摘要：電動(dòng)汽車充電樁項(xiàng)目中為實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，減少電能消耗，需要加強(qiáng)電能計(jì)量控制和管理，以創(chuàng)造公平、有序的電能交易環(huán)境，為新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造良好的發(fā)展環(huán)境。為此，分析了電動(dòng)汽車充電樁電能計(jì)量時(shí)存在的問題，并提出了相應(yīng)的解決策略，這對(duì)充電樁項(xiàng)目的建設(shè)具有實(shí)際參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；充電樁；電能計(jì)量

0引言

目前，隨著國(guó)家能源戰(zhàn)略的調(diào)整，低碳經(jīng)濟(jì)成為了各行業(yè)的重要發(fā)展目標(biāo)。為符合低碳環(huán)保的發(fā)展目標(biāo)，各行各業(yè)都在大力推行新能源的應(yīng)用，以降低碳排放，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。近年來(lái)，我國(guó)的電動(dòng)汽車發(fā)展迅速，為滿足汽車充電需求，充電樁數(shù)量持續(xù)增多，但由于電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展尚不成熟，在充電樁電能計(jì)量方面還存在一系列問題，這是未來(lái)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中需要關(guān)注的。

1 電動(dòng)汽車充電分類及計(jì)量模式

按充電方式區(qū)分，電動(dòng)汽車主要有有線充電和無(wú)線充電 2 種。其中，無(wú)線充電僅在微波技術(shù)方面有所發(fā)展，但微波技術(shù)受距離限制較大，在新能源汽車產(chǎn)業(yè)中并未大范圍推廣，因此電動(dòng)汽車主要還是采用電纜有線充電的方式。

按充電模式區(qū)分，電動(dòng)汽車可分為交流和直流2 種充電模式，不同的模式下配備的充電機(jī)也各有不同，即交流模式下需要配備交流充電機(jī)，而直流模式下配備直流充電機(jī)［1］。直流充電機(jī)不具備電流轉(zhuǎn)換功能，電能傳輸時(shí)的損耗小、功率大，在快速充電（以下簡(jiǎn)稱“快充"）中的應(yīng)用較多，而快充多用于緊急充電，可能會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷在短時(shí)間內(nèi)急劇變化，給供電網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)一定風(fēng)險(xiǎn)，并會(huì)對(duì)電池造成損害。交流充電機(jī)一般用于慢速充電，充電時(shí)的功率小，能保護(hù)電池，延長(zhǎng)電池使用壽命。

充電樁作為新型的負(fù)荷、電源形式，在應(yīng)用時(shí)一般需要接入配網(wǎng)。考慮到實(shí)際的使用需求，充電的規(guī)劃和部署規(guī)模較大，給原電網(wǎng)帶來(lái)了一定的沖擊。配電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)為創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益，要始終保持電能計(jì)量精度，一旦電能存在諧波或其他干擾，必將影響電網(wǎng)的配電質(zhì)量及安全。

電能計(jì)量包含交流計(jì)量和直流計(jì)量，分別需要配置交流電能表和直流電能表，均部署在用采端，通過配網(wǎng) 10 kV 饋線直接上傳電動(dòng)汽車監(jiān)控中心。直流充電模式下往往會(huì)引入直流分量，而交流充電模式下引入的是諧波等雜質(zhì)電能，不利于保障電能計(jì)量的準(zhǔn)確性。

隨著行業(yè)內(nèi)對(duì)電能計(jì)量的日漸關(guān)注，市場(chǎng)上陸續(xù)出現(xiàn)了各種類型的計(jì)量電能表，比較先進(jìn)的是感應(yīng)式智能型電能表。傳統(tǒng)機(jī)械式電能表的保密性不足，在使用中存在竊電風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)量準(zhǔn)確度不足；感應(yīng)式智能型電能表具有電磁感應(yīng)特性，其中的互感器可將電網(wǎng)高位電流電壓向低位數(shù)值轉(zhuǎn)換。但是，即使感應(yīng)式智能型電能表的智能化程度較高，在使用中也會(huì)受到外部因素的干擾，無(wú)法保障計(jì)量的準(zhǔn)確性。

