电动汽车充电设施现场及远程在线监测计量系统方法探讨分析

电动汽车充电设施现场及远程在线监测计量系统方法探讨分析

朱才溢，胡涵，罗颖，田健*
湖南省计量检测研究院，长沙 410014

【摘要】
为解决新能源技术及应用迅猛发展形势下，巨量电动汽车充电设施计量检测效率低下以及市场监管模式滞后的问题，提出一种针对电动汽车充电设施的、结合现场及远程在线监测的计量系统方法，构建了电动汽车充电设施现场及远程校准方法模型，重点介绍了基于远程校准技术的充电机(桩)现场校准系统装置设计、基于后台数据采集分析系统的云平台架构及功能设计，为电动汽车充电设施全运行周期中的现场与远程计量、运行状态维护等提供了可行方案。所提方法将有助于电动汽车充电设施的计量工作以更高质高效的方式开展，吸引更多专业机构与专业人士对市场监管模式创新的思考与探索。

0 引言

国内外新能源技术及应用发展势头迅猛，其中新能源电动汽车的发展态势及前景潜力尤为亮眼。大力发展电动汽车，能够加快燃油替代进度，减少汽车尾气排放，对保障能源安全、促进节能减排、防治大气污染、推动我国汽车强国建设具有重要意义。

当前，国家及各省市地方政府响应绿色低碳的现代化电力系统升级扩容需求号召，皆大力推进电动汽车充电基础设施建设。在此背景下，电动汽车充电桩得到大规模应用与发展，市场保有量持续攀升，安装投运量更是逐年迅猛上升。

• 现有模式突出问题：电动汽车充电机(桩)现场测试仪及其配套的直流/交流负载箱设备笨重，且现场校验耗时久，检测效率受限；待检充电机(桩)数量庞大、安装地点分散、检测环境复杂，现场校验工作产生巨大的人力、物力等成本损耗，影响充电场站运行效益。
• 运行监控缺失：现场逐个单点校验无法实现针对电动汽车充电机(桩)在实际运行负荷变化下的电能计量状态监控及异常预警等功能。
• 监管矛盾：国家市场监督管理总局明确规定，自2023年1月1日起，电动汽车充电桩必须依照国家相关检定规程实施强制检定。但当前大量的充电桩未经强制检定即投入使用，计量检定能力已经严重滞后于充电机(桩)的增长态势；政府监管部门、计量技术机构、供电企业、充电站运营企业的运营维护能力亟待提升。
  

因此，从市场监管及社会需求响应的角度出发，亟需研究充电桩检定效率的提升办法以及充电桩监管模式的创新路径，这也是本文开展电动汽车充电设施现场及远程在线监测计量方法研究的主要目的。

1 充电设施现场及远程校准方法模型

为实现研究目的，本文的总体思路是：研制具备远程通信功能且满足法制计量溯源要求的充电机(桩)远程校准装置，并配合远程监控平台，实现充电机(桩)的远程校准与管理，并最终推动充电机(桩)及远程在线监测平台纳入法制计量监管体系。

此方法模型的核心任务如下：

• 完成基于远程校准技术的充电设施现场校准系统装置设计；
• 完成后台数据采集分析系统开发与应用的架构设计，依托区块链技术，搭建计量监控平台。
  

具备远程通信功能的传递标准既可实现现场手动检定，又能通过云平台远程控制设备进行自动检定，并将计量检定等数据同步到充电桩在线监测平台，与各场站运营平台的计量数据进行比对分析、核查校准，高效实现电能数据的实时采集、传输、分析。

图1 电动汽车充电设施现场及远程校准方法模型示意图
（模型示意：充电机(桩)在线检测平台通过数据协议规范与智能化便携式充电机(桩)校验仪（传递标准）交互；在线监测平台通过数据接口与运营平台1至n对接；各运营平台下接充电机；传递标准同时连接电动汽车/电动负载，实现订单与电能表电量、桩端电能值、车端电能值、传递标准电能值的多维度比对核查。）

