基于温度场分析的直流电能表计量准确度研究.pdf

第6 0 卷第6 期2023年6 月15日电测与仪 表Electrical Measurement&InstrumentationVol.60 No.6Jun.15,2023基于温度场分析的直流电能表计量准确度研究侯磊，曲锋,祁天星,刘亚洲,王伊晓,蔡毅（1.国网河北省电力有限公司雄安新区供电公司，河北保定0 7 18 0 0；2.上海电力设计院有限公司，上海2 0 0 0 0 0；3.黑龙江省电工仪器仪表工程技术研究中心有限公司，哈尔滨150 0 16)摘要：针对设计相同、同一批次电动汽车直流充电桩在不同地区存在计量准确度不同的问题，从环境温度对直流充电桩中直流电能表计量准确度影响进行深入研究。除自然温度外直流充电桩充电中计量直流电能表周围和内部主要发热器件分别是外部分流器和内部电源芯片，考虑到电能表内部电路中对计量准确度影响最大的是计量芯片，文章研究对象确定为直流充电桩用采用分流器的直流计量表，针对其处于高寒地区，环境超低温表内部电源芯片、表外部分流器的发热共同对直流计量结果的影响，文中为直流电能表建立有限元模型，用于分析其所处环境温度场和以分流器为代表的发热量大的直流电能表配件和内部器件的温度分布，并联合数值仿真软件对其进行数值分析,最终得到直流电能表在高寒地区计量结果随温度变化的规律。关键词：环境温度；温度场分析；直流电能表；计量准确度D0I:10.19753/j.issn1001-1390.2023.06.027中图分类号：TM933.4Research on measurement accuracy of DC electricity meter based onHou Lei,Qu Feng,Qi Tianxing,Liu Yazhou,Wang Yixiao,Cai Yi?(1.Xiong an New Area Power Supply Company,State Grid Hebei Electric Power Co.,Ltd.,Baoding 071800,Hebei,China.2.Shanghai Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200000,China.3.Heilongjiang Electric Instrument Engineering Technology Research Center Co.,Ltd.,Harbin 150016,China)Abstract:Aiming at the problem that the same design and the same batch of electric vehicle DC charging piles have dif-ferent measurement accuracy in different regions,the influence of ambient temperature on the measurement accuracy ofDC electricity meter in DC charging piles is studied in depth.In addition to the natural temperature,the main heating de-vices around and inside the DC electricity meter charged by the DC charging pile are the external shunt and the internalpower supply chip respectively.Considering that the metering chip has the greatest influence on the metering accuracy inthe internal circuit of the electricity meter.The research object of this paper is the DC electricity meter with shunt for DCcharging pile.In view of it is in alpine region,the environment is ultra-low temperature,and the heating of power chip in-side the meter and current converter outside the meter jointly affect the DC measurement results.This paper will establishfinite element model to analyze the temperature distribution of DC electricity meter environment and the temperature distri-bution of DC electricity meter accessories and internal devices with large heating capacity represented by shunt,and con-duct numerical analysis through combing numerical software.Finally,the law of measurement results of DC electricity me-ter changing with temperature in alpine region is obtained.Keywords:environmental temperature,temperature field analysis,DC electricity meter,measurement accuracy基金项目：国网河北省电力有限公司科技项目（52 0 4XQ20008T)一18 8 一文献标识码：Btemperature field analysis文章编号：10 0 1-13 9 0(2 0 2 3)0 6-0 18 8-0 60引言随着电动汽车的快速发展，为了提高效率，用户希第6 0 卷第6 期2023年6 月15日望使用快充设备为电动车充电，由于直流充电桩充电速度优于交流充电桩，因此目前国家电网在大力铺设直流充电桩，其计量用电量的表计为直流电能表，直流电能表中包含分流器、变压器、电源芯片等工作过程中发热的器件，这就导致了工作温度对计量结果影响较大。