2電動(dòng)汽車充電樁對(duì)電能計(jì)量的沖擊

2.1充電諧波污染

諧波污染是電路中較常見且危害較大的干擾因素。為有效減小諧波污染，配電網(wǎng)中往往會(huì)配置整流裝置，保障電網(wǎng)的正常運(yùn)行。諧波與波形中的噪聲干擾高度相似，雖然其幅度較小，但是對(duì)電網(wǎng)整體運(yùn)營(yíng)的危害較大。電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的構(gòu)成復(fù)雜，其中包含了各種電子元器件，系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行的過程中會(huì)產(chǎn)生非線性諧波，而諧波多以正弦或余弦分量表示，相位的奇偶性就是其對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的正面與負(fù)面影響［2］。諧波與噪聲波形一樣，電路抖動(dòng)次數(shù)越多、相鄰抖動(dòng)的時(shí)間間隔越短，表明諧波幅度變化較小。諧波的引入與充電樁并網(wǎng)數(shù)量、時(shí)間、充電模式等都有緊密聯(lián)系，越接近充電峰值的時(shí)間段諧波變化幅度越大，對(duì)電流的負(fù)面影響也越大。結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，一般以奇次諧波產(chǎn)生的電流干擾為主，因此在實(shí)際的工作中應(yīng)盡可能減少奇次諧波的產(chǎn)生。

在多臺(tái)充電樁同時(shí)接入電網(wǎng)的情況下，正常電流電壓與諧波電壓之間往往存在一定的相位偏移，從而發(fā)生衰減效應(yīng)，而不同充電樁電路相位會(huì)發(fā)生相位抵消。因此，在接入多臺(tái)充電樁的情況下，其諧波電流一般不得超過單臺(tái)充電樁的諧波電流，并且諧波電流的大小與數(shù)量同向變化［3］?？傊?，充電負(fù)荷為決定諧波電流幅值的重要因素，但相位偏移情況則由接入的充電樁數(shù)量決定。

2.2沖擊脈沖

充電樁在快充狀態(tài)下往往會(huì)對(duì)原電網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊性負(fù)荷，引起波形變形，導(dǎo)致波形呈不規(guī)律的特點(diǎn)，甚至在不同周期內(nèi)波形的幅值、相位、頻率等波動(dòng)明顯。在電流脈沖功率變化梯度持續(xù)加快的情況下，電力系統(tǒng)的電壓易出現(xiàn)閃變現(xiàn)象，形成電流波形峰谷，不利于保障電能計(jì)量的準(zhǔn)確性。在脈沖充電的情況下，計(jì)量的準(zhǔn)確性是人們關(guān)注的重要問題，脈沖充電對(duì)電網(wǎng)邊緣負(fù)荷存在突然性壓力，一旦計(jì)量結(jié)果的準(zhǔn)確度不足將會(huì)干擾電網(wǎng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至引發(fā)充電事故。脈沖幅值較高的情況下，諧波成分與常規(guī)電流相接近，但各次諧波含量相對(duì)同功率恒流充電的諧波含量較高［4］。在脈沖幅值較大的情況下，諧波中同時(shí)存在整流特征諧波、間諧波、奇次諧波，如果充電幅值持續(xù)增大，諧波構(gòu)成將更加復(fù)雜，包含的諧波類型更多。

2.3直流分量影響

電動(dòng)汽車充電樁在接入電網(wǎng)的情況下，直流充電樁將引入直流分量，交流充電樁處于突發(fā)性充電狀態(tài)時(shí)，也可能會(huì)引起直流分量。直流分量是造成電磁互感器磁偏現(xiàn)象的重要原因，形成的光雙折射使鐵芯中的電磁感應(yīng)恒定，不利于保障二 次 電 流 的 計(jì) 量 精 度 。 直 流 分 量 的 變 化 梯 度 越大，電能計(jì)量結(jié)果與實(shí)際值的偏差越大，但在直流分量變化梯度不超過某一限定值的情況下，電能計(jì)量結(jié)果雖有偏差，但其偏差非常小，基本上可以忽略不計(jì)。

3解決策略

3.1完整采集負(fù)荷波形

目前，在新能源汽車行業(yè)發(fā)展的過程中，充電樁電能計(jì)量方面出現(xiàn)了很多新理論和新技術(shù)，但計(jì)量結(jié)果準(zhǔn)確度不高的問題時(shí)有發(fā)生，這是當(dāng)前行業(yè)內(nèi)的熱點(diǎn)研究課題。相關(guān)人員需要在有條件的情況下構(gòu)成符合負(fù)荷波形采集要求的環(huán)境條件，在其中配備波形記錄儀，使其頻率為 500 kHz，由該設(shè)備采集電流信號(hào)和電壓信號(hào)，保持相位的同步性，并測(cè)量充電樁運(yùn)行中的相關(guān)參數(shù)，如電壓、電流、諧波幅值等?，F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中需要配備波形記錄儀，為確保該儀器能完成其測(cè)量任務(wù)，應(yīng)遵循相應(yīng)的安裝與操作規(guī)范，如用外接入型電壓探頭獲取和采集電壓數(shù)據(jù)，利用鉗式電流互感器采集電流參數(shù)；為保障測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性，可利用四相三線的接線方式，以連接不同的電能計(jì)量點(diǎn)，得到完整、準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。

