直流充电桩远程检测系统的计量特性研究

王兴媛,李贺龙,宋燕军,吴丽蓉

(1.中国电力科学研究院有限公司, 北京 100192; 2.太原市优特奥科电子科技有限公司,太原 030006)

0 引 言

随着电动汽车行业的兴起,充电桩作为电动汽车快速充电设施,其业务需求量日渐增加[1-3]。直流充电桩相比于交流充电桩,具有更快的充电效率,能够在短时间内满足电动汽车对动力的需求,因而受到广泛地关注,其电能计量准确性直接影响了用户和供电公司的经济利益[4-6]。

目前,研究学者在充电桩远程监控领域做了许多研究工作。文献[7]提出了一种基于实时脉冲周期比较法对直流电能表进行远程检测的方法,通过计算机远程控制和可多路切换的现场校验装置实现了对多个直流电能表的远程校验;文献[8-9]设计了一种电动汽车直流充电桩自动检测系统,详细分析了系统的总体结构、检测系统的软硬件模块以及设备配置,应用效果证明了该系统对充电桩参数检测方面的简便性;文献[10]开发了基于LabVIEW的便携式直流充电桩自动检测系统,测试结果证明了该检测系统在直流充电桩测试上的高效性、安全性以及稳定性;文献[11]开发了一种基于Web的交流充电桩远程监控系统,测试结果证明了该检测系统能够对故障进行远程报警,保证充电桩的安全运行,可有效实现交流充电桩的运行监控;文献[12]提出了一种基于无线传感网络(WSN)的分布式直流充电桩监测系统,能够对充电桩运行期间的各电气量进行实时监控,提高了充电桩运营的实时性与便捷性;文献[13]基于研发套带传感器的微处理系统,设计了一种汽车充电桩远程短信报警系统,将其安装在充电桩电源回路里用作实时反馈监控,并开通手机短信功能,能够灵活性、机动性实现自动提醒报警;文献[14]将直流充电桩与电动汽车的BMS协议测试工具相结合,实现充电桩系统远程模拟测试,该系统的设计大大提升了测试效率以及覆盖度,确保设计过程中充电设备协议交流的有效性。

上述研究文献应用各种智能通信手段实现了对电动汽车充电桩的远程监控,但鲜少有文章从充电桩的计量原理出发,探究充电桩计量误差的来源以对远程检测系统功能需求进行分析。为此,文中对直流充电桩的基本特性展开研究,首先,对直流充电桩的充电过程及计费原理进行分析,从工作误差、示值误差、付费金额误差以及时间误差四个方面对充电桩的计量误差来源进行分析,并给出量化计算方法,建立了直流充电桩远程检测系统,对系统的总体架构、软硬件结构进行设计,并重点阐述了系统测试模块的功能。最后,对所建立系统进行应用并给出算例验证过程对所提计量检定策略的有效性进行验证。

1 直流充电桩的基本特性分析

1.1 充电过程及计费原理

图1为直流充电桩的工作原理,主要包括充电握手阶段、参数配置、充电过程以及充电结束等环节[15]。在每个阶段充电桩都会与电动汽车的电池管理系统进行数据交互,当充电桩无法在规定时间内接收到电池管理系统发送来的正确报文,则认定为通信超时进入错误处理流程。

图1 直流充电桩的基本工作流程

随着电动汽车行业的兴起,大量电动汽车对电能需求的无规则性以及无序性对电力系统的稳定性造成一定的影响。为此,如何通过需求侧管理和价格机制实现对电动汽车充电时间的合理引导,确保电力系统的供需平衡,是当下需要解决的一个重要问题。目前,电网公司针对电动汽车用电采用了24小时充电分时计费的计价方式,按照充电桩计费电价从高到低的排列顺序依次是:尖峰时段、高峰时段、平峰时段和低谷时段[16]。但对于电动汽车来说,每次充电时间一般仅个把小时,所以通常电动汽车一次充电涉及到计费类型为2～3种。

1.2 计量误差来源及计算方式

应用直流充电桩对电动汽车用电量进行计量,其主要依靠直流充电桩内部的电能表以及分流器来实现。在对电能量计量的过程中,由于直流充电桩硬件设备以及软件设备的原因,会出现一定的计量误差,主要包括:工作误差、示值误差、付费金额误差和时钟示值误差[17]。针对这四个主要误差来源展开分析讨论。

(1)工作误差

工作误差是指在同一负载、同步连续工作的情况下,被测充电桩输出电能示值与标准电能表测定电能值的差值,用于衡量电能表电量计量的准确性,其计算方式为:

(1)

式中γ0为标准电能表的已定系统误差;E′为被测充电桩在测试过程中累积输出的电能量;E为标准表在测试过程中累积输出的电能量,工作误差的计算结果至少取两次测试结果的平均值。除此之外,在非常规的检测环境下,还应考虑温度对测试结果的影响,工作误差需加上修正值e:

