复杂区域交通信号多重供电方式与协调控制系统及方法与流程

本技术涉及智能交通与新能源，具体涉及复杂区域交通信号多重供电方式与协调控制系统及方法。

背景技术：

1、交通信号灯是保障道路交通安全、有序通行的重要基础设施。在山区、峡谷、海岛、戈壁等复杂区域，交通信号灯的正常运行面临着供电与通信两大严峻挑战。

2、供电方面，复杂区域通常具有以下特点：第一，电网覆盖薄弱，甚至完全无市电可供，若新建输电线路，需架设数十公里线路，建设周期长、工程成本极高，且对生态环境造成破坏；第二，日照条件受地形遮挡影响显著，山谷或密林区域日照时间短、光伏发电不稳定，单纯依靠光伏供电难以应对连续阴雨或多雾天气；第三，风能资源虽有潜力，但风速波动大、瞬时变化剧烈，单一风电亦无法保证持续可靠供电；第四，气候条件恶劣，雨、雾、冰、雪等天气频繁出现，传统太阳能供电系统在冬季或长期无光条件下极易失效，导致信号灯停摆，引发严重交通事故。

3、通信方面，复杂区域公网基础设施落后，4g/5g及nb-iot信号往往无法覆盖或信号极弱，导致传统基于公网的物联网远程监控方案难以实施。即便有微弱信号，也常因天气、地形等因素中断，无法满足交通信号灯对实时监控和远程运维的需求。一旦设备出现故障，运维人员难以及时获知故障状态和位置，现场巡检和维修成本极高。

4、现有技术中，已有风光互补路灯、风光互补监控系统等应用，但专门面向复杂区域交通信号灯的供电管理系统尚不成熟。已有风光互补系统多用于普通照明或安防监控，其能量管理策略较为简单，往往仅根据当前电池电压进行充放电切换，缺乏对电池荷电状态soc和健康状态soh的精细化动态评估，也缺乏基于气象预测的前瞻性能量调度能力。当发电不足时，通常直接切断负载，导致信号灯突然熄灭，存在重大安全隐患。此外，现有方案在通信方面通常依赖单一公网或完全不具有远程通信能力，无法适应复杂区域通信环境的多变性和不可靠性。

5、因此，亟需开发一种面向复杂区域、融合光伏与风能互补发电、具备基于电池状态和气象预测的智能化能量调度、多模冗余通信以及环境自适应保护功能的交通信号灯供电协调管理系统，实现复杂区域交通信号灯的绿色、可靠、智能化供电保障。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本技术提供了复杂区域交通信号多重供电方式与协调控制系统及方法,以解决现有技术中风光互补供电能量调度粗糙、缺乏基于电池状态的精细化控制、通信可靠性差、缺乏山区环境自适应能力等问题，实现山区交通信号灯的绿色、可靠、智能化供电保障。

2、为实现上述目的，本技术提供了如下方案：

3、复杂区域交通信号多重供电方式与协调控制系统，其特征在于，包括：

4、光伏发电模块，用于将太阳能转化为电能；

5、风力发电模块，用于将风能转化为电能；

6、储能电池模块，分别与所述光伏发电模块和所述风力发电模块电连接，用于存储电能并为交通信号灯供电；

7、电池管理系统bms，与所述储能电池模块电连接，用于实时采集电池状态参数并计算电池荷电状态soc和健康状态soh；

8、物联网通信模块，包括主通信单元和备用通信单元，所述主通信单元采用lora无线通信方式，所述备用通信单元采用nb-iot、4g cat.1或北斗短报文中的一种或多种，支持双模自适应切换；

9、远程监控云平台，通过所述物联网通信模块与本地控制系统通信，用于接收运行状态数据并推送告警信息；

10、主控单元，分别与所述光伏发电模块、风力发电模块、储能电池模块、电池管理系统和物联网通信模块电连接，所述主控单元被配置为执行以下操作：

11、a.根据所述电池管理系统实时采集的soc和soh数据，结合获取的未来24小时山区气象预测数据，动态生成风光互补充放电控制策略；

12、b.在所述充放电控制策略中，根据soc的下降程度逐级降低交通信号灯的亮度或缩短亮灯时长，其中soc阈值区间与信号灯亮度调节档位之间存在一一对应的联动关系；

13、c.实时监测所述物联网通信模块中主通信单元的信号强度，当主通信单元信号强度低于预设阈值或连接中断时，在3秒内自动切换至备用通信单元，并在主通信单元信号恢复且稳定保持预设时间后自动回切；

14、d.当检测到任一模块发生故障时，通过所述物联网通信模块向所述远程监控云平台上传故障类型及定位信息。

15、进一步的，所述主控单元动态生成的风光互补充放电控制策略包括：当仅光伏发电功率大于等于负载功率，或仅风力发电功率大于等于负载功率，且soc低于第一预设阈值时，以该种能源的剩余功率对储能电池充电；当光伏发电功率与风力发电功率之和大于等于负载功率且soc低于第一预设阈值时，以剩余功率对储能电池充电；当光伏发电功率与风力发电功率之和小于负载功率时，由储能电池补充差额功率，且放电深度根据soc和soh综合评估后限制在安全范围内；当soc低于第二预设阈值时，自动切换至节能模式并请求接入备用电源。