由于直流充电桩实际使用时的环境温度变化范围比较大,其中元器件的性能同样会受影响。国内外多个团队研究结果发现当温度增加10，电子元器件因温度波动受损概率增加1倍，因为元器件受损，装置本身的可靠性变差。可以从研究结果中得到环境温度变化影响电能计量装置的计量精度，自然包括用于电动汽车充电桩的直流电能表。国外也有一些科研团队研究电能计量装置准确度受温度影响的理论,文献 1 中搭建了温度测试平台，此平台能够改变局部环境温度，为研究电能计量装置在高温、低温环境下受环境温度影响的趋势提供了条件。文献 2 中描述了电能计量装置在环境温度变化时误差的对应关系，给出了有益的实测数据和结论。文献 3 同样搭建了温度测试平台，模拟非极端天气环境下电能计量装置在不同温度下的误差情况，得出电能计量装置处于持续高温环境下计量准确性受很大影响的结论。与此同时,国内多个计量相关领域的团队也在研究相同的问题,对比国外的研究,国内学者更为务实,多以具有温度特点的地域性问题条件作为研究背景。我们知道，电气元件要么的是正温度系数的元器件，要么是负温度系数的元器件，无论如何受温度影响，电器元件的参数均会在环境温度变化的时候或多或少的产生变化。无论是直流的还是交流的电能计量装置，影响其精度的误差有基准的误差、信号通道的增益误差、数模转换误差等 4-,文献 9-11 研究了电能计量装置的信号通道中的信号处理电路,其中最主要的器件是运算放大器及阻容网络，温度升高会使元器件产生温漂，会使信号通过放大器的时候产生失调电压，信号相移也会随元器件的参数变化而变化，最终导致电能计量装置精度降低。文献 12 在分析温度对电能计量装置电流互感器及其后端采样电阻参数的影响下，为电能计量装置建立了相对准确的误差模型，进一步经测试得到了电能计量装置受温度影响趋势结论。文献 13-14 研究电能计量装置测控电路中主控芯片和计量芯片晶振频率随温度变化时,芯片的节拍所受影响,为其他学者进一步研究计量精度提供了研究基础。文献 15 用MATLAB搭建电能计量装置模型,采用Monte Carlo方法,把电能计量装置当做一个整体来分析，给出了在较宽温度范围电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation内评价电能计量装置误差的途径，且研究了基于容差设计的电能计量装置温度补偿算法。文献 16 按照国外研究的测试条件搭建了精度较高的测试电能计量装置高低温测试实验平台，得到计量装置在不同温度下计量精度的变化趋势，进一步为电能计量装置建立非线性模型,结合实测数据和模型分析，实现了对电能计量误差的补偿。文献 17 用有限元软件对电能计量装置所处环境的温度进行了温度场仿真，用实验的方式得到了计量精度和温度变化之间的函数关系,并根据获取的函数关系对计量精度做了温度补偿函数,并验证了补偿的准确性。文献 18 针对计量装置中采用可编程增益放大器PGA的电能计量装置进行研究，同样用实验的方式得到了计量精度和温度变化之间的函数关系。利用温度场分析理论，针对电动车用直流充电桩内直流电能装置的计量准确度随温度变化而变化的问题,研究了电能计量装置在不同环境温度尤其是北方极寒天气下，直流充电桩内部电能计量装置及其附件，以及表内测量电路受环境温度的影响。进一步，根据获取的环境温度变化和计量准确度变化之间的关系拟合出计量准确度变化曲线，依据拟合结果得到直流电能计量装置因温度变化导致的计量误差。1直流电能计量装置热源损耗直流电能计量装置及其附件中，影响其所处环境温度的有分流器和计量电路中的电源芯片，忽略对直流电能计量装置环境温度影响小的元器件产生的热量。研究对象为0.5级直流电能计量装置，计量范围为7 0 0V，3 0 0 A/7 5m V。在所选直流电能计量装置中电源系统分为+3.3 V的控制器供电系统、+5V的计量电路供电系统以及+5V的通信模块供电电源,其中计量电路供电系统和通信模块供电电源是独立的+5V电源，并且电能计量装置电路中所有的电源共地。选用的直流计量装置是静止式直流表，其技术指标满足GB/T33708-2017,如图1所示。止式高话电排道0.5-0038?图1直流表Fig.1DC electricity meterVol.60 No.6Jun.15,2023一18 9 一第6 0 卷第6 期2023年6 月15日被研究的直流表内部三个电源系统中，发热量最大的是为计量元件供电的线性电源芯片WL2852K50，其额定电流为10 0 mA,输出电压范围可调，为1.8 V5.7V。当WL2852K50输出电压被设置为+5V时，其工作效率不高于6 0%。2直流电能表温度场仿真建模方法2.1直流电能表温度场分析模型论文分析直流电能计量装置的工具为有限元软件ANSYS Icepak。建模时主要考虑直流电能计量装置的计量主电路、分流器和外壳,在基于电能计量装置CAD模型图的基础上用ANSYSIcepak对其建模。为避免CAD模型图造成ANSYSIcepak在建模过程中难以划分网格和仿真不易收敛的问题，用ANSYS SCDM为直流电能计量装置建立3 D模型。研究所选择的直流计量装置外形机械尺寸为110mm57mm160mm,其内部被分为上下两个空腔，中间隔层是计量电