摘要：电动汽车充电桩项目中为实现节能目标，减少电能消耗，需要加强电能计量控制和管理，以创造公平、有序的电能交易环境，为新能源汽车产业发展创造良好的发展环境。为此，分析了电动汽车充电桩电能计量时存在的问题，并提出了相应的解决策略，这对充电桩项目的建设具有实际参考价值。
关键词：电动汽车；充电桩；电能计量
0引言
目前，随着国家能源战略的调整，低碳经济成为了各行业的重要发展目标。为符合低碳环保的发展目标，各行各业都在大力推行新能源的应用，以降低碳排放，实现可持续发展。近年来，我国的电动汽车发展迅速，为满足汽车充电需求，充电桩数量持续增多，但由于电动汽车技术发展尚不成熟，在充电桩电能计量方面还存在一系列问题，这是未来新能源汽车产业发展中需要关注的。
1 电动汽车充电分类及计量模式
按充电方式区分，电动汽车主要有有线充电和无线充电 2 种。其中，无线充电仅在微波技术方面有所发展，但微波技术受距离限制较大，在新能源汽车产业中并未大范围推广，因此电动汽车主要还是采用电缆有线充电的方式。
按充电模式区分，电动汽车可分为交流和直流2 种充电模式，不同的模式下配备的充电机也各有不同，即交流模式下需要配备交流充电机，而直流模式下配备直流充电机［1］。直流充电机不具备电流转换功能，电能传输时的损耗小、功率大，在快速充电（以下简称“快充”）中的应用较多，而快充多用于紧急充电，可能会导致电网负荷在短时间内急剧变化，给供电网络带来一定风险，并会对电池造成损害。交流充电机一般用于慢速充电，充电时的功率小，能保护电池，延长电池使用寿命。
充电桩作为新型的负荷、电源形式，在应用时一般需要接入配网。考虑到实际的使用需求，充电的规划和部署规模较大，给原电网带来了一定的冲击。配电网运行时为创造更大的经济效益，要始终保持电能计量精度，一旦电能存在谐波或其他干扰，必将影响电网的配电质量及安全。
电能计量包含交流计量和直流计量，分别需要配置交流电能表和直流电能表，均部署在用采端，通过配网 10 kV 馈线直接上传电动汽车监控中心。直流充电模式下往往会引入直流分量，而交流充电模式下引入的是谐波等杂质电能，不利于保障电能计量的准确性。
随着行业内对电能计量的日渐关注，市场上陆续出现了各种类型的计量电能表，比较先进的是感应式智能型电能表。传统机械式电能表的保密性不足，在使用中存在窃电风险，计量准确度不足；感应式智能型电能表具有电磁感应特性，其中的互感器可将电网高位电流电压向低位数值转换。但是，即使感应式智能型电能表的智能化程度较高，在使用中也会受到外部因素的干扰，无法保障计量的准确性。
2电动汽车充电桩对电能计量的冲击
2.1充电谐波污染
谐波污染是电路中较常见且危害较大的干扰因素。为有效减小谐波污染，配电网中往往会配置整流装置，保障电网的正常运行。谐波与波形中的噪声干扰高度相似，虽然其幅度较小，但是对电网整体运营的危害较大。电动汽车充电系统的构成复杂，其中包含了各种电子元器件，系统持续运行的过程中会产生非线性谐波，而谐波多以正弦或余弦分量表示，相位的奇偶性就是其对电网产生的正面与负面影响［2］。谐波与噪声波形一样，电路抖动次数越多、相邻抖动的时间间隔越短，表明谐波幅度变化较小。谐波的引入与充电桩并网数量、时间、充电模式等都有紧密联系，越接近充电峰值的时间段谐波变化幅度越大，对电流的负面影响也越大。结合实际经验，一般以奇次谐波产生的电流干扰为主，因此在实际的工作中应尽可能减少奇次谐波的产生。
在多台充电桩同时接入电网的情况下，正常电流电压与谐波电压之间往往存在一定的相位偏移，从而发生衰减效应，而不同充电桩电路相位会发生相位抵消。因此，在接入多台充电桩的情况下，其谐波电流一般不得超过单台充电桩的谐波电流，并且谐波电流的大小与数量同向变化［3］。充电负荷为决定谐波电流幅值的重要因素，但相位偏移情况则由接入的充电桩数量决定。
2.2冲击脉冲
