本文提出了一类市政路灯和电动汽车充电桩的一体化系统，充分利用市电、风电、光伏太阳能等 多种电力能源，并网接入低压直流供电网络，实现能源高效、优化配置，为一体化设备和数据中 心 等负荷提供稳定直流电源，利用 TD-LTE230MHz 无线通信专网实现主站系统与一体化设备、 电动汽车的实时通信，实现充电调度、路灯控制、视频监控等功能。 市政路灯和电动汽车充电桩的 一体化系统研究 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 TD-LTE230MHz 无线通信专网 的 路灯充电桩一体化系统，利用 TD-LTE230MHz 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 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 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、TD-LTE230MHz 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 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 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 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 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、 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。 文献 [4] 提出了一种基于 LED 市政路灯和电动汽车充电桩的 24 电 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； TD-LTE230MHz 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 DISTRIBUTI ON & UTIL IZAT ION 图 1 路灯充电桩一体化系统结构图 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 TDLTE230MHz 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 作用，因此分布式光伏发电（一般为直流电）十分适合直接接 低压直流供电网络，为系统提供充足的电力来源。另外，充 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 在用电高峰时段，可有效弥补电力供应不足，而在用电低谷 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 电侧的用电负荷消耗电能。 入 换 是 时 用 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 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。 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。 图 2 电力流向示意图 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 电源侧主要包括市电、风电和光伏太阳能等，经过整流或 变 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 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， 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 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 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 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 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 能、风电为代表的新能源发电将发挥越来越重要的 程控制；另一方面安装了无线通信模块的电动汽车，可向主 供用电 25 Sp eci al Fe atu re 3 特别策划 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 TD-LTE230MHz 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、 LED 路灯状态等 图 3 通信链路示意图 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 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 TD-LTE230MHz 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 TD-LTE230MHz 核心网的连接，利 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， 图 4 一体化设备结构图 26 电 DISTRIBUTI ON & UTIL IZAT ION 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 TD-LTE230MHz 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 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