長(zhǎng)沙天恒測(cè)控技有限公司
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曾博1 李剛2 韓帥3 周新華4 鄧志軍5
（1~3 廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院 南寧 530023）
（4~5 長(zhǎng)沙天恒測(cè)控技術(shù)有限公司 長(zhǎng)沙 410100）
摘要：根據(jù)電動(dòng)汽車充電樁直流電能表特點(diǎn)，本文研制了一套基于實(shí)時(shí)脈沖數(shù)比較法全自動(dòng)直流電能表檢定系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制，利用嵌入式軟件及表源一體化裝置進(jìn)行 6 表位同步檢測(cè)。試驗(yàn)表明，該檢定系統(tǒng)可以作為電動(dòng)汽車充電樁直流電能計(jì)量量值傳遞和檢測(cè)的依據(jù)。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車充電樁，直流電能表檢定系統(tǒng)，實(shí)時(shí)脈沖數(shù)比較法，量值傳遞
1. 引言
隨著霧霾頻頻襲擾，、的純電動(dòng)汽車走進(jìn)汽車消費(fèi)的主戰(zhàn)場(chǎng)。電動(dòng)汽車由于其環(huán)保節(jié)能的特性受到各國(guó)人民親睞。
新型電動(dòng)汽車是汽車發(fā)展趨勢(shì)，但與之相關(guān)的配套措施并不健全。電動(dòng)汽車充電站計(jì)量器具，作為電動(dòng)汽車發(fā)展的重要運(yùn)營(yíng)保障，其電能計(jì)量是否建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，是關(guān)系到貿(mào)易結(jié)算能否公平公正的關(guān)鍵。在我國(guó)，交流電能計(jì)量相對(duì)成熟。而直流電能表應(yīng)用于電動(dòng)汽車充電電能的計(jì)量處于起步階段。現(xiàn)階段檢定上述電能表的裝置并沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，且檢定效率低。本文提出一種 6 表位全自動(dòng)檢定系統(tǒng)，大大提高了檢定速率，為建立直流電能計(jì)量量值傳遞體系，制定電動(dòng)汽車充電站直流電能計(jì)量量值傳遞規(guī)范和檢測(cè)規(guī)范提供了依據(jù)。
2. 檢定系統(tǒng)
2.1 檢定系統(tǒng)的主要特點(diǎn)
（1）檢定系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)軟件、嵌入式軟件、微處理器、6 路電壓源、電流源、標(biāo)準(zhǔn)脈沖輸出模塊、6 路電能誤差計(jì)算模塊、6 路電能脈沖采樣模塊、6 表位誤差顯示模塊等組成。客戶通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件界面選擇檢定方案，通過(guò) RS232 線將命令傳送微處理器，處理器經(jīng)過(guò)計(jì)算控制電壓源電流源自動(dòng)選擇合適量程輸出檢定。
（2）系統(tǒng)采用虛擬功率檢定，使用 6 路相互隔離直流電壓源與電流源分別提供高電壓和大電流。可檢定直接接入式電能表，也可檢定分流器接入式電能表。大中型電動(dòng)汽車充電電壓為 400~800 V，電流為 0~500 A。基于此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸出范圍：電壓：3 V～900 V，電流：直接接入式：1 mA~600 A，分流器接入式：100 μV～360 mV。600 A 電流負(fù)載能力 2.5 kW，并可長(zhǎng)期工作。
（3）計(jì)算機(jī)通過(guò) RS232 線與表源一體化裝置進(jìn)行通信，控制裝置自動(dòng)量程并輸出電壓、電流至被檢表。同時(shí)通過(guò) 6路 18 位 AD 采樣模塊采集被檢表光脈沖或電脈沖數(shù)。
（4）嵌入式軟件采用基于 freeRTOS 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)。軟件的主要功能包括：直流電流源功能、直流電壓源功能和電能測(cè)試等功能。檢測(cè)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)流程：
