電動汽車跨區(qū)域互聯(lián)運營通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案與實踐

孔歷波，鄭正仙，何春林，李 燕，杜力宇

（國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

電動汽車跨區(qū)域互聯(lián)運營通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案與實踐

孔歷波，鄭正仙，何春林，李 燕，杜力宇

（國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

結(jié)合長三角地區(qū)蘇滬杭城際互聯(lián)工程實踐經(jīng)驗，開展跨區(qū)域、動態(tài)接入、多模的電動汽車智能充換電服務(wù)通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模式研究，形成充換電站、電動汽車、充電樁等終端單元通信網(wǎng)絡(luò)接入解決方案，為建設(shè)覆蓋全國的電動汽車充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)提供參考。

電動汽車；城際互聯(lián)；跨區(qū)域通信；組網(wǎng)技術(shù)

0 引言

作為電動汽車大規(guī)模商業(yè)化的必要條件，只有大力發(fā)展電動汽車充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，才能為電動汽車的安全可靠運行提供強有力的保障[1]。沿跨城際高速公路、國道、省際公路的部署電動汽車充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)是保證電動汽車跨區(qū)域運行的重要解決方案，通過在主干道路上無縫隙、全覆蓋式建立智能充換電站，實現(xiàn)電動汽車的跨區(qū)域互聯(lián)運營，為建設(shè)覆蓋全國的電動汽車充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)起到示范作用。

為能實現(xiàn)電動汽車在城際間的互聯(lián)互通運行，國家電網(wǎng)公司于2011年初開始在蘇滬杭（蘇州-上海-杭州）高速公路服務(wù)區(qū)部署建設(shè)充換電站，作為我國首個互聯(lián)試點工程，也為長三角地區(qū)電動汽車充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)打下堅實的基礎(chǔ)[2]。結(jié)合長三角地區(qū)蘇滬杭城際互聯(lián)工程實踐經(jīng)驗，開展跨區(qū)域、動態(tài)接入、多模的電動汽車智能充換電服務(wù)通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模式研究，包括跨城際高速公路、國道、省際公路的通信覆蓋組網(wǎng)模式、區(qū)域通信網(wǎng)混合組網(wǎng)模式以及站級通信解決方案；研究電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)通信融合技術(shù)實現(xiàn)方案，解決多種應(yīng)用場景下電力無線寬帶、移動通信網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)等不同通信網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)互聯(lián)和協(xié)同通信問題，建立跨區(qū)域、動態(tài)接入、多模的電動汽車智能充換電服務(wù)通信網(wǎng)絡(luò)，形成充換電站、電動汽車、充電樁等終端單元通信網(wǎng)絡(luò)接入解決方案。

1 電動汽車跨區(qū)互聯(lián)運營網(wǎng)絡(luò)通信需求

以蘇滬杭電動汽車城際互聯(lián)建設(shè)為研究依據(jù)，通信網(wǎng)絡(luò)要實現(xiàn)蘇滬杭城際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中各站點、終端與電動汽車運營管理系統(tǒng)的互聯(lián)互通，以支撐電動汽車業(yè)務(wù)運營及生產(chǎn)監(jiān)控與管理有序運行，實現(xiàn)在城市區(qū)域和省際城際的電動汽車無縫提供服務(wù)。

1.1 電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[3]

電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)通過總部、省、地市、站4級業(yè)務(wù)應(yīng)用分層，為電動汽車用戶提供全覆蓋的充換電服務(wù)，每個業(yè)務(wù)應(yīng)用層主要職能如下：

（1）總部運營管理負責收集、匯總?cè)克犽妱悠囍悄艹鋼Q電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的運營狀況和資產(chǎn)狀況等宏觀統(tǒng)計信息，為各省級運營管理單位提供跨區(qū)域清分結(jié)算平臺。

（2）省級運營管理負責對本省所轄的電動汽車智能充換電運營網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)控和管理，收集、保存所轄網(wǎng)絡(luò)的客戶信息，運營結(jié)算信息及服務(wù)網(wǎng)絡(luò)運行信息；并對這些海量數(shù)據(jù)進行分析，為業(yè)務(wù)運營提供決策依據(jù)；同時向總部提交跨區(qū)域清分結(jié)算數(shù)據(jù)、運營數(shù)據(jù)及設(shè)備資產(chǎn)狀況等數(shù)據(jù)。

