摘要：電動汽車充電樁項目中為實現(xiàn)節(jié)能目標，減少電能消耗，需要加強電能計量控制和管理，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，分析了電動汽車充電樁電能計量時存在的問題，并提出了相應(yīng)的解決策略，這對充電樁項目的建設(shè)具有實際參考價值。

關(guān)鍵詞：電動汽車；充電樁；電能計量

0引言

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

1 電動汽車充電分類及計量模式

按充電方式區(qū)分，電動汽車主要有有線充電和無線充電 2 種。其中，無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也各有不同，即交流模式下需要配備交流充電機，而直流模式下配備直流充電機［1］。直流充電機不具備電流轉(zhuǎn)換功能，電能傳輸時的損耗小、功率大，在快速充電（以下簡稱“快充"）中的應(yīng)用較多，而快充多用于緊急充電，可能會導(dǎo)致電網(wǎng)負荷在短時間內(nèi)急劇變化，給供電網(wǎng)絡(luò)帶來一定風(fēng)險，并會對電池造成損害。交流充電機一般用于慢速充電，充電時的功率小，能保護電池，延長電池使用壽命。

充電樁作為新型的負荷、電源形式，在應(yīng)用時一般需要接入配網(wǎng)。考慮到實際的使用需求，充電的規(guī)劃和部署規(guī)模較大，給原電網(wǎng)帶來了一定的沖擊。配電網(wǎng)運行時為創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益，要始終保持電能計量精度，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。

電能計量包含交流計量和直流計量，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 饋線直接上傳電動汽車監(jiān)控中心。直流充電模式下往往會引入直流分量，而交流充電模式下引入的是諧波等雜質(zhì)電能，不利于保障電能計量的準確性。

隨著行業(yè)內(nèi)對電能計量的日漸關(guān)注，市場上陸續(xù)出現(xiàn)了各種類型的計量電能表，比較良好的是感應(yīng)式智能型電能表。傳統(tǒng)機械式電能表的保密性不足，在使用中存在竊電風(fēng)險，計量準確度不足；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，在使用中也會受到外部因素的干擾，無法保障計量的準確性。

2電動汽車充電樁對電能計量的沖擊

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)中往往會配置整流裝置，保障電網(wǎng)的正常運行。諧波與波形中的噪聲干擾高度相似，雖然其幅度較小，但是對電網(wǎng)整體運營的危害較大。電動汽車充電系統(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)運行的過程中會產(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電網(wǎng)產(chǎn)生的正面與負面影響［2］。諧波與噪聲波形一樣，電路抖動次數(shù)越多、相鄰抖動的時間間隔越短，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、時間、充電模式等都有緊密聯(lián)系，越接近充電峰值的時間段諧波變化幅度越大，對電流的負面影響也越大。結(jié)合實際經(jīng)驗，一般以奇次諧波產(chǎn)生的電流干擾為主，因此在實際的工作中應(yīng)盡可能減少奇次諧波的產(chǎn)生。

在多臺充電樁同時接入電網(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發(fā)生相位抵消。因此，在接入多臺充電樁的情況下，其諧波電流一般不得超過單臺充電樁的諧波電流，并且諧波電流的大小與數(shù)量同向變化［3］。總之，充電負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)下往往會對原電網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊性負荷，引起波形變形，導(dǎo)致波形呈不規(guī)律的特點，甚至在不同周期內(nèi)波形的幅值、相位、頻率等波動明顯。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，不利于保障電能計量的準確性。在脈沖充電的情況下，計量的準確性是人們關(guān)注的重要問題，脈沖充電對電網(wǎng)邊緣負荷存在突然性壓力，一旦計量結(jié)果的準確度不足將會干擾電網(wǎng)的正常運轉(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，也可能會引起直流分量。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 量 精 度 。 直 流 分 量 的 變 化 梯 度 越大，電能計量結(jié)果與實際值的偏差越大，但在直流分量變化梯度不超過某一限定值的情況下，電能計量結(jié)果雖有偏差，但其偏差非常小，基本上可以忽略不計。