充电桩的安装分布场景较为复杂，包括充电站、高速公路以及地下停车库等。传统检定设备集成性较差，在户外严酷环境下仍需人工搬运，耗费大量人力物力，现场检测效率较低，且无法实时在充电设施的充电和运营过程中计量检定，影响场站运营效益。

本文提出的电动汽车充电设施现场及远程校准方法可以依托任意充电场站的充电设施（如直流充电机），在充电过程中完成在线监测、计量检定或使用中检查。该系统模型具备实时监测、远程在线操控等优势，通过平台多维度比对，实现对电动汽车充电机(桩)的全过程计量监测及状态评价，可构建完善的电动汽车充电机(桩)现场检定计量保证方案（MPA管理模式），确保充电机(桩)等电动汽车充电设施检定合格后在3年的检定周期内持续有效保持其计量准确性和安全运营性。

图2 充电机(桩)现场检定计量保证方案(MPA)管理模式图
（管理模式：参考标准 ↔ 传递标准（充电桩校验仪）↔ 基于平台结算的充电桩；在线监测平台与传递标准、充电桩交互；核查标准（充电桩校验仪、电动汽车模拟器）与参考标准、在线监测平台、充电桩形成闭环管理。）

2 基于远程校准技术的充电机(桩)现场校准系统装置设计

本文设计一套基于远程校准技术的充电机(桩)现场校准系统装置。相较于传统的充电机(桩)现场校验仪，该装置需具备支持多种通信方式的远程通信功能，可实现数据的实时手动或自动采集、传输。

图3 基于远程校准技术的充电机(桩)现场校准系统装置整体设计方案设计框图
（整体设计四大板块：基础理论研究、关键技术研究、装置硬件/软件/结构设计、远程通讯方案设计和溯源方案验证。关键技术包括：电能计量算法、直流比较仪技术、高精度直流分压器、复杂环境的软硬件抗干扰措施、低功耗电源管理技术。硬件模块包括：主控芯片、电能脉冲模块、电压电流采样模块、控制模块、后端高精度采样模块、电源模块、电能计量模块、通信模块、输入测量功能电路、接口模块、CAN通信模块等。）

基础理论研究主要实现电压、电流、电能数据采集与误差计算等基础功能，关键技术包括宽量限高精度测量技术、负荷波动迅速响应补偿技术、适应现场复杂环境的软硬件抗干扰技术、低功耗电源管理技术等。

2.1 充电机(桩)远程校准装置设计

相较于传统的电动汽车充电机(桩)现场校验仪，充电机(桩)远程校准装置同样设有充电端口和负载端口两个外接端口，其创新点在于升级增配了Wi-Fi模块、LTE等通信模块，可接入便携式计算机和互联网，实现远程端通过网络对装置的实时在线控制。

图4 充电机(桩)远程校准装置基本工作原理示意图
（原理框图：用户云平台 ↔ LTE模块 ↔ 处理系统；处理系统连接Wi-Fi、脉冲接口、GPS、电压电流测量、锂电池充电和供电系统、CAN通讯；左侧为供电插座（DC+、DC-、A+、A-、S+、S-、CC1、CC2），右侧为车辆或负载接口。）

充电端口用于连接非车载充电机(桩)的充电枪头，负载端口可连接汽车、电子负载或实物负载。其中，DC+和DC-是充电的电源端口；A+和A-是辅助电源，为检测仪的锂电池充电和系统供电；S+和S-是CAN口，实现与充电机(桩)和负载的通信引导；脉冲接口用于接收电能表的脉冲输出及统计电能输出脉冲；CC1和CC2是连接确认接口；GPS用于接收卫星信号，输出PPS脉冲信号，用于设备的定位和时间对时。

