鄉(xiāng)鎮(zhèn)臺站小型發(fā)電機動態(tài)調度系統

□ 農偉華 古文生 韋麗鳳

一、引言

在廣西廣播電視的鄉(xiāng)鎮(zhèn)臺站中，30至50瓦發(fā)射機等小型發(fā)射機設備是最常見的發(fā)射設備。整個臺站的發(fā)射總功率一般都在1至2千瓦之間，鄉(xiāng)鎮(zhèn)臺站建設規(guī)模小、場地占地面積小、發(fā)射功率小，通常不會安裝大型發(fā)電機作為備用電源。而小型水冷發(fā)電機在運行經濟性，散熱效率等方面的特點，使其更適合在無人值守的鄉(xiāng)鎮(zhèn)臺站中運行。本文通過在鄉(xiāng)鎮(zhèn)臺站部署兩臺以上3至10千瓦輸出功率的小型家用發(fā)電機，并且對小型發(fā)電機進行程序調度，確保發(fā)電機不會因為運行過久過熱導致損壞或者燒缸。同時，對油壓和剩余發(fā)電小時數進行監(jiān)測，將監(jiān)測數據發(fā)送至監(jiān)控系統進行程序調度，在停電狀況下配合UPS系統對臺站進行供電，實現鄉(xiāng)鎮(zhèn)臺站停電不停播。

二、發(fā)電機部署模式

鄉(xiāng)鎮(zhèn)臺站部署的發(fā)電機使用的是小型發(fā)電機，其制造工藝沒有大型發(fā)電設備精細和復雜，穩(wěn)定性也沒有大型發(fā)電設備高，因此較為適宜的方案是在小空間內部署多臺小型發(fā)電設備，并對發(fā)電機的工作狀態(tài)和工作時間進行監(jiān)測。當工作時間過長或者發(fā)電機的設備溫度高于某一閾值時，停止該臺發(fā)電機工作并啟用另一臺發(fā)電機供電。該模式需要對兩臺甚至三臺小型家用發(fā)電機部署ATS(Auto Transfer Switching,自動轉換開關)，同時對發(fā)電機進行自動程序切換。

小型發(fā)電機建立在機房旁邊的專用發(fā)電機儲存柜，橫排方式或者四方方式部署兩臺以上發(fā)電機，并且接入自動切換開關，建立水冷系統和通風窗口，與供油箱連接在一起。部署圖如圖1。

圖1 發(fā)電機部署圖

微型水冷發(fā)電機使用冷卻液冷卻，可以根據實際情況采用三相微型家用發(fā)電機或者單相微型家用發(fā)電機。發(fā)電機的輸出端連接電動的真空開關，并通過真空開關對發(fā)電機與機房的ATS輸出供電進行控制，通過采樣芯片對發(fā)電機的輸出電流和運行狀態(tài)進行監(jiān)控，當發(fā)電機啟動或者電機轉速穩(wěn)定以后，即將真空開關接通向機房的供電。

三、發(fā)電機的監(jiān)控控制

發(fā)電機部署完成以后，需要對發(fā)電機進行水冷溫度和油位監(jiān)測，當水溫過高或者油位過低的時候就向系統提交水溫高或者油位低的告警。如果水溫高，則準備切換到下一臺發(fā)電機繼續(xù)發(fā)電，該臺發(fā)電機在下一臺并聯發(fā)電機啟動完成后即停止供電。為保各臺發(fā)電機之間的正常切換，需設定一個定時開關，定時開關保證單臺發(fā)電機在運行小時（如2小時）內對機房供電，超時即進入該臺發(fā)電機自動切換程序并關斷發(fā)電機。程序偽碼如圖2所示。

圖2

Soc(System On Chip，片上系統)采用嵌入式的ARM（Advanced Reduced Machine,高級精簡指令計算機）芯片作為主控程序裝置，ARM芯片是移動嵌入式芯片，大量運用于智能手機和移動終端設備，可以搭載微軟的Windows PE嵌入式操作系統，也可以搭載開源的Linux嵌入式操作系統，這里采用Linux的操作系統作為調度程序的操作系統，通過安裝了Linux操作系統和書寫相應的硬件驅動程序對芯片的I/O(Input And Output，輸入輸出口)進行控制，讀寫I/O輸出口對發(fā)電機進行程序控制。將與發(fā)電機連接的電動真空開關和繼電器進行連接，當該臺發(fā)電機需要向外供電時，啟動該臺發(fā)電機，與芯片I/O口連接的對應引腳輸出+5V直流電壓信號，驅動繼電器吸合向真空開關供應220V交流電壓，使得真空開關動作轉向開的狀態(tài)，將該臺發(fā)電機與臺站的輸入電纜接通供電。當程序檢測到該臺發(fā)電機應該進入停止供電狀態(tài)時，則將I/O口對應的引腳設置為低電平0V電壓，驅動真空開關停止供電，轉向關狀態(tài)，使得該臺發(fā)電機向機房的供電停止。

