乡镇台站小型发电机动态调度系统

□ 农伟华 古文生 韦丽凤

一、引言

在广西广播电视的乡镇台站中，30至50瓦发射机等小型发射机设备是最常见的发射设备。整个台站的发射总功率一般都在1至2千瓦之间，乡镇台站建设规模小、场地占地面积小、发射功率小，通常不会安装大型发电机作为备用电源。而小型水冷发电机在运行经济性，散热效率等方面的特点，使其更适合在无人值守的乡镇台站中运行。本文通过在乡镇台站部署两台以上3至10千瓦输出功率的小型家用发电机，并且对小型发电机进行程序调度，确保发电机不会因为运行过久过热导致损坏或者烧缸。同时，对油压和剩余发电小时数进行监测，将监测数据发送至监控系统进行程序调度，在停电状况下配合UPS系统对台站进行供电，实现乡镇台站停电不停播。

二、发电机部署模式

乡镇台站部署的发电机使用的是小型发电机，其制造工艺没有大型发电设备精细和复杂，稳定性也没有大型发电设备高，因此较为适宜的方案是在小空间内部署多台小型发电设备，并对发电机的工作状态和工作时间进行监测。当工作时间过长或者发电机的设备温度高于某一阈值时，停止该台发电机工作并启用另一台发电机供电。该模式需要对两台甚至三台小型家用发电机部署ATS(Auto Transfer Switching,自动转换开关)，同时对发电机进行自动程序切换。

小型发电机建立在机房旁边的专用发电机储存柜，横排方式或者四方方式部署两台以上发电机，并且接入自动切换开关，建立水冷系统和通风窗口，与供油箱连接在一起。部署图如图1。

图1 发电机部署图

微型水冷发电机使用冷却液冷却，可以根据实际情况采用三相微型家用发电机或者单相微型家用发电机。发电机的输出端连接电动的真空开关，并通过真空开关对发电机与机房的ATS输出供电进行控制，通过采样芯片对发电机的输出电流和运行状态进行监控，当发电机启动或者电机转速稳定以后，即将真空开关接通向机房的供电。

三、发电机的监控控制

发电机部署完成以后，需要对发电机进行水冷温度和油位监测，当水温过高或者油位过低的时候就向系统提交水温高或者油位低的告警。如果水温高，则准备切换到下一台发电机继续发电，该台发电机在下一台并联发电机启动完成后即停止供电。为保各台发电机之间的正常切换，需设定一个定时开关，定时开关保证单台发电机在运行小时（如2小时）内对机房供电，超时即进入该台发电机自动切换程序并关断发电机。程序伪码如图2所示。

图2

Soc(System On Chip，片上系统)采用嵌入式的ARM（Advanced Reduced Machine,高级精简指令计算机）芯片作为主控程序装置，ARM芯片是移动嵌入式芯片，大量运用于智能手机和移动终端设备，可以搭载微软的Windows PE嵌入式操作系统，也可以搭载开源的Linux嵌入式操作系统，这里采用Linux的操作系统作为调度程序的操作系统，通过安装了Linux操作系统和书写相应的硬件驱动程序对芯片的I/O(Input And Output，输入输出口)进行控制，读写I/O输出口对发电机进行程序控制。将与发电机连接的电动真空开关和继电器进行连接，当该台发电机需要向外供电时，启动该台发电机，与芯片I/O口连接的对应引脚输出+5V直流电压信号，驱动继电器吸合向真空开关供应220V交流电压，使得真空开关动作转向开的状态，将该台发电机与台站的输入电缆接通供电。当程序检测到该台发电机应该进入停止供电状态时，则将I/O口对应的引脚设置为低电平0V电压，驱动真空开关停止供电，转向关状态，使得该台发电机向机房的供电停止。

