煤矿主要通风机配电系统双电源切换装置应用研究

邓 雷，郭兆明

(延安大学 物理与电子信息学院，陕西 西安 710000)

煤炭资源隐藏在矿山地下中，因此开采工作主要以挖掘矿井的形式进行，而挖掘会使得矿下的有毒气体逸出。为保证开采人员的安全，降低安全隐患，矿井内的通风十分重要，所以风扇系统的存在十分重要[1]。在此背景下，尽可能保证风扇系统能够不间断运行。煤矿主要通风机配电系统一般存在2个电源，1个为主电源，1个为辅电源[2]。当主电源发生故障，无法继续给风扇供电时，就需要辅电源来替代主电源，继续给煤矿主要通风机供电，直至主电源修复好[3]。面对主电源与辅电源，二者之间存在的一个亟待解决的问题，即如何灵活地实现二者之间的稳定切换[4]。

由于忽略了合闸、开闸过程中电压稳定性不足，易导致过电压问题。基于前人研究经验，本文设计一种新型煤矿主要通风机配电系统双电源切换装置。该装置在原有电源切换装置的基础上，并联并容器吸收高频电流。该装置工作过程：首先利用传感器采集煤矿主要通风机配电系统主电源的运行参数，然后判断是否发生故障问题，当发生故障问题，立即进入切换程序，控制断路器完成分闸、合闸操作，并通过电容器解决过电压问题，实现双电源之间的稳定切换，以期实现煤矿主要通风机配电系统供电安全，降低矿产资源开采风险。

1 双电源切换装置

煤矿开采时，地下有毒气体的存在会给开采人员带来极大的安全风险[5]。为保证煤矿主要通风机系统持续运行，提高停机事故的综合应急处置能力，一般设置2个电源，即主电源和辅电源，前者作为常用电源使用，后者作为备用电源使用[6]。常用电源无法继续供电时，就需要备用电源来应急。在此背景下，亟待解决一个问题，即主辅双电源的灵活切换。为此，本文设计一种配电系统双电源切换装置，将其应用到煤矿主要通风机系统当中，用于矿井通风应急处置。双电源切换装置组成结构包括前端采集设备、中间异常识别以及后期电源切换装置3部分。

1.1 煤矿主要通风机配电系统电压信号采样

双电源切换装置的应用前提是判断主电源供电是否存在异常，只有存在异常，才会触发切换程序。主电源供电异常判断首先需要采集煤矿主要通风机配电系统的运行电压信号[7]。电压互感器是电压信号采集的常见设备。其工作原理与变压器一样[8]。当给煤矿主要通风机系统的供电发生故障时，其电压信号与正常供电时的电压会存在极大的差异，因此通过实时采样煤矿主要通风机配电系统电压信号并与正常信号进行比对，就可以实时监测电源供电状态。采集到的电压信号中包含了大量的噪声信号，因此需要去除处理[9]。在这里采用EEMD和ICA结合的方法进行去噪，具体过程如下。

(1)步骤1：利用EEMD算法将电压信号分解为若干IFM分量，具体过程如下。

step1：输入原始电压信号x(t)。

step2：向x(t)中加入随机白噪声，组成新的电压序列信号xi(t)。

xi(t)=x(t)+ni(t)，i=1，2，…，M

(1)

式中，ni(t)为随机白噪声；M为x(t)的平均处理次数。

step3：将xi(t)进行经验模态分解(EMD)，得到：

(2)

式中，n为EMD分解的IMF的数量；IFMi为 IMF分量；ri(t)为残余分量。

step4：重复上述步骤M次，得到若干个IFM分量。

(3)

1.2 供电异常判别

基于采集并处理好的煤矿主要通风机配电系统电压信号，进行异常判断与识别，以此作为电源切换的触发标准。异常判断与识别通过基于BP神经网络构建的判别模型来实现[11]。在这里电压信号特征作为输入，以煤矿主要通风机配电系统电源运行状态作为输出(异常或者正常)[12]。基于BP神经网络的判别模型需要训练，训练好的模型才能应用到实际主电源异常监测当中[13]。模型训练分为2个阶段，即前向传播过程与反向传播过程。

(1)步骤1：初始化权值和阈值。

(2)步骤2：输入训练样本X=[x1x2…xi…xm]，i=1，2，…，m到模型当中。

(3)步骤3：求出隐含层、输出层各单元的输出：

(4)

(5)

式中，yi为隐含层输出；Ol为输出层输出；wij为隐含层各单元权值；θj为隐含层连接阈值；vjl为输出层各单元权值；θl为输出层连接阈值[14]。

(4)步骤4：计算上述实际输出与期望输出之间的误差e。

(5)步骤5：判断e是否小于设定的阈值。小于，则完成模型训练；否则，利用e进行权值和阈值更新，直至达到训练结束条件，即反向传播[15]。

将训练好的基于BP神经网络的判别模型应用到实际煤矿主要通风机配电系统电源运行状态分析当中，即可完成电源的切换程序的触发[16]。但是，BP神经网络存在局部最小值，易陷入局部最优，结合思维进化算法优化网络阈值依据权重值，实现全局最优。改进BP神经网络实现供电异常判别流程如图1所示。

