直流充電樁遠程檢測系統的計量特性研究

王興媛,李賀龍,宋燕軍,吳麗蓉

(1.中國電力科學研究院有限公司, 北京 100192; 2.太原市優特奧科電子科技有限公司,太原 030006)

0 引 言

隨著電動汽車行業的興起,充電樁作為電動汽車快速充電設施,其業務需求量日漸增加[1-3]。直流充電樁相比于交流充電樁,具有更快的充電效率,能夠在短時間內滿足電動汽車對動力的需求,因而受到廣泛地關注,其電能計量準確性直接影響了用戶和供電公司的經濟利益[4-6]。

目前,研究學者在充電樁遠程監控領域做了許多研究工作。文獻[7]提出了一種基于實時脈沖周期比較法對直流電能表進行遠程檢測的方法,通過計算機遠程控制和可多路切換的現場校驗裝置實現了對多個直流電能表的遠程校驗;文獻[8-9]設計了一種電動汽車直流充電樁自動檢測系統,詳細分析了系統的總體結構、檢測系統的軟硬件模塊以及設備配置,應用效果證明了該系統對充電樁參數檢測方面的簡便性;文獻[10]開發了基于LabVIEW的便攜式直流充電樁自動檢測系統,測試結果證明了該檢測系統在直流充電樁測試上的高效性、安全性以及穩定性;文獻[11]開發了一種基于Web的交流充電樁遠程監控系統,測試結果證明了該檢測系統能夠對故障進行遠程報警,保證充電樁的安全運行,可有效實現交流充電樁的運行監控;文獻[12]提出了一種基于無線傳感網絡(WSN)的分布式直流充電樁監測系統,能夠對充電樁運行期間的各電氣量進行實時監控,提高了充電樁運營的實時性與便捷性;文獻[13]基于研發套帶傳感器的微處理系統,設計了一種汽車充電樁遠程短信報警系統,將其安裝在充電樁電源回路里用作實時反饋監控,并開通手機短信功能,能夠靈活性、機動性實現自動提醒報警;文獻[14]將直流充電樁與電動汽車的BMS協議測試工具相結合,實現充電樁系統遠程模擬測試,該系統的設計大大提升了測試效率以及覆蓋度,確保設計過程中充電設備協議交流的有效性。

上述研究文獻應用各種智能通信手段實現了對電動汽車充電樁的遠程監控,但鮮少有文章從充電樁的計量原理出發,探究充電樁計量誤差的來源以對遠程檢測系統功能需求進行分析。為此,文中對直流充電樁的基本特性展開研究,首先,對直流充電樁的充電過程及計費原理進行分析,從工作誤差、示值誤差、付費金額誤差以及時間誤差四個方面對充電樁的計量誤差來源進行分析,并給出量化計算方法,建立了直流充電樁遠程檢測系統,對系統的總體架構、軟硬件結構進行設計,并重點闡述了系統測試模塊的功能。最后,對所建立系統進行應用并給出算例驗證過程對所提計量檢定策略的有效性進行驗證。

1 直流充電樁的基本特性分析

1.1 充電過程及計費原理

圖1為直流充電樁的工作原理,主要包括充電握手階段、參數配置、充電過程以及充電結束等環節[15]。在每個階段充電樁都會與電動汽車的電池管理系統進行數據交互,當充電樁無法在規定時間內接收到電池管理系統發送來的正確報文,則認定為通信超時進入錯誤處理流程。

圖1 直流充電樁的基本工作流程

隨著電動汽車行業的興起,大量電動汽車對電能需求的無規則性以及無序性對電力系統的穩定性造成一定的影響。為此,如何通過需求側管理和價格機制實現對電動汽車充電時間的合理引導,確保電力系統的供需平衡,是當下需要解決的一個重要問題。目前,電網公司針對電動汽車用電采用了24小時充電分時計費的計價方式,按照充電樁計費電價從高到低的排列順序依次是:尖峰時段、高峰時段、平峰時段和低谷時段[16]。但對于電動汽車來說,每次充電時間一般僅個把小時,所以通常電動汽車一次充電涉及到計費類型為2～3種。

