基于高速窄带载波通信技术的电动汽车并网研究

孙 雯，国 海，权 悦

(安徽科技学院 电气与电子工程学院，安徽 凤阳 233100)

基于高速窄带载波通信技术的电动汽车并网研究

孙 雯，国 海，权 悦

(安徽科技学院 电气与电子工程学院，安徽 凤阳 233100)

因电动汽车的时空随机性对电网稳定产生冲击，将其并网服从电网调度，可实现电网分布式存储单元管理，改善电网电能质量。介绍了电动汽车并网技术，分析比较了适用于电动汽车与协调控制器之间的双向通信技术，提出了基于高速窄带载波通信技术实现电动汽车并网，并搭建简单组网模型验证了可行性。

电动汽车并网；高速窄带载波通信技术；G.hnem

随着智能电网概念的提出，电动汽车并网(V2G)技术已成为研究的热点之一。电动汽车作为功率负荷，无序地并入电网充电，会对电网造成一定的冲击。若将其看作移动的储能装置，并入电网，服从电网调度。这样既能解决电动汽车大规模发展带来的充电压力问题，又能作为备用储能装置，对智能电网进行削峰填谷，丰富了智能电网的可控单元，对风能、太阳能等可再生能源的应用有着重要的调控作用[1]。

1 电动汽车并网技术

V2G技术是一种新型智能电网技术。电动汽车不仅作为电力消费体，同时在电动汽车闲置时还可作为绿色可再生能源为电网提供电力，实现在受控状态下电动汽车电网之间的能量双向互动与交换[2]。电动汽车并网模型如图1所示。

图1 V2G系统模型

电动汽车充放电调度由协调控制器算法实现。电动汽车模块主要包含电动汽车、充放电装置(EV-PCS)、电池管理系统(BMS)。EV-PCS将电动汽车电池的实时信息、用户设定信息主动上报给协调控制器，并根据协调控制器的调度命令，控制电动汽车的充放电。至于BMS则是监控电动汽车电池的电压、电流、荷电状态(SOC)等实时状态以及实现对电池的均压均衡保护。

如图1所示，可采用多种通信方式搭建系统网络实现V2G。电动汽车模块内部通信是用于电动汽车、EV-PCS与BMS之间传递电动汽车电池信息，一般由CAN、以太网、485通信实现。智能电表与协调控制器之间的通信主要是获取实时电价，可由无线通信实现。本文重点研究电动汽车模块与协调控制中心之间的通信。

2 通信技术

目前，应用在电动汽车与智能电网的协调控制器双向通信技术主要有CAN总线技术和无线通信技术以及电力线载波技术[3-5]。

CAN总线技术短距离通信速率高、容易实现、性价比高，非常适用于汽车内部通信及电池管理系统BMS和充放电装置之间通信。但是若用于实现电动汽车与协调控制器之间的信息实时交互，就需要重新布线配电网，投资成本较大，或依赖光纤以太网技术。这样，基于CAN总线V2G控制将受到诸多限制，特别是家庭式V2G。

无线通信技术是论文中探讨最多的技术，但应用于电动汽车并网也有很大的限制：

(1)由于无线技术信号穿透性不强，容易受外界环境干扰，而电动汽车联网时一般都停放在地下车库，数据传输的实时性、稳定性得不到保证。

(2)无线技术需要借助外部的无限塔基建设，电力部门需要增加设施的建设投资。

(3)与其他无线应用频段可能存在重叠，数据的安全性和可靠性不高[4]。

PLC技术是基于现有的电力线作为介质传送数据的通信方式，通过将载有有效信息的高频调制信号通过滤波、功率放大后耦合到电力线上，利用电力线作为媒介进行数据传输通信。然后通过专有的电力线调制解调器将高频调制信号从电力线上分离出来，传送到终端设备，完成数据通信。该技术电力线网络覆盖范围广、用户多、投资少、不需要重新布线、运行成本低、与电网建设同步，具有极其诱人的应用前景和巨大的市场潜力。

传统的电力线载波通信运行成本低，网络覆盖广、安装使用方便、无需建设新线路，但传输时通道条件恶劣，会掺杂多种噪声干扰和周期脉冲干扰、多经传播干扰及选择性频率衰减，且通道特性和参数会随着时间、频率、地点及接入到电力线设备的数量变化而变化。早期载波通信噪声干扰较大，组网能力较差，不是一个理想的数据传输方式，大多只限于低压自动抄表和中高压电力线低速信号传输[6-7]。

新一代高速窄带载波通信技术——HNB-PLC技术通信速率、组网能力和抗干扰能力都有了很大的提高。随着智能电网技术的发展，不仅局限在自动抄表系统和中压管理信息交互应用中，更多地应用早智能家居、微网、电动汽车并网、新能源中。

表1 HNB-PLC常用技术

高速窄带电力线通信HNB-PLC技术中，G.hnem技术综合PRIME技术和G3-PLC技术的优点，覆盖面、数据吞吐量、数据传输可靠性等方面有很大的提高。而且G.hnem技术拥有很强的组网能力，默认网络是IPv6，非IPv6协议应用也可以采用合适的会聚子层进行桥接，可以很好地用于电动汽车并网领域[8-9]。

