市政路灯智能汽车充电桩一体化解决方 案 随着汽车工业飞速发展,我国石油消耗对外依存度持续 升高,2013 年已达 58.1%,石油短 缺局面日益加剧。 电动汽车发展对我国具有重大意义,一方面可以提高 电能替代,有效减少单位 GDP 能耗,另一方面可以有效破解环 境约束,解决雾霾等大气污染问题。尽管国家已出台一系列 支持 政策,然而电动汽车的普及和推广终究未能有实质性进展,主要 是由于基础设施 (如充电桩、充电站等)建设相对滞后,致使充电不便,最终直接导致消费者对电动汽车望而却步。 提出了一种基于 LED 市政路灯和电动汽车充电桩的一体化设计方案,可有效利用市政路灯改 造后节省出来的配电容 量安装直流充电桩。广泛分布于城市街道的一体化充电桩在保证道路高效 照明的同时,为电动汽车充放电提供接口,具有保护、 监测、控制、通信、计量等功能,便于主站系统实现对路灯和电 动汽车充放电状态的远程监测和 控制。该方案可行性强,适合大 规模推广,能够很好地解决充电桩、充电站建设过程中征地难的 问题,但是该方案基于传统的 GPRS 等无线通信方式,一方面长 期使用公网租赁费用较 高,另一 方面若要安装视频监控等对数据传输速率要求较高的设备,将无法满足实际实时通信的需求。 基于此,本文提出了基于 CM520-8 无线通信专网的 路灯充电桩一体化系统,利用 CM5208 无线通信专网代 替 GPRS 等公网,由于该专网具有数据传输速率快、时延小、成 本低廉、支持 海量实时用户等特点,因而能很好地支持视频监控 等功能。 一体化系统总体设计方案 系统结构 系统主要包括市政路灯充电桩一体化设备、低压直流供电网 络、CM520-8 无线通信网络、主站监 控系统、电源系统、 数据中心等,系统结构如图 1 所示。 市政路灯充电桩一体化设备兼顾市政路灯和电动汽车充电桩,一方面能以高光效和低能耗为城市 道 路提供照明,另一方面 能够为电动汽车提供直流充电服务;电源系统利用市电集中整流, 同 时利 用风电、光伏太阳能等分布式能源提供直流电源,此外可 以适时利用电动汽车充换电站存储的电 能;低压直流供电网络为 整个系统提供多输入多输出的电力能源配置平台,为电源系统 和 一体化设备、数据中心等用电系统提供有效连接,具有良好的可 靠性和稳定性;CM520-8 无线 通信网络为系统提供可靠、 高速的通信保障,能有效支持控制指令、一体化设备在线状态监测、视 频监控等大量数据的实时传输,并且能节约通信成本;电动汽车充换电站和低压直流供电网络可实现 双向能量流动,即充 换电站的大量电动汽车蓄电池可作为蓄能电站对电力进行存储, 另外当用电 高峰期,可将充换电站存储的电能供给低压直流电网, 有效起到削峰填谷的作用;主站监控系统利用 无线通信模块接收来自一体化设备的实时监测信息,包括路灯开关状态、充电桩工 作状态、视频监 控等数据,对于部分安装了 CM520-8 专 网通信模块的电动汽车,主站监控系统还能接收其发送来 的请求 指令等数据,主站系统可经过控制系统处理,利用通信模块发送 相应的信息;数据中心等 大用户在利用传统市电时,经常需要经 过整流与逆变等多个环节,由于其用电负荷多为直流,直接 利用 低压直流电网的电源可明显减少交直流转换过程中的电能损耗, 因而以数据中心为代表的电 力用户可方便接入系统,并实现良好 的节能效果。 电力流向分析 系统电力流向是从电源侧流向低压直流供电网络,最后流向 以电动汽车和数据中心为主要负 荷的用电侧,如图 2 所示。 电源侧主要包括市电、风电和光伏太阳能等,经过整流或 变压后多端接入低压直流电网。