一、引言

 

新型電動汽車是汽車發(fā)展趨勢，但與之相關(guān)的配套措施并不健全。電動汽車充電站計量器具作為電動汽車發(fā)展的重要運營保障，其電能計量是否建立統(tǒng)一標準，關(guān)系到貿(mào)易結(jié)算能否公平公正。

在我國，交流電能計量相對成熟。而直流電能表應(yīng)用于電動汽車充電電能的計量處于起步階段。現(xiàn)階段檢定上述電能表的裝置并沒有統(tǒng)一標準，且檢定效率低。本文提出一種6表位全自動檢定系統(tǒng)，大大提高了檢定效率。

 

二、檢定系統(tǒng)

 

1.檢定系統(tǒng)的主要特點

(1)檢定系統(tǒng)由計算機軟件、嵌入式軟件、微處理器、6路電壓源、電流源、標準脈沖輸出模塊、6路電能誤差計算模塊、6路電能脈沖采樣模塊、6表位誤差顯示模塊等組成?？蛻敉ㄟ^計算機軟件界面選擇檢定方案， 通過RS232線將命令傳送到微處理器，處理器經(jīng)過計算控制電壓源電流源自動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?？蓹z定直接接入式電能表，也可檢定分流器接入式電能表。大中型電動汽車充電電壓為(400～800)V，電流為0～500A?；诖?， 系統(tǒng)設(shè)計輸出范圍: 電壓:(3～900)V，電流:直接接入式:1mA～600A， 分流器接入式:100μV～360mV。600A電流負載能力2.5kW，并可長期工作。

(3)計算機通過RS232線與表源一體化裝置進行通信，控制裝置自動量程并輸出電壓、電流至被檢表。同時通過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實時操作系統(tǒng)平臺。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試等功能。檢測系統(tǒng)軟件實現(xiàn)流程:

①初始化。將微處理器，軟件操作系統(tǒng)、硬件進行初始化。

②建立進程。包括建立按鍵進程、數(shù)據(jù)處理進程、界面顯示進程、通信進程、故障處理進程等。

③調(diào)用進程，實現(xiàn)軟件控制輸出。上位機調(diào)用通信進程與軟件進行通信， 或者是客戶通過觸摸屏或按鍵調(diào)用按鍵進程進行狀態(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)處理進程進行電壓電流控制輸出，進行電能誤差計算、多表位電能測試數(shù)據(jù)處理等。

④驅(qū)動底層，控制硬件輸出。

2.電能誤差測量原理

實測被檢表脈沖數(shù)m₁、m₂、m₃、m₄、m₅、m₆與算定脈沖數(shù)m₀進行對比，得出電能誤差δ_i，即

式中:

R——被檢表電能表轉(zhuǎn)數(shù)；

f——標準電能脈沖頻率；

c_i——被檢表脈沖常數(shù)，imp/kW·h；

α_H——標準表脈沖常數(shù)，imp/kW·h；

U、I——標準源輸出電壓、電流滿量程值。

圖1系統(tǒng)原理框圖</CTSM>

3.工作原理(見圖1)

客戶經(jīng)過界面設(shè)定檢定點， 計算機通過RS232線傳遞命令至微處理器， 微處理器計算需要選定的電壓、電流量程，控制源自動量程并輸出電壓、電流至被檢表。同時6路18位AD采樣采集被檢表光(電)脈沖數(shù)。6路電能誤差計算模塊比較被檢表脈沖數(shù)和標準表脈沖數(shù)進行電能誤差計算，并傳遞數(shù)據(jù)值至顯示模塊進行顯示。主要部件如下：

(1)計算機自動檢測軟件:計算電能誤差，通過RS232與下位機進行數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理、報表打印、數(shù)據(jù)保存等。

(2)微處理器:進行數(shù)據(jù)處理是整個裝置的指揮中心，通過RS232口與外設(shè)進行通信，控制觸摸屏進行顯示等。

(3)6路相互隔離電壓源和電流源:電壓:(3～900)V，年準確度最優(yōu):0.01%；電流:直接接入式:1mA～600A，年準確度最優(yōu):0.02%，分流器接入式:100μV～360mV，年準確度最優(yōu):0.005%RD+10uV(RD為讀數(shù)值)。

