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，我國智慧桿產業發展存在的主要問題是創新性有待加強，缺乏完整的體系建設方法[1,2]。隨著物聯網、人工智能云計算、大數據等新一代信息技術的發展，智慧桿在各大領域的應用也越來越廣泛[3]。熱點比較高的是智慧燈桿產業，從世界范圍看，智慧燈桿產業正在處于快速發展中[4]。在新基站的產業帶動下，配合路燈桿的分布廣、自帶電、距離適宜等特點，有望在5G微基站的新需求下培養出新一代的企業和產業基地[5]。

目前的智慧桿在供電系統領域應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，而對于配置了備用電源的智慧桿，同樣也存在備電時間不一致的現象，從而影響到智慧桿群的整體性能[6,7]。針對國家的數據治理及運用新一代信息技術的科學管理手段，智慧桿的應用建設將加速發展，有相關機構測算未來市場規模將達到千億級別[8,9]。

本文所述的智慧桿群供電控制方法中，智慧桿群包括一個主桿和多個從桿，當從桿工作時，它可以主動向主桿發送預設周期下的本地剩余工作時長；當工作智慧桿為主桿時，它會自動接收智慧桿群中每一從桿發送的本地剩余供電時長，自動計算平均剩余供電時長，并自動比較本地剩余供電時長和平均剩余供電時長的大小來為掉電后的交流線纜供電，以確保失電不掉電，為負載供電[10]。

1 控制方法總體結構

本文提供的智慧桿群供電控制方法中包括多個智慧桿L1、L2、…、Ln，如圖1所示。每一智慧桿L1、L2、…、Ln包括至少一個本地負載，其中本地負載可以為路燈、監控攝像頭、通信基站、安全報警裝置等。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化

智慧桿的電源系統交流輸入電壓Uac正常時的工作情況如圖2所示。電源系統從交流輸入Uac獲得電壓后，經過雙向AC/DC模塊，將交流電壓轉為直流母線電壓。直流母線電壓經過DC/DC模塊后，轉化為智慧桿所需要的直流電壓。直流母線電壓經過DC/AC模塊后，轉化為智慧桿所需要的交流電壓。同時，直流母線電壓還給儲能單元進行充電，以確保在交流輸入Uac失電后，能夠給智慧桿供電。

圖2 交流輸入正常供電

當智慧桿的電源系統交流輸入電壓Uac失電后，儲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，同時儲能單元根據所估算的剩余供電時長Tr1以及智慧桿群的平均剩余供電時長Tav的關系決定是否向交流輸入Uac回饋電能。如果Tr1＞Tav，則采用圖3所示的方式，將儲能單元的電能經過雙向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，只由儲能單元對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，直接從交流輸入經雙向AC/DC模塊獲取電能，給DC/DC模塊和DC/AC模塊供電，此時的儲能單元維持不充不放的狀態，直至Tr1＜Tav條件不再成立。需要說明的是，Tr1與Tav的3種關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

實現上述邏輯，需要規定智慧桿群的主桿，智慧桿群中每根智慧桿都設定有的標號，只規定一個主桿，其余的均為從桿。從桿將本機的剩余供電時長通過通信傳輸至主桿，主桿收集到剩余供電時長后，計算平均剩余供電時長，并將平均剩余供電時長發送給所有的從機，以供從機根據前述要求，進行不同的工作模式。

主桿檢測交流輸入Uac的狀態，一旦檢測到Uac失電，則立即進入失電工作模式。為確保智慧桿群在交流輸入Uac失電后的穩定性，規定主機必須工作在圖3，即通過雙向AC/DC模塊向交流輸入側回饋能量的工作狀態，且此時的雙向AC/DC模塊處于電壓源工作模式，而從桿的電源系統工作于電流源工作模式，從而避免電壓源并聯的情況出現。

主桿的競爭邏輯：第一優先級為剩余供電時長大于平均供電時長，第二優先級為機號，機號越小，第二優先級越高。

各智慧桿的電源模塊間需要具有實時通信，通信借助智慧桿的Wi-Fi模塊進行數據傳輸，或者采用獨立的CAN總線進行數據傳輸。

為了在保證相關功能的前提下延長智慧桿的工作時長，做了如下優化。將智慧桿根據位置不同以偶數和奇數編號，認為規定在某些情況下奇數位的智慧桿工作偶數位的智慧桿不工作或者偶數位的智慧桿工作而奇數位的智慧桿不工作，如圖6所示。當智慧桿的本地剩余供電時間比平均剩余供電時間大時，則控制儲能模塊通過AC/DC模塊將直流電轉換為交流電向交流線纜供電，而當智慧桿本地剩余供電時間小于平均供電時間時就通過AC/DC模塊使交流轉換為直流后向負載供電，若本地剩余供電時間與平均剩余供電時間相等，就斷開AC/DC模塊，只通過DC/AC模塊使儲能模塊給負載供電。經過上述的優化方法后，可以更加有效的達到不間斷供電的目的，使智慧桿的供電時間更加長久。

圖6 優化后的各模塊工作方式

3 結 論

智慧桿是當前社會快速發展中各個領域的熱門話題，本文通過將智慧桿群的想法應用在不間斷供電電源領域中，并分析比較了智慧桿在供電領域的可行性和可靠性，最后對其可行性進行了有理有據的分析與研判，希望能夠對智慧桿領域的政策制定者和企業有一定的啟發及幫助。