3解決策略

3.1完整采集負荷波形

目前，在新能源汽車行業(yè)發(fā)展的過程中，充電樁電能計量方面出現(xiàn)了很多新理論和新技術(shù)，但計量結(jié)果準確度不高的問題時有發(fā)生，這是當(dāng)前行業(yè)內(nèi)的熱點研究課題。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)備采集電流信號和電壓信號，保持相位的同步性，并測量充電樁運行中的相關(guān)參數(shù)，如電壓、電流、諧波幅值等。現(xiàn)場環(huán)境中需要配備波形記錄儀，為確保該儀器能完成其測量任務(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)；為保障測量結(jié)果準確性，可利用四相三線的接線方式，以連接不同的電能計量點，得到完整、準確的測量數(shù)據(jù)。

充電樁電能計量系統(tǒng)進入工作狀態(tài)后，同步啟動波形記錄儀，實時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)標準，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 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 萬點左右，在處理數(shù)據(jù)時要對 Matlab 進行導(dǎo)入，無法實現(xiàn)編輯功能且文件容量較大；對 txt 格式的數(shù)據(jù)來說 ，讀取速度同樣相對緩慢，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)雜的處理行為無法實現(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分析負荷波形規(guī)律

為判定電動汽車充電樁電能計量時存在的問題并分析其原因，得到科學(xué)的處理方式，相關(guān)人員在實際的工作中需要掌握負荷波形的變化趨勢和規(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、充電、啟動、待機 4 個狀態(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，計算 32 周波、單周波的電流和電壓的大值、小值，終確定諧波含量，分析諧波對電能計量的干擾。

3.2.1交流輸入側(cè)

在分析負荷波形時，需要進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、單周波進行比對，當(dāng)充電樁正式充電時比較電流和電壓的大值與小值波動。總結(jié)各種數(shù)據(jù)參數(shù)可以看出，電流幅值、電壓幅值的信號基本不變，當(dāng)設(shè)備待機時電流較小，基本在 7 A 左右；當(dāng)設(shè)備進入充電情形時，電流將從 7 A 開始逐步變大，但啟動時無明顯沖擊；當(dāng)進入恒流充電狀態(tài)時，設(shè)備長時間穩(wěn)定運轉(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，在此過程中運行也相對穩(wěn)定和可靠。通過綜合對比每一個周波的電流、電壓可以看出，電壓中總諧波含量為 0，停止與啟動時間段內(nèi)的諧波含量大，達 33%，在這一峰值內(nèi)也對應(yīng)著較大的電流波動。

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，初進入啟動階段時電流、電壓都相對固定，即使存在變化，變化幅度也非常小，基本可以忽略不計。充電樁負荷有以下特點：① 充電情況下負荷電流大，為 100 A；② 停止與啟動充電樁時對應(yīng)的交流輸入側(cè)諧波電流大，但狀態(tài)轉(zhuǎn)變進入充電情形時電流諧波含量呈現(xiàn)下降趨勢，基本在 3% 左右，整個過程中的電流諧波非常小；③ 充電樁處于待機狀態(tài)時，功率因數(shù)減小；④ 當(dāng)處于直流輸出側(cè)時，諧波含量偏低，對電能計量的影響微乎其微。

3.3加強環(huán)境溫度管理

交流充電樁工作時溫度也是需要關(guān)注的重要指標，當(dāng)溫度存在較大幅度的波動時，充電樁示數(shù)誤差也會隨之有所變化。以某一充電樁為分析對象，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，將產(chǎn)生溫度漂移現(xiàn)象，如金屬膜電阻器、穩(wěn)壓管、計量芯片等元器件；充電樁內(nèi)部的晶振頻率對溫度非常敏感，只要溫度有變化，晶振頻率也會發(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)境濕度變化并不會干擾充電樁的晶振電路。為此，為控制充電樁的電能計量誤差，需要關(guān)注充電樁的工作溫度。

4安科瑞充電樁收費運營云平臺

4.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預(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)用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實業(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。

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)議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進行電能計量和保護。

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)器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

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平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

4.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

4.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、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實時監(jiān)控

實時監(jiān)視充電設(shè)施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(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

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、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信息。

4.4.4故障管理

設(shè)備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發(fā)處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結(jié)果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

4.4.5統(tǒng)計分析

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

4.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設(shè)施，維護充電設(shè)施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。4.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數(shù)設(shè)置，同時可接收故障推送

  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

  隨著我國電動汽車的高速發(fā)展，充電樁的電能 計量問題逐步受到了消費者的關(guān)注。本文從電動汽車充電方式與計量模式出發(fā)，得出充電樁對電能 計量存在一定沖擊的結(jié)論。為從根本上減小誤差，提高計量結(jié)果的準確性，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量問題。

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