充电桩在快充状态下往往会对原电网产生较大的冲击性负荷，引起波形变形，导致波形呈不规律的特点，甚至在不同周期内波形的幅值、相位、频率等波动明显。在电流脉冲功率变化梯度持续加快的情况下，电力系统的电压易出现闪变现象，形成电流波形峰谷，不利于保障电能计量的准确性。在脉冲充电的情况下，计量的准确性是人们关注的重要问题，脉冲充电对电网边缘负荷存在突然性压力，一旦计量结果的准确度不足将会干扰电网的正常运转，甚至引发充电事故。脉冲幅值较高的情况下，谐波成分与常规电流相接近，但各次谐波含量相对同功率恒流充电的谐波含量较高［4］。在脉冲幅值较大的情况下，谐波中同时存在整流特征谐波、间谐波、奇次谐波，如果充电幅值持续增大，谐波构成将更加复杂，包含的谐波类型更多。
2.3直流分量影响
电动汽车充电桩在接入电网的情况下，直流充电桩将引入直流分量，交流充电桩处于突发性充电状态时，也可能会引起直流分量。直流分量是造成电磁互感器磁偏现象的重要原因，形成的光双折射使铁芯中的电磁感应恒定，不利于保障二 次 电 流 的 计 量 精 度 。 直 流 分 量 的 变 化 梯 度 越大，电能计量结果与实际值的偏差越大，但在直流分量变化梯度不超过某一限定值的情况下，电能计量结果虽有偏差，但其偏差非常小，基本上可以忽略不计。
3解决策略
3.1完整采集负荷波形
目前，在新能源汽车行业发展的过程中，充电桩电能计量方面出现了很多新理论和新技术，但计量结果准确度不高的问题时有发生，这是当前行业内的热点研究课题。相关人员需要在有条件的情况下构成符合负荷波形采集要求的环境条件，在其中配备波形记录仪，使其频率为 500 kHz，由该设备采集电流信号和电压信号，保持相位的同步性，并测量充电桩运行中的相关参数，如电压、电流、谐波幅值等。现场环境中需要配备波形记录仪，为确保该仪器能完成其测量任务，应遵循相应的安装与操作规范，如用外接入型电压探头获取和采集电压数据，利用钳式电流互感器采集电流参数；为保障测量结果准确性，可利用四相三线的接线方式，以连接不同的电能计量点，得到完整、准确的测量数据。
充电桩电能计量系统进入工作状态后，同步启动波形记录仪，实时采集电流与电压信息；由于采集到的信息格式不符合系统标准，需要将采集到的信息转化为 MEM 文件保存，后期利用设备读取该数据再将其转换成系统可识别的 txt或 CSV 文件，依靠 Matlab 软件深入分析、挖掘数据，得到可靠的结论。对 CSV 格式的数据而言，读取速度较慢，能有效显示的数据范围受限一般为 105 万点左右，在处理数据时要对 Matlab 进行导入，无法实现编辑功能且文件容量较大；对 txt 格式的数据来说 ，读取速度同样相对缓慢，同样需将数据导入Matlab，数据处理速率较低，一些较为复杂的处理行为无法实现。而 Matlab 数据相较于这 2 种数据格式的读取速度快，其可显示的数据量较大，能够被编辑、处理后直接利用。数据转换方法如图 1所示。
3.2分析负荷波形规律
为判定电动汽车充电桩电能计量时存在的问题并分析其原因，得到科学的处理方式，相关人员在实际的工作中需要掌握负荷波形的变化趋势和规律。以直流充电桩为例，在保持其他参数不变的状态下，变化充电桩的工作情形，主要包含停机、充电、启动、待机 4 个状态，采集工频交流输入侧电流、电压的波形曲线，以及直流输出侧电流、电压的波形曲线，借助软件展开数据分析与判定。根据数据采集结果，不同时段内的电流与电压各有不同，相关人员在软件辅助下分析数据，得到其他参数相同、状态不同情况下电流和电压的变化趋势，计算 32 周波、单周波的电流和电压的大值、小值，终确定谐波含量，分析谐波对电能计量的干扰。
3.2.1交流输入侧
在分析负荷波形时，需要进一步捕捉电参量的暂态及常态下的参数变化，选定 32 周波、单周波进行比对，当充电桩正式充电时比较电流和电压的大值与小值波动。总结各种数据参数可以看出，电流幅值、电压幅值的信号基本不变，当设备待机时电流较小，基本在 7 A 左右；当设备进入充电情形时，电流将从 7 A 开始逐步变大，但启动时无明显冲击；当进入恒流充电状态时，设备长时间稳定运转；结束充电后的 1～2 s 内电流从原先的峰值开始减小，在此过程中运行也相对稳定和可靠。通过综合对比每一个周波的电流、电压可以看出，电压中总谐波含量为 0，停止与启动时间段内的谐波含量大，达 33%，在这一峰值内也对应着较大的电流波动。
3.2.2 直流输出侧