(2)

式中C为平均温度系数,不同准确度等级下的取值如表1所示;T为当前环境温度,ΔT为温度差。综上,求出的充电桩工作误差限若能满足表1中的范围要求,则工作误差在合适的范围内[18]。

(2)示值误差

示值误差是指电能表所计量的电能量与数据传输到充电桩主控制器时所显示电能量的差值,用于衡量数据传输过程中造成的显示误差。同样基于式(1)对充电桩显示误差大小进行计算,此时,E′为被测充电桩显示的累积输出的电能量。

由于示值误差的主要来源为电能表内部分时段计时和数据传输过程,因此在对分时计费的充电桩进行示值误差检测时,连续工作时间段内需要分别包含四个分时费率相互切换的时刻,且要对每个时间段的示值误差进行分别检定,对费率分时切换点前后计量电能量的示值误差进行分开测算,最后进行统一核算。

(3)付费金额误差

付费金额误差是指充电桩显示的应付充电费用与按照分时计费单价和分时充电量累积总和的绝对差值,需要满足不大于充电桩最小付费金额的要求,付费金额误差Ep的计算公式为:

Ep=|YJ-A|

(3)

式中YJ为充电桩显示的应付充电费用(元);A为实际应付充电费用(元),其中:

(4)

式中 ΔWxi为第i段分时计费下累积充电量(kWh);Ki为第i段分时计费下计费单价(元/kWh);n为分时计费的分段数;i为分时计费的分段序号。

(4)时间误差

时间误差是指充电桩的显示时刻与标准时钟测试仪的显示时刻的差值,其误差计算公式为:

Δt=|t′-t|

(5)

式中t为标准时钟测试仪的显示时刻;t′为被测充电桩的显示时刻;Δt为充电桩时钟示值误差。在充电桩充电计费过程中,应保证时间示值的准确性,这样才能确保电费计量的正确性。在对充电桩进行首次时间误差检定时,应保证其时间示值误差小于5 s,在对已进行过首次时间误差检定的充电桩而言,应保证其时间示值误差小于3 min,对于返厂或是恢复出厂设置的充电桩按照5 s的要求,对其进行约束。

2 直流充电桩远程检测系统的设计

2.1 系统的总体架构

图2为直流充电桩远程检测系统总体架构,主要包含两层架构,一是远程校验管理主站,包括数据库服务器、web服务器、应用服务器、管理主站以及其他客户端等;二是现场校验装置,包括各种充电桩校验表等。

图2 直流充电桩远程检测系统总体架构

2.2 系统软硬件结构

如图3所示,为系统的功能架构示意图,其主要功能是实现用户管理、系统测试以及设备管理等需求。

图3 直流充电桩远程检测系统结构框图

(1)用户管理功能:包括对用户的注册和登陆的操作权限进行管控,实现对用户信息数据的基本维护。通过远程数据通信的方式获取操作用户IP登陆地址,根据用户类型的不同赋予不同的系统操作权限,进行管理人员的跟踪定位、远程操作指令的下发与数据的读取以及异常事故处理的任务派单;

(2)系统测试功能:作为直流充电桩远程检测系统最关键的环节,系统测试包括对工作误差、示值误差、付费金额误差和时钟示值误差这四个主要误差来源的一次性测量分析以及可选择性的单独测量分析,并支持将测量结果上传至主站系统中,以报表形式进行展示。此外,由于这四项误差来源的判定都是以标准电能表的数据作为衡量标准的,因此系统测试功能还支持从标准电能表测试仪中读取所需数据,其进行数据交互的功能是双向的;

(3)设备管理功能:对与直流充电桩远程检测系统相连接、相关联的硬件设备进行管控,包括对设备进行控制指令的下发与基本数据信息的读取,例如:通信报文的发送与接受、充电桩基本参数的配置等等。

如图4所示,为系统现场校验装置的硬件结构图,主要包括:工控机、高精度分流计等,实现对四种主要误差的计量检测。其中,工控机装设了多个接口将线路各引出至用于测量的隔离香蕉端子,实现数据的传输;高精度分流计的电压、电流接口分别并联、串联于线路中。此外,充电线路中还装设了直流断路器,能够模拟电动汽车开关,并在在电流过大时自动断开充电线路保护系统不被烧坏。

如图5所示,为现场校验装置的基本原理。现场校验装置主要包含本地控制模块、采样通道切换模块、脉冲通道切换模块以及标准表四个重要组成部分。其中,本地控制模块一般由工控机实现,是现场校验装置的首脑,实现对各功能模块的逻辑控制和信息通信;采样通道切换模块能够根据工控机下发的指令对测试通道进行切换,并将采样信号进行调理后传输至标准表中;脉冲通道切换模块能够根据工控机下发的指令对待测电能表的脉冲通道进行切换,并将脉冲信号传输至标准表中;标准表作为校验基准,能够按照精度要求进行各种电气量的测量。