3 基于G.hnem技术的V2G实现

基于高速窄带电力线通信技术建立一个电动汽车并网的整体架构如图2所示。

图2 基于G.hnem技术的V2G网络模型

电动汽车接入电网，如图2网络模型，避免了因电动汽车时间空间的随机性对电网稳定性的威胁，还能实现分布式存储管理。而且实现V2G，还需考虑充放电计量数据的抄收和充放电费用的结算。基于高速窄带载波通信技术在高级计量架构(AMI)中的成熟应用，将G.hnem技术应用在V2G上，可轻松实现充放电设施的自动计量计费，极大地减少抄表、收费的工作量，减少充电设施的运行成本。

当电动汽车处于停靠和等待充电情况下，则只需将汽车通过充放电装置连入到智能电网中，EV-PCS依据G.hnem路由技术，自动寻找附近的DM节点，并注册加入到网络之中。入网后将自身的电池型号、剩余电量(SOC)、充放电功率以及用户设定信息等数据上传给协调控制器。协调控制器则通过分析收到的信息和电网的实时情况统计计算出合理的控制策略，发送给电动汽车充放电装置。EV-PCS接收协调控制器发送的电网实时信息和控制指令，根据这些信息对充放电方式做出相应调整，参与到电网负荷调度之中。

4 仿真验证

通过搭建简单的测试环境，用微机作上位机模拟协调控制器，进行电动汽车与协调控制器之间载波通讯功能测试。

将上位机的地址设置为0x00，电动汽车充放电装置的地址为0x01，点击发起连接，由上位机发起连接邀请。下面是本测试建立过程中得到的数据记录结果。上位机界面右边显示的是整个过程中PC机和电动汽车模块的指令交互过程。

图3 人机界面显示

图3中只显示了交互的部分指令，其对应的功能原语基于SLIP协议，可直接参考RFC 1055[Romkey 1988]中的软件编程。

图4 MAX2991开始发送信号

图5 MAX2991正在发送信号

在上位机完成连接后，将工作频带设置为FCC，并发送设定长度的数据，利用示波器捕获发送数据波形。

图6 单路信号放大前后的输出信号

图7 功率放大前后的输出信号

设置信号通道1=LD_IN+、信号通道2=LD_IN-，测得载波收发器MAX2991发送输出信号。

图6为单路信号放大前后的对比，图7为信号通道1=TX+、信号通道2=TX-功率放大后的信号。通过图6和图7对比，可知功率放大后的电压幅值提高了6倍左右，PLC模块输出信号信噪比较高。同时观察收发门控制信号(ENTXB)波形图8，也可以得出，在正常工作时，PLC模块是处于接收状态，发送间隙中也是处于接收状态。 图9的信号通过模拟前端AFE，转换为图10的模拟信号，在电力线中传送出去。

图8 ENTXB信号波形

图9 经过AFE前的信号

图10 经过AFE后的信号

通过分别测得MAX2991输出信号、ENTXB信号、AFE信号以及功率放大后的信号，可以看出电动汽车与上位机之间能实现可靠地数据通信，初步验证电动汽车与协调控制器之间载波通讯功能实现。

5 结语

本文分析电动汽车与协调控制器双向通信技术，并搭建简单组网模型，验证了基于高速窄带载波通信技术实现V2G的可行性，为电动汽车并网提供了理论基础与技术支撑。

[1]郭晓丽，肖欣，张新松，顾菊平. 微网下V2G技术经济性的分析与研究[J]. 电网与清洁能源,2017,(3):43-48．

[2]Sara Deilami, Amir S. Masoum , Paul S. Moses, and Mohammad A. S. Masoum . Real-Time Coordination of Plug-In Electric Vehicle Charging in Smart Grids to Minimize Power Losses and Improve Voltage Profile[J]. IEEE Transactions on Smart Grid，2011，2(4)：456-467．

[3]杨晓东，张有兵，赵波，周文委，翁国庆. 考虑规划需求的EV充电桩集群管理系统通信方式综合评价[J]. 电力系统自动化,2015,39(24):63-71．

[4]陈杰，张跃宇. 电动汽车接入电网的通信技术及其安全要求[J]. 智能电网,2013,2(3) :102-106．

[5]陆凌蓉，文幅栓，薛禹胜，辛建波. 电动汽车智能网络控制系统及其通信机制设计[J]. 电力系统自动化,2012,36(20):44-49．

[6]Liang Zhang，Huanhuan Ma，Donghan Shi，Peng Wang，Guowei Cai，Xiaosheng Liu．Reliability Oriented Modeling and Analysis of Vehicular Power Line Communication for Vehicle to Grid(V2G) Information Exchange System[J]．IEEE Acess，2017，(99)：1-1．

[7]孙晓达．PLC在电动汽车与充电桩控制通信系统中的应用[M]．华北电力大学，2014．

[8]李建歧，赵勇，张明. PLC技术在电动汽车充电站通信系统中的应用研究[J]. 电气应用,2013,(s2) :12-14．

[9]C Lewandowski, S Groning, J Schmutzler, C Wietfeld, Interference analyses of Electric Vehicle charging using PLC on the Control Pilot[A]．Power Line Communications and Its Applications (ISPLC)[C]．IEEE，2012：350-355．

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

安徽科技学院人才引进项目(ZRC2014467)；安徽省高校自然科学研究重点项目(KJ2016A170)

孙 雯(1990-)，女，助教，硕士，研究方向为微网储能、能量管理。国 海(1974-)，男，副教授，在读博士，研究方向为航空电源技术、控制技术。权 悦(1980-)，男，讲师，在读博士，研究方向为模式识别、控制技术。