(4)標準電能脈沖輸出:系統(tǒng)采用DDS技術(shù)將基準頻率進行分頻。將功率值轉(zhuǎn)換成不同頻率的標準電能脈沖輸出。

(5)6路電能誤差

計算模塊:對比標準脈沖數(shù)與被檢表脈沖數(shù)，進行電能誤差計算。

(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，并將其轉(zhuǎn)化成微處理器可以處理的信號。

(7)6表位誤差顯示模塊:顯示電能誤差及其他檢定項目狀態(tài)。

 

三、技術(shù)難點及解決方案

本系統(tǒng)中難點在于大電流的測量，大電流測量準確度直接影響到電流源的準確度。目前，大電流測量主要采用四端電阻法、霍爾法、直流比較儀，其年準確度分別為0.2%/年、0.5%/年和5×10^-6/年。

本系統(tǒng)采用新型直流比較儀(見圖2)進行大電流測量，它既是大電流測量重要部件又是大電流發(fā)生器的一個反饋部件。相比傳統(tǒng)的直流比較儀能夠快速捕捉電流的快速變化，且測量頻率范圍寬。

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為磁通檢測繞組，C為比較儀次級繞組，N4單獨繞制在鐵芯A上，為激勵繞組。其中鐵芯A由高導磁率軟磁材料制作，鐵芯B由低導磁率鐵氧體材料制作。

圖2 新型直流比較儀</CTSM>

圖3為鐵芯B測量電路圖。實現(xiàn)原理:S線圈檢測磁通經(jīng)過磁通檢測模塊轉(zhuǎn)換為電壓信號，控制功率放大器增大或減少輸出，流經(jīng)次級繞組電流隨之增加或減小，通過不斷的調(diào)節(jié)，最終使得鐵芯B達到磁平衡。系統(tǒng)平衡建立的時間不超過1μs。通過標準電阻進行電流采樣，測試得到US，從而可以計算出I_P值。同時磁通信號可作為報警信號等狀態(tài)信號。

U_S=k×I_P (4)

式中:k——比例常數(shù)。

圖3 鐵芯B測量電路</CTSM>

 

四、人機對話界面

 

人機對話操作界面分為工具欄、檢定項目類型、檢定實時監(jiān)控等3部分。工具欄分為檢定、參數(shù)、工具等3部分，其中檢定包括打開、自動檢定、結(jié)果處理。參數(shù)包括檢定項目、電表參數(shù)、方案綁定。工具包括通信日志、通信調(diào)試。

操作步驟分三步: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，無需另設(shè)置參數(shù)。測試完成后將結(jié)果輸出至Excel中進行打印、數(shù)據(jù)保存等。

 

五、檢定系統(tǒng)的應(yīng)用

 

使用本電能表檢定系統(tǒng)對準確度0.5級電動汽車直流充電樁電能表進行校準。

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)標定電流Ib(內(nèi)置分流器):400A。檢定時檢測回路電壓為電能表額定電壓750V，電流檢定點為1.5Ib、1.2Ib、1Ib、0.5Ib、0.2Ib、0.1Ib。被檢電能表(10%～150%)標定電流內(nèi)，當在被檢電流為0.5Ib時不能滿足0.5級電能表的要求。因此，根據(jù)JJG842-1993《直流電能表檢定規(guī)程》，該表不符合要求。

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)對某公司準確度1級電動汽車直流充電樁電能表進行校準。電能表參數(shù):

(1)額定電壓Un:600V；

(2)標定電流Ib(外接分流器):30A；

(3)分流器型號:0.1級30A/75mV。

檢定時檢測回路電壓為電能表額定電壓600V，電流檢定點為1.5Ib、1.2Ib、1Ib、0.5Ib、0.2Ib、0.1Ib。在被檢電能表(10%～150%)標定電流內(nèi)，電能計量準確度均滿足1級電能表的準確度要求。