基于物联网的充电桩远程计量

2.1   绍兴市质量技术监督检测院远程计量介绍
2.1.1   远程计量平台原理
鉴于传统充电桩计量存在的问题，绍兴市质量技术监督检测院高海明团队开展了远程计量的研究工作，依托远程计量模块的开发来打造远程计量检测平台，目前有了相应的研究成果，平台的主要构成如图1所示。
远程计量检测平台主要有数据获取、数据处理、终端显示三部分组成。数据获取的核心部分是利用计量模块来采集充电桩充电过程中的数据。计量模块在远程计量检测平台中内置于充电桩进行工作，为了验证计量模块的准确性，将其制作加工成远程计量标准装置，实物如图2所示。
根据充电桩的类型，计量模块主要分为交流计量模块和直流计量模块，测量范围覆盖了目前运营市场常规类型的充电桩，交流计量模块的电压采集范围为30～480V，电流采集范围为0.05～80A；直流计量模块的电压采集范围为10～1000V，电流采集范围为5～300A。交直流计量模块与桩的连接方式中，电压采集采用并联，电流采集采用霍尔电流传感器。充电桩远程计量平台主要原理是利用物联网技术，将充电桩、计量模块、车载动力电池等能源设备相连，进行实时测量、采集并通过通信模块将数据上传到平台服务器和数据库。

2.1.2   计量模块验证
为了验证交流计量模块的精度等级是否满足1级交流充电桩的计量要求，将模块加工成图2所示的计量模块装置，并将其与建标的计量标准器串联后连接到充电桩上，启动充电后计量模块装置与计量标准器同时进行计量，本次验证的实验现场如图3所示。
交流计量模块装置的验证，本次试验所用计量标准器型号：CDZ3000，编号：2102，生产厂家：郑州奇飞特电子科技有限公司。充电桩的型号：CRJ27-Ⅱ，编号：0521717111004，生产厂家：杭州创睿新能源科技有限公司。

共测试3组数据，具体结果如表2所示。
表  2  交流计量模块装置的测试数据
Table  2.  Test data of AC metering module device
试验参数 设定输出值 计量标准器 计量模块装置 交流充电桩显示值 交流充电桩相对误差/%
计量模块装置 计量标准器
1电压/V 220 221.19 221.09 222.3 +0.55 +0.50
1电流/A 27 26.620 26.596 26.64 +0.17 +0.08
1功率/kW / 5.888 5.880 5.922 +0.71 +0.58
1电能/kW·h / 0.5012 0.5010 0.5042 +0.64 +0.60
2电压/V 220 221.25 220.99 222.3 +0.59 +0.47
2电流/A 27 26.510 26.540 26.59 +0.19 +0.30
2功率/kW / 5.865 5.872 5.911 +0.67 +0.78
2电能/kW·h / 0.5009 0.5012 0.5045 +0.66 +0.72
3电压/V 220 220.22 220.381 221.0 +0.28 +0.35
3电流/A 27 26.507 26.518 26.53 +0.05 +0.09
3功率/kW / 5.837 5.844 5.863 +0.33 +0.45
3电能/kW·h / 0.5001 0.5007 0.5027 +0.40 +0.52
注：试验参数前标“1”表示第一次试验；“2”表示第二次试验；“3”表示第三次试验。
根据式（1）对测量结果进行验证，交流计量模块装置符合1级交流充电桩的计量检测需要。

|ylab?ya|?U2lab+U2a????????√
(1)
式中，ya为计量模块装置的显示值；ylab为计量标准器显示值；Ulab为计量标准器扩展不确定度；Ua为计量模块装置的不确定度。

同理对直流计量模块装置进行验证，测试结果如表3所示。

表  3  直流计量模块装置的测试数据
Table  3.  Test data of DC metering module device
试验参数 设定输出值 计量标准器 计量模块装置 直流充电桩显示值 直流充电桩相对误差%
计量模块装置 计量标准器
1电压/V 500 499.46 500.05 500.58 +0.16 +0.22
1电流/A 30 26.279 26.256 26.32 +0.24 +0.16
1功率/kW 13.125 13.129 13.175 +0.35 +0.38
1电能/kW·h / 3.6581 3.6601 3.67 +0.27 +0.38
2电压/V 500 499.60 499.27 500.60 +0.27 +0.20
2电流/A 30 26.256 26.242 26.37 +0.49 +0.43
2功率/kW 13.117 13.101 13.191 +0.69 +0.56
2电能/kW·h / 2.2654 2.2629 2.28 +0.76 +0.64
3电压/V 500 499.87 500.15 500.91 +0.15 +0.21
3电流/A 30 26.239 26.251 26.29 +0.15 +0.19
3功率/kW 13.116 13.129 13.169 +0.30 +0.40
3电能/kW·h / 3.2654 3.2619 3.28 +0.55 +0.45
注：试验参数前标“1”表示第一次试验；“2”表示第二次试验；“3”表示第三次试验。
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根据式（1），对数据进行验证，结果符合1级直流充电桩的计量检测要求。