1.2 計量誤差來源及計算方式

應用直流充電樁對電動汽車用電量進行計量,其主要依靠直流充電樁內部的電能表以及分流器來實現。在對電能量計量的過程中,由于直流充電樁硬件設備以及軟件設備的原因,會出現一定的計量誤差,主要包括:工作誤差、示值誤差、付費金額誤差和時鐘示值誤差[17]。針對這四個主要誤差來源展開分析討論。

(1)工作誤差

工作誤差是指在同一負載、同步連續工作的情況下,被測充電樁輸出電能示值與標準電能表測定電能值的差值,用于衡量電能表電量計量的準確性,其計算方式為:

(1)

式中γ0為標準電能表的已定系統誤差;E′為被測充電樁在測試過程中累積輸出的電能量;E為標準表在測試過程中累積輸出的電能量,工作誤差的計算結果至少取兩次測試結果的平均值。除此之外,在非常規的檢測環境下,還應考慮溫度對測試結果的影響,工作誤差需加上修正值e:

(2)

式中C為平均溫度系數,不同準確度等級下的取值如表1所示;T為當前環境溫度,ΔT為溫度差。綜上,求出的充電樁工作誤差限若能滿足表1中的范圍要求,則工作誤差在合適的范圍內[18]。

(2)示值誤差

示值誤差是指電能表所計量的電能量與數據傳輸到充電樁主控制器時所顯示電能量的差值,用于衡量數據傳輸過程中造成的顯示誤差。同樣基于式(1)對充電樁顯示誤差大小進行計算,此時,E′為被測充電樁顯示的累積輸出的電能量。

由于示值誤差的主要來源為電能表內部分時段計時和數據傳輸過程,因此在對分時計費的充電樁進行示值誤差檢測時,連續工作時間段內需要分別包含四個分時費率相互切換的時刻,且要對每個時間段的示值誤差進行分別檢定,對費率分時切換點前后計量電能量的示值誤差進行分開測算,最后進行統一核算。

(3)付費金額誤差

付費金額誤差是指充電樁顯示的應付充電費用與按照分時計費單價和分時充電量累積總和的絕對差值,需要滿足不大于充電樁最小付費金額的要求,付費金額誤差Ep的計算公式為:

Ep=|YJ-A|

(3)

式中YJ為充電樁顯示的應付充電費用(元);A為實際應付充電費用(元),其中:

(4)

式中 ΔWxi為第i段分時計費下累積充電量(kWh);Ki為第i段分時計費下計費單價(元/kWh);n為分時計費的分段數;i為分時計費的分段序號。

(4)時間誤差

時間誤差是指充電樁的顯示時刻與標準時鐘測試儀的顯示時刻的差值,其誤差計算公式為:

Δt=|t′-t|

(5)

式中t為標準時鐘測試儀的顯示時刻;t′為被測充電樁的顯示時刻;Δt為充電樁時鐘示值誤差。在充電樁充電計費過程中,應保證時間示值的準確性,這樣才能確保電費計量的正確性。在對充電樁進行首次時間誤差檢定時,應保證其時間示值誤差小于5 s,在對已進行過首次時間誤差檢定的充電樁而言,應保證其時間示值誤差小于3 min,對于返廠或是恢復出廠設置的充電樁按照5 s的要求,對其進行約束。

2 直流充電樁遠程檢測系統的設計

2.1 系統的總體架構

圖2為直流充電樁遠程檢測系統總體架構,主要包含兩層架構,一是遠程校驗管理主站,包括數據庫服務器、web服務器、應用服務器、管理主站以及其他客戶端等;二是現場校驗裝置,包括各種充電樁校驗表等。