（3）地市運營管理對本地市所轄的電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)運營進行監(jiān)控和管理，負責區(qū)域內(nèi)電動汽車充換電服務(wù)的運營，并向省級提交運營數(shù)據(jù)及設(shè)備資產(chǎn)狀況等匯總數(shù)據(jù)。

（4）站級管理是地市級單位直接管理，負責本站點的對外服務(wù)，生產(chǎn)運行等業(yè)務(wù)工作，是設(shè)備終端的單位，也是整個網(wǎng)絡(luò)的底層單位。

為實現(xiàn)蘇滬杭電動汽車城際互聯(lián)運營，必須解決省級與總部之間的數(shù)據(jù)通信和高速公路等偏遠站點與省級運營中心的數(shù)據(jù)通信問題。

1.2 電動汽車跨區(qū)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

蘇滬杭城際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分為接入網(wǎng)和核心網(wǎng)2部分。依托現(xiàn)有電力通信網(wǎng)絡(luò)資源，通過在各節(jié)點增加路由器、交換機與防火墻，實現(xiàn)電動汽車服務(wù)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一成網(wǎng)、獨立成域的運營需求，其架構(gòu)如圖1所示。

接入網(wǎng)：是指從蘇滬杭三省市各城市區(qū)域、高速沿線的充換電站站點到省級運營管理系統(tǒng)之間的通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)各站點與省級運營管理系統(tǒng)的互聯(lián)互通，其建設(shè)方式可采用自建電力專網(wǎng)或者租用公網(wǎng)。

核心網(wǎng)：是指從蘇滬杭三省市省級運營管理系統(tǒng)到總部級運營管理系統(tǒng)之間的通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)蘇滬杭省級運營管理系統(tǒng)與總部運營管理系統(tǒng)的互聯(lián)互通，其建設(shè)采用自建電力專網(wǎng)方式。

整個蘇滬杭城際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)關(guān)鍵在于采用多種通信方式動態(tài)地將不同應(yīng)用場景、不同網(wǎng)絡(luò)條件下的各種設(shè)備接入電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。

2 電動汽車跨區(qū)互聯(lián)運營網(wǎng)絡(luò)通信解決方案

圖1 蘇滬杭城際互聯(lián)通信部署

基于電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)通信需求，研究不同應(yīng)用場景下的多種通信方式融合組網(wǎng)技術(shù)，建立包含多種通信模式的支持動態(tài)接入的跨區(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)。跨區(qū)域電動汽車智能充換電通信網(wǎng)絡(luò)分為3個層級，如圖2所示。

一級通信網(wǎng)為電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)運營總部和各運營分部之間的通信網(wǎng)絡(luò)。一級通信網(wǎng)可借助電力專用通信網(wǎng)。如果在全國部署，總部可設(shè)在北京，各運營分部設(shè)在各直轄市、省會城市，一級通信網(wǎng)可應(yīng)用國網(wǎng)公司總部—網(wǎng)省之間的骨干光傳輸網(wǎng)。

對于一級通信網(wǎng)，需要關(guān)注的是跨城、跨區(qū)域運行中的高速公路、國道、省際公路的通信覆蓋問題，由于電力專網(wǎng)依托輸電線路架設(shè)，許多高速公路、國道、省際公路沒有實現(xiàn)電力通信覆蓋。無線公網(wǎng)也無法實現(xiàn)全域覆蓋。因此解決跨城際、跨區(qū)域的通信問題是未來實現(xiàn)電動汽車全國性跨區(qū)域運營的重要條件。

二級通信網(wǎng)為電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)運營分部與站級之間的通信網(wǎng)絡(luò)。

二級通信網(wǎng)可應(yīng)用省級電力專用通信網(wǎng)，對于專網(wǎng)無法覆蓋的地區(qū)，可借用公網(wǎng)。在二級通信網(wǎng)中，電力專用通信網(wǎng)和公網(wǎng)可互為主備，相互支撐。

