新型智慧杆群供电电源控制方法

谢力华，陈厚岩，卿湘文

（深圳市伊力科电源有限公司，广东 深圳 518102）

0 引 言

目前，我国智慧杆产业发展存在的主要问题是创新性有待加强，缺乏完整的体系建设方法[1,2]。随着物联网、人工智能云计算、大数据等新一代信息技术的发展，智慧杆在各大领域的应用也越来越广泛[3]。热点比较高的是智慧灯杆产业，从世界范围看，智慧灯杆产业正在处于快速发展中[4]。在新基站的产业带动下，配合路灯杆的分布广、自带电、距离适宜等特点，有望在5G微基站的新需求下培养出新一代的企业和产业基地[5]。

目前的智慧杆在供电系统领域应用比较冷门且功能较为单一，智慧杆间缺少能源管理方法，特别在输入掉电的情况下，智慧杆将不能再工作，而对于配置了备用电源的智慧杆，同样也存在备电时间不一致的现象，从而影响到智慧杆群的整体性能[6,7]。针对国家的数据治理及运用新一代信息技术的科学管理手段，智慧杆的应用建设将加速发展，有相关机构测算未来市场规模将达到千亿级别[8,9]。

本文所述的智慧杆群供电控制方法中，智慧杆群包括一个主杆和多个从杆，当从杆工作时，它可以主动向主杆发送预设周期下的本地剩余工作时长；当工作智慧杆为主杆时，它会自动接收智慧杆群中每一从杆发送的本地剩余供电时长，自动计算平均剩余供电时长，并自动比较本地剩余供电时长和平均剩余供电时长的大小来为掉电后的交流线缆供电，以确保失电不掉电，为负载供电[10]。

1 控制方法总体结构

本文提供的智慧杆群供电控制方法中包括多个智慧杆L1、L2、…、Ln，如图1所示。每一智慧杆L1、L2、…、Ln包括至少一个本地负载，其中本地负载可以为路灯、监控摄像头、通信基站、安全报警装置等。其电源输入来源于交流输入电压Uac，每一智慧杆还包括双向AC/DC模块，DC/DC模块和储能模块以及DC/AC模块。

图1 智慧杆群总体布局

2 控制方法的原理分析和优化

智慧杆的电源系统交流输入电压Uac正常时的工作情况如图2所示。电源系统从交流输入Uac获得电压后，经过双向AC/DC模块，将交流电压转为直流母线电压。直流母线电压经过DC/DC模块后，转化为智慧杆所需要的直流电压。直流母线电压经过DC/AC模块后，转化为智慧杆所需要的交流电压。同时，直流母线电压还给储能单元进行充电，以确保在交流输入Uac失电后，能够给智慧杆供电。

图2 交流输入正常供电

当智慧杆的电源系统交流输入电压Uac失电后，储能单元将直接提供电能，给智慧杆的DC/DC模块和DC/AC模块供电，同时储能单元根据所估算的剩余供电时长Tr1以及智慧杆群的平均剩余供电时长Tav的关系决定是否向交流输入Uac回馈电能。如果Tr1＞Tav，则采用图3所示的方式，将储能单元的电能经过双向AC/DC模块回馈至交流输入端；如果Tr1=Tav，则采用图4所示的方式，只由储能单元对DC/DC模块和DC/AC模块供电；如果Tr1＜Tav，则采用图5所示的方式，直接从交流输入经双向AC/DC模块获取电能，给DC/DC模块和DC/AC模块供电，此时的储能单元维持不充不放的状态，直至Tr1＜Tav条件不再成立。需要说明的是，Tr1与Tav的3种关系是均包含了回差的概念，以避免模块的频率起停。

图3 Tr1＞Tav

图4 Tr1=Tav

图5 Tr1＜Tav

实现上述逻辑，需要规定智慧杆群的主杆，智慧杆群中每根智慧杆都设定有的标号，只规定一个主杆，其余的均为从杆。从杆将本机的剩余供电时长通过通信传输至主杆，主杆收集到剩余供电时长后，计算平均剩余供电时长，并将平均剩余供电时长发送给所有的从机，以供从机根据前述要求，进行不同的工作模式。

主杆检测交流输入Uac的状态，一旦检测到Uac失电，则立即进入失电工作模式。为确保智慧杆群在交流输入Uac失电后的稳定性，规定主机必须工作在图3，即通过双向AC/DC模块向交流输入侧回馈能量的工作状态，且此时的双向AC/DC模块处于电压源工作模式，而从杆的电源系统工作于电流源工作模式，从而避免电压源并联的情况出现。

主杆的竞争逻辑：第一优先级为剩余供电时长大于平均供电时长，第二优先级为机号，机号越小，第二优先级越高。

各智慧杆的电源模块间需要具有实时通信，通信借助智慧杆的Wi-Fi模块进行数据传输，或者采用独立的CAN总线进行数据传输。

为了在保证相关功能的前提下延长智慧杆的工作时长，做了如下优化。将智慧杆根据位置不同以偶数和奇数编号，认为规定在某些情况下奇数位的智慧杆工作偶数位的智慧杆不工作或者偶数位的智慧杆工作而奇数位的智慧杆不工作，如图6所示。当智慧杆的本地剩余供电时间比平均剩余供电时间大时，则控制储能模块通过AC/DC模块将直流电转换为交流电向交流线缆供电，而当智慧杆本地剩余供电时间小于平均供电时间时就通过AC/DC模块使交流转换为直流后向负载供电，若本地剩余供电时间与平均剩余供电时间相等，就断开AC/DC模块，只通过DC/AC模块使储能模块给负载供电。经过上述的优化方法后，可以更加有效的达到不间断供电的目的，使智慧杆的供电时间更加长久。

图6 优化后的各模块工作方式

3 结 论

智慧杆是当前社会快速发展中各个领域的热门话题，本文通过将智慧杆群的想法应用在不间断供电电源领域中，并分析比较了智慧杆在供电领域的可行性和可靠性，最后对其可行性进行了有理有据的分析与研判，希望能够对智慧杆领域的政策制定者和企业有一定的启发及帮助。