a、初始化。將微處理器，軟件操作系統(tǒng)、硬件進(jìn)行初始化。
b、建立進(jìn)程。包括建立按鍵進(jìn)程、數(shù)據(jù)處理進(jìn)程、界面顯示進(jìn)程、通信進(jìn)程、故障處理進(jìn)程等。
c、調(diào)用進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)軟件控制輸出。上位機(jī)調(diào)用通訊進(jìn)程與軟件進(jìn)行通訊，或者是客戶通過(guò)觸摸屏或按鍵調(diào)用按鍵進(jìn)程進(jìn)行狀態(tài)設(shè)置、量程設(shè)置、功能設(shè)置、系統(tǒng)設(shè)置等。再調(diào)用數(shù)據(jù)處理進(jìn)程進(jìn)行電壓電流控制輸出，進(jìn)行電能誤差計(jì)算、多表位電能測(cè)試數(shù)據(jù)處理等。
d、驅(qū)動(dòng)底層，控制硬件輸出。
2.2 電能誤差測(cè)量原理
實(shí)測(cè)被檢表脈沖數(shù) m1、m2、m3、m4、m5、m6 與算定脈沖數(shù) m0 進(jìn)行對(duì)比，得出電能誤差 δi。
式中：
R：被檢表電能表轉(zhuǎn)數(shù)。
f ：標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖頻率。
Ci：被檢表脈沖常數(shù)，imp/kWh。
aH：標(biāo)準(zhǔn)表脈沖常數(shù)，imp/kWh。
U、I：標(biāo)準(zhǔn)源輸出電壓、電流滿量程值。
2.3 工作原理
圖1. 系統(tǒng)原理框圖
客戶經(jīng)過(guò)界面設(shè)定檢定點(diǎn)，計(jì)算機(jī)通過(guò) RS232 線傳遞命令至微處理器，微處理器計(jì)算需要選定的電壓、電流量程，控制源自動(dòng)量程并輸出電壓、電流至被檢表。同時(shí) 6 路 18 位 AD 采樣采集被檢表光（電）脈沖數(shù)。6 路電能誤差計(jì)算模塊比較被檢表脈沖數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)表脈沖數(shù)進(jìn)行電能誤差計(jì)算，并傳遞數(shù)據(jù)值至顯示模塊進(jìn)行顯示。主要部件介紹：
（1）計(jì)算機(jī)軟件：計(jì)算電能誤差、通過(guò) RS232 與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)處理、報(bào)表打印、數(shù)據(jù)保存。
（2）微處理器：進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。是整個(gè)裝置的核心，通過(guò) RS232 口與外設(shè)進(jìn)行通訊，控制觸摸屏顯示等。
（3）6 路相互隔離電壓源和電流源：電壓：3V～900V，年準(zhǔn)確度：0.01%；電流：直接接入式：1mA~600A,年準(zhǔn)確度：0.02%，分流器接入式：100μV～360mV，年準(zhǔn)確度：0.005%RD+10uV（RD—讀數(shù)值）。
（4）標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖輸出：系統(tǒng)采用 DDS 技術(shù)將基準(zhǔn)頻率進(jìn)行分頻。將功率值轉(zhuǎn)換成不同頻率的標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖輸出。
（5）6 路電能誤差計(jì)算模塊：對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)與被檢表脈沖數(shù)，進(jìn)行電能誤差計(jì)算。
（6）6 路被檢表電能脈沖采集模塊：采集被檢電能表的脈沖信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化成微處理器可以處理的信號(hào)。
（7）6 表位誤差顯示模塊：顯示電能誤差及其它檢定項(xiàng)目狀態(tài)。
3. 技術(shù)難點(diǎn)及解決方案
本系統(tǒng)中難點(diǎn)在于大電流的測(cè)量，大電流測(cè)量精度直接影響到電流源的精度。目前大電流測(cè)量主要采用四端電阻法、霍爾法和直流比較儀。其年準(zhǔn)確度分別為0.2%/年、0.5%/年和5ppm/年。