充電樁電能計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)后，同步啟動(dòng)波形記錄儀，實(shí)時(shí)采集電流與電壓信息；由于采集到的信息格式不符合系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，需要將采集到的信息轉(zhuǎn)化為 MEM 文件保存，后期利用設(shè)備讀取該數(shù)據(jù)再將其轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可識(shí)別的 txt或 CSV 文件，依靠 Matlab 軟件深入分析、挖掘數(shù)據(jù)，得到可靠的結(jié)論。對(duì) CSV 格式的數(shù)據(jù)而言，讀取速度較慢，能有效顯示的數(shù)據(jù)范圍受限一般為 105 萬(wàn)點(diǎn)左右，在處理數(shù)據(jù)時(shí)要對(duì) Matlab 進(jìn)行導(dǎo)入，無(wú)法實(shí)現(xiàn)編輯功能且文件容量較大；對(duì) txt 格式的數(shù)據(jù)來(lái)說 ，讀取速度同樣相對(duì)緩慢，同樣需將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab，數(shù)據(jù)處理速率較低，一些較為復(fù)雜的處理行為無(wú)法實(shí)現(xiàn)。而 Matlab 數(shù)據(jù)相較于這 2 種數(shù)據(jù)格式的讀取速度快，其可顯示的數(shù)據(jù)量較大，能夠被編輯、處理后直接利用。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法如圖 1所示。

3.2分析負(fù)荷波形規(guī)律

為判定電動(dòng)汽車充電樁電能計(jì)量時(shí)存在的問題并分析其原因，得到科學(xué)的處理方式，相關(guān)人員在實(shí)際的工作中需要掌握負(fù)荷波形的變化趨勢(shì)和規(guī)律。以直流充電樁為例，在保持其他參數(shù)不變的狀態(tài)下，變化充電樁的工作情形，主要包含停機(jī)、充電、啟動(dòng)、待機(jī) 4 個(gè)狀態(tài)，采集工頻交流輸入側(cè)電流、電壓的波形曲線，以及直流輸出側(cè)電流、電壓的波形曲線，借助軟件展開數(shù)據(jù)分析與判定。根據(jù)數(shù)據(jù)采集結(jié)果，不同時(shí)段內(nèi)的電流與電壓各有不同，相關(guān)人員在軟件輔助下分析數(shù)據(jù)，得到其他參數(shù)相同、狀態(tài)不同情況下電流和電壓的變化趨勢(shì)，計(jì)算 32 周波、單周波的電流和電壓的大值、小值，終確定諧波含量，分析諧波對(duì)電能計(jì)量的干擾。

3.2.1交流輸入側(cè)

在分析負(fù)荷波形時(shí)，需要進(jìn)一步捕捉電參量的暫態(tài)及常態(tài)下的參數(shù)變化，選定 32 周波、單周波進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)充電樁正式充電時(shí)比較電流和電壓的大值與小值波動(dòng)?？偨Y(jié)各種數(shù)據(jù)參數(shù)可以看出，電流幅值、電壓幅值的信號(hào)基本不變，當(dāng)設(shè)備待機(jī)時(shí)電流較小，基本在 7 A 左右；當(dāng)設(shè)備進(jìn)入充電情形時(shí)，電流將從 7 A 開始逐步變大，但啟動(dòng)時(shí)無(wú)明顯沖擊；當(dāng)進(jìn)入恒流充電狀態(tài)時(shí)，設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)；結(jié)束充電后的 1～2 s 內(nèi)電流從原先的峰值開始減小，在此過程中運(yùn)行也相對(duì)穩(wěn)定和可靠。通過綜合對(duì)比每一個(gè)周波的電流、電壓可以看出，電壓中總諧波含量為 0，停止與啟動(dòng)時(shí)間段內(nèi)的諧波含量大，達(dá) 33%，在這一峰值內(nèi)也對(duì)應(yīng)著較大的電流波動(dòng)。

3.2.2 直流輸出側(cè)