2.1.1 充电机(桩)远程校准装置关键硬件模块设计

远程校准装置接入充电机(桩)输出电路，通过与直流充电机(桩)内置的待检直流电能表同步计量，比对电能误差以判定直流电机的准确度等级。装置内部主要由电压/电流信号采样模块、电能计量模块、电能脉冲(输入及比较)模块、电源模块、通信模块、主控模块和人机交互模块组成。

图5 充电机(桩)远程校准装置的关键子模块结构设计示意框图
（结构：脉冲输入 → 电能脉冲比较模块；信号采样模块 → 电能计量模块；电源模块 → MCU主控模块；MCU主控模块 ↔ 通信模块、人机交互模块。）

通信模块集成了Wi-Fi与LTE模块。Wi-Fi模块用于与外接平板、计算机进行通信，LTE模块用于接入互联网，实现与云平台的通信。

图6 充电机(桩)远程校准装置通信模块原理示意框图
（通信模块原理：电压/电流输入 → 电压/电流取样电路 → 抗混叠滤波电路 → A/D → 隔离 → 数字信号后处理和运算单元 → 电能计量模块；主控模块 ↔ DDS可编程脉冲输出 → 标准电能脉冲输出；主控模块 ↔ FPGA(电能脉冲计数) ↔ 被检电能脉冲输入；通信模块包含LTE模块和Wi-Fi模块。）

2.1.2 充电机(桩)远程校准装置底层软件设计

底层软件设计需从三个方面考虑：

• 基础功能设计：硬件初始化、数据读取、数据转换和处理、数据存贮、显示、CAN通信、Wi-Fi通信、功能设置、校准等人机交互界面的设计；
• 计费功能设计：数据加密、身份认证等，实现计量计费数据的可靠安全；
• 计量装置接口：数据采集接口设计、通信接口设计、检测接口设计等，包括接口方式、接口环境防护等。
  

图7 充电机(桩)远程校准装置校验方式示意图
（校验方式：直流充电计量装置（直流充电机）↔ 充电线路/CAN通信线路 ↔ 直流充电机远程检测装置 ↔ 充电线路/Wi-Fi通信 ↔ 电动汽车/功率负载；上位机设备通过Wi-Fi与远程检测装置连接。）

检测装置采用内置标准电能表和充电设备的电能表进行比对的方法进行校验，具备CAN通信接口可与直流充电机(桩)、功率负载(电动汽车)进行通信。结合计量检测装置检测原理以及充电机(桩)的检定程序流程，设计的软件流程可实现对现场充电机(桩)的电能误差、计费金额、时钟时刻误差等计量检测工作。

图8 充电机远程校准装置软件流程设计示意图
（流程：开始 → 输入被检充电机信息 → 设置负载点 → 初始化检测设备 → 充电机输出 → 输出稳定？ → 控制频率计数和数表开始采样 → 读取频率计数和数表数据 → 计算被检表各项误差 → 是否完所有检定？ → 装置复位 → 数据存储 → 结束。）

2.2 充电机远程校准通信方案设计

为实现对电动汽车充电机(桩)现场校准装置校准数据的实时采集传输，本文设计了电能计量的物联网通信方案。系统分为数据检测层、数据通信层和数据应用层：

• 数据检测层：检测装置内部通过数据和信息采集获取充电机(桩)内的电能计量单元读数，输出端测量到的实际电能数据，并经过整合处理形成数据包。
• 数据通信层：通过Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等无线传输方式上传数据检测层的数据包，并接收上层信息管理系统信息。
• 数据应用层：采用B/S架构，用户可以通过Web浏览器查看现场校准系统中各个单元组件中的校准情况。配置应用服务器、数据库服务器等设备，对外提供营销系统、计量检定公信查询平台的接口，对内提供WEB交互界面，实时监控及调度数据管理中心层配置前置服务器，监测设备运行状态异常可报警，转发上层指令，并协调各设备的动作。
  