四、发电机的电力均衡

为了节约有限的燃油资源和达到经济运行，需要对供电总电路用电情况进行监测，即在总供电电路上接入电流传感器和电压传感器。发电机负载功率P=U X I,当这两个传感器的乘积即总功率大于单台发电机的额定功率的92%时，系统就会同时启动下一台发电机供电，当功率再次低于单台发电机额定功率92%的时候，我们又继续切断该台发电机的运行。乡镇台站的空调等调温供电设备一般不接入发电机，发电机主要对核心设备即播出机器和信号源交换机等设备进行供电，而市面上的小型家用发电机以3至10千瓦为主，对于一般的播出台站，在主备机存在3至6套发射机的情况下，单台发电机的供电已经足够支撑乡镇台站的用电需求，采用电力调度是为了未来在扩展乡镇台站用电设备的时候便于接入更多的运行设备，而且电力均衡模块可以有效的节约乡镇台站的用电量，智能调节乡镇台站的发电机运行数量和用电输出。在设备总负载达到发电机额定功率92%时即启动下一台发电机供电，低于满度值92%时则停止该台附加发电机的供电。当总功率高于单台发电机额定功率时，由于发电机发电功率不足，发电机的输出电压还会出现明显的下降现象，当设备检测到这种现象发生时也会启动另一台发电机同时供电。

五、发电机的启停电路

微型发电机采用电机带动启动，而关断采用舵机拉供油阀门关停的方式，如果是汽油发电机，由于汽油发电机是采用电火花点燃油燃烧，与柴油发电机采用压缩达到高温自动点燃机理不一样，则汽油发电机可以采用直接断掉供应往火花塞的电路进行关断汽油机，而柴油机需要使用舵机关断油阀的方式。伪代码如图3所示。

图3

微型发电机采用12V蓄电池带动发电机的方式来启动发电机，同时对于单缸四冲程微型发电机每次在做功冲程都需要对发电机产生电火花点燃汽油混合气体。因此，一旦将蓄电池的电流断开，则汽油发电机即停止运行进入停机状态，因此，我们需要将微型蓄电池接入继电器开关，并且将继电器的控制端接入ARM芯片对发电机的启停进行综合调度，程序负责在发电机需要停止运行的时候向继电器发送0V电压，停止往发电机电火花端供电，关断发电机的运行。柴油发电机的停机则采用关断油门开关的方式。微型汽油发电机和柴油发电机还具有油门阀门装置，通过芯片对输出功率的检测，可以动态调节舵机转角，控制油门阀门的大小从而控制发电机的总输出功率，并对经济运行和节约燃油起到调度控制的作用。

六、A/D控制模块采样电路

为了采集发电机的发电功率、油温和水温，我们需要使用A/D（Analog And Digital,模拟数字转换）电路，本文的监控电路采用广西广电局的数据采集器作为A/D采样电路。其中数据采集器的PA口用于将采样的到模拟量转换为数字量通过UDP（User Data Protocol,用户数据报协议）的方式传输到ARM芯片端，框架图如图4。

图4 采样电路系统框架图

采样电路接入广电局的PA输出口，电力采集器的芯片负责将电压的高低值转换为0至1024的整数值传输给芯片，芯片需要将整数值转换为实际的电压电流数据值，因此需要使用广电局的上位机软件对采集器的PA口进行数值标定。当电脑控制芯片检测到采集器传输过来的油压过高或者过低，或者水温过高或者水压过低的时候，都需要启动芯片的停机程序对该台发电机进行关断冷却，保护该台发电机不因过热而损坏，同时也为维护人员的维修和维护工作提供数据。

七、结论

广电局的乡镇台站在建设面积小，发射设备功率低的情况下，不适宜采用大型柴油发电设备。采用小型家用发电机及微型发电机进行多台轮换供电的方案，可以减轻台站电力的实际消耗，节约能源。而且小型发电机易于安装，大部分小型发电机为汽油型发电机，稳定性和可靠性在短工作时间内是相对较好的。对该小型发电机采用监控管理ARM芯片，搭载开源Linux系统可以有效管理多台发电机的协同运行，并延长其使用寿命。同时，监测数据也可以提供给维护人员，方便对微型发电机进行定期维护和清理。本文通过部署发电机监管系统，对乡镇台站微小型汽油和柴油发电机进行自动化运行调度，为乡镇台站的不间断供电提供了一种可参考的解决方案。