一體化直流電能表解決方案

一、前言

直流表的出現(xiàn)隨著供給側(cè)新型綠色能源的推廣，對(duì)其能量計(jì)量、結(jié)算的需求應(yīng)運(yùn)而生。與此同時(shí)，在應(yīng)用側(cè)激增的新能源電動(dòng)車(chē)的市場(chǎng)保有量逐年遞增，與其配套的充電裝置遍地開(kāi)花，為保障消費(fèi)者權(quán)益，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)監(jiān)督管理要求的合理性、可行性、高效性而提出的一種一體化直流電能表的解決方案。目前該方案在現(xiàn)場(chǎng)試點(diǎn)應(yīng)用及部分地區(qū)推廣取得了一定的效果。在此，與大家做個(gè)分享，希望更多、更好的解決方案能夠推陳出新，為表計(jì)行業(yè)的發(fā)展群策群力，添磚加瓦。

二、國(guó)內(nèi)直流電能表現(xiàn)狀

我國(guó)目前現(xiàn)場(chǎng)投入使用的充電機(jī)，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)之初沒(méi)有考慮強(qiáng)制檢定的需求，缺少方便檢定的接口；而應(yīng)用于快充樁的直流電能表多為間接式接入，電壓經(jīng)分壓器轉(zhuǎn)換為100V，電流經(jīng)外部分流器轉(zhuǎn)換為75mV 后的信號(hào)接入電能表。這些都給現(xiàn)場(chǎng)檢定帶來(lái)了很大的困難：

? 現(xiàn)場(chǎng)檢定要打開(kāi)樁接線；

? 由于間接接入的方式，分壓器和分流器分別被安裝于充電機(jī)內(nèi)不同位置，沒(méi)有整體鉛封，不符合檢定規(guī)范；

? 根據(jù)各廠家樁的設(shè)計(jì)不同，分流器采樣信號(hào)線走線長(zhǎng)短不一，現(xiàn)場(chǎng)極易受到干擾，對(duì)計(jì)量的準(zhǔn)確性檢定帶來(lái)很大的不確定度，影響現(xiàn)場(chǎng)檢定結(jié)果評(píng)定；

? 能量寄存器分辨率低，不符合檢定規(guī)范；

? 檢定只能通過(guò)實(shí)負(fù)荷進(jìn)行，檢測(cè)設(shè)備笨重，檢定耗時(shí)長(zhǎng)，效率低，能耗大。以嘉興某場(chǎng)站的現(xiàn)場(chǎng)檢定為例：

? 協(xié)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)檢定涉及到多部門(mén)合作，需要聯(lián)系充電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維部門(mén)、充電機(jī)廠家、電能表廠家、現(xiàn)場(chǎng)檢定設(shè)備廠家；

? 停電、停運(yùn)檢定；

? 充電機(jī)要開(kāi)艙，將檢定設(shè)備的負(fù)載回路接入樁回路，檢測(cè)點(diǎn)連接到檢定設(shè)備，接線時(shí)間約1小時(shí)；

? 根據(jù)檢定規(guī)程的要求，檢定一個(gè)樁需要20 度電，檢定時(shí)間約0.5 小時(shí)。

三、一體化直流電能表解決方案

以上問(wèn)題也是導(dǎo)致國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管總局的強(qiáng)檢要求不能即刻得以實(shí)施的主要原因。

一體化直流電能表的解決方案為了解決檢定實(shí)施過(guò)程中的這些問(wèn)題，我們提出了一體化直流電能表的解決方案。

首先考慮改造方便，成本低，新的一體化直流電能表的設(shè)計(jì)，采用直接替換原設(shè)計(jì)上的分流器，達(dá)到在充電機(jī)不需要改造的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)采樣計(jì)量一體化（圖1），計(jì)量部分可被整體鉛封從而滿足檢定規(guī)程的目的；

