电动车户内充电行为辨识设备的性能评价方法

戴强晟，晏 依

（1.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏 南京 210000；2.国网江西省电力有限公司供电服务管理中心， 江西 南昌 330001）

0 引言

电动车又称为“电瓶车”，它是由蓄电池（电瓶）提供电能，由电动机（直流、交流，串励、他励）驱动的纯电动机动车辆。电动车具有运维成本低、环保、停车方便等优点，在中国具有广阔的应用前景[1]。然而，由于居民安全意识薄弱，社区监管手段匮乏，用户夜间在户内对电瓶车进行长时间的持续充电，可能会导致电池过度充电，从而发热鼓胀，引起自燃或爆炸，引发电气火灾[2-3]。

非介入式负荷监测技术最早由美国MIT的Hart G.W.提出，该技术仅需在用户入户线处安装电气量监测装置对总电气量进行量测，通过一定的负荷辨识算法进行处理，便可实现不同特性负荷成分的分解[4-7]。相比于介入式负荷监测，具有硬件成本低、用户接受度高、拓展性强等优点。

为满足电动车户内安全充电的监管要求，利用非介入式负荷辨识技术能实现电动车户内充电行为的精准识别，且市场上已有相应的产品。然而，电动车户内充电行为辨识设备的性能评价方法的缺失，阻碍了产品的标准化进程及技术发展[8]。

1 电动车户内充电过程的功率变化特性

电动车电池充电是一个相对复杂的过程，充电过程中，电能转化为化学能在电池的正负两级形成材料堆积。由于电池的构造特性，在充电的过程中，随着电池电量的不断提升，电池正负极两端的电压也随之上升，充电电流的大小由充电动机输出电压与电池电压的压差决定，称之为充电压差。由于电池组的整体电阻相对很小，如果固定充电电压，在电池充电初期，电池电压较低，充电压差较大，这时充电电流会非常大，会导致电池过热甚至电池损伤。

在电池电量不断上升之后，电池电压逐渐升高，充电压差不断缩小，会导致充电电流很小，无法满足充电要求。这就要求充电动机有一个合理的充电安排，并要求在电池电压较低的时候控制电流以一个较为恒定的电流充电。电池电压达到一定高度接近充满的时候，又要保障电池电压以一定的速度缓慢上升，保证电池能够充满。

因此，充电过程大致可分为三个阶段，分别是恒流阶段、恒压阶段和涓流阶段。从恒流到涓流状态随着电池充电量增高，电流特征量变化越小，负荷辨识难度越高。

2 辨识设备的性能评价方法

2.1 总体思路

一种电动车户内充电行为辨识设备的性能评价方法，步骤流程图如图1所示。

图1 性能评价方法的流程示意图

具体步骤如下：

步骤1：将电动车户内充电过程分为6个阶段：充电量20%～40%、充电量40%～60%、充电量60%～80%、恒流阶段、恒压阶段及涓流阶段；

步骤2：设置负荷参数类型，具体包括：负荷参数类型为电器种类、启动时间、停止时间及电能消耗，并记录各充电阶段的负荷参数类型的实际值；当电器种类为电动车时，电器种类的实际值为1；当电器种类不是电动车时，电器种类的实际值记为0；

步骤3：使用辨识设备进行辨识，并记录各充电阶段负荷参数类型的测量值；当电动车户内充电行为辨识设备识别出电器种类为电动车时，则电器种类的测量值为1；当电器种类不是电动车时，则电器种类的测量值记为0；

步骤4：对比各充电阶段负荷参数类型的实际值与测量值，得到各充电阶段的电动车户内充电行为辨识差异度R；

步骤5：设置处罚系数α，对辨识差异度进行惩罚性修正，并计算各充电阶段的辨识准确度T；

步骤6：通过截尾均值方法计算综合准确度T0；

步骤7：根据各叠加电器的权重系数Ci，得到综合分数S；

步骤8：设置电动车户内充电行为辨识能力等级表，根据综合分数S的值评价电动车户内充电行为辨识设备的性能等级。

2.2 辨识差异度的计算

辨识差异度R是通过计算测量值向量x和实际值向量y之间的马氏距离D（x）得到的，具体的方法如下：

在某一个充电阶段，负荷参数类型中的电器种类、启动时间、停止时间、电能消耗的测量值分别记为x1，x2，x3，x4，实际值分别记为y1，y2，y3，y4；

测量值的向量记为x=（x1，x2，x3，x4）T，实际值的向量为y=（y1，y2，y3，y4）T，得到测量值与实际值的均值向量如公式（1）所示：

分别计算测量值向量x的期望E（x）和实际值向量y的期望E（x）和E（y）：

测量值向量和实际值向量的协方差为：

则协方差矩阵为：

计算测量值与实际值的马氏距离D(x)，得到辨识差异度R如式（7）所示；

辨识差异度R的取值范围为[0，1]，当R＞1时取1，当R＜0时取0。

2.3 辨识结果的综合分数计算

处罚系数α应根据不同的充电阶段设置，充电量越低，辨识错误处罚越高，处罚系数越小。辨识准确度T可根据辨识差异度R和处罚系数α得到：

综合准确度T0通过截尾均值方法得到，在6个充电阶段分别计算辨识准确度T，去除辨识准确度T的最大值和最小值，计算剩余4个充电阶段辨识准确度T的平均值，即为综合准确度T0；

辨识结果的综合分数S可根据综合准确度T0和各叠加电器权重系数C计算得到；

3 算例分析

图1所示是本算例电动车户内充电过程的功率变化特性图。

图1 电动车户内充电过程的功率变化特性图

各充电阶段负荷参数类型实际值如表1所示。

表1 充电阶段相关负荷参数实际值

各充电阶段负荷参数类型测量值如如表2所示：

表2 充电阶段相关负荷参数测试值

通过式（7）得到的辨识差异度R结果如表3所示。

表3 辨识差异度

设置处罚系数α，对辨识差异度进行惩罚性修正，并计算各充电阶段的辨识准确度T；各充电阶段的处罚系数α的值如表4所示。

表4 辨识准确度

各充电阶段的辨识准确度T的值如表5所示。

表5 辨识准确度

通过截尾均值方法计算综合准确度T0，即：

在辨识过程中，用电用户的户内用电设备存在多种电器叠加的情况，辨识结果的综合分数S可根据综合准确度T0和各叠加电器权重系数C计算得到，本算例中各叠加电器权重系数C的值如表6所示。

表6 各叠加电器权重系数

本算例中无叠加电器，权重系数C=1，综合分数S为87.76。设置的辨识能力等级表如表7所示。

表7 辨识能力等级表

根据评价等级表，判断被测的电动车户内充电行为辨识能力等级为良。

4 结语

文中首先基于电动车户内充电不同阶段的特性，将充电行为过程分为6个不同的阶段，对比分析各充电阶段负荷参数类型的实际值与测量值，在计及叠加电器的影响下，得到综合分数S的值；最后根据设置的电动车户内充电行为辨识能力等级表，实现对电动车户内充电行为辨识设备的性能考核。通过具体的算例，对某电动车户内充电行为辨识设备的性能进行了评价，得到该设备的性能等级为良的结论。该方法的提出有利于相关产品的性能提升与非介入式负荷辨识技术的推广应用。