2.1.3   远程计量平台实验数据
选定了浙江省绍兴市越城区生态园区充电站作为试点，将计量模块植入充电桩内，对其充电过程进行远程计量检测，根据JJG 1148-2018检定规程的要求，分别对最大电流(Imax)、0.5倍最大电流（0.5 Imax）、最小电流（Imin）三个点位进行实时计量，其工作误差用实时功率进行计算，结果如图4所示。
根据图4可知，在最大电流、0.5倍最大电流点位上监测，其误差均小于1%，在最小电流点位情况下误差最大为1.4%，因此该交流充电桩满足2级要求。通过计量模块的实时监测，充分保障了充电桩计量的准确性，大大促进充电桩的发展。

2.2   其他科研团队远程计量介绍
北京工业大学的朱江淼等[14]研究了电动汽车充电站实时网络电能计量系统，其设计的系统利用互联网技术将分层、分布式的网络架构进行连接，系统结构主要包括后台监控设备、现场智能采集设备以及数据传送设备[14]。其系统的总体结构如图5所示。
此系统的的核心为现场智能采集设备，它能够采集充电数据并统计保存，对客户的充电量进行计量，并将数据如充电记录信息、电动汽车的电池状态、电能计量数据通过互联网技术实时发送于后台的计量监控中心[14]，此系统能够实时快速的精确计量电动汽车充电电能，同时也可以通过此系统对充电站进行电能质量的分析，以延长充电站的工作寿命。

纪红刚等[15]研究了电动汽车充电桩直流计量装置远程校验方法，将标准电能表装在充电桩现场校验装置上，利用无线通信网络对电动汽车充电桩直流电能计量装置进行远程监测。通过对比现场校验装置采集到的现场直流电能表数据，得到计量误差，然后将采集到的数据通过有线或无线公共通信网络上传给远程校验管理主站，管理主站负责对历史数据进行存储，对客户端查询请求进行分析和响应，其原理如图6所示。此方法有如下功能：直流计量装置的误差检测（脉冲法）、分流器二次负荷监测、异常状态警告功能[15]。
广电计量检测（北京）有限公司院熊凯、陈锐衡对电动汽车领域先进计量测试技术进行了研究[16]，将远程校准终端装置接入充电设施上的充电枪中，充电枪中的各个信号线在远程校准终端装置内部被分离开来，分别进行测量和监听。之后所有信号线又被重新整合恢复原电缆结构接入电动汽车插座。通过测量和监听，校准装置就获得了充电数据实测值和充电设施自身的计量值，将两组数据对比，就可获得校准信息，再通过远程传输模块将校准信息传送至监测管理中心。通过对数据进行分析判断，可在监测管理中心获得检测报告。其系统整体框架如图7所示。
此研究思路的核心为充电桩远程计量装置的设计开发。远程校准装置通过电缆输入和充电枪连接，输出模块与电动汽车充电插座进行连接。安装在电缆输入和输出模块之间的标准表由电压电流传感器、A/D采样模块、分流器、分压器等组成，可对充电设施输出的电压、电流进行实时采集。标准表采集的电压、电流与通过CAN总线通讯得到的充电机电压、电流进行比较，再与充电时间积分，计算得出充电电量，再与通过CAN总线通讯抓取的充电设施统计数据报文中输出能量进行比较，即可计量该充电设施计费的准确度。存储模块保存采集到的所有数据并同时通过远程通讯模块上传至监测管理中心[16]。其远程校准装置组成结构如图8所示。
南京林业大学的俞铭津等[17]研究了基于物联网的电动车智能充电系统，该智能系统不仅可以实现对电动车充电电压、电流和功率的采集，还可以据此判断充电桩的充电状态，如判断为异常情况还可以自动关闭电源。此系统的应用不仅可以实现对充电桩电能的实时计量，还保障了充电桩的充电安全。系统主要由移动终端、服务器、中控网关和智能充电节点组成[17]，技术核心在于智能充电节点设计，其结构如图9所示。智能充电节点应部署在能和中控网关通信的区域，其主要功能是提供充电接口，并完成充电电量、电压、有功功率的采集，以及充电电能的计量[17]。
广电计量检测（北京）有限公司陈蓝生[18]研究了基于云平台的充电桩虚拟智能计量检测与管理装置设计。通过集成检测装置开发将数据无线传输给云平台存储和管理，同时其集成检测装置具有便捷性、通用性、自巡检、物联的特点。其系统设计图如图10所示。
上述研究的充电桩远程计量方法也都是基于物联网的发展，将标准装置植入于充电桩，不同的研究团队设计的采集装置不同，安装的位置也不同。对充电桩实际汽车充电的过程进行监控，不需要额外用负载去现场测试，有利于节约时间和能源的消耗，这些方法都起到对充电桩计量进行监督的作用。