其次，電壓電流采樣信號(hào)直接接入計(jì)量芯片，距離近，不容易引起干擾，確保了現(xiàn)場(chǎng)檢定的可重復(fù)性；

另外，由于原有規(guī)范要求，分流器設(shè)計(jì)輸出信號(hào)量為75mV，信號(hào)量大，對(duì)大功率樁來(lái)說(shuō)發(fā)熱量大。以可輸出300A 負(fù)荷的充電機(jī)為例，因?yàn)殡娏鞑蓸有盘?hào)規(guī)范的要求，單單在分流器上的消耗就高達(dá)22.5W。這不僅造成了能耗的浪費(fèi)，而且這部分能耗轉(zhuǎn)換為樁內(nèi)的溫升，又反作用于采樣器件，通過(guò)溫漂影響，造成計(jì)量不準(zhǔn)的問(wèn)題。

而新的設(shè)計(jì)將分流器和傳感電路一體化，大幅度降低了分流器阻值，使得發(fā)熱量得以控制，既節(jié)省了能耗，也降低了樁內(nèi)的發(fā)熱，減少了自熱引起的火災(zāi)隱患，對(duì)溫度敏感的采樣信號(hào)也保證了準(zhǔn)確度。

圖1一體化直流電能表替換示意圖

為了最大限度的降低采樣信號(hào)量，減少發(fā)熱，同時(shí)又能保證采樣得準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了高精度、高共模抑制比，低零漂的國(guó)產(chǎn)自研傳感器芯片，應(yīng)用于該一體化直流電能表上。

現(xiàn)有的設(shè)計(jì)能夠保證在300A 大負(fù)荷工作條件下，長(zhǎng)時(shí)間帶載溫升不超過(guò)20℃，大幅地降低了樁內(nèi)因采樣計(jì)量而造成的設(shè)備自熱溫升。在解決了降低采樣信號(hào)量，減少發(fā)熱的基礎(chǔ)上，為了最大限度的保護(hù)消費(fèi)者權(quán)益，現(xiàn)有的一體化直流電能表設(shè)計(jì)還擴(kuò)展了槍端采樣、線損計(jì)算的功能，與車(chē)內(nèi)的充電管理計(jì)量模塊采樣點(diǎn)保持了一致，做到與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)標(biāo)。

以下是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的直流充電機(jī)進(jìn)行了一體化直流電能表改造后的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)：

表1 不同充電機(jī)改造后檢測(cè)數(shù)據(jù)

表2 充電機(jī)實(shí)負(fù)荷、虛負(fù)荷檢測(cè)數(shù)據(jù)

在解決了法制計(jì)量可靠性，測(cè)量重復(fù)性和準(zhǔn)確度可管控的主要問(wèn)題之后，一體化直流電能表在設(shè)計(jì)上還進(jìn)一步考慮了依托大數(shù)據(jù)分析，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)開(kāi)展大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)、算法建模、優(yōu)化、迭代來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)比對(duì)，以達(dá)到遠(yuǎn)程誤差監(jiān)控的功能。

降低運(yùn)維和檢測(cè)人員跑現(xiàn)場(chǎng)的頻次，減少因現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的誤操作帶來(lái)的人為不確定因素，大大提升檢測(cè)效率，減少檢測(cè)成本。

一體化直流表增加專(zhuān)用高速數(shù)據(jù)傳輸通道，保證在原有功能的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)場(chǎng)更豐富的數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)。同時(shí)，為數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸提供信息安全保證，提供數(shù)據(jù)加密，計(jì)費(fèi)結(jié)算賬單簽名等可配置功能做擴(kuò)展，兼容現(xiàn)有充電機(jī)的同時(shí)，為今后的擴(kuò)展功能提供了可能性。

從而實(shí)現(xiàn)了直流電能表- 充電機(jī)- 檢定儀- 平臺(tái)信號(hào)互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)加密、授權(quán)解鎖并保留使用記錄，防止篡改、非授權(quán)使用，支持?jǐn)?shù)據(jù)回溯驗(yàn)證。打破傳統(tǒng)線下檢定概念，響應(yīng)新形勢(shì)、新技術(shù)支撐的數(shù)字化平臺(tái)的要求，通過(guò)運(yùn)行日志采集上報(bào)、告警異常運(yùn)營(yíng)策略配置、工單巡檢聯(lián)動(dòng)機(jī)制達(dá)到大幅減少派工單即可完成檢定任務(wù)的目標(biāo)。

