智慧新能源应用

郑利敏

供电桩现状

随着物联网技术的快速发展，具有云服务器加持的供电桩产品成为市场上的主流，终端可为用户提供更加多样且个性化的语音指导，实时远程监控的后台系统可为终端提供刷卡、扫码在内的多种支付方式;通过云端查看每台供电桩的实时运行状态;后台存储与实体卡之间的双向验证方式，进一步确保刷卡用户的资金安全。目前供电桩在操作以及云服务响应上都已经非常完善，但仍存在如图1所示的过充及欠充方面问题。

市场上的供电桩将近一半都以计时模式工作，无功率采集以及负载检测功能。其他有数据采集功能的供电桩设备，对于采集到的功率数据也仅用于严重过载的判断，普遍存在功率数据不够准确的问题。此外，大部分供电桩安装在移动网络信号比较差的地下室或者架空层，设备经常失去与服务器的连接。部分厂商通过NB-IoT或者LoRaWAN实现供电桩联网，但这些措施大大依赖于所在城市的基站建设情况，不具备普遍适用性。因此，目前市面上的供电桩经常存在因设备网络不稳定而无法使用的问题。

物联网+大数据时代，需要一种智能化的解决方案，在提供完善的组网方式的同时，充分利用终端获得大量功率数据，为供电桩系统提供更加精准的充电过程监测。在目前供电桩直连云服务器的模式中，如果终端有数据需要处理，只能将数据传输到云端，通过云端服务器强大的计算能力完成。由于供电桩终端数量较多，在一个服务器连接较多设备的情况下，供电桩系统一方面需要提供更加稳定的网络以及流量费支出，另一方面则需要选择成本更高的但可以并行处理大量数据的云服务器。供电桩系统在运行过程中产生大量的实时数据，这些数据可通过数据挖掘计算技术，根据数据运行特征进行充电设施的科学装设与电力负荷的优化调控，可以有效提高供电桩系统运行的可靠性与稳定性。

在能源问题与环境问题日益突出的今天，太阳能具有分布广泛、安全、清洁、可靠等优点，解决了远距离供能、线路铺设等诸多问题，已在国民经济的各个领域中都得到了广泛的应用，政府制定相关政策鼓励发展并提供优惠补贴。加速清洁能源的开发，提高能源转换率有效可行方案是可持续发展新能源推广使用的重要方向。随着信息技术的快速发展，建设一个干净环保的太阳能发电系统所需周期也较短，同时，物联网技术、云计算技术、大数据技术、人工智能技术、5G技术、区块链技术等新一代信息技术的发展，将为太阳能应用提供更多的应用解决方案和使用场景。

物联网与边缘计算

物联网基本构成可以细分为四个层：感知层、网络层、平台层以及应用层。感知层处于物联网的核心位置，它为整个架构提供所有的数据来源，如采集供电桩中功率数据的传感器模块等;网络层将感知层采集到的数据发送到后端，将感知层和后端联系起来，一般使用无线传输技术，比如常见的WIFI、Zigbee以及NB-IoT等;应用层除了负责对感知层采集的数据进行处理外，还要将数据分析结果和具体的行业应用场景结合起来，进而衍生出一系列多样化物联网系统应用。

随着物联网应用越来越广泛，平台层逐渐从应用层中剥离出来，终端不再和应用层直接交互，位于网络层和应用层之间的平台层就承担起对采集数据的部分处理功能。类似中移物联的OneNet以及阿里云IoT等平台，这些平台均提供以物模型为基础的设备管理和分析应用。

在物联网的快速发展过程中，物联网、云计算和大数据是相辅相成的，物联网终端在运行过程中为云计算提供了大量的消息数据和过程数据。云计算由于其超大规模的服务器集群，可以方便地将各类数据存储在网络的各个分布式节点上，借助云计算出色的计算能力与计算速度，为用户提供专业的针对性服务。随着数据量的增大以及应用要求的提高，云计算的集中式数据处理模式在物联网行业中面临着以下几个方面的挑战：物联网终端设备的激增，大量的数据汇集给后端程序的高并发处理能力而达到处理瓶;越来越多的终端对结果反馈的延迟时间要求越来越短，在云计算的架构中往往移动设备距离云端服务器较远，不能快速及时响应现场条件变化，导致在设备运行控制或异常报警信息的处理中，较大的网络时延造成严重的经济损失;此外，云服务器实体设备十分昂贵，大量数据传输产生高昂的流量费，一般采用购买该项服务来实现自己的业务计算，后期很难再做迁徙。

