电动汽车跨区域互联运营通信网络组网方案与实践

孔历波，郑正仙，何春林，李 燕，杜力宇

（国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州 310009）

电动汽车跨区域互联运营通信网络组网方案与实践

孔历波，郑正仙，何春林，李 燕，杜力宇

（国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州 310009）

结合长三角地区苏沪杭城际互联工程实践经验，开展跨区域、动态接入、多模的电动汽车智能充换电服务通信网络组网模式研究，形成充换电站、电动汽车、充电桩等终端单元通信网络接入解决方案，为建设覆盖全国的电动汽车充换电服务网络提供参考。

电动汽车；城际互联；跨区域通信；组网技术

0 引言

作为电动汽车大规模商业化的必要条件，只有大力发展电动汽车充换电服务网络，才能为电动汽车的安全可靠运行提供强有力的保障[1]。沿跨城际高速公路、国道、省际公路的部署电动汽车充换电服务网络是保证电动汽车跨区域运行的重要解决方案，通过在主干道路上无缝隙、全覆盖式建立智能充换电站，实现电动汽车的跨区域互联运营，为建设覆盖全国的电动汽车充换电服务网络起到示范作用。

为能实现电动汽车在城际间的互联互通运行，国家电网公司于2011年初开始在苏沪杭（苏州-上海-杭州）高速公路服务区部署建设充换电站，作为我国首个互联试点工程，也为长三角地区电动汽车充换电服务网络建设打下坚实的基础[2]。结合长三角地区苏沪杭城际互联工程实践经验，开展跨区域、动态接入、多模的电动汽车智能充换电服务通信网络组网模式研究，包括跨城际高速公路、国道、省际公路的通信覆盖组网模式、区域通信网混合组网模式以及站级通信解决方案；研究电动汽车智能充换电服务网络通信融合技术实现方案，解决多种应用场景下电力无线宽带、移动通信网、无线传感网等不同通信网络的异构互联和协同通信问题，建立跨区域、动态接入、多模的电动汽车智能充换电服务通信网络，形成充换电站、电动汽车、充电桩等终端单元通信网络接入解决方案。

1 电动汽车跨区互联运营网络通信需求

以苏沪杭电动汽车城际互联建设为研究依据，通信网络要实现苏沪杭城际互联网络中各站点、终端与电动汽车运营管理系统的互联互通，以支撑电动汽车业务运营及生产监控与管理有序运行，实现在城市区域和省际城际的电动汽车无缝提供服务。

1.1 电动汽车智能充换电服务网络架构[3]

电动汽车智能充换电服务网络通过总部、省、地市、站4级业务应用分层，为电动汽车用户提供全覆盖的充换电服务，每个业务应用层主要职能如下：

（1）总部运营管理负责收集、汇总全部所辖电动汽车智能充换电服务网络的运营状况和资产状况等宏观统计信息，为各省级运营管理单位提供跨区域清分结算平台。

（2）省级运营管理负责对本省所辖的电动汽车智能充换电运营网络进行监控和管理，收集、保存所辖网络的客户信息，运营结算信息及服务网络运行信息；并对这些海量数据进行分析，为业务运营提供决策依据；同时向总部提交跨区域清分结算数据、运营数据及设备资产状况等数据。

（3）地市运营管理对本地市所辖的电动汽车智能充换电服务网络运营进行监控和管理，负责区域内电动汽车充换电服务的运营，并向省级提交运营数据及设备资产状况等汇总数据。

（4）站级管理是地市级单位直接管理，负责本站点的对外服务，生产运行等业务工作，是设备终端的单位，也是整个网络的底层单位。

为实现苏沪杭电动汽车城际互联运营，必须解决省级与总部之间的数据通信和高速公路等偏远站点与省级运营中心的数据通信问题。

1.2 电动汽车跨区互联网络架构

苏沪杭城际互联网络分为接入网和核心网2部分。依托现有电力通信网络资源，通过在各节点增加路由器、交换机与防火墙，实现电动汽车服务网络统一成网、独立成域的运营需求，其架构如图1所示。

接入网：是指从苏沪杭三省市各城市区域、高速沿线的充换电站站点到省级运营管理系统之间的通信网络，实现各站点与省级运营管理系统的互联互通，其建设方式可采用自建电力专网或者租用公网。

核心网：是指从苏沪杭三省市省级运营管理系统到总部级运营管理系统之间的通信网络，实现苏沪杭省级运营管理系统与总部运营管理系统的互联互通，其建设采用自建电力专网方式。