图9 充电机(桩)远程校准物联网通信传输原理图
（三层架构：数据应用层[上层信息管理系统/用户] ↔ 数据通信层[无线通信/有线通信/云端] ↔ 数据检测层[多个比较仪]。）

根据JJG 1149—2022《电动汽车非车载充电机检定规程》中规定，电动汽车非车载充电机(桩)的检测项目应包括：外观及功能检查、工作误差、时钟时刻误差等3项。其中，远程校准装置能完成工作误差、时钟时刻误差的在线检测。

与现场检测仪采用电阻负载箱、现场发令检测的模式不同，远程校准装置可以实现远程无人值守状态下的自动化检测。

图10 充电机(桩)远程校准装置连接示意图
（连接方式：电动汽车 ↔ 充电线缆 ↔ 远程检测仪 ↔ 充电线缆 ↔ 非车载充电机。）

远程校准装置的检定流程如下：用户使用非车载充电机(桩)对电动汽车进行插枪充电时，远程校准装置会自动启动，进入充电机(桩)检测流程，充电机(桩)会连接到用户云平台，云平台将检测仪相应参数下发到远程校准装置，通过LTE网络与远程校准装置进行通信，等待充电开始。充电启动后，检测同步开始，电压、电流达到负载点时开始记录工作误差。充电结束后，比对累计的电能与充电机(桩)统计的电能，计算出示值误差与付费金额误差。检测完成后，远程校准装置会生成检测报告，通过LTE网络上传至云平台。

图11 充电机(桩)远程校准装置标准化检测流程图
（流程：用户插枪准备给电动汽车充电 → 云平台连接远程检测仪 → 云平台发送开始指令和设置负载点信息 → 充电机开始充电 → 达到检测负载点检测工作误差 → 充电完成后检测示值误差 → 根据提前输入的费率检测付费金额误差 → 根据GPS接收的卫星时间检测时钟误差 → 将检测的结果上传回云平台 → 结束。）

远程校准装置户外部署对防水防尘等防护提出了更高要求：设计需充分考虑设备密闭性，同时需确保LTE网络和GPS信号的通畅。此外，建议采用各功能模块相互独立、互不影响的模块化设计，例如电源部分、模拟部分、数字部分等都隔离开来，以确保绝大多数情况与场景下远程校准装置的安全使用与运行。

3 基于后台数据采集分析系统的云平台架构及功能设计

3.1 后台数据采集分析系统架构设计

为完成检定数据的采集与分析处理，本文基于云平台设计出一种五层系统架构，以满足云平台数据采集分析系统的开发与应用的要求：

• 数据源：收集取样相应原始电量数据，包括电压值数据、电流值数据、时间值数据、频率数据、准确度数据和接口数据。这部分数据是需求测量的原始数据值以及相应突变信号特征值，是最终测量电动汽车充电桩电量数据的基础值。
• 获取层：通过ETL及内容分析实现数据的治理问题，确保数据的质量，保证数据的正确性、完整性、一致性、完备性、有效性、时效性和可获取性；通过空值处理、规范化数据格式、拆分数据、验证数据正确性和数据替换实现数据的整合。
• 数据层：对原始电量数据进行模数处理后资源比对、汇总集成及统一分析，支撑数据深度分析和数据挖掘，向主数据仓库输出关键指标数据和高度汇总数据；构造WEB资源池，并与大数据平台（记录精细数据、记录汇总数据、M/R、HBase、Hive、分布式文件系统HDFS）交互。
• 能力层：对原始电量数据进行整合汇总形成数据挖掘工具，提供基础分析、多维分析、数据挖掘、实时分析、自助分析和数据共享能力，同时支持FTP传输、API接口与SQL\MDX调用。
• 应用层：根据业务需要生成检定报告、梳理数据趋势，完成动态计量与数据输出。包括检定作业基础数据、综合检定数据、局域网对比数据、其他数据及新拓展功能。
  

