芯片的抗干扰能力强、可靠性高，可实现数据的稳定、高效传输。自定义BMS系统与监控平台的CAN总线通信协议，采用CAN2.0B协议，数据存储采用小端模式、使用29位扩展帧，总线传输速率位250 kbit/s。BMS CAN总线通信流程在STM32F103ZEET6内部完成，使用中断模式实现。核心控制部分程序触发CAN总线通信中断后，进入CAN总线通信部分处理流程，首先进入CAN总线初始化配置模式完成CAN控制器初始化并使能CAN总线后退出初始化模式；定时时间Ttcan后，启动CAN总线数据发送中断子程序，将待发数据复制至发送缓冲区；待CAN总线发送周期达到后将发送缓冲区的数据发送至UPS监控平台并将发送缓冲区、定时器清零；定时时间Trcan后，启动CAN总线数据接收中断子程序，接收UPS监控平台数据并存放至接收缓冲区；待将接收缓冲区的数据处理完毕后，将接收缓冲区、定时器清零。图5所示为以CTM8251T芯片为核心的CAN总线通信收发装置，传输效率高、不易受外界信号干扰、数据传输稳定。

图5 CAN总线通信收发装置电路

3 应用分析

为验证高瓦斯煤矿局部通风机供电系统方案的工作性能，设计供电系统在线管理监控平台，实现UPS工作状态的实时监控，提高UPS供电系统的可靠性。一个UPS内部有8块磷酸铁锂蓄电池，图6所示为UPS管理系统在线管理监控平台。通过该平台可查看各UPS的8台电池电压、电池温度，同时可查看该UPS的当前总容量、预测SOC、报警信息、系统状态以及保护状态等。预测SOC值采用百分制表示，有自动检测、手动检测两种模式，内嵌基于Elman神经网络SOC预测系统，预测精度高，可准确反应电池的实际SOC值。

4 结论

为避免和减少因停电导致高瓦斯煤矿井下局部通风机无法正常工作，瓦斯积聚进而引发煤矿安全事故，确保局部通风机供电系统连续、可靠、稳定工作，设计了针对局部通风机控制系统的UPS供电方案，并基于Elman神经网络对UPS电池电量进行精确预测，保障供电系统安全、稳定工作，对高瓦斯煤矿安全生产有着重要意义。

图6 局部通风机UPS管理系统