一、引言

 

新型電動汽車是汽車發展趨勢，但與之相關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展的重要運營保障，其電能計量是否建立統一標準，關系到貿易結算能否公平公正。

在我國，交流電能計量相對成熟。而直流電能表應用于電動汽車充電電能的計量處于起步階段。現階段檢定上述電能表的裝置并沒有統一標準，且檢定效率低。本文提出一種6表位全自動檢定系統，大大提高了檢定效率。

 

二、檢定系統

 

1.檢定系統的主要特點

(1)檢定系統由計算機軟件、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。客戶通過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。大中型電動汽車充電電壓為(400～800)V，電流為0～500A。基于此， 系統設計輸出范圍: 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。

(4)嵌入式軟件采用基于freeRTOS實時操作系統平臺。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。檢測系統軟件實現流程:

①初始化。將微處理器，軟件操作系統、硬件進行初始化。

②建立進程。包括建立按鍵進程、數據處理進程、界面顯示進程、通信進程、故障處理進程等。

③調用進程，實現軟件控制輸出。上位機調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用按鍵進程進行狀態設置、量程設置、功能設置、系統設置等。再調用數據處理進程進行電壓電流控制輸出，進行電能誤差計算、多表位電能測試數據處理等。

④驅動底層，控制硬件輸出。

2.電能誤差測量原理

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

式中:

R——被檢表電能表轉數；

f——標準電能脈沖頻率；

c_i——被檢表脈沖常數，imp/kW·h；

α_H——標準表脈沖常數，imp/kW·h；

U、I——標準源輸出電壓、電流滿量程值。

圖1系統原理框圖</CTSM>

3.工作原理(見圖1)

客戶經過界面設定檢定點， 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。6路電能誤差計算模塊比較被檢表脈沖數和標準表脈沖數進行電能誤差計算，并傳遞數據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與下位機進行數據通信、數據處理、報表打印、數據保存等。

(2)微處理器:進行數據處理是整個裝置的指揮中心，通過RS232口與外設進行通信，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:0.01%；電流:直接接入式:1mA～600A，年準確度最優:0.02%，分流器接入式:100μV～360mV，年準確度最優:0.005%RD+10uV(RD為讀數值)。

(4)標準電能脈沖輸出:系統采用DDS技術將基準頻率進行分頻。將功率值轉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:對比標準脈沖數與被檢表脈沖數，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。

 

三、技術難點及解決方案

本系統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生器的一個反饋部件。相比傳統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。實現原理:S線圈檢測磁通經過磁通檢測模塊轉換為電壓信號，控制功率放大器增大或減少輸出，流經次級繞組電流隨之增加或減小，通過不斷的調節，最終使得鐵芯B達到磁平衡。系統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信號。

U_S=k×I_P (4)

式中:k——比例常數。

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、檢定實時監控等3部分。工具欄分為檢定、參數、工具等3部分，其中檢定包括打開、自動檢定、結果處理。參數包括檢定項目、電表參數、方案綁定。工具包括通信日志、通信調試。

操作步驟分三步:打開錄入數據、選擇檢定類型、開始檢定。系統自帶規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，無需另設置參數。測試完成后將結果輸出至Excel中進行打印、數據保存等。

 

五、檢定系統的應用

 

使用本電能表檢定系統對準確度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:

(1)額定電壓Un:750V；

(2)標定電流Ib(內置分流器):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，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JJG842-1993《直流電能表檢定規程》，該表不符合要求。

2.檢定分流器接入式電能表

廣西電網使用本電能表檢定系統對某公司準確度1級電動汽車直流充電樁電能表進行校準。電能表參數:

(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，電能計量準確度均滿足1級電能表的準確度要求。