四、發(fā)電機的電力均衡

為了節(jié)約有限的燃油資源和達到經濟運行，需要對供電總電路用電情況進行監(jiān)測，即在總供電電路上接入電流傳感器和電壓傳感器。發(fā)電機負載功率P=U X I,當這兩個傳感器的乘積即總功率大于單臺發(fā)電機的額定功率的92%時，系統就會同時啟動下一臺發(fā)電機供電，當功率再次低于單臺發(fā)電機額定功率92%的時候，我們又繼續(xù)切斷該臺發(fā)電機的運行。鄉(xiāng)鎮(zhèn)臺站的空調等調溫供電設備一般不接入發(fā)電機，發(fā)電機主要對核心設備即播出機器和信號源交換機等設備進行供電，而市面上的小型家用發(fā)電機以3至10千瓦為主，對于一般的播出臺站，在主備機存在3至6套發(fā)射機的情況下，單臺發(fā)電機的供電已經足夠支撐鄉(xiāng)鎮(zhèn)臺站的用電需求，采用電力調度是為了未來在擴展鄉(xiāng)鎮(zhèn)臺站用電設備的時候便于接入更多的運行設備，而且電力均衡模塊可以有效的節(jié)約鄉(xiāng)鎮(zhèn)臺站的用電量，智能調節(jié)鄉(xiāng)鎮(zhèn)臺站的發(fā)電機運行數量和用電輸出。在設備總負載達到發(fā)電機額定功率92%時即啟動下一臺發(fā)電機供電，低于滿度值92%時則停止該臺附加發(fā)電機的供電。當總功率高于單臺發(fā)電機額定功率時，由于發(fā)電機發(fā)電功率不足，發(fā)電機的輸出電壓還會出現明顯的下降現象，當設備檢測到這種現象發(fā)生時也會啟動另一臺發(fā)電機同時供電。

五、發(fā)電機的啟停電路

微型發(fā)電機采用電機帶動啟動，而關斷采用舵機拉供油閥門關停的方式，如果是汽油發(fā)電機，由于汽油發(fā)電機是采用電火花點燃油燃燒，與柴油發(fā)電機采用壓縮達到高溫自動點燃機理不一樣，則汽油發(fā)電機可以采用直接斷掉供應往火花塞的電路進行關斷汽油機，而柴油機需要使用舵機關斷油閥的方式。偽代碼如圖3所示。

圖3

微型發(fā)電機采用12V蓄電池帶動發(fā)電機的方式來啟動發(fā)電機，同時對于單缸四沖程微型發(fā)電機每次在做功沖程都需要對發(fā)電機產生電火花點燃汽油混合氣體。因此，一旦將蓄電池的電流斷開，則汽油發(fā)電機即停止運行進入停機狀態(tài)，因此，我們需要將微型蓄電池接入繼電器開關，并且將繼電器的控制端接入ARM芯片對發(fā)電機的啟停進行綜合調度，程序負責在發(fā)電機需要停止運行的時候向繼電器發(fā)送0V電壓，停止往發(fā)電機電火花端供電，關斷發(fā)電機的運行。柴油發(fā)電機的停機則采用關斷油門開關的方式。微型汽油發(fā)電機和柴油發(fā)電機還具有油門閥門裝置，通過芯片對輸出功率的檢測，可以動態(tài)調節(jié)舵機轉角，控制油門閥門的大小從而控制發(fā)電機的總輸出功率，并對經濟運行和節(jié)約燃油起到調度控制的作用。

六、A/D控制模塊采樣電路

為了采集發(fā)電機的發(fā)電功率、油溫和水溫，我們需要使用A/D（Analog And Digital,模擬數字轉換）電路，本文的監(jiān)控電路采用廣西廣電局的數據采集器作為A/D采樣電路。其中數據采集器的PA口用于將采樣的到模擬量轉換為數字量通過UDP（User Data Protocol,用戶數據報協議）的方式傳輸到ARM芯片端，框架圖如圖4。

圖4 采樣電路系統框架圖

采樣電路接入廣電局的PA輸出口，電力采集器的芯片負責將電壓的高低值轉換為0至1024的整數值傳輸給芯片，芯片需要將整數值轉換為實際的電壓電流數據值，因此需要使用廣電局的上位機軟件對采集器的PA口進行數值標定。當電腦控制芯片檢測到采集器傳輸過來的油壓過高或者過低，或者水溫過高或者水壓過低的時候，都需要啟動芯片的停機程序對該臺發(fā)電機進行關斷冷卻，保護該臺發(fā)電機不因過熱而損壞，同時也為維護人員的維修和維護工作提供數據。

七、結論

廣電局的鄉(xiāng)鎮(zhèn)臺站在建設面積小，發(fā)射設備功率低的情況下，不適宜采用大型柴油發(fā)電設備。采用小型家用發(fā)電機及微型發(fā)電機進行多臺輪換供電的方案，可以減輕臺站電力的實際消耗，節(jié)約能源。而且小型發(fā)電機易于安裝，大部分小型發(fā)電機為汽油型發(fā)電機，穩(wěn)定性和可靠性在短工作時間內是相對較好的。對該小型發(fā)電機采用監(jiān)控管理ARM芯片，搭載開源Linux系統可以有效管理多臺發(fā)電機的協同運行，并延長其使用壽命。同時，監(jiān)測數據也可以提供給維護人員，方便對微型發(fā)電機進行定期維護和清理。本文通過部署發(fā)電機監(jiān)管系統，對鄉(xiāng)鎮(zhèn)臺站微小型汽油和柴油發(fā)電機進行自動化運行調度，為鄉(xiāng)鎮(zhèn)臺站的不間斷供電提供了一種可參考的解決方案。