圖2 直流充電樁遠程檢測系統總體架構

2.2 系統軟硬件結構

如圖3所示,為系統的功能架構示意圖,其主要功能是實現用戶管理、系統測試以及設備管理等需求。

圖3 直流充電樁遠程檢測系統結構框圖

(1)用戶管理功能:包括對用戶的注冊和登陸的操作權限進行管控,實現對用戶信息數據的基本維護。通過遠程數據通信的方式獲取操作用戶IP登陸地址,根據用戶類型的不同賦予不同的系統操作權限,進行管理人員的跟蹤定位、遠程操作指令的下發與數據的讀取以及異常事故處理的任務派單;

(2)系統測試功能:作為直流充電樁遠程檢測系統最關鍵的環節,系統測試包括對工作誤差、示值誤差、付費金額誤差和時鐘示值誤差這四個主要誤差來源的一次性測量分析以及可選擇性的單獨測量分析,并支持將測量結果上傳至主站系統中,以報表形式進行展示。此外,由于這四項誤差來源的判定都是以標準電能表的數據作為衡量標準的,因此系統測試功能還支持從標準電能表測試儀中讀取所需數據,其進行數據交互的功能是雙向的;

(3)設備管理功能:對與直流充電樁遠程檢測系統相連接、相關聯的硬件設備進行管控,包括對設備進行控制指令的下發與基本數據信息的讀取,例如:通信報文的發送與接受、充電樁基本參數的配置等等。

如圖4所示,為系統現場校驗裝置的硬件結構圖,主要包括:工控機、高精度分流計等,實現對四種主要誤差的計量檢測。其中,工控機裝設了多個接口將線路各引出至用于測量的隔離香蕉端子,實現數據的傳輸;高精度分流計的電壓、電流接口分別并聯、串聯于線路中。此外,充電線路中還裝設了直流斷路器,能夠模擬電動汽車開關,并在在電流過大時自動斷開充電線路保護系統不被燒壞。

如圖5所示,為現場校驗裝置的基本原理。現場校驗裝置主要包含本地控制模塊、采樣通道切換模塊、脈沖通道切換模塊以及標準表四個重要組成部分。其中,本地控制模塊一般由工控機實現,是現場校驗裝置的首腦,實現對各功能模塊的邏輯控制和信息通信;采樣通道切換模塊能夠根據工控機下發的指令對測試通道進行切換,并將采樣信號進行調理后傳輸至標準表中;脈沖通道切換模塊能夠根據工控機下發的指令對待測電能表的脈沖通道進行切換,并將脈沖信號傳輸至標準表中;標準表作為校驗基準,能夠按照精度要求進行各種電氣量的測量。

圖5 現場校驗裝置的基本原理

2.3 通訊手段

如2.1小節所述,直流充電樁遠程檢測系統包含兩層架構,上下層級交互的通信信息既包含固定模式及長度的數據,也包含不固定模式及長度的數據。為了滿足不同系統之間信息交互的兼容性需求,采用IEC 61850通信協議標準對現有邏輯節點進行擴展[19-20]。在直流充電樁遠程檢測系統中,應用該通信協議標準能夠顯著提升整個檢測系統的安全性能,大大降低開發成本,滿足互操作性需求。

如圖6所示,為直流充電樁遠程檢測系統通信方式示意圖,其建設核心內容包括兩方面:一是遠程校驗管理主站需要支持IEC 61850通信標準,能夠對現場校驗裝置進行命令的下發和數據的讀取;二是現場校驗裝置能夠支持基于IEC 61850通信標準與主站進行信息通信,并能夠進行ICD文件配置。

圖6 系統通信方式

3 系統測試模塊功能設計

如2.2節所述,系統的測試功能是直流充電樁遠程檢測系統最關鍵的環節,其能夠實現直流充電樁四項主要誤差的測試以及結果分析,可將系統測試模塊細分為數據交互功能、項目測試功能以及報表打印功能,如圖7所示,其測試基本流程如圖8所示。