图12 后台数据采集分析系统架构设计示意图

（五层架构：应用层 → 能力层[数据统一服务和开放的SQL、FTP、WS、MDX、API...] → 数据层[WEB资源池 ↔ 数据处理 ↔ 大数据平台] → 获取层[数据采集ETL] → 数据源[批量采集：电流/电压/电能值等结构化数据；准实时采集：准确度/GN口/互联网等半结构化、非结构化数据]。）

3.2 基于系统架构的云平台主要功能设计

基于后台数据采集分析系统架构设计的云平台可以设计以下7个主要功能：

• 登录功能：用户凭账号和密码登录系统，支持密码修改。
• 用户管理功能：云平台系统可以对用户账户数据库进行更改，修改用户的相应权限，不同的用户会录入不同的相应权限，用户登录系统后，只能查看自己权限内检测仪的检测数据。
• 充电机(桩)参数输入功能：用户在云平台系统可以对不同设备检测的充电机(桩)参数进行输入，当远程校准装置进行检测的时候，会从云平台下载参数数据，自动生成检测点对充电桩进行检测。
• 数据查看功能：用户可以查看权限内设备的检定记录，包括外观检测、绝缘电阻检查、工作误差、显示误差、付费金额误差、时钟误差等。
• 数据修改功能：拥有修改权限的用户，可以对已有的数据进行修改，有错误的地方可以进行手动修正。
• 数据导出功能：用户可以选中某一充电桩的检测数据进行数据导出，可以选择导出成原始数据或用户选定的模板同时生成充电桩检定报告。
• 数据导入功能：用户可以将其他现场检测设备已检测的特定格式的数据导入已检测的充电桩数据，手动上传到云端数据库。
  

后期可使用阿里云IOT平台接入网络，通过数据流转服务，将采集与分析数据上传至计量监控平台。数据流转服务与客户平台之间使用HTTP通信。

图13 数据传输流程构想示意图

（传输流程：非车载充电机远程校准装置（4G/4G/4G）→ IOT平台 → 数据流转服务 → HTTP → 区块链可信平台。）

4 结论

随着新能源产业的快速发展，电动汽车、充电机(桩)等配套充用电设施规模持续扩大，然而法定计量校准溯源工作的质量和效率滞后于市场发展。大量在运充电机(桩)缺乏合法有效监管，仅经过厂家出厂测试便投入市场，计量准确性无法保障，甚至合法合规性都不能满足。

本文研究并提出了电动汽车充电设施现场及远程在线监测计量系统方法，设计构建了方法模型，介绍了基于远程校准技术的充电机(桩)现场校准系统装置设计，以及基于后台数据采集分析系统的云平台架构及功能设计等思路，为实现电动汽车充电设施现场及远程在线监测计量提供了系统化方案雏形。

短期意义：能大幅节约检测及运营成本，减少资料浪费，延长电动汽车充电设施的使用寿命，提升市场监管质量、效率以及运维管理能力水平。

中长远期意义：能够为新能源强劲发展新形势下的市场监管工作提供成熟可行的综合技术保障方案，解决市场上海量激增充电站待检充电设施的快速高效计量、整体运行状态监督、管理、维护，以及个体运行状态存疑预警、标记定位、复核备查等计量技术难题，从而创新性实现并有效实施针对新能源电动汽车充电设施的市场监管，化解市场需求燃眉之急。

进一步深入研究，可科学合理的指导电动汽车充用电设施及相应产品研发、生产、应用等产业链中各个环节面临的疑难问题，进而保证电动汽车等新能源领域的电能计量的准确性，保证能源交易的公平公正，为实现清洁能源建设提供技术保障，为节能减排目标的实现提供更具象的现实意义，积极促进电动汽车，乃至新能源、计量事业的绿色可持续发展。

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文章来源：《计量科学与技术》2026年7月 总第70卷第7期 ·21-29·
DOI: 2096-9015(2026)07-0021-09