圖2充電樁計(jì)量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

四、發(fā)展趨勢(shì)

2020 年12 月17 日國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管總局下發(fā)了《關(guān)于浙江省市場(chǎng)監(jiān)管局開(kāi)展電動(dòng)汽車(chē)充電樁檢定新模式試點(diǎn)的批復(fù)》（國(guó)市監(jiān)計(jì)量函〔2020〕502 號(hào)），同意杭州市開(kāi)展電動(dòng)汽車(chē)充電樁檢定新模式試點(diǎn)，探索電動(dòng)汽車(chē)充電樁遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)等檢定新模式，為全國(guó)正式實(shí)施電動(dòng)汽車(chē)充電樁強(qiáng)制檢定提供經(jīng)驗(yàn)。結(jié)合數(shù)字中國(guó)建設(shè)，圍繞數(shù)字技術(shù)賦能能源轉(zhuǎn)型；通過(guò)大數(shù)據(jù)、軟件化、相融合的方案規(guī)劃；推進(jìn)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提升行業(yè)的信息化、數(shù)字化水平。

目前該試點(diǎn)方案正在進(jìn)一步向全國(guó)范圍內(nèi)推廣并取得了一定的效果，為現(xiàn)場(chǎng)充電機(jī)的檢定工作能在2023 年順利開(kāi)展提供了可行方案。

依托在杭州試點(diǎn)的工作積累，為國(guó)內(nèi)在非車(chē)載充電機(jī)的檢定規(guī)程修訂提供了具體數(shù)據(jù)、實(shí)施方法及測(cè)試結(jié)果評(píng)定的依據(jù)。

充電機(jī)的檢測(cè)及檢定工作不僅是國(guó)內(nèi)也是國(guó)際上面臨的新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)，亟待國(guó)際化的統(tǒng)一規(guī)范和需求。恰逢2021 年5月OIML（國(guó)際計(jì)量組織）在歷經(jīng)五年（從2016 年始）的充電樁、充電機(jī)檢定問(wèn)題上的討論未果，迫于市場(chǎng)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)的需求緊迫性，決定為這個(gè)項(xiàng)目成立一個(gè)專(zhuān)門(mén)的工作組開(kāi)展工作。

該工作組于 2021 年 10 月成立，并于2021 年12 月底就完成了充電樁、充電機(jī)國(guó)際指南的草稿版V020。這份獨(dú)立的 OIML出版物允許對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電的獨(dú)特方面進(jìn)行特定的處理、例如交易的直接銷(xiāo)售性質(zhì)、傳遞測(cè)量結(jié)果的方式以及電流隨時(shí)間變化的典型負(fù)荷。而該項(xiàng)工作，在杭州試點(diǎn)的項(xiàng)目上已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用與實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)。

2022 年2 月在中國(guó)計(jì)量院的牽頭帶領(lǐng)下，把一體化直流電能表的經(jīng)驗(yàn)反饋到這份國(guó)際指南上，得到了國(guó)際計(jì)量組織的認(rèn)可和采納。經(jīng)過(guò)半年的討論、修改指南G22 版本于2022 年9 月中旬正式發(fā)布。這也意味著我國(guó)對(duì)充電樁在檢測(cè)和檢定方面經(jīng)驗(yàn)得到了國(guó)際社會(huì)的普遍認(rèn)可，設(shè)計(jì)可以對(duì)標(biāo)國(guó)際化要求，為該產(chǎn)業(yè)在全球的推廣奠定了基礎(chǔ)。

▌文章內(nèi)容技術(shù)支持：孟娟，現(xiàn)擔(dān)任浙江瑞銀電子有限公司總工程師。長(zhǎng)期從事電能檢測(cè)及計(jì)量的相關(guān)開(kāi)發(fā)及研究工作。

審核編輯 黃宇