新型智慧桿群供電電源控制方法

謝力華，陳厚巖，卿湘文

（深圳市伊力科電源有限公司，廣東 深圳 518102）

0 引 言

目前，我國(guó)智慧桿產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的主要問題是創(chuàng)新性有待加強(qiáng)，缺乏完整的體系建設(shè)方法[1,2]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，智慧桿在各大領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛[3]。熱點(diǎn)比較高的是智慧燈桿產(chǎn)業(yè)，從世界范圍看，智慧燈桿產(chǎn)業(yè)正在處于快速發(fā)展中[4]。在新基站的產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)下，配合路燈桿的分布廣、自帶電、距離適宜等特點(diǎn)，有望在5G微基站的新需求下培養(yǎng)出新一代的企業(yè)和產(chǎn)業(yè)基地[5]。

目前的智慧桿在供電系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用比較冷門且功能較為單一，智慧桿間缺少能源管理方法，特別在輸入掉電的情況下，智慧桿將不能再工作，而對(duì)于配置了備用電源的智慧桿，同樣也存在備電時(shí)間不一致的現(xiàn)象，從而影響到智慧桿群的整體性能[6,7]。針對(duì)國(guó)家的數(shù)據(jù)治理及運(yùn)用新一代信息技術(shù)的科學(xué)管理手段，智慧桿的應(yīng)用建設(shè)將加速發(fā)展，有相關(guān)機(jī)構(gòu)測(cè)算未來市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到千億級(jí)別[8,9]。

本文所述的智慧桿群供電控制方法中，智慧桿群包括一個(gè)主桿和多個(gè)從桿，當(dāng)從桿工作時(shí)，它可以主動(dòng)向主桿發(fā)送預(yù)設(shè)周期下的本地剩余工作時(shí)長(zhǎng)；當(dāng)工作智慧桿為主桿時(shí)，它會(huì)自動(dòng)接收智慧桿群中每一從桿發(fā)送的本地剩余供電時(shí)長(zhǎng)，自動(dòng)計(jì)算平均剩余供電時(shí)長(zhǎng)，并自動(dòng)比較本地剩余供電時(shí)長(zhǎng)和平均剩余供電時(shí)長(zhǎng)的大小來為掉電后的交流線纜供電，以確保失電不掉電，為負(fù)載供電[10]。

1 控制方法總體結(jié)構(gòu)

本文提供的智慧桿群供電控制方法中包括多個(gè)智慧桿L1、L2、…、Ln，如圖1所示。每一智慧桿L1、L2、…、Ln包括至少一個(gè)本地負(fù)載，其中本地負(fù)載可以為路燈、監(jiān)控?cái)z像頭、通信基站、安全報(bào)警裝置等。其電源輸入來源于交流輸入電壓Uac，每一智慧桿還包括雙向AC/DC模塊，DC/DC模塊和儲(chǔ)能模塊以及DC/AC模塊。

圖1 智慧桿群總體布局

2 控制方法的原理分析和優(yōu)化

智慧桿的電源系統(tǒng)交流輸入電壓Uac正常時(shí)的工作情況如圖2所示。電源系統(tǒng)從交流輸入U(xiǎn)ac獲得電壓后，經(jīng)過雙向AC/DC模塊，將交流電壓轉(zhuǎn)為直流母線電壓。直流母線電壓經(jīng)過DC/DC模塊后，轉(zhuǎn)化為智慧桿所需要的直流電壓。直流母線電壓經(jīng)過DC/AC模塊后，轉(zhuǎn)化為智慧桿所需要的交流電壓。同時(shí)，直流母線電壓還給儲(chǔ)能單元進(jìn)行充電，以確保在交流輸入U(xiǎn)ac失電后，能夠給智慧桿供電。

圖2 交流輸入正常供電

當(dāng)智慧桿的電源系統(tǒng)交流輸入電壓Uac失電后，儲(chǔ)能單元將直接提供電能，給智慧桿的DC/DC模塊和DC/AC模塊供電，同時(shí)儲(chǔ)能單元根據(jù)所估算的剩余供電時(shí)長(zhǎng)Tr1以及智慧桿群的平均剩余供電時(shí)長(zhǎng)Tav的關(guān)系決定是否向交流輸入U(xiǎn)ac回饋電能。如果Tr1＞Tav，則采用圖3所示的方式，將儲(chǔ)能單元的電能經(jīng)過雙向AC/DC模塊回饋至交流輸入端；如果Tr1=Tav，則采用圖4所示的方式，只由儲(chǔ)能單元對(duì)DC/DC模塊和DC/AC模塊供電；如果Tr1＜Tav，則采用圖5所示的方式，直接從交流輸入經(jīng)雙向AC/DC模塊獲取電能，給DC/DC模塊和DC/AC模塊供電，此時(shí)的儲(chǔ)能單元維持不充不放的狀態(tài)，直至Tr1＜Tav條件不再成立。需要說明的是，Tr1與Tav的3種關(guān)系是均包含了回差的概念，以避免模塊的頻率起停。