交流输入侧、直流输出侧的电流、电压波形曲线高度一样，初进入启动阶段时电流、电压都相对固定，即使存在变化，变化幅度也非常小，基本可以忽略不计。充电桩负荷有以下特点：① 充电情况下负荷电流大，为 100 A；② 停止与启动充电桩时对应的交流输入侧谐波电流大，但状态转变进入充电情形时电流谐波含量呈现下降趋势，基本在 3% 左右，整个过程中的电流谐波非常小；③ 充电桩处于待机状态时，功率因数减小；④ 当处于直流输出侧时，谐波含量偏低，对电能计量的影响微乎其微。
3.3加强环境温度管理
交流充电桩工作时温度也是需要关注的重要指标，当温度存在较大幅度的波动时，充电桩示数误差也会随之有所变化。以某一充电桩为分析对象，改变其输出电流的大小，示数误差不变，但若调整其温度大小，示数误差有变化但幅度非常小。交流充电桩内包含各种内部元件，如果这些元件所处的环境温度有所波动，将产生温度漂移现象，如金属膜电阻器、稳压管、计量芯片等元器件；充电桩内部的晶振频率对温度非常敏感，只要温度有变化，晶振频率也会发生变化，如果系统叠加的误差次数较多，示数误差波动明显，电流与电压的累积量形成充电电量误差。值得指出的是，环境湿度变化并不会干扰充电桩的晶振电路。为此，为控制充电桩的电能计量误差，需要关注充电桩的工作温度。
4安科瑞充电桩收费运营云平台
4.1概述
AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。
4.2应用场所
适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。
4.3系统结构
4.3.1系统分为四层：
1）即数据采集层、网络传输层、数据中心层和客户端层。
2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。
3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。
4）数据中心层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。
5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。
小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。
4.4安科瑞充电桩云平台系统功能
4.4.1智能化大屏
智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。
4.4.2实时监控
实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压/电流，充电桩告警信息等。
4.4.3交易管理
平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。
4.4.4故障管理
设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。
4.4.5统计分析
通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。
4.4.6基础数据管理
在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、冻结和解绑。4.4.7运维APP
面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电\充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送
4.4.8充电小程序
面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。
4.5系统硬件配置
5结语
随着我国电动汽车的高速发展，充电桩的电能 计量问题逐步受到了消费者的关注。本文从电动汽车充电方式与计量模式出发，得出充电桩对电能 计量存在一定冲击的结论。为从根本上减小误差，提高计量结果的准确性，有关部门可参考本文得出的结论，制定相应措施解决充电桩电能计量问题。
参考文献
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