整个苏沪杭城际互联网络组网关键在于采用多种通信方式动态地将不同应用场景、不同网络条件下的各种设备接入电动汽车智能充换电服务网络。

2 电动汽车跨区互联运营网络通信解决方案

图1 苏沪杭城际互联通信部署

基于电动汽车智能充换电服务网络业务通信需求，研究不同应用场景下的多种通信方式融合组网技术，建立包含多种通信模式的支持动态接入的跨区域通信网络。跨区域电动汽车智能充换电通信网络分为3个层级，如图2所示。

一级通信网为电动汽车智能充换电服务网络运营总部和各运营分部之间的通信网络。一级通信网可借助电力专用通信网。如果在全国部署，总部可设在北京，各运营分部设在各直辖市、省会城市，一级通信网可应用国网公司总部—网省之间的骨干光传输网。

对于一级通信网，需要关注的是跨城、跨区域运行中的高速公路、国道、省际公路的通信覆盖问题，由于电力专网依托输电线路架设，许多高速公路、国道、省际公路没有实现电力通信覆盖。无线公网也无法实现全域覆盖。因此解决跨城际、跨区域的通信问题是未来实现电动汽车全国性跨区域运营的重要条件。

二级通信网为电动汽车智能充换电服务网络运营分部与站级之间的通信网络。

二级通信网可应用省级电力专用通信网，对于专网无法覆盖的地区，可借用公网。在二级通信网中，电力专用通信网和公网可互为主备，相互支撑。

接入网采用无线传感网、OPLC（特种电缆）、3G/GPRS/4G/TD LTE等多种通信方式，实现充换电设备、车辆自动识别设备、监控设备等站内设备之间，站内设备与电动汽车、电池之间的信息交互，以及零散式充电桩的网络接入。

2.1 通信方式设计

跨区域的通信网络需要满足各种终端设备在各种场景、不同通信模式下的动态接入：

（1）跨城际、跨区域的通信覆盖及组网。

在跨城、跨区域的国道、省际公路或高速公路上，充换电站一般建立在变电站附近或高速公路服务区，应以复合通信组网技术解决通信覆盖和可靠通信问题。通过充换电站内的多通道通信网关，以有线接入运营商的固网或是附近实现光纤覆盖的变电站，实现灵活接入、无缝切换和互为备用。

（2）站内通信设计[4]。

基于充换电站业务通信需求，分析充换电站内产生无线电干扰的因素，研究站内可靠通信组网技术。综合采用电力线通信、无线传感器网络、电力无线宽带等多种通信方式，实现充换电站内设备之间，站内设备与电动汽车、移动配送车之间的可靠、高效通信。研制基于电力专网、无线传感网、移动通信网等多种通信模式无缝互联的充换电站智能通信网关，深入研究其中的低功耗设计技术、报文路由技术、端口结构设计技术等，从而通过多种接口灵活完成不同通信协议的转换及管理控制，实现充换电站内不同设备、不同系统与外部宽带网络的连接。

（3）充电桩群通信设计。

基于自组网络技术研究充电桩群无线传感器网络的组网技术，保证节点自动根据部署位置和射频环境计算路由，在充电桩群部署区域内成网并以多跳的方式将数据发回，同时以低控制开销优化组网协议，兼顾节点设备的低功耗需求。可采用集中器作为载波通信的中央设备，安装配电变压器低压侧，通过电力线汇聚该配电变压器下所有充电桩的数据，然后通过GPRS等远程通信方式传回到电力公司数据服务器。

图2 跨区域电动汽车充换电服务网络通信结构

（4）电动汽车、移动配送车等通信设计。

基于电动汽车、移动配送车的覆盖范围广、移动速度随机性强的特点，研究其在不同应用场景下的通信方式：在充换电站内可采用WSN，PLC，TD-LTE电力无线专网等通信技术与站内设备进行通信；在行进中可选择租用公网运营商无线网络（3G/GPRS/4G）的方式，或基于路（街）边AP的入网方式，通过WiFi等进行信息传输；在充电位与充电桩进行通信时，根据充电桩所在区域的通信状况，从PLC，WSN，CAN总线3种通信方式中任意选择2种进行组合，两者互为主备，相互支撑。

2.2 接入网建设方案

接入网建设方案应结合站点的部署位置、通信需求进行综合分析，形成了电动汽车城际互联接入网、核心网建设的技术路线。

苏沪杭城际互联接入网需要覆盖城市区域、高速公路上的各充换电站点，可利用国网公司丰富的通信电力网资源，采用自建电力光纤通信网络方式接入电力三级通信网；对确实不具备自建网络条件的站点，可临时租用公网运营商通道进行组网。

城际互联接入网建设可分为上行通道建设、下行通道建设和行政电话部署，依据其采用的网络接入方式不同，具体建设方案如下：

（1）上行通道：充换电站就近接入具备光缆资源的35 kV变电站或110/220 kV变电站，充分利用现有通信资源，建议随电源敷设24芯通信网络光缆。由该变电站的电力传输网接至核心机房，与部署在核心机房内的路由器连通，从而实现个站点与核心节点的互联互通。

