孫 雯，國(guó) 海，權(quán) 悅

(安徽科技學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

基于高速窄帶載波通信技術(shù)的電動(dòng)汽車并網(wǎng)研究

孫 雯，國(guó) 海，權(quán) 悅

(安徽科技學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

因電動(dòng)汽車的時(shí)空隨機(jī)性對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定產(chǎn)生沖擊，將其并網(wǎng)服從電網(wǎng)調(diào)度，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)分布式存儲(chǔ)單元管理，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。介紹了電動(dòng)汽車并網(wǎng)技術(shù)，分析比較了適用于電動(dòng)汽車與協(xié)調(diào)控制器之間的雙向通信技術(shù)，提出了基于高速窄帶載波通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車并網(wǎng)，并搭建簡(jiǎn)單組網(wǎng)模型驗(yàn)證了可行性。

電動(dòng)汽車并網(wǎng)；高速窄帶載波通信技術(shù)；G.hnem

隨著智能電網(wǎng)概念的提出，電動(dòng)汽車并網(wǎng)(V2G)技術(shù)已成為研究的熱點(diǎn)之一。電動(dòng)汽車作為功率負(fù)荷，無序地并入電網(wǎng)充電，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成一定的沖擊。若將其看作移動(dòng)的儲(chǔ)能裝置，并入電網(wǎng)，服從電網(wǎng)調(diào)度。這樣既能解決電動(dòng)汽車大規(guī)模發(fā)展帶來的充電壓力問題，又能作為備用儲(chǔ)能裝置，對(duì)智能電網(wǎng)進(jìn)行削峰填谷，豐富了智能電網(wǎng)的可控單元，對(duì)風(fēng)能、太陽能等可再生能源的應(yīng)用有著重要的調(diào)控作用[1]。

1 電動(dòng)汽車并網(wǎng)技術(shù)

V2G技術(shù)是一種新型智能電網(wǎng)技術(shù)。電動(dòng)汽車不僅作為電力消費(fèi)體，同時(shí)在電動(dòng)汽車閑置時(shí)還可作為綠色可再生能源為電網(wǎng)提供電力，實(shí)現(xiàn)在受控狀態(tài)下電動(dòng)汽車電網(wǎng)之間的能量雙向互動(dòng)與交換[2]。電動(dòng)汽車并網(wǎng)模型如圖1所示。

圖1 V2G系統(tǒng)模型

電動(dòng)汽車充放電調(diào)度由協(xié)調(diào)控制器算法實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)汽車模塊主要包含電動(dòng)汽車、充放電裝置(EV-PCS)、電池管理系統(tǒng)(BMS)。EV-PCS將電動(dòng)汽車電池的實(shí)時(shí)信息、用戶設(shè)定信息主動(dòng)上報(bào)給協(xié)調(diào)控制器，并根據(jù)協(xié)調(diào)控制器的調(diào)度命令，控制電動(dòng)汽車的充放電。至于BMS則是監(jiān)控電動(dòng)汽車電池的電壓、電流、荷電狀態(tài)(SOC)等實(shí)時(shí)狀態(tài)以及實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的均壓均衡保護(hù)。

如圖1所示，可采用多種通信方式搭建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)V2G。電動(dòng)汽車模塊內(nèi)部通信是用于電動(dòng)汽車、EV-PCS與BMS之間傳遞電動(dòng)汽車電池信息，一般由CAN、以太網(wǎng)、485通信實(shí)現(xiàn)。智能電表與協(xié)調(diào)控制器之間的通信主要是獲取實(shí)時(shí)電價(jià)，可由無線通信實(shí)現(xiàn)。本文重點(diǎn)研究電動(dòng)汽車模塊與協(xié)調(diào)控制中心之間的通信。

2 通信技術(shù)

目前，應(yīng)用在電動(dòng)汽車與智能電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制器雙向通信技術(shù)主要有CAN總線技術(shù)和無線通信技術(shù)以及電力線載波技術(shù)[3-5]。

CAN總線技術(shù)短距離通信速率高、容易實(shí)現(xiàn)、性價(jià)比高，非常適用于汽車內(nèi)部通信及電池管理系統(tǒng)BMS和充放電裝置之間通信。但是若用于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車與協(xié)調(diào)控制器之間的信息實(shí)時(shí)交互，就需要重新布線配電網(wǎng)，投資成本較大，或依賴光纖以太網(wǎng)技術(shù)。這樣，基于CAN總線V2G控制將受到諸多限制，特別是家庭式V2G。

無線通信技術(shù)是論文中探討最多的技術(shù)，但應(yīng)用于電動(dòng)汽車并網(wǎng)也有很大的限制：

(1)由于無線技術(shù)信號(hào)穿透性不強(qiáng)，容易受外界環(huán)境干擾，而電動(dòng)汽車聯(lián)網(wǎng)時(shí)一般都停放在地下車庫(kù)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、穩(wěn)定性得不到保證。

