曾博¹ 李刚² 韩帅³ 周新华⁴ 邓志军⁵

（1~3 广西电网公司电力科学研究院 南宁 530023）

（4~5 长沙天恒测控技术有限公司 长沙 410100）

摘要：根据电动汽车充电桩直流电能表特点，本文研制了一套基于实时脉冲数比较法全自动直流电能表检定系统。该系统通过计算机远程控制，利用嵌入式软件及表源一体化装置进行 6 表位同步检测。试验表明，该检定系统可以作为电动汽车充电桩直流电能计量量值传递和检测的依据。

关键词：电动汽车充电桩，直流电能表检定系统，实时脉冲数比较法，量值传递

1. 引言

随着雾霾频频袭扰，、的纯电动汽车走进汽车消费的主战场。电动汽车由于其环保节能的特性受到各国人民亲睐。

新型电动汽车是汽车发展趋势，但与之相关的配套措施并不健全。电动汽车充电站计量器具，作为电动汽车发展的重要运营保障，其电能计量是否建立统一标准，是关系到贸易结算能否公平公正的关键。在我国，交流电能计量相对成熟。而直流电能表应用于电动汽车充电电能的计量处于起步阶段。现阶段检定上述电能表的装置并没有统一标准，且检定效率低。本文提出一种 6 表位全自动检定系统，大大提高了检定速率，为建立直流电能计量量值传递体系，制定电动汽车充电站直流电能计量量值传递规范和检测规范提供了依据。

2. 检定系统

2.1 检定系统的主要特点

（1）检定系统由计算机软件、嵌入式软件、微处理器、6 路电压源、电流源、标准脉冲输出模块、6 路电能误差计算模块、6 路电能脉冲采样模块、6 表位误差显示模块等组成。客户通过计算机软件界面选择检定方案，通过 RS232 线将命令传送微处理器，处理器经过计算控制电压源电流源自动选择合适量程输出检定。

（2）系统采用虚拟功率检定，使用 6 路相互隔离直流电压源与电流源分别提供高电压和大电流。可检定直接接入式电能表，也可检定分流器接入式电能表。大中型电动汽车充电电压为 400~800 V，电流为 0~500 A。基于此，系统设计输出范围：电压：3 V～900 V，电流：直接接入式：1 mA~600 A，分流器接入式：100 μV～360 mV。600 A 电流负载能力 2.5 kW，并可长期工作。

（3）计算机通过 RS232 线与表源一体化装置进行通信，控制装置自动量程并输出电压、电流至被检表。同时通过 6路 18 位 AD 采样模块采集被检表光脉冲或电脉冲数。

（4）嵌入式软件采用基于 freeRTOS 实时操作系统平台。软件的主要功能包括：直流电流源功能、直流电压源功能和电能测试等功能。检测系统软件实现流程：

a、初始化。将微处理器，软件操作系统、硬件进行初始化。

b、建立进程。包括建立按键进程、数据处理进程、界面显示进程、通信进程、故障处理进程等。

c、调用进程，实现软件控制输出。上位机调用通讯进程与软件进行通讯，或者是客户通过触摸屏或按键调用按键进程进行状态设置、量程设置、功能设置、系统设置等。再调用数据处理进程进行电压电流控制输出，进行电能误差计算、多表位电能测试数据处理等。

d、驱动底层，控制硬件输出。

2.2 电能误差测量原理

实测被检表脉冲数 m₁、m₂、m₃、m₄、m₅、m₆ 与算定脉冲数 m₀ 进行对比，得出电能误差 δi。

式中：

R：被检表电能表转数。

f ：标准电能脉冲频率。

Ci：被检表脉冲常数，imp/kWh。

aH：标准表脉冲常数，imp/kWh。

U、I：标准源输出电压、电流满量程值。

2.3 工作原理

图1. 系统原理框图

客户经过界面设定检定点，计算机通过 RS232 线传递命令至微处理器，微处理器计算需要选定的电压、电流量程，控制源自动量程并输出电压、电流至被检表。同时 6 路 18 位 AD 采样采集被检表光（电）脉冲数。6 路电能误差计算模块比较被检表脉冲数和标准表脉冲数进行电能误差计算，并传递数据值至显示模块进行显示。主要部件介绍：