图5 现场校验装置的基本原理

2.3 通讯手段

如2.1小节所述,直流充电桩远程检测系统包含两层架构,上下层级交互的通信信息既包含固定模式及长度的数据,也包含不固定模式及长度的数据。为了满足不同系统之间信息交互的兼容性需求,采用IEC 61850通信协议标准对现有逻辑节点进行扩展[19-20]。在直流充电桩远程检测系统中,应用该通信协议标准能够显著提升整个检测系统的安全性能,大大降低开发成本,满足互操作性需求。

如图6所示,为直流充电桩远程检测系统通信方式示意图,其建设核心内容包括两方面:一是远程校验管理主站需要支持IEC 61850通信标准,能够对现场校验装置进行命令的下发和数据的读取;二是现场校验装置能够支持基于IEC 61850通信标准与主站进行信息通信,并能够进行ICD文件配置。

图6 系统通信方式

3 系统测试模块功能设计

如2.2节所述,系统的测试功能是直流充电桩远程检测系统最关键的环节,其能够实现直流充电桩四项主要误差的测试以及结果分析,可将系统测试模块细分为数据交互功能、项目测试功能以及报表打印功能,如图7所示,其测试基本流程如图8所示。

图7 远程测试系统的系统测试功能

图8 直流充电桩测试基本流程

数据交互功能是指直流充电桩远程检测系统管理主站与现场校验装置间的数据交互的功能是双向的,现场校验装置需要从标准电能表测试仪中读取标准数据作为衡量标准与实际测量值进行误差比对,并将误差结果传输回管理主站,进行结果解析。

项目测试功能是指按照直流充电桩远程检测系统的规定对工作误差、示值误差、付费金额误差和时钟示值误差这四个主要误差进行一次性测量分析或是有选择性的对某一种误差进行单独测量分析。

报表打印功能是指按照直流充电桩远程检测系统的规定,将四种误差的测量结果填入预先设定好的报表模板指定位置,完成所有数据的填写后,才能够将此报表打印出来。报表打印功能实现了数据的规范化管控,便于操作人员进行数据的使用。

图9为直流充电桩远程检测系统操作界面示意图,按照误差测试的步骤,将其分为4个部分进行介绍,图9中,占有窗口最大面积的第1部分是误差测试结果的显示窗口,默认对四种误差同时进行测量,并对结果进行展示;第2部分是充电桩工作状态的展示界面,能够对误差测试的充电时长进行设置;第3部分是误差测试项目的选择,默认对四种误差同时进行测试,也可以根据需求单独选择对其中一种误差进行测试;第4部分是对系统的操作设置区域,包括对误差测试的通断、报表的打印、时间校准等。

图9 系统操作界面示意图

4 实验验证

选择准确度等级为2的直流充电桩作为被测对象,采用电阻负载进行直流充电桩各项误差性能的测试。分别令充电桩工作在恒流/恒压模式下,工作持续时间均设置为10 min,得到两种模式下的工作误差测量结果如表2、表3所示。

表2 恒流模式下的工作误差测试结果

表3 恒压模式下的工作误差测试结果

在额定电压 750 V、额定电流 80 A 的满功率条件下,按照第1节所述的测试原理,对直流充电桩的示值误差、付费金额误差以及时间误差进行测试,结果列于表4中。

表4 示值、付费金额以及时间误差测试结果

结合表2～表4来看,电能表工作在恒流模式或是恒压模式下时,其工作误差均存在超过±2%的情况,进一步测量直流充电桩的其他误差结果,示值误差的测算结果为 1.473%,付费金额误差为0,充电桩时间误差为35 s。根据上述测试结果可知,对于准确度等级为2的直流充电桩而言,其工作误差限为2%,而测量结果明显不满足要求,说明该充电桩的电能表计费精度出现了问题。在这种情况下,测量得到的付费金额却不存在误差,这说明该充电桩的部分计费模块精度满足要求,部分计费模块精度存在问题。除此之外,从时间误差值来看,充电桩的示值时间误差远远超过了规程要求。

因此,进一步应用直流充电桩远程检测系统对电能表的用电量和时间进行多次测试,并同时记录显示屏的数据,对比两者数据完全一致,说明导致电量、时间测量存在误差的原因是装置本身存在精度问题,可能原因是因使用不当引起的内部计量芯片损坏,需要进行更换以备后续正常使用。

5 结束语

文章对直流充电桩的充电过程及计费原理进行探究,从工作误差、示值误差、付费金额误差以及时间误差四个方面分析了充电桩的计量误差来源并给出量化计算方法。文章对直流充电桩远程检测系统的总体架构、软硬件结构进行设计,并重点阐述了系统测试模块的功能。最后,某直流充电桩的计量功能检测结果充分证明了所建系统在实现直流充电桩的计量检定的有效性。