图1 改进BP神经网络实现供电异常判别流程Fig.1 Improve BP neural network to realize the process of power supply abnormality judgment

1.3 双电源切换程序

基于上述判别模型的识别结果，作为双电源切换程序的触发条件[17]。当存在异常状况时，利用继电保护装置进行预警并向所控制的主电源断路器发出开闸命令，切断电力供应，同时向所控制的辅电源断路器发出合闸命令，辅电源进行供电；当主电源异常被排除之后，就会再次触发双电源切换程序，即将煤矿主要通风机电源供应切换回主电源，辅电源开闸，关闭电源，等待下一次应急处理[18]。上述过程就是主电源与辅电源之间切换过程，具体过程如下：①煤矿主要通风机配电系统初始化；②检测两路电源状态，主电源优先上电；③电压定时循环监测；④观察窗口显示主电源供电状态；⑤判断供电电压是否正常，若不正常，则进行下一步骤；否则，主电源继续供电；⑥启动电源转换程序；⑦继电保护装置向主电源断路器发出开闸命令，切断异常供电，并发出启动辅电源供电命令；⑧辅电源断路器执行合闸命令，辅电源进行供电；⑨判断主电源异常是否被排除，若排除，再次触发双电源切换程序，即将煤矿主要通风机电源供应切换回主电源，并关闭辅电源[19];⑩等待下一轮应急任务。断路器是实现主电源和辅电源双电源切换的关键设备，主要任务是执行合闸或合闸操作。继电保护装置是控制断路器合闸或合闸的装置，是切换命令的发出者[20]。利用断路器和继电保护装置共同实现了电源的灵活切换。一般合闸操作时，由于突然电流的突然接通，经常出现过电压问题，导致电源爆炸短路，通过并联电容器来稳定电压。

2 应用效果仿真测试与分析

为验证所设计的双电源切换装置在煤矿主要通风机配电系统中的应用效果，以MATLAB2015a作为仿真工具，进行测试与分析。

2.1 仿真测试环境

将设计的双电源切换装置应用在某地区煤矿井主要通风机系统当中。在该矿井下有1个通风口，通风口设置了1台风扇进行矿井通风，以此为参考搭建应用测试环境，进行应用效果仿真测试。仿真测试环境如图2所示。

图2 应用效果仿真测试环境Fig.2 Simulation test environment of application effect

2.2 电源切换装置各组成设备选型与安装

电源切换装置的组成设备中关键有2种，即断路器和电容器。下面对这2种组成设备的选型进行具体分析。

(1)断路器。所选用的断路器为万能式断路器CW1-2000。该设备关键性能参数：脱扣类型为C；保护功能为过载保护/短路保护；分断能力为6 000 A；电流规格为32 A/63 A；电压400 V。

(2)电容器。所选用的电容器为CBB61，该设备体积小、寿命长、比例特性高且具有自愈性能。应用ZnAI边沿金属化膜制作、耐大电流冲击、抗电强度高、使用安全可靠插片、不分正负极、任意接线。基于电源切换装置中各组成设备，将断路器和电容器安装到矿井主要通风机系统中，安装方案如图3所示。

图3 电源切换装置安装方案Fig.3 Installation scheme of the power switching device

2.3 电压信号采集

运行煤矿矿井内主要通风机系统，利用电压互感器采集配电系统的电力供应状态信号。电力供应状态信号分为2种：为正常供电下的电压信号；异常供电下的电压信号。二者情况下的电压信号波形图像如图4所示。

图4 电压信号波形图像Fig.4 Voltage signal waveform image

2.4 供电异常判别结果

人为破坏主电源电路，使得主电源电路出现短路故障，利用改进BP神经网络实现供电异常判别。改进BP神经网络参数见表1，给出的判别结果如图5所示。

表1 改进神经网络参数Tab.1 Improving the neural network parameters

图5 供电异常判别给出的判别结果Fig.5 Discrimination results given by discrimination for power supply anomalies

2.5 应用效果测试

按照上述供电异常判别结果，运行所设计装置，进行电源切换，观察并联电容前后负载端电压波形的变化情况。从图6中可以看出，电容器未并联时，当断路器开合闸时，在负载端产生了一段较大波动的电压，这一段稳定性较差，而电容器未并联后，主电源切换到辅电源，合闸时，则光滑度很好，电压波动幅值较小。由此可知所设计的新装置电源切换时，稳定性更好，更能保证煤矿主要通风机的持续、稳定供电。

图6 应用效果测试Fig.6 Application effect test

3 结语

矿井下蕴含着很多很危险的气体(如瓦斯)，极易引发爆炸的危险，给矿产资源开采带来很大的安全事故。为此，保证矿井下的持续通风至关重要。为达到上述目标，本文设计一种煤矿主要通风机通风配电系统双电源切换装置。该装置通过主电源与辅电源的使用来达到持续供电的目的。二者之间的转换通过故障检测来触发，即通过识别主电源无法继续供电的情况下，利用断路器来进行开闸和合闸，以此将电力供应转换到辅电源。最后通过应用测试，证明了装置的切换能力。本研究仅在仿真环境中进行一系列的实验，缺乏可靠的数据支持研究结果，有待进一步分析。