接入網(wǎng)采用無線傳感網(wǎng)、OPLC（特種電纜）、3G/GPRS/4G/TD LTE等多種通信方式，實現(xiàn)充換電設(shè)備、車輛自動識別設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等站內(nèi)設(shè)備之間，站內(nèi)設(shè)備與電動汽車、電池之間的信息交互，以及零散式充電樁的網(wǎng)絡(luò)接入。

2.1 通信方式設(shè)計

跨區(qū)域的通信網(wǎng)絡(luò)需要滿足各種終端設(shè)備在各種場景、不同通信模式下的動態(tài)接入：

（1）跨城際、跨區(qū)域的通信覆蓋及組網(wǎng)。

在跨城、跨區(qū)域的國道、省際公路或高速公路上，充換電站一般建立在變電站附近或高速公路服務(wù)區(qū)，應(yīng)以復合通信組網(wǎng)技術(shù)解決通信覆蓋和可靠通信問題。通過充換電站內(nèi)的多通道通信網(wǎng)關(guān)，以有線接入運營商的固網(wǎng)或是附近實現(xiàn)光纖覆蓋的變電站，實現(xiàn)靈活接入、無縫切換和互為備用。

（2）站內(nèi)通信設(shè)計[4]。

基于充換電站業(yè)務(wù)通信需求，分析充換電站內(nèi)產(chǎn)生無線電干擾的因素，研究站內(nèi)可靠通信組網(wǎng)技術(shù)。綜合采用電力線通信、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、電力無線寬帶等多種通信方式，實現(xiàn)充換電站內(nèi)設(shè)備之間，站內(nèi)設(shè)備與電動汽車、移動配送車之間的可靠、高效通信。研制基于電力專網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等多種通信模式無縫互聯(lián)的充換電站智能通信網(wǎng)關(guān)，深入研究其中的低功耗設(shè)計技術(shù)、報文路由技術(shù)、端口結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)等，從而通過多種接口靈活完成不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換及管理控制，實現(xiàn)充換電站內(nèi)不同設(shè)備、不同系統(tǒng)與外部寬帶網(wǎng)絡(luò)的連接。

（3）充電樁群通信設(shè)計。

基于自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究充電樁群無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)，保證節(jié)點自動根據(jù)部署位置和射頻環(huán)境計算路由，在充電樁群部署區(qū)域內(nèi)成網(wǎng)并以多跳的方式將數(shù)據(jù)發(fā)回，同時以低控制開銷優(yōu)化組網(wǎng)協(xié)議，兼顧節(jié)點設(shè)備的低功耗需求。可采用集中器作為載波通信的中央設(shè)備，安裝配電變壓器低壓側(cè)，通過電力線匯聚該配電變壓器下所有充電樁的數(shù)據(jù)，然后通過GPRS等遠程通信方式傳回到電力公司數(shù)據(jù)服務(wù)器。

圖2 跨區(qū)域電動汽車充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)

（4）電動汽車、移動配送車等通信設(shè)計。

基于電動汽車、移動配送車的覆蓋范圍廣、移動速度隨機性強的特點，研究其在不同應(yīng)用場景下的通信方式：在充換電站內(nèi)可采用WSN，PLC，TD-LTE電力無線專網(wǎng)等通信技術(shù)與站內(nèi)設(shè)備進行通信；在行進中可選擇租用公網(wǎng)運營商無線網(wǎng)絡(luò)（3G/GPRS/4G）的方式，或基于路（街）邊AP的入網(wǎng)方式，通過WiFi等進行信息傳輸；在充電位與充電樁進行通信時，根據(jù)充電樁所在區(qū)域的通信狀況，從PLC，WSN，CAN總線3種通信方式中任意選擇2種進行組合，兩者互為主備，相互支撐。

2.2 接入網(wǎng)建設(shè)方案

接入網(wǎng)建設(shè)方案應(yīng)結(jié)合站點的部署位置、通信需求進行綜合分析，形成了電動汽車城際互聯(lián)接入網(wǎng)、核心網(wǎng)建設(shè)的技術(shù)路線。