如图2所示的以边缘计算技术架构为基础的供电桩应用，可以弥补现有系统终端主控芯片性能弱以及云端处理费用高等缺点。

供电桩系统按照功能模块划分主要实现以下几个方面的任务：通路控制、语音提示、刷卡充电、信息查询、数据存储、数据分析以及服务响应。通路控制、语音提示、刷卡充电、信息查询四个任务一般在终端上完成，数据存储、数据分析以及服务响应则在云端实现。当对充电状态进行实时监测时，大量的功率数据需要被上传到云端进行存储并处理。增加边缘计算网关后，终端的信息查询将被提升至网关，云端的数据分析任务被全部卸载到网关，与刷卡相关的服务响应将被部分卸载到网关。边缘计算的应用，为现有的供电桩系统提供以下几个方面的功能提升：

通过网关特有的算法实时分析终端采集的功率数据，对当前充电阶段进行判断，减少过充引起的火灾问题以及欠充引起的电池寿命问题。分布式的边缘计算架构大大缓解了云服务器的流量压力和计算压力。

通过网关的下行组网机制，保证供电桩终端在网络环境比较差的地下室也可以与网关正常通信。自建的下行网络避免了大量数据带来的高额流量费用。可擴展的组网功能保证了将来更多类型的异构产品的接入。

利用网关的存储和逻辑处理能力，保证在系统失去云端连接的时候，供电桩终端可以继续响应部分支付方式，以维持用户的正常充电。根据不同的功能需求，可以灵活地更新边缘计算网关的软件程序，以实现更多本地化的接入管理和应用计算。

结合边缘计算中网络域的应用思想，后续在供电桩系统中可增加的消防安全设备、自动洗车设备等，通过更新网关软件程序，可对所有允许对接的各种品牌的网络终端数据做标准化处理。

太阳能智能供电桩

作为供电桩系统的核心执行部分，太阳能智能供电桩由以下几个模块组成：太阳能发电模块、电能贮存模块、通电控制单元模块、蓝牙连接模块、功率控制模块、计费模块、掉电保护模块以及LoRa通信模块等。

太阳能发电模块：如图3所示，主要包括太阳能板、控制器、蓄电池、逆变器、负载等，采用光伏效应进行发电，单晶硅太阳能电池的光电转换效率一般情况下为15%左右，最高时可达到23%。为了最大程度发挥太阳能发电的利用率，各个太阳能供电桩中都安装有用来存储电能的蓄电池。蓄电池中的电量用于阴雨天气、夜晚等太阳能无法发电的情况使用。当太阳能发电电量过多时就往蓄电池供电，蓄电池供满时再将电能返回电网，最大程度地实现资源利用。

通电控制单元模块：每个通电控制单元模块包括具有8根输出线路以及与之串联的继电器和电量计量芯片，使用过程中一般将8～32个通电控制单元模块通过RS-485总线串联起来，所有的 RS-485总线将汇入到集中控制器的总线上;同时也为今后其他扩展应用预留接口。

蓝牙连接模块：蓝牙连接模块实现与维修人员的手持终端进行蓝牙通信，可以将供电桩内的信息传输到维修人员的移动端上，并且能从移动端获取数据信息，提高现场检修人员的工作效率，同时为出厂检测提供自动化接口。

功率控制模块：功率控制模块一般由包括高性能单片机控制器、工作状态模块、数据采集模块、输出控制模块、参数设定显示模块、信号隔离电路和A/D转换模块、数据通信模块等组成。功率控制模块实现对每条输出线路上的充电功率识别并根据充电功率判断是否进行充电;当待充电的電动自行车充电功率大于或等于600W时，供电桩拒绝充电并发出语音提示;若电动自行车的充电功率小于600W但供电桩输电线的总负载功率大于等于2500W时，拒绝充电并发出等待语音提示;满足充电功率小于600W和总负载功率小于2500W的情况才允许用户进行充电。