在充换电站配置1台与上联节点传输设备类型相对应的传输设备（建议采用MSTP传输设备），在该站点上联节点变电站内利用现有传输设备配置双接口155M传输板卡，MSTP传输设备通过155M上行光口与变电站的155M板卡光口实现对接，构建上行通道。

（2）下行通道：站内MSTP传输设备通过以太接口经由站内路由器，连接到站内交换机以太接口，构建下行通道，实现站内网络的互联互通。

（3）行政电话：在站内部署PCM设备，通过PCM设备E1接口上联至站内的MSTP传输设备，连入各网省公司的行政电话网络，从而实现站内行政电话的拨打。

接入网组网方案拓扑如图3所示。

2.3 核心网建设方案

图3 充换电站自建方式组网方案拓扑

苏沪杭城际互联示范工程核心网络主要涉及3个节点（江苏省、上海市、浙江省）的互联互通。根据苏沪杭城际互联工程的部署特点，该示范工程核心网络建设采用自建方式，构建以苏州为总部、上海与杭州汇聚于苏州的网络构架。同时，为了确保网络架构的高度健壮性，打通上海节点与杭州节点链路，形成如图4所示的环状结构。

图4 核心网组网方案拓扑

根据对电动汽车通信的需求分析，充换电站业务类型有视频监控、充换电业务信息以及行政电话。其中视频监控约占2 M带宽；充换电业务信息约占1 M带宽；行政电话不占核心网络链路带宽，将直接进入各网省公司行政电话系统；而每个充换电站的视频监控一般为4路，因此带宽合计为9 M。该核心网络建设将调用华东地区传输资源，以10 M带宽链路为前期建设基础。核心网络建设中，充分利用华东地区已有的传输资源，在苏州、上海、杭州的省运营中心各配置2台协议转换设备，从骨干传输设备分配2条5×2 M链路，分别经不同协议转换器转换为以太接口接入路由器，形成双层保护机制，实现苏沪杭城际骨干网络互联互通。为了保证电动汽车运营业务数据的可靠性和通信持续性，苏沪杭城际互联核心网络构建成环状拓扑结构形式。

苏沪杭城际互联工程通信核心网络建设将建成以苏州至上海、上海至杭州、杭州至苏州的环形网络，整个网络将部署OSPF动态路由协议，使全网路由信息可达，从而动态进行最佳路径选择。其中，IP地址规划将遵循业务规范。核心网络建设时充分考虑网络安全因素，电动汽车运营管理系统与内网其他信息系统对接时，利用防火墙隔离装置隔离不同的业务域，防止对电动汽车运营内网信息安全构成威胁。

苏沪杭城际互联工程涉及杭州、上海和苏州5个高速公路服务区的9座电动汽车智能充换电站，于2011年11月25日通过验收，是我国第一个跨省区运行的电动汽车城际互联工程[5]，2012年2月8日起，该工程正式进入车辆试运行测试阶段，测试表明本通信网络建设方案为电动汽车城际运营数据的互联和共享提供了保障。

3 结语

苏沪杭城际互联工程通信组网充分依托国家电网公司丰富的电力骨干通信网资源，按照统一规划、统一标准、统筹资源的原则，统一实施、统一调试，进行苏沪杭城际互联核心网建设。接入网建设开展应因地制宜，满足电动汽车城际互联网络运营需要。在站点建设时同步敷设光缆并作调试，为站点实现光纤接入通信打好基础；对于目前无法采用自建方式的站点，租用运营商网络，并同步做好安全部署。

苏沪杭城际互联工程通信组网方案研究了跨区域、动态接入、多模的电动汽车智能充换电服务通信网络组网模式，为未来全国区域更大范围部署电动汽车智能充换电服务网络提供了示范性的解决方案。

[1]贾俊国.电动汽车智能充换电服务网络建设与运营[J].电力需求侧管理，2011（2）∶50-51.

[2]寇英刚，许庆强，金胜利，等．充换电站苏沪杭城际互联方案和工程难点[J]．江苏电机工程，2012，31（4）∶55-57．

[3]陆凌蓉，文福拴，薛禹胜，等.电动汽车智能网络控制系统及通信机制设计[J].电力系统自动化，2012，36（20）∶44-49

[4]潘磊，姜久春，牛利勇.电动汽车充电站通讯网络及接口设计[J].微计算机信息，2005，21（2）∶152-153.

[5]郑正仙，马建伟，张帆.电动汽车充换电城际互联服务网络的清分结算研究[J].浙江电力，2013，32（12）∶9-12.

（本文编辑：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

孔历波（1976），女，工程师，从事电动汽车运营管理工作。