系 统利用的电能主要来自常规 市电,一般为路灯提供电能的常规市电需要进行集中整流,经 变 压、稳压后接入低压直流供电网络。随着新能源的快速发展, 以光伏太阳能、风电为代表的新能 源发电将发挥越来越重要的作用,因此分布式光伏发电(一般为直流电)十分适合直接接 入低压 直流供电网络,为系统提供充足的电力来源。另外,充 换电站内的大量蓄电池可作为本系 统中的 重要电力来源,特别 是在用电高峰时段,可有效弥补电力供应不足,而在用电低谷 时段 可以对充 换电站的储能单元进行充电,此时充换电站作为 用电侧的用电负荷消耗电能。 低压直流供电网络作为整个系统中的中间环节,联系电源和 用电负荷,起到能源配置作用, 并 且比一般交流电网具有一定优 势:一方面随着网络输入端点越来越多,稳定性与可靠性随之增 加, 不会因某一条线路的故障导致整个电网系统的破坏;另一方 面直流电网可为数据中心等用电负荷提 供直流电,减少了多次交 直流转换过程,有效提高能源利用效率,可以实现显著的能源节 约效果。 用电侧主要包括电动汽车、LED 市政路灯充电桩一体化设备 和数据中心等,电动汽车利用一 体化设备可直接对蓄电池进行充 电,无需安装车载充电机,减少成本的同时提高了充电效率, 数 据 中心等直流负荷为主的大用户特别适合于直流供电网络。值得 一提的是,经用户端授权可将电动汽 车车载电池作为分布式储能 单元,根据电网调峰需求适时将电能售于电力公司实现互动,当 晚高 峰结束后由主站管理系统实行统一调配充电,达到削峰填谷 的目的。对于利用率不高的电动汽车而 言,其大部分时间都停放 在车位上,峰谷电价差的存在可以实现良好的经济效益,车主可 以实现 节约甚至免费用电。 通信链路分析 通信系统作为整个充电系统中的重要组成部分,承担着一 体化设备和主站系统、电动汽车和 主站系统的双向通信任务。一 方面路灯充电桩一体化设备可以利用无线通信方式和主站系统进 行 通信,一体化设备将状态监控的数据实时上传到主站系统,主 站系统根据控制系统指令实现对路灯、 充电桩、视频监控等设备 的远程控制;另一方面安装了无线通信模块的电动汽车, 可向主站系统 实时分享目前所在位置、提出充电服务请求、查询附近的 充电桩位置等,主站系统根据其请求指 令发送相应数据。该通 信具有数据量大、实时性高、双向传输、覆盖范围广等 特点, 因而传统的 GPRS 等公网通信方式无法满足需求,可利用 CM520-8 无线通信专网提供通 信服务。 系统通信链路如图 3 所示,电动汽车和一体化设备可以通 过基站发射的信号实现与 CM520-8 核心网的连接,利用无线网络防火墙确保主站系统的安全,通过防火墙后即可访 问主站系统。主站 系统既包括接入服务器、数据服务器等,还 包括一体化设备、视频和电动汽车的监控系统。一体 化设备的 市政路灯状态(开灯或关灯)、充电桩状态(是否在充电、充 电多久等)可以实时上 传到主站系统,并能实现主站系统对设 备的远程即时监控。 市政路灯充电桩一体化设备 市政路灯充电桩一体化设备是该系统的核心设备,其结构如 图 4 所示,主要包括电源系统、状 态监控系统、LED 市政路灯系 统、直流充电桩、无线通信系统和控制系统六个部分。 