圖7 遠程測試系統的系統測試功能

圖8 直流充電樁測試基本流程

數據交互功能是指直流充電樁遠程檢測系統管理主站與現場校驗裝置間的數據交互的功能是雙向的,現場校驗裝置需要從標準電能表測試儀中讀取標準數據作為衡量標準與實際測量值進行誤差比對,并將誤差結果傳輸回管理主站,進行結果解析。

項目測試功能是指按照直流充電樁遠程檢測系統的規定對工作誤差、示值誤差、付費金額誤差和時鐘示值誤差這四個主要誤差進行一次性測量分析或是有選擇性的對某一種誤差進行單獨測量分析。

報表打印功能是指按照直流充電樁遠程檢測系統的規定,將四種誤差的測量結果填入預先設定好的報表模板指定位置,完成所有數據的填寫后,才能夠將此報表打印出來。報表打印功能實現了數據的規范化管控,便于操作人員進行數據的使用。

圖9為直流充電樁遠程檢測系統操作界面示意圖,按照誤差測試的步驟,將其分為4個部分進行介紹,圖9中,占有窗口最大面積的第1部分是誤差測試結果的顯示窗口,默認對四種誤差同時進行測量,并對結果進行展示;第2部分是充電樁工作狀態的展示界面,能夠對誤差測試的充電時長進行設置;第3部分是誤差測試項目的選擇,默認對四種誤差同時進行測試,也可以根據需求單獨選擇對其中一種誤差進行測試;第4部分是對系統的操作設置區域,包括對誤差測試的通斷、報表的打印、時間校準等。

圖9 系統操作界面示意圖

4 實驗驗證

選擇準確度等級為2的直流充電樁作為被測對象,采用電阻負載進行直流充電樁各項誤差性能的測試。分別令充電樁工作在恒流/恒壓模式下,工作持續時間均設置為10 min,得到兩種模式下的工作誤差測量結果如表2、表3所示。

表2 恒流模式下的工作誤差測試結果

表3 恒壓模式下的工作誤差測試結果

在額定電壓 750 V、額定電流 80 A 的滿功率條件下,按照第1節所述的測試原理,對直流充電樁的示值誤差、付費金額誤差以及時間誤差進行測試,結果列于表4中。

表4 示值、付費金額以及時間誤差測試結果

結合表2～表4來看,電能表工作在恒流模式或是恒壓模式下時,其工作誤差均存在超過±2%的情況,進一步測量直流充電樁的其他誤差結果,示值誤差的測算結果為 1.473%,付費金額誤差為0,充電樁時間誤差為35 s。根據上述測試結果可知,對于準確度等級為2的直流充電樁而言,其工作誤差限為2%,而測量結果明顯不滿足要求,說明該充電樁的電能表計費精度出現了問題。在這種情況下,測量得到的付費金額卻不存在誤差,這說明該充電樁的部分計費模塊精度滿足要求,部分計費模塊精度存在問題。除此之外,從時間誤差值來看,充電樁的示值時間誤差遠遠超過了規程要求。

因此,進一步應用直流充電樁遠程檢測系統對電能表的用電量和時間進行多次測試,并同時記錄顯示屏的數據,對比兩者數據完全一致,說明導致電量、時間測量存在誤差的原因是裝置本身存在精度問題,可能原因是因使用不當引起的內部計量芯片損壞,需要進行更換以備后續正常使用。

5 結束語

文章對直流充電樁的充電過程及計費原理進行探究,從工作誤差、示值誤差、付費金額誤差以及時間誤差四個方面分析了充電樁的計量誤差來源并給出量化計算方法。文章對直流充電樁遠程檢測系統的總體架構、軟硬件結構進行設計,并重點闡述了系統測試模塊的功能。最后,某直流充電樁的計量功能檢測結果充分證明了所建系統在實現直流充電樁的計量檢定的有效性。