本系統(tǒng)采用新型直流比較儀進(jìn)行大電流測(cè)量，它既是大電流測(cè)量重要部件又是大電流發(fā)生器的一個(gè)反饋部件。相比傳統(tǒng)的直流比較儀能夠快速捕捉電流的快速變化，且測(cè)量頻率范圍寬。
圖2. 新型直流比較儀
寬頻直流比較儀由雙鐵芯疊加繞線而成。S、C 為 A 和 B 共同繞組，S 為磁通檢測(cè)繞組，C 為比較儀次級(jí)繞組，N4 單獨(dú)繞制在鐵芯A上，為激勵(lì)繞組。其中鐵芯A由高導(dǎo)磁率軟磁材料制作，鐵芯B由低導(dǎo)磁率鐵氧體材料制作。
圖3. 鐵芯B測(cè)量電路
圖 3. 為鐵芯B測(cè)量電路圖。實(shí)現(xiàn)原理：S線圈檢測(cè)磁通經(jīng)過(guò)磁通檢測(cè)模塊轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，控制功率放大器增大或減少輸出，流經(jīng)次級(jí)繞組電流隨之增加或減小，通過(guò)不斷的調(diào)節(jié)，最終使得鐵芯B達(dá)到磁平衡。系統(tǒng)平衡建立的時(shí)間不超過(guò)1μs。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行電流采樣，測(cè)試得到US。從而可以計(jì)算出IP值。同時(shí)磁通信號(hào)可作為報(bào)警信號(hào)等狀態(tài)信號(hào)。
Us = k × Ip………………………………..(4)
式中： k 為比例常數(shù)。
4. 人機(jī)對(duì)話界面
人機(jī)對(duì)話操作界面分成三個(gè)部分：工具欄、檢定項(xiàng)目類型、檢定實(shí)時(shí)監(jiān)控。工具欄分成檢定、參數(shù)、工具三部分，其中檢定包括打開、自動(dòng)檢定、結(jié)果處理。參數(shù)包括檢定項(xiàng)目、電表參數(shù)、方案綁定。工具包括通訊日志、通訊調(diào)試。
操作步驟三步走：打開錄入數(shù)據(jù)、選擇檢定類型、開始檢定。系統(tǒng)自帶規(guī)程制定的直接接入式方案或分流器接入式方案。客戶只需直接加載方案，無(wú)需另設(shè)置參數(shù)。測(cè)試完成后將結(jié)果輸出至EXCEL中進(jìn)行打印，數(shù)據(jù)保存等。
圖4. 人機(jī)交互界面
5. 檢定系統(tǒng)的應(yīng)用
使用本電能表檢定系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)確度0.5級(jí)電動(dòng)汽車直流充電樁電能表進(jìn)行校準(zhǔn)。
5.1 檢定直接接入式電能表
電能表參數(shù)：
（1）額定電壓Un：750V
（2）標(biāo)定電流Ib（內(nèi)置分流器）：400A
根據(jù)規(guī)程《JJG842-1993直流電能表檢定規(guī)程》，電能誤差檢定結(jié)果如下表 1。
檢定時(shí)檢測(cè)回路電壓為電能表額定電壓 750V，電流檢定點(diǎn) 1.5Ib、1.2Ib、1Ib、0.5Ib、0.2Ib、0.1Ib。被檢電能表（10%~150%）標(biāo)定電流內(nèi)，當(dāng)在被檢電流為 0.5Ib 時(shí)不能滿足 0.5 級(jí)電能表的要求。因此該表不符合要求。校準(zhǔn)結(jié)果如下表（1）。
表1. 直接接入式電能表檢定
5.2 檢定分流器接入式電能表
廣西電網(wǎng)使用本電能表檢定系統(tǒng)對(duì)某公司的準(zhǔn)確度1級(jí)電動(dòng)汽車直流充電樁電能表進(jìn)行校準(zhǔn)。
電能表參數(shù)：
（1）額定電壓Un：600V
（2）標(biāo)定電流Ib(外接分流器) ：30A
（3）分流器型號(hào)：0.1級(jí)30A/75mV
檢定時(shí)檢測(cè)回路電壓為電能表額定電壓600V，電流檢定點(diǎn)1.5Ib、1.2Ib、1Ib、0.5Ib、0.2Ib、0.1Ib。被檢電能表（10%~150%）標(biāo)定電流內(nèi)，電能計(jì)量準(zhǔn)確度均滿足1級(jí)電能表的精度要求。
表2. 分流式接入式電能表檢定
6. 結(jié)論
本文提出的電動(dòng)汽車充電樁直流電能表檢定系統(tǒng)，可為直流電能量值傳遞體系的建立提供依據(jù)。6 表位全自動(dòng)檢定大大提高了檢表速率，進(jìn)一步推動(dòng)了電動(dòng)汽車的廣泛應(yīng)用，為新能源事業(yè)發(fā)展做貢獻(xiàn)。
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