(2)無線技術(shù)需要借助外部的無限塔基建設(shè)，電力部門需要增加設(shè)施的建設(shè)投資。

(3)與其他無線應(yīng)用頻段可能存在重疊，數(shù)據(jù)的安全性和可靠性不高[4]。

PLC技術(shù)是基于現(xiàn)有的電力線作為介質(zhì)傳送數(shù)據(jù)的通信方式，通過將載有有效信息的高頻調(diào)制信號(hào)通過濾波、功率放大后耦合到電力線上，利用電力線作為媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通信。然后通過專有的電力線調(diào)制解調(diào)器將高頻調(diào)制信號(hào)從電力線上分離出來，傳送到終端設(shè)備，完成數(shù)據(jù)通信。該技術(shù)電力線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、用戶多、投資少、不需要重新布線、運(yùn)行成本低、與電網(wǎng)建設(shè)同步，具有極其誘人的應(yīng)用前景和巨大的市場(chǎng)潛力。

傳統(tǒng)的電力線載波通信運(yùn)行成本低，網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣、安裝使用方便、無需建設(shè)新線路，但傳輸時(shí)通道條件惡劣，會(huì)摻雜多種噪聲干擾和周期脈沖干擾、多經(jīng)傳播干擾及選擇性頻率衰減，且通道特性和參數(shù)會(huì)隨著時(shí)間、頻率、地點(diǎn)及接入到電力線設(shè)備的數(shù)量變化而變化。早期載波通信噪聲干擾較大，組網(wǎng)能力較差，不是一個(gè)理想的數(shù)據(jù)傳輸方式，大多只限于低壓自動(dòng)抄表和中高壓電力線低速信號(hào)傳輸[6-7]。

新一代高速窄帶載波通信技術(shù)——HNB-PLC技術(shù)通信速率、組網(wǎng)能力和抗干擾能力都有了很大的提高。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，不僅局限在自動(dòng)抄表系統(tǒng)和中壓管理信息交互應(yīng)用中，更多地應(yīng)用早智能家居、微網(wǎng)、電動(dòng)汽車并網(wǎng)、新能源中。

表1 HNB-PLC常用技術(shù)

高速窄帶電力線通信HNB-PLC技術(shù)中，G.hnem技術(shù)綜合PRIME技術(shù)和G3-PLC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，覆蓋面、數(shù)據(jù)吞吐量、數(shù)據(jù)傳輸可靠性等方面有很大的提高。而且G.hnem技術(shù)擁有很強(qiáng)的組網(wǎng)能力，默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)是IPv6，非IPv6協(xié)議應(yīng)用也可以采用合適的會(huì)聚子層進(jìn)行橋接，可以很好地用于電動(dòng)汽車并網(wǎng)領(lǐng)域[8-9]。

3 基于G.hnem技術(shù)的V2G實(shí)現(xiàn)

基于高速窄帶電力線通信技術(shù)建立一個(gè)電動(dòng)汽車并網(wǎng)的整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于G.hnem技術(shù)的V2G網(wǎng)絡(luò)模型

電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)，如圖2網(wǎng)絡(luò)模型，避免了因電動(dòng)汽車時(shí)間空間的隨機(jī)性對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的威脅，還能實(shí)現(xiàn)分布式存儲(chǔ)管理。而且實(shí)現(xiàn)V2G，還需考慮充放電計(jì)量數(shù)據(jù)的抄收和充放電費(fèi)用的結(jié)算?；诟咚僬瓗лd波通信技術(shù)在高級(jí)計(jì)量架構(gòu)(AMI)中的成熟應(yīng)用，將G.hnem技術(shù)應(yīng)用在V2G上，可輕松實(shí)現(xiàn)充放電設(shè)施的自動(dòng)計(jì)量計(jì)費(fèi)，極大地減少抄表、收費(fèi)的工作量，減少充電設(shè)施的運(yùn)行成本。

當(dāng)電動(dòng)汽車處于?？亢偷却潆娗闆r下，則只需將汽車通過充放電裝置連入到智能電網(wǎng)中，EV-PCS依據(jù)G.hnem路由技術(shù)，自動(dòng)尋找附近的DM節(jié)點(diǎn)，并注冊(cè)加入到網(wǎng)絡(luò)之中。入網(wǎng)后將自身的電池型號(hào)、剩余電量(SOC)、充放電功率以及用戶設(shè)定信息等數(shù)據(jù)上傳給協(xié)調(diào)控制器。協(xié)調(diào)控制器則通過分析收到的信息和電網(wǎng)的實(shí)時(shí)情況統(tǒng)計(jì)計(jì)算出合理的控制策略，發(fā)送給電動(dòng)汽車充放電裝置。EV-PCS接收協(xié)調(diào)控制器發(fā)送的電網(wǎng)實(shí)時(shí)信息和控制指令，根據(jù)這些信息對(duì)充放電方式做出相應(yīng)調(diào)整，參與到電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)度之中。

