基于低压直流供电的车路协同一体化系统

刘林旭，吕志鹏,2

（1.上海电力大学 电子与信息工程学院，上海 200090；2.国网上海能源互联网研究院有限公司，上海 201210）

0 引 言

近些年，随着诸如雷达技术、传感器技术、图像识别技术、人工智能技术、通信技术等的高速发展，众多的汽车生产制造商开始向汽车无人驾驶领域进军，致力于打造自主的自动驾驶技术，但是在这些汽车的上路测试过程中的确是发生了不少令人痛心的碰撞肇事事故[1]。这些事故也实实在在地说明了无人驾驶在单车智能方面的研究上有待进一步突破。为了弥补无人驾驶在单车智能方面的不足，以我国科研院所为主要研发主体的车路协同技术路线得到了发展。

2020年2月，我国11部委联合出台《智能汽车创新发展战略》，提出“人-车-路-云”系统协同发展的概念，路侧智能化基础建设成为推动智能网联汽车强国战略和车路协同技术发展的重点内容。

2020年3月，中共中央政治局常务委员会召开会议提出，加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度。智能交通在公路领域的规模化发展，势必引入大量5G基站、智能网联等新型基础设施建设，推动公路存量基础设施的升级改造，满足未来交通智慧化、网联化的需要。

2020年7月，2020世界人工智能大会（WAIC）自动驾驶论坛也讨论了在路侧智能化基建的背景下，车路协同智慧交通有望成为AI、5G和工业互联网“杀手级”的应用，并将决定我国无人驾驶的成败与速度。

以车路协同技术路线在高速公路上实施为样例，逐步推广和实现车路协同技术路线的发展。车路协同技术路线在高速公路上实施，势必需要在高速全路域增加大量感知、采集、计算、发布、通信等路侧智能化设施，这些设施也成为高速公路主要增量负荷，这些负荷对电能需求的显著特点是全路域覆盖和高可靠性。因此，给路侧智能化设施选择合适的供电方式、通信组网方式，有效降低成本成为车路协同技术路线成功的重要支撑。基于此，本文介绍了一种基于低压直流供电的车路协同一体化系统。

1 路侧智能基础设施

1.1 智能前端感知采集设备

在高速公路道路内，根据需求建设采集点位，在每个点位上，配置1套包含多光谱摄像机、补光灯、毫米波雷达、激光雷达等智能前端感知采集设备，如图1所示。设备支持多种连接方式与路侧通信单元（RSU）进行信息交互，完成对采集点处的人、车、物动态感知，为V2X应用提供行人、车辆位置、速度等状态信息。车路协同智能前端感知采集如图1所示。

图1 车路协同智能前端感知采集

1.2 高精度定位基准站

10 km内建设1套高精度定位基准站，部署在移动通信基站上，多套惯性导航系统及高精度定位车载终端部署在自动驾驶车辆上，保障车辆位置信息的准确性[2]。

1.3 边缘计算平台

部署边缘计算平台的基本思想是把云计算平台迁移到移动接入网的边缘，将传统电信蜂窝网络与互联网业务进行深度融合，减少移动业务交付的端到端时延[3]。车路协同路侧设备及边缘计算功能的实现，需要部署路侧分布式微数据中心，提高车路协同系统规划设计效率，提高边缘计算能力，降低数据交互处理时延[4-6]。预计高速公路两侧部署密度需求为1套/km，可与通信基站实现物理场所共享建设并将分析结果传输至车路协同平台。

1.4 5G通信基站

每300～500 m部署一座5G基站，覆盖10 km高速道路。5G超高可靠与低延时通信（URLLC）重点解决车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求，这类应用对时延和可靠性具有极高的指标要求，需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证[7]。