电源系统能够直接利用低压直流供电网络提供直流电源,包 括稳压模块、变压模块和保护模 块等组成部分;状态监测系统包 括充电状态监测模块和路灯状态监测模块等,其作用是监测 直流 充电桩的充电状态,包括是否正在充电、充电模式、充电电流情 况等,路灯状态监测模块可 实现路灯开关情况的监测;LED 市政 路灯和电动汽车充电桩是其最基本的部分,包括 LED 灯、 LED 驱动模块、LED 控制模块等部分;直流充电桩能够直接为电动 汽车蓄电池充电,有效减少 交直流转换导致的电能损耗,并且可 以使电动汽车摆脱车载充电机的束缚,具体包括充电管理系 统、 过压保护模块、过流保护模块、计量计费系统等部分;无线通信 模块包括基于 CM520-8 无 线通信技术的无线发送模块和 无线接收模块,发送模块利用无线通信模块实现当前充电状态、 LE D 路灯状态等信息的实时上传,便于主站统一管理和监控,接收模块接收来自主站系统的信息从 而实现对 LED 路灯和充电桩 的控制;控制系统主要作用是综合考虑接收到的指令情况、状态 监 控情况,从而确定对设备进行如何控制,具体包括对路灯的控 制、视频的控制和充电桩的控制。 方案优越性分析 一体化设备优越性分析 基于冷光源 LED 市政路灯是智能照明技术发展的重要方向,用 LED 路灯替代以高压钠灯为 代表的传统市政路灯,可在保证 道路照明质量的前提下节约至少 50% 以上的电能。因而, 该设 备 大范围推广将直接节省大量电力能源。 更为重要的是,利用市政路灯所在位置安装路灯充电桩一体 化设备,可在不占用额外土地资 源的前提下,建设电动汽车充电 一体化设备,因而比传统的充电站、充电桩的建设具备显著优势。 直流充电桩可以为电动汽车蓄电池直接充电,节省交直流转换环 节,提高了效率并实现电能节约。 视频监控系统,对一些治安重点监控区域,如居民小区、城 区路面、商业中心、娱乐场所、 车 站广场、重点单位等场所实施 远程实时监控,及时了解现场车流、人流及异常情况,并进行 远 程录像备份,是科技强警建设的重要组成部分。因而一体化设备 中的视频监控系统具有重要 意 义,利用 CM520-8 无线通 信系统,可以摆脱 GPRS 等通信方式的带宽约束,实现海量数据的实 时传输。 低压直流供电网络优越性分析 相比较传统的交流供电,该低压直流供电系统在有分布式电 源接入和大量开关电源类负载的 供电系统中显现出诸多优势: (1) 减少电能变换环节,降低损耗。若使用合理电压等级 的直流电源给开关电源类负载、 变频调速类负载以及电子镇流器 光源等负载供电,相应整流电路和功率因数补偿电路都可省去, 同 时还能降低能耗和提高电能质量;直流系统仅存在电阻损耗, 因此整个供电系统的损耗将有望大 幅度降低。 (2) 提高电能质量。将大功率整流器作为直流电源,采用 适当的控制策略,可有效提 高直流系统的稳定性和可靠性,从而 实现供电连续性,保障电能质量。 (3) 有利于新能源消纳。部分风光发电较发达地区出现了 大量弃风限电情况,主要原因 是现有电网对新能源消纳存在“卡 脖子”问题,而光伏太阳能、风力发电容易输出直流电源,因而 低压直流电网能够很好的实现新能源灵活接入,有力支持新能源 发展。 经济效益和节能效益分析 经济效益和节能效益主要体现在以下方面:① LED 市政路 灯比传统高压钠灯节省大量电能; ② 市电集中整流比传统 LED 路灯单独进行整流提高了效率;③直流充电桩使得电动汽车无需安 装车载充电机,节省电动汽车生产成本;④电动汽车利用直流 充电模式比传统车载充电机充电省 去了整流过程,同样提高了能 源利用效率;⑤低压直流供电网络适宜消纳光伏太阳能等新能源, 且能为数据中心等开关电源类负载提供可靠、高效的电能;⑥电 动汽车普及将能有效实现以电代油, 从用户角度分析,可以节省 交通工

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