摘要：電動汽車充電樁項目中為實現節(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，并提出了相應的解決策略，這對充電樁項目的建設具有實際參考價值。

關鍵詞：電動汽車；充電樁；電能計量

0引言

目前，隨著國家能源戰(zhàn)略的調整，低碳經濟成為了各行業(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用，以降低碳排放，實現可持續(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，充電樁數量持續(xù)增多，但由于電動汽車技術發(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業(yè)發(fā)展中需要關注的。

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方面有所發(fā)展，但微波技術受距離限制較大，在新能源汽車產業(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"）中的應用較多，而快充多用于緊急充電，可能會導致電網負荷在短時間內急劇變化，給供電網絡帶來一定風險，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，在應用時一般需要接入配網?？紤]到實際的使用需求，充電的規(guī)劃和部署規(guī)模較大，給原電網帶來了一定的沖擊。配電網運行時為創(chuàng)造更大的經濟效益，要始終保持電能計量精度，一旦電能存在諧波或其他干擾，必將影響電網的配電質量及安全。

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 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電能，不利于保障電能計量的準確性。

隨著行業(yè)內對電能計量的日漸關注，市場上陸續(xù)出現了各種類型的計量電能表，比較先進的是感應式智能型電能表。傳統(tǒng)機械式電能表的保密性不足，在使用中存在竊電風險，計量準確度不足；感應式智能型電能表具有電磁感應特性，其中的互感器可將電網高位電流電壓向低位數值轉換。但是，即使感應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，配電網中往往會配置整流裝置，保障電網的正常運行。諧波與波形中的噪聲干擾高度相似，雖然其幅度較小，但是對電網整體運營的危害較大。電動汽車充電系統(tǒng)的構成復雜，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產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數量、時間、充電模式等都有緊密聯系，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。結合實際經驗，一般以奇次諧波產生的電流干擾為主，因此在實際的工作中應盡可能減少奇次諧波的產生。

在多臺充電樁同時接入電網的情況下，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，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量同向變化［3］?？傊?，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)下往往會對原電網產生較大的沖擊性負荷，引起波形變形，導致波形呈不規(guī)律的特點，甚至在不同周期內波形的幅值、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)的電壓易出現閃變現象，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注的重要問題，脈沖充電對電網邊緣負荷存在突然性壓力，一旦計量結果的準確度不足將會干擾電網的正常運轉，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，諧波構成將更加復雜，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象的重要原因，形成的光雙折射使鐵芯中的電磁感應恒定，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了很多新理論和新技術，但計量結果準確度不高的問題時有發(fā)生，這是當前行業(yè)內的熱點研究課題。相關人員需要在有條件的情況下構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參數，如電壓、電流、諧波幅值等。現場環(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，應遵循相應的安裝與操作規(guī)范，如用外接入型電壓探頭獲取和采集電壓數據，利用鉗式電流互感器采集電流參數；為保障測量結果準確性，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、準確的測量數據。

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化為 MEM 文件保存，后期利用設備讀取該數據再將其轉換成系統(tǒng)可識別的 txt或 CSV 文件，依靠 Matlab 軟件深入分析、挖掘數據，得到可靠的結論。對 CSV 格式的數據而言，讀取速度較慢，能有效顯示的數據范圍受限一般為 105 萬點左右，在處理數據時要對 Matlab 進行導入，無法實現編輯功能且文件容量較大；對 txt 格式的數據來說 ，讀取速度同樣相對緩慢，同樣需將數據導入Matlab，數據處理速率較低，一些較為復雜的處理行為無法實現。而 Matlab 數據相較于這 2 種數據格式的讀取速度快，其可顯示的數據量較大，能夠被編輯、處理后直接利用。數據轉換方法如圖 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，得到科學的處理方式，相關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電流、電壓的波形曲線，以及直流輸出側電流、電壓的波形曲線，借助軟件展開數據分析與判定。根據數據采集結果，不同時段內的電流與電壓各有不同，相關人員在軟件輔助下分析數據，得到其他參數相同、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

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)下的參數變化，選定 32 周波、單周波進行比對，當充電樁正式充電時比較電流和電壓的大值與小值波動?？偨Y各種數據參數可以看出，電流幅值、電壓幅值的信號基本不變，當設備待機時電流較小，基本在 7 A 左右；當設備進入充電情形時，電流將從 7 A 開始逐步變大，但啟動時無明顯沖擊；當進入恒流充電狀態(tài)時，設備長時間穩(wěn)定運轉；結束充電后的 1～2 s 內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的諧波含量大，達 33%，在這一峰值內也對應著較大的電流波動。

3.2.2 直流輸出側

交流輸入側、直流輸出側的電流、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的交流輸入側諧波電流大，但狀態(tài)轉變進入充電情形時電流諧波含量呈現下降趨勢，基本在 3% 左右，整個過程中的電流諧波非常??；③ 充電樁處于待機狀態(tài)時，功率因數減??；④ 當處于直流輸出側時，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注的重要指標，當溫度存在較大幅度的波動時，充電樁示數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，示數誤差不變，但若調整其溫度大小，示數誤差有變化但幅度非常小。交流充電樁內包含各種內部元件，如果這些元件所處的環(huán)境溫度有所波動，將產生溫度漂移現象，如金屬膜電阻器、穩(wěn)壓管、計量芯片等元器件；充電樁內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)疊加的誤差次數較多，示數誤差波動明顯，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)通過物聯網技術對接入系統(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據采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進行充電服務、支付管理，交易結算，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警；充電樁支持以太網、4G或WIFI等方式接入互聯網，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

4.2應用場所

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、學校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎設施設計。

4.3系統(tǒng)結構

4.3.1系統(tǒng)分為四層：

1）即數據采集層、網絡傳輸層、數據中心層和客戶端層。

2）數據采集層：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，并進行電能計量和保護。

3）網絡傳輸層：通過4G網絡將數據上傳至搭建好的數據庫服務器。

4）數據中心層：包含應用服務器和數據服務器，應用服務器部署數據采集服務、WEB網站，數據服務器部署實時數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。

5）應客戶端層：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、基礎數據管理等功能，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，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數、充電時長、充電金額、充電度數、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、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果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現場問題。

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基礎數據管理

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施，維護充電設施信息、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，進行遠程參數設置，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論。為從根本上減小誤差，提高計量結果的準確性，有關部門可參考本文得出的結論，制定相應措施解決充電樁電能計量問題。

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