蘇滬杭城際互聯(lián)接入網(wǎng)需要覆蓋城市區(qū)域、高速公路上的各充換電站點，可利用國網(wǎng)公司豐富的通信電力網(wǎng)資源，采用自建電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)方式接入電力三級通信網(wǎng)；對確實不具備自建網(wǎng)絡(luò)條件的站點，可臨時租用公網(wǎng)運營商通道進行組網(wǎng)。

城際互聯(lián)接入網(wǎng)建設(shè)可分為上行通道建設(shè)、下行通道建設(shè)和行政電話部署，依據(jù)其采用的網(wǎng)絡(luò)接入方式不同，具體建設(shè)方案如下：

（1）上行通道：充換電站就近接入具備光纜資源的35 kV變電站或110/220 kV變電站，充分利用現(xiàn)有通信資源，建議隨電源敷設(shè)24芯通信網(wǎng)絡(luò)光纜。由該變電站的電力傳輸網(wǎng)接至核心機房，與部署在核心機房內(nèi)的路由器連通，從而實現(xiàn)個站點與核心節(jié)點的互聯(lián)互通。

在充換電站配置1臺與上聯(lián)節(jié)點傳輸設(shè)備類型相對應(yīng)的傳輸設(shè)備（建議采用MSTP傳輸設(shè)備），在該站點上聯(lián)節(jié)點變電站內(nèi)利用現(xiàn)有傳輸設(shè)備配置雙接口155M傳輸板卡，MSTP傳輸設(shè)備通過155M上行光口與變電站的155M板卡光口實現(xiàn)對接，構(gòu)建上行通道。

（2）下行通道：站內(nèi)MSTP傳輸設(shè)備通過以太接口經(jīng)由站內(nèi)路由器，連接到站內(nèi)交換機以太接口，構(gòu)建下行通道，實現(xiàn)站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。

（3）行政電話：在站內(nèi)部署PCM設(shè)備，通過PCM設(shè)備E1接口上聯(lián)至站內(nèi)的MSTP傳輸設(shè)備，連入各網(wǎng)省公司的行政電話網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)站內(nèi)行政電話的撥打。

接入網(wǎng)組網(wǎng)方案拓撲如圖3所示。

2.3 核心網(wǎng)建設(shè)方案

圖3 充換電站自建方式組網(wǎng)方案拓撲

蘇滬杭城際互聯(lián)示范工程核心網(wǎng)絡(luò)主要涉及3個節(jié)點（江蘇省、上海市、浙江?。┑幕ヂ?lián)互通。根據(jù)蘇滬杭城際互聯(lián)工程的部署特點，該示范工程核心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)采用自建方式，構(gòu)建以蘇州為總部、上海與杭州匯聚于蘇州的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。同時，為了確保網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的高度健壯性，打通上海節(jié)點與杭州節(jié)點鏈路，形成如圖4所示的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

圖4 核心網(wǎng)組網(wǎng)方案拓撲

根據(jù)對電動汽車通信的需求分析，充換電站業(yè)務(wù)類型有視頻監(jiān)控、充換電業(yè)務(wù)信息以及行政電話。其中視頻監(jiān)控約占2 M帶寬；充換電業(yè)務(wù)信息約占1 M帶寬；行政電話不占核心網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬，將直接進入各網(wǎng)省公司行政電話系統(tǒng)；而每個充換電站的視頻監(jiān)控一般為4路，因此帶寬合計為9 M。該核心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)將調(diào)用華東地區(qū)傳輸資源，以10 M帶寬鏈路為前期建設(shè)基礎(chǔ)。核心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，充分利用華東地區(qū)已有的傳輸資源，在蘇州、上海、杭州的省運營中心各配置2臺協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，從骨干傳輸設(shè)備分配2條5×2 M鏈路，分別經(jīng)不同協(xié)議轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為以太接口接入路由器，形成雙層保護機制，實現(xiàn)蘇滬杭城際骨干網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通。為了保證電動汽車運營業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的可靠性和通信持續(xù)性，蘇滬杭城際互聯(lián)核心網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成環(huán)狀拓撲結(jié)構(gòu)形式。