圖3 Tr1＞Tav

圖4 Tr1=Tav

圖5 Tr1＜Tav

實(shí)現(xiàn)上述邏輯，需要規(guī)定智慧桿群的主桿，智慧桿群中每根智慧桿都設(shè)定有的標(biāo)號(hào)，只規(guī)定一個(gè)主桿，其余的均為從桿。從桿將本機(jī)的剩余供電時(shí)長(zhǎng)通過通信傳輸至主桿，主桿收集到剩余供電時(shí)長(zhǎng)后，計(jì)算平均剩余供電時(shí)長(zhǎng)，并將平均剩余供電時(shí)長(zhǎng)發(fā)送給所有的從機(jī)，以供從機(jī)根據(jù)前述要求，進(jìn)行不同的工作模式。

主桿檢測(cè)交流輸入U(xiǎn)ac的狀態(tài)，一旦檢測(cè)到Uac失電，則立即進(jìn)入失電工作模式。為確保智慧桿群在交流輸入U(xiǎn)ac失電后的穩(wěn)定性，規(guī)定主機(jī)必須工作在圖3，即通過雙向AC/DC模塊向交流輸入側(cè)回饋能量的工作狀態(tài)，且此時(shí)的雙向AC/DC模塊處于電壓源工作模式，而從桿的電源系統(tǒng)工作于電流源工作模式，從而避免電壓源并聯(lián)的情況出現(xiàn)。

主桿的競(jìng)爭(zhēng)邏輯：第一優(yōu)先級(jí)為剩余供電時(shí)長(zhǎng)大于平均供電時(shí)長(zhǎng)，第二優(yōu)先級(jí)為機(jī)號(hào)，機(jī)號(hào)越小，第二優(yōu)先級(jí)越高。

各智慧桿的電源模塊間需要具有實(shí)時(shí)通信，通信借助智慧桿的Wi-Fi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，或者采用獨(dú)立的CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

為了在保證相關(guān)功能的前提下延長(zhǎng)智慧桿的工作時(shí)長(zhǎng)，做了如下優(yōu)化。將智慧桿根據(jù)位置不同以偶數(shù)和奇數(shù)編號(hào)，認(rèn)為規(guī)定在某些情況下奇數(shù)位的智慧桿工作偶數(shù)位的智慧桿不工作或者偶數(shù)位的智慧桿工作而奇數(shù)位的智慧桿不工作，如圖6所示。當(dāng)智慧桿的本地剩余供電時(shí)間比平均剩余供電時(shí)間大時(shí)，則控制儲(chǔ)能模塊通過AC/DC模塊將直流電轉(zhuǎn)換為交流電向交流線纜供電，而當(dāng)智慧桿本地剩余供電時(shí)間小于平均供電時(shí)間時(shí)就通過AC/DC模塊使交流轉(zhuǎn)換為直流后向負(fù)載供電，若本地剩余供電時(shí)間與平均剩余供電時(shí)間相等，就斷開AC/DC模塊，只通過DC/AC模塊使儲(chǔ)能模塊給負(fù)載供電。經(jīng)過上述的優(yōu)化方法后，可以更加有效的達(dá)到不間斷供電的目的，使智慧桿的供電時(shí)間更加長(zhǎng)久。

圖6 優(yōu)化后的各模塊工作方式

3 結(jié) 論

智慧桿是當(dāng)前社會(huì)快速發(fā)展中各個(gè)領(lǐng)域的熱門話題，本文通過將智慧桿群的想法應(yīng)用在不間斷供電電源領(lǐng)域中，并分析比較了智慧桿在供電領(lǐng)域的可行性和可靠性，最后對(duì)其可行性進(jìn)行了有理有據(jù)的分析與研判，希望能夠?qū)χ腔蹢U領(lǐng)域的政策制定者和企業(yè)有一定的啟發(fā)及幫助。