16、进一步的，所述逐级降低交通信号灯亮度或缩短亮灯时长的联动关系为：当soc处于20%～30%区间时，信号灯亮度降至额定亮度的80%；当soc处于10%～20%区间时，信号灯亮度降至额定亮度的50%且非高峰时段采用闪烁黄灯模式；当soc低于10%时，自动切换至备用电源供电。

17、进一步的，所述主控单元还配置有低功耗休眠唤醒机制：在系统无异常且储能电池soc高于安全阈值时，主控单元进入微安级休眠状态，仅保留物联网通信模块的心跳监测功能；当检测到异常事件或接收到云平台唤醒指令时，主控单元毫秒级唤醒并执行相应控制操作。

18、进一步的，所述电池管理系统采用基于等效电路模型的soc估算算法和基于容量衰减模型的soh预测算法，soc估算误差控制在3%以内，soh预测误差控制在5%以内。

19、进一步的，根据权利要求1所述的复杂区域交通信号多重供电方式与协调控制系统，其特征在于，所述物联网通信模块的双模自适应切换被配置为：实时监测主通信单元的信号强度rsrp，当连续3次心跳包发送失败或rsrp低于-110dbm持续超过30秒时判定主通信链路异常并触发切换；当主通信单元rsrp高于-105dbm且稳定保持1分钟后自动回切。

20、进一步的，根据权利要求1所述的复杂区域交通信号多重供电方式与协调控制系统，其特征在于，所述远程监控云平台包括数据存储单元、数据分析单元和告警推送单元，所述数据分析单元基于历史运行数据建立山区光伏功率预测模型、风力功率预测模型和负载功率预测模型，并引入山区地形遮挡修正系数对光伏预测值进行衰减修正；所述告警推送单元根据故障等级采用app推送、短信、微信小程序和北斗短报文中的一种或多种方式向运维人员发送告警信息，故障识别类型包括光伏组件故障、风力发电机故障、储能电池故障、充放电电路故障、通信模块故障和信号灯负载故障。

21、进一步的，还包括山区环境感知单元，包括光照传感器、风速风向传感器、温湿度传感器、雨量传感器和冰雪检测传感器，所述山区环境感知单元与主控单元电连接，用于采集现场环境参数；所述主控单元还根据环境参数动态调整运行策略：当风速超过切出风速时，控制风力发电模块自动制动保护；当电池温度低于0℃时，充电电流限值为额定电流的30%；当电池温度低于-10℃时，先启动电池加热装置至5℃后再允许充电；当检测到光伏组件表面积雪时，通过云平台推送除雪告警并远程启动电加热融雪装置。

22、复杂区域交通信号多重供电方式与协调控制系统的协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

23、s1：实时采集光伏发电功率p_pv、风力发电功率p_wind、储能电池的soc和soh、信号灯负载功率p_load；

24、s2：获取未来24小时的山区气象预测数据，包括日照强度预测值、风速预测值，并结合山区地形遮挡修正系数对光伏功率进行衰减修正；

25、s3：根据soc和soh数据，结合气象预测数据，动态生成风光互补充放电控制策略；

26、s4：执行所述充放电控制策略，包括：

27、当p_pv≥p_load且soc<90%时，以光伏剩余功率对储能电池充电；

28、当p_wind≥p_load且soc<90%时，以风力剩余功率对储能电池充电；

29、当p_pv+p_wind≥p_load且soc<90%时，以剩余功率对储能电池充电；

30、当p_pv+p_wind

31、s5：实时监测物联网通信模块中主通信单元的信号强度，当主通信单元信号强度低于预设阈值或连接中断时，在3秒内自动切换至备用通信单元，并在主通信单元信号恢复且稳定保持预设时间后自动回切；

32、s6：当检测到故障时，通过物联网通信模块向远程监控云平台上传故障类型及定位信息，并根据故障等级分级推送告警。

33、进一步的，所述步骤s4中根据soc的下降程度逐级降低信号灯亮度或缩短亮灯时长的具体联动关系为：

34、当soc>50%时，正常放电，信号灯保持额定亮度；

35、当30%

36、当20%

37、当10%

38、当soc≤10%时，自动切换至备用电源供电，并向云平台发送紧急供电请求。

39、本技术的技术方案的有益效果：

40、本发明将风光互补发电、基于soc/soh的精细化能量调度、双模自适应通信三大核心技术有机融合，形成了“电池状态→供电策略→负载响应→通信保障”的闭环控制链路，产生了1+1+1>3的技术协同效应。

41、本发明基于bms实时采集的soc和soh数据，结合气象预测和负载预测，动态生成最优充放电策略，并建立soc多级阈值与信号灯亮度的联动调节机制，储能电池使用寿命延长30%以上，避免突然断电导致的交通风险。

42、针对山区公网覆盖差的特点，采用lora作为主通信（覆盖5-15公里），nb-iot/4g作为备用，北斗短报文作为第三级应急通道，确保任何情况下系统状态可上报、指令可下达。

43、集成风速过大自动制动、低温充电限流与电池加热、光伏积雪检测与远程融雪等专用保护功能，适应山区高海拔、大温差、冰雪、强风等极端气候条件。

44、故障识别涵盖五大类200余种故障模式，根据故障等级分级告警，支持远程除雪、远程重启、参数调整等运维操作，大幅降低山区交通信号设施的现场维护成本。