4 仿真驗(yàn)證

通過搭建簡(jiǎn)單的測(cè)試環(huán)境，用微機(jī)作上位機(jī)模擬協(xié)調(diào)控制器，進(jìn)行電動(dòng)汽車與協(xié)調(diào)控制器之間載波通訊功能測(cè)試。

將上位機(jī)的地址設(shè)置為0x00，電動(dòng)汽車充放電裝置的地址為0x01，點(diǎn)擊發(fā)起連接，由上位機(jī)發(fā)起連接邀請(qǐng)。下面是本測(cè)試建立過程中得到的數(shù)據(jù)記錄結(jié)果。上位機(jī)界面右邊顯示的是整個(gè)過程中PC機(jī)和電動(dòng)汽車模塊的指令交互過程。

圖3 人機(jī)界面顯示

圖3中只顯示了交互的部分指令，其對(duì)應(yīng)的功能原語基于SLIP協(xié)議，可直接參考RFC 1055[Romkey 1988]中的軟件編程。

圖4 MAX2991開始發(fā)送信號(hào)

圖5 MAX2991正在發(fā)送信號(hào)

在上位機(jī)完成連接后，將工作頻帶設(shè)置為FCC，并發(fā)送設(shè)定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，利用示波器捕獲發(fā)送數(shù)據(jù)波形。

圖6 單路信號(hào)放大前后的輸出信號(hào)

圖7 功率放大前后的輸出信號(hào)

設(shè)置信號(hào)通道1=LD_IN+、信號(hào)通道2=LD_IN-，測(cè)得載波收發(fā)器MAX2991發(fā)送輸出信號(hào)。

圖6為單路信號(hào)放大前后的對(duì)比，圖7為信號(hào)通道1=TX+、信號(hào)通道2=TX-功率放大后的信號(hào)。通過圖6和圖7對(duì)比，可知功率放大后的電壓幅值提高了6倍左右，PLC模塊輸出信號(hào)信噪比較高。同時(shí)觀察收發(fā)門控制信號(hào)(ENTXB)波形圖8，也可以得出，在正常工作時(shí)，PLC模塊是處于接收狀態(tài)，發(fā)送間隙中也是處于接收狀態(tài)。 圖9的信號(hào)通過模擬前端AFE，轉(zhuǎn)換為圖10的模擬信號(hào)，在電力線中傳送出去。

圖8 ENTXB信號(hào)波形

圖9 經(jīng)過AFE前的信號(hào)

圖10 經(jīng)過AFE后的信號(hào)

通過分別測(cè)得MAX2991輸出信號(hào)、ENTXB信號(hào)、AFE信號(hào)以及功率放大后的信號(hào)，可以看出電動(dòng)汽車與上位機(jī)之間能實(shí)現(xiàn)可靠地?cái)?shù)據(jù)通信，初步驗(yàn)證電動(dòng)汽車與協(xié)調(diào)控制器之間載波通訊功能實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)語

本文分析電動(dòng)汽車與協(xié)調(diào)控制器雙向通信技術(shù)，并搭建簡(jiǎn)單組網(wǎng)模型，驗(yàn)證了基于高速窄帶載波通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)V2G的可行性，為電動(dòng)汽車并網(wǎng)提供了理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

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On Vehicle to Grid Based on High Speed Narrow Band Power Line Communication Technology

SUN Wen, GUO Hai, QUAN Yue
(College of Electrical and Electronic Engineering, Anhui Science and Technology University,
Fengyang Anhui 233100, China)

As spatial-temporal randomness of vehicles tend to impact the stability of grid, integrating vehicle with grid can realize grid distributed storage unit management and improve power quality. Firstly, V2G technology is introduced. Then, bi-direction communication technologies between vehicle and coordinate controller are analyzed and compared. In addition, based on high speed narrow band power line communication technology vehicle to grid integration is put forward, and simple model is built to verify the feasibility.

V2G; HNB-PLC; G.hnem

TN91

A

1674-344X(2017)8-0038-04

2017-06-12

安徽科技學(xué)院人才引進(jìn)項(xiàng)目(ZRC2014467)；安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2016A170)

孫 雯(1990-)，女，助教，碩士，研究方向?yàn)槲⒕W(wǎng)儲(chǔ)能、能量管理。國(guó) 海(1974-)，男，副教授，在讀博士，研究方向?yàn)楹娇针娫醇夹g(shù)、控制技術(shù)。權(quán) 悅(1980-)，男，講師，在讀博士，研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別、控制技術(shù)。