2 路侧智能基础设施供电方式的选择分析

根据高速公路路域狭长型特征、可靠性和经济性要求，依据《配电网技术导则》《配电网规划设计技术导则》，遵循强简有序、差异化配置原则，分区域构建结构简单、类型统一、界限清晰、标准模块的目标网架。高速公路路侧5G基站、车路协同设备、光伏、储能等源网荷储均为直流设备，因此采用低压直流组网供电有利于路侧多元源荷便捷接入，相比于交流组网，无需额外配置滤波器、无功补偿器、逆变器等设备，减小了系统设备数量，降低了系统控制复杂度，提高了系统能量转化效率。同时，5G高速通信、车路协同等新型业务，需要优质、连续、可靠的电力供给。低压直流组网供电采用直流公共母线和柔性电力电子变换装备，具备较好的动态性能和控制性能，相比于交流组网，具有可控性强、供电可靠性高、电能质量高、供电容量大的优势[8]。

按照模块部署、权属清晰、维护方便的原则，采用从高速公路服务区或路侧电源点向上行下行延伸供电的模式，采用链接式子网相互备用，以提高供电可靠性。综合考虑，给出一种低压直流组网供电方案，如图2所示，交流电源点引出交流电，通过变压器转低压直流供电，形成由多种直流电源（光伏、储能等）、多种直流负荷（车路协同单元、5G基站、多光谱摄像机、补光灯、毫米波雷达、激光雷达等智能前端感知采集设备）组成的低压直流配电网的高速公路电力能源链；光伏、储能输出本身为直流电，通过DC/DC变换器统一接入直流母线；车路协同单元、5G基站、路侧摄像头等直流用电设备也通过DC/DC变换器接入直流母线，与直流母线实现能量交换；高速公路能源子网通过双向AC/DC经变压器连接到10 kV交流配电网；高速公路电力能源链间隔1.5 km形成能源子网，既可与交流配电网连接并网运行，与电网实现功率交互，也可在配电网故障等工况下，与交流配电网脱开，依靠内部的光伏、储能作为电源独立带负荷运行，并能实现相邻能源子网的能量互济。

图2 交流引线直流组网供电拓扑结构

3 车路协同一体化系统

在车路协同一体化系统中，基于5G的物联通信技术十分关键，由于5G通信技术的超高可靠性和低延时，使得车路协同无人驾驶的实现成为可能[9]。5G物联通信的稳定性是车路协同中必不可少的一环，通信过程要求实时，不可中断，因此对5G物联通信的质量有很大的要求，需要综合考虑基站的安装密度，实现较高的可靠性。

如图3所示，路侧智能前端采集设备将采集的路况信息通过有线的方式与路侧通信单元（RSU）和路侧协同单元（RCU）进行信息交互；路侧通信单元将路况信息通过5G基站对智能网联汽车和车路协同云平台发布；智能网联汽车得到路况信息反馈，做出驾驶预判，实现车路协同无人驾驶的可靠性与安全性。路侧通信单元和路侧协同单元具有边缘计算能力，可以实现对智能前端采集设备采集的信息进行识别、提取、转换、分析。车路协同云控平台集成视频监控系统、交通流量检测系统、信号控制系统等交通业务系统，帮助管理者实时了解路网的运行状况及其变化规律，为自动驾驶车辆提供可靠的预测和规划决策，为交通管理决策部门提供道路交通状况远程实时监控。通过视频监控系统、检测系统、移动终端等实现对交通基础设施的信息化管理，帮助管理人员全面感知和监测基础设施状态，为交通基础设施安全管理和养护管理提供支持，提高交通运行管理水平和服务保障能力[10]。

图3 车路协同一体化系统通信组网示意图

4 结 语

随着自动驾驶技术的快速发展，无人驾驶在单车智能方面取得了很大的突破，但以AI为核心的单车智能仍存在许多局限性，与单纯依靠单车智能相比，基于5G通信的车路协同则可极大地提升行车安全，提高交通系统运行效率，降低车载设备成本，从而促进无人驾驶的快速落地。本文提出一种基于低压直流供电的车路协同一体化系统，将单车智能与智能路网进行有机结合，实时进行信息交互，实现人、车、路、云的一体化运行监测，改变现阶段传统交通带来的各种问题和困扰，极大地推动了交通行业的发展。