蘇滬杭城際互聯(lián)工程通信核心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)將建成以蘇州至上海、上海至杭州、杭州至蘇州的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)將部署OSPF動態(tài)路由協(xié)議，使全網(wǎng)路由信息可達，從而動態(tài)進行最佳路徑選擇。其中，IP地址規(guī)劃將遵循業(yè)務(wù)規(guī)范。核心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時充分考慮網(wǎng)絡(luò)安全因素，電動汽車運營管理系統(tǒng)與內(nèi)網(wǎng)其他信息系統(tǒng)對接時，利用防火墻隔離裝置隔離不同的業(yè)務(wù)域，防止對電動汽車運營內(nèi)網(wǎng)信息安全構(gòu)成威脅。

蘇滬杭城際互聯(lián)工程涉及杭州、上海和蘇州5個高速公路服務(wù)區(qū)的9座電動汽車智能充換電站，于2011年11月25日通過驗收，是我國第一個跨省區(qū)運行的電動汽車城際互聯(lián)工程[5]，2012年2月8日起，該工程正式進入車輛試運行測試階段，測試表明本通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案為電動汽車城際運營數(shù)據(jù)的互聯(lián)和共享提供了保障。

3 結(jié)語

蘇滬杭城際互聯(lián)工程通信組網(wǎng)充分依托國家電網(wǎng)公司豐富的電力骨干通信網(wǎng)資源，按照統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標準、統(tǒng)籌資源的原則，統(tǒng)一實施、統(tǒng)一調(diào)試，進行蘇滬杭城際互聯(lián)核心網(wǎng)建設(shè)。接入網(wǎng)建設(shè)開展應(yīng)因地制宜，滿足電動汽車城際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)運營需要。在站點建設(shè)時同步敷設(shè)光纜并作調(diào)試，為站點實現(xiàn)光纖接入通信打好基礎(chǔ)；對于目前無法采用自建方式的站點，租用運營商網(wǎng)絡(luò)，并同步做好安全部署。

蘇滬杭城際互聯(lián)工程通信組網(wǎng)方案研究了跨區(qū)域、動態(tài)接入、多模的電動汽車智能充換電服務(wù)通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模式，為未來全國區(qū)域更大范圍部署電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)提供了示范性的解決方案。

[1]賈俊國.電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與運營[J].電力需求側(cè)管理，2011（2）∶50-51.

[2]寇英剛，許慶強，金勝利，等．充換電站蘇滬杭城際互聯(lián)方案和工程難點[J]．江蘇電機工程，2012，31（4）∶55-57．

[3]陸凌蓉，文福拴，薛禹勝，等.電動汽車智能網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及通信機制設(shè)計[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36（20）∶44-49

[4]潘磊，姜久春，牛利勇.電動汽車充電站通訊網(wǎng)絡(luò)及接口設(shè)計[J].微計算機信息，2005，21（2）∶152-153.

[5]鄭正仙，馬建偉，張帆.電動汽車充換電城際互聯(lián)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的清分結(jié)算研究[J].浙江電力，2013，32（12）∶9-12.

（本文編輯：徐 晗）

The Establishment Scheme and Practice of Communication Network for Interregional Electric Vehicle Operation

KONG Libo，ZHENG Zhengxian，HE Chunlin，LI Yan，DU Liyu
（State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310009，China）

Based on the engineering practice of inter-city transportation project in Suzhou，Shanghai and Hangzhou in Yangtze River Delta，this paper focuses on the research of how to set up an interregional，dynamic access and multimodal communication network for intelligent charging and swapping of electric vehicles；and then a communication network access solution on terminal units like charging and swapping stations，electric vehicles and charging piles is developed to provide a good reference for the construction of a nationwide electric vehicle charging and swapping service network.

electric vehicle；inter-city transportation；interregional communication；networking technology

U469.72

B

1007-1881（2016）10-0060-05

2016-07-25

孔歷波（1976），女，工程師，從事電動汽車運營管理工作。