（1）计算机软件：计算电能误差、通过 RS232 与下位机进行数据通信。数据处理、报表打印、数据保存。

（2）微处理器：进行数据处理。是整个装置的核心，通过 RS232 口与外设进行通讯，控制触摸屏显示等。

（3）6 路相互隔离电压源和电流源：电压：3V～900V，年准确度：0.01%；电流：直接接入式：1mA~600A,年准确度：0.02%，分流器接入式：100μV～360mV，年准确度：0.005%RD+10uV（RD—读数值）。

（4）标准电能脉冲输出：系统采用 DDS 技术将基准频率进行分频。将功率值转换成不同频率的标准电能脉冲输出。

（5）6 路电能误差计算模块：对比标准脉冲数与被检表脉冲数，进行电能误差计算。

（6）6 路被检表电能脉冲采集模块：采集被检电能表的脉冲信号，并将其转化成微处理器可以处理的信号。

（7）6 表位误差显示模块：显示电能误差及其它检定项目状态。

3. 技术难点及解决方案

本系统中难点在于大电流的测量，大电流测量精度直接影响到电流源的精度。目前大电流测量主要采用四端电阻法、霍尔法和直流比较仪。其年准确度分别为0.2%/年、0.5%/年和5ppm/年。

本系统采用新型直流比较仪进行大电流测量，它既是大电流测量重要部件又是大电流发生器的一个反馈部件。相比传统的直流比较仪能够快速捕捉电流的快速变化，且测量频率范围宽。

图2. 新型直流比较仪

宽频直流比较仪由双铁芯叠加绕线而成。S、C 为 A 和 B 共同绕组，S 为磁通检测绕组，C 为比较仪次级绕组，N4 单独绕制在铁芯A上，为激励绕组。其中铁芯A由高导磁率软磁材料制作，铁芯B由低导磁率铁氧体材料制作。

图3. 铁芯B测量电路

图 3. 为铁芯B测量电路图。实现原理：S线圈检测磁通经过磁通检测模块转换为电压信号，控制功率放大器增大或减少输出，流经次级绕组电流随之增加或减小，通过不断的调节，最终使得铁芯B达到磁平衡。系统平衡建立的时间不超过1μs。通过标准电阻进行电流采样，测试得到U_S。从而可以计算出I_P值。同时磁通信号可作为报警信号等状态信号。

Us = k × Ip………………………………..(4)

式中： k 为比例常数。

4. 人机对话界面

人机对话操作界面分成三个部分：工具栏、检定项目类型、检定实时监控。工具栏分成检定、参数、工具三部分，其中检定包括打开、自动检定、结果处理。参数包括检定项目、电表参数、方案绑定。工具包括通讯日志、通讯调试。

操作步骤三步走：打开录入数据、选择检定类型、开始检定。系统自带规程制定的直接接入式方案或分流器接入式方案。客户只需直接加载方案，无需另设置参数。测试完成后将结果输出至EXCEL中进行打印，数据保存等。

图4. 人机交互界面

5. 检定系统的应用

使用本电能表检定系统对准确度0.5级电动汽车直流充电桩电能表进行校准。

5.1 检定直接接入式电能表

电能表参数：

（1）额定电压Un：750V

（2）标定电流Ib（内置分流器）：400A

根据规程《JJG842-1993直流电能表检定规程》，电能误差检定结果如下表 1。

检定时检测回路电压为电能表额定电压 750V，电流检定点 1.5Ib、1.2Ib、1Ib、0.5Ib、0.2Ib、0.1Ib。被检电能表（10%~150%）标定电流内，当在被检电流为 0.5Ib 时不能满足 0.5 级电能表的要求。因此该表不符合要求。校准结果如下表（1）。

表1. 直接接入式电能表检定

5.2 检定分流器接入式电能表

广西电网使用本电能表检定系统对某公司的准确度1级电动汽车直流充电桩电能表进行校准。

电能表参数：

（1）额定电压Un：600V

（2）标定电流Ib(外接分流器) ：30A

（3）分流器型号：0.1级30A/75mV

检定时检测回路电压为电能表额定电压600V，电流检定点1.5Ib、1.2Ib、1Ib、0.5Ib、0.2Ib、0.1Ib。被检电能表（10%~150%）标定电流内，电能计量准确度均满足1级电能表的精度要求。

表2. 分流式接入式电能表检定

6. 结论

本文提出的电动汽车充电桩直流电能表检定系统，可为直流电能量值传递体系的建立提供依据。6 表位全自动检定大大提高了检表速率，进一步推动了电动汽车的广泛应用，为新能源事业发展做贡献。

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