计费模块：太阳能供电桩电能来源为光能转换，相较于接线式供电桩，电能来源受天气状况约束，且当用户量大时，会存在供不应求的状况，采用太阳能供电桩充电单价随剩余电量实时更新的变价收费方式。剩余电量变化与当前太阳能发电功率和实际当前充电消耗功率相关，当发电功率高于消耗功率，供电桩储电量逐步增加，用户在该情况下充电单价逐渐降低;当发电功率低于消耗功率，供电桩储电量逐步减少，用户在该情况下充电单价逐渐升高。该变价收费方式主要用于提高太阳能发电利用率，鼓励用户前往储电量更高的供电桩进行充电，有效避免出现个别供电桩持续低电量的情况。记录存储用户具体使用情况并将信息发送到云服务器后台中，从用户的账户中扣除相应的费用，将余额信息通过App、微信公众号或短信息等推送给用户。

掉电保护模块：正常情况下以一定频率的心跳包方式向云端发送正常运行信号，打包供电桩每条输出线路的数据传输给云端。若供电桩因某种原因断电后，云端在未能正常接收心跳包信号的情况下，则标记最近时间的数据包，待恢复正常工作后再将数据包发送至供电桩控制各个输出线路，将数据恢复到断电前的状态继续工作。

LoRa通信模块：每个供电桩内都配置一个LoRa模块，LoRa模块与LoRa物联网基站相互连接，LoRa模块定时向基站发送数据，基站在接收到发送的数据后给予及时回应，以此确定供电桩当前是否还处于正常联网工作状态;若检测为处于不联网状态，管理人员可以在云端查看供电桩所在位置，及时做出反应对供电桩进行检修，大大地降低了供电桩检修成本，也便于供电桩的管理。

太阳能供电桩调度专家系统

基于数据挖掘技术开发的太阳能供电桩调度专家系统，可实时调取当地日照情况，结合天气预报，对用户附近区域太阳能发电功率进行预估计算。同时可结合以往周、月、年该时间段内供电桩充电人数进行智能计算、数据挖掘，预计当天充电人数、充电单价等信息，用户可根据系统提供的信息自主选择充电地点和时间。

太阳能供电桩调度专家系统根据安装所处的环境以及未来几天的天气情况，估算未来某个时段内任意时刻的光照强度，进而估算未来某个时段内任意时刻太阳能供电桩的发电功率，同时结合历史信息，采用决策树/k-Means/SVM/Apriori等数据挖掘及BP神经网络/卡尔曼滤波/回归等预测技术，预计未来某个时段内任意时刻的充电人数，由此估算出用户附近区域内每个供电桩在未来某个时间段内任意时刻的状态（可输出功率）。根据电瓶型号状态、用户所在位置、充电时间窗口等用户信息，基于NSGA-II 或 MOEA/D等多目标优化技术，综合考虑距离、充电时间、充电成本等因素，选择合理的计算方法，根据用户需求选择最优的太阳能供电桩地点及充电时间段。

影响用户选择供电桩的主要因素为供电桩与当前位置的相隔距离、当前供电桩充电所需的充电单价。用户可在客户端设置挑选供电桩的范围及单价和距离两者所占的权重系数，后台根据遗传算法，调用范围内供电桩单价及距离，迭代计算，得到其中最优解推送给用户。为避免用户到达时，供电桩已被占满，或电量耗光的情况，提供太阳能供电桩预约功能，预约价格按供电桩距离远近、当前占用量进行分析给出，为避免资源占用，预约功能中设有限制最大预约时长，不可重复预约等，对用户预约履行进行信用评价等。当用户到达供电桩时，可能会出现因供电桩当前单价过高不想充或当前用户量已满充不了的问题，提供供电桩状况查询、推荐满足用户需求供电桩等功能，大幅度地提高用户满意度。

基于边缘计算的太阳能供电的电动自行车供电桩系统，适合于在野外和室外的多种工况的电动自行车充电解决方案，满足不同人群的充电需求;针对供电桩存在的欠充、过充以及网络不稳定问题，改进感知层的数据采集电路，设计网关算法实现功率数据的实时分析，配合网络层的自动化组网机制完成基于边缘计算的控制;融合数据挖掘技术实现供电桩调度专家系统，为能源的有效利用提供指导并实现精确计费。

太阳能作为一种可持续发展新能源，因可再生和清洁环保而被发展和开发利用。随着物联网、云计算术、大数据、人工智能、5G技术、区块链等新一代信息技术的发展，优化新能源应用解决方案和应用场景，推进可再生能源技术的智慧化应用，具有重要社会意义。

（作者单位：杭州科技职业技术学院）