交流輸入側(cè)、直流輸出側(cè)的電流、電壓波形曲線高度一樣，初進(jìn)入啟動(dòng)階段時(shí)電流、電壓都相對(duì)固定，即使存在變化，變化幅度也非常小，基本可以忽略不計(jì)。充電樁負(fù)荷有以下特點(diǎn)：① 充電情況下負(fù)荷電流大，為 100 A；② 停止與啟動(dòng)充電樁時(shí)對(duì)應(yīng)的交流輸入側(cè)諧波電流大，但狀態(tài)轉(zhuǎn)變進(jìn)入充電情形時(shí)電流諧波含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，基本在 3% 左右，整個(gè)過程中的電流諧波非常??；③ 充電樁處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，功率因數(shù)減??；④ 當(dāng)處于直流輸出側(cè)時(shí)，諧波含量偏低，對(duì)電能計(jì)量的影響微乎其微。

3.3加強(qiáng)環(huán)境溫度管理

交流充電樁工作時(shí)溫度也是需要關(guān)注的重要指標(biāo)，當(dāng)溫度存在較大幅度的波動(dòng)時(shí)，充電樁示數(shù)誤差也會(huì)隨之有所變化。以某一充電樁為分析對(duì)象，改變其輸出電流的大小，示數(shù)誤差不變，但若調(diào)整其溫度大小，示數(shù)誤差有變化但幅度非常小。交流充電樁內(nèi)包含各種內(nèi)部元件，如果這些元件所處的環(huán)境溫度有所波動(dòng)，將產(chǎn)生溫度漂移現(xiàn)象，如金屬膜電阻器、穩(wěn)壓管、計(jì)量芯片等元器件；充電樁內(nèi)部的晶振頻率對(duì)溫度非常敏感，只要溫度有變化，晶振頻率也會(huì)發(fā)生變化，如果系統(tǒng)疊加的誤差次數(shù)較多，示數(shù)誤差波動(dòng)明顯，電流與電壓的累積量形成充電電量誤差。值得指出的是，環(huán)境濕度變化并不會(huì)干擾充電樁的晶振電路。為此，為控制充電樁的電能計(jì)量誤差，需要關(guān)注充電樁的工作溫度。

4安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)

4.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的電動(dòng)電動(dòng)自行車充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢等。同時(shí)對(duì)充電機(jī)過溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)行預(yù)警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

4.2應(yīng)用場(chǎng)所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.3.1系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)中心層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)中心層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費(fèi)平臺(tái)。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區(qū)充電平臺(tái)功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶提供充電小程序。

4.4安科瑞充電樁云平臺(tái)系統(tǒng)功能

4.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對(duì)設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設(shè)備使用率，合理分配資源。

4.4.2實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓/電流，充電樁告警信息等。

4.4.3交易管理

平臺(tái)管理人員可管理充電用戶賬戶，對(duì)其進(jìn)行賬戶進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細(xì)信息。

4.4.4故障管理

設(shè)備自動(dòng)上報(bào)故障信息，平臺(tái)管理人員可通過平臺(tái)查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運(yùn)維人員可通過運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報(bào)。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場(chǎng)問題。

4.4.5統(tǒng)計(jì)分析

通過系統(tǒng)平臺(tái)，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等。

4.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺(tái)建立運(yùn)營(yíng)商戶，運(yùn)營(yíng)商可建立和管理其運(yùn)營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。4.4.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)維人員使用，可以對(duì)站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時(shí)可接收故障推送

  4.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設(shè)備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

4.5系統(tǒng)硬件配置

5結(jié)語(yǔ)

  隨著我國(guó)電動(dòng)汽車的高速發(fā)展，充電樁的電能 計(jì)量問題逐步受到了消費(fèi)者的關(guān)注。本文從電動(dòng)汽車充電方式與計(jì)量模式出發(fā)，得出充電樁對(duì)電能 計(jì)量存在一定沖擊的結(jié)論。為從根本上減小誤差，提高計(jì)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，有關(guān)部門可參考本文得出的結(jié)論，制定相應(yīng)措施解決充電樁電能計(jì)量問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳旭東,倪靜 . 電動(dòng)汽車充電樁集中式電能規(guī)劃技術(shù)研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化,2022,12(11):2.

[2] 楊樂,帕孜來(lái)·馬合木提 . 基于改進(jìn)的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)充電站諧波檢測(cè) [J]. 現(xiàn)代 電子技術(shù) ,2021,44(5):5.

[3] 周賢富,尤子龍,李靜,等 . 基于 DSP+ARM的直流充電樁高精度電能表的研究[J]. 電測(cè)與儀表,2021,58(2):5.

[4] 孫可慧,劉國(guó)鵬,李少雄,等 . 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的電動(dòng)汽車充電站電能質(zhì)量分析方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2021,49(2):15.

[5]  康艷，電動(dòng)汽車充電樁電能計(jì)量問題分析.

[6]   安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2022.05版.