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，中间隔层是计量电路。如图2 所示，在乙轴方向上，电路板离电能表接线柱距离40 mm,在Y轴方向上电路板距上表面2 0 mm,在Y轴负方向上距下表面3 7 mm。计量电路元器件分布在电路板对应下腔体的下表面，液晶显示屏在直流计量装置的上表面。图2 外壳模型Fig.2Shell model直流表电路板上下面均布有元器件且数量众多，研究过程中不可能对直流表电路做精细建模，只能考虑对研究结果有较大影响的器件建模，简化场模型见图3。图3 电路板温度场模型Fig.3 Circuit board temperature field model一19 0 一电测与仪 表Electrical Measurement&Instrumentation图3 中仅标记出直流电能表电路板上影响环境温度的主要元件。选择分析的分流器由锰铜材料制成，其温度场模型如图4所示。图4分流器模型Fig.4Shunt model直流计量装置整机模型，如图5所示。图5整机模型Fig.5Complete machine model在图5中给出了直流表和分流器的空间位置，采用文献18 的方式将两者连接到一起。现给出直流表内部及附件各部件指标，如表1所示。表1材料指标Tab.11Material thermal conductivity元件材料电能表外壳PVC压敏电阻树脂采样电阻树脂计量芯片树脂1电源芯片电源芯片/2计量芯片PCB分流器电容（外壳）2.2仿真边界条件在进行有限元仿真之前首先设置计算域Cabinet模型，并选择流体类型。根据实际情况将流体类型设置为空气。设定合理的计算域Cabinet空间,用于模拟Vol.60 No.6Jun.15,2023热导率(W/m)0.150.20.20.2树脂0.2FR40.35锰铜205铝236第6 0 卷第6 期2023年6 月15日环境气体真实流动状态，由于电能表被放置于直流充电桩封闭箱体内，因此空气为湍流 1 9 。研究的环境温度变化范围为3 5之间，温度变化仿真步长为5，且仅研究温度变化达到稳态后的情况。2.3温度场热仿真模型对所研究的直流电能表模型进行分级网格化，针对直流电能表外壳采用较大的模型进行剖分，针对电路板上机械尺寸小的元器件使用尺寸小的网格。最终将电路板划分为10 156 53 个网格，见图6。图 6 网格图Fig.6Grid diagram接下来用Fluent计算求解器对其进行求解。将Z轴方向求解速度初始化为1.5m/s。33环境温度与计量准确度对应函数关系分析3.1温度层仿真分析选计量范围为7 0 0 V，3 0 0 A/7 5m V 的0.5级直流表为研究对象,将环境温度设置为2 0，图7、图8 分别为整机温度云图和隐去PVC材质外壳后温度云图。电测与仪 表Electrical Measurement&Instrumentation图8 温度云图 2Fig.8 Temperature cloud map 2图8 为隐去直流表PVC材质外壳后看到的温度分布。此时，直流表内部仅有电源芯片为发热源，其最高温度为42.0 9 16，由于发热的电源芯片距离MCU和通信模块距离远，因此电源芯片发热对MCU和通信模块影响不大。此时，计量芯片处的温度为3 1.5156，比设置的仿真条件高11.5，这就意味着因为存在电源芯片和分流器发热情况，直流表计量准确度会受影响。前面提到由于直流表外壳是PVC材质且密闭性好，图9 为有限元温度场仿真出来的直流表周围空气流动情况，有限元仿真结果呈现出的是分流器周围空气流动情况，这种流动状态是工作中的分流器发热引起的，且能够看出分流器周围气体流速相对较快。分流器工作中产生的热量一部分散失一部分通过前后端的铜构件进入直流表壳体。Temperature Icl67.596961.794355.991750.189044.386438.583832.781126.978521.1759Vol.60 No.6Jun.15,2023emperature67.596961.937156.278850.619744960639:301533.642427.983422.3243Velocity(m/o464150.128110.0366030.01830150.000000图9 空气流速矢量图Fig.9Air flow velocity vector diagram图7 温度云图13.2计量芯片误差随温度变化情况Fig.7 Temperature cloud map 1设置不同环境温度的仿真场景，完成对直流电能图7 是在直流充电桩内部温度为2 0 时的仿真表环境温度场的分析，环境温度分别选取+3 5、图，此时分流器的温度为6 7.59 6 9，这个工作温度在+15、-15、-3 5四种情况进行有限元仿真分新型的锰铜分流器允许工作温度范围内。由于分流器析，不同温度下有限元仿真结果如图10 所示。所散发热量较大，通过其前后端的铜构件能够将热量由仿真结果图10 所示，环境温度和计量芯片处的传导进直流电能表外壳保护的内部。温度的对应关系是：-3 5时-19.9 542、-15一 19 1 一第6 0 卷第6 期2023年6 月15日时-1.543 9、+15时2 6.7 9 3 9、+3 5时45.7350。可见温度由低变高过程中，计量芯片温度的增幅在逐渐变小，这是由于环境温度增高会降低热对流的能量,从而加大分流器周围散热的难度，计量芯片受的影响就大。不同环境温度下，环境温度低于计量芯片附近温度这一结果。Tempershire Ic80.823875.161869.899964.437958.97594.052051.514042.590137.1281(a)+35TemperatureIcl36.574624.385330.479918.290612.19606.101290.8062500-6.08804-12.1027(c)-15 图10 温度分布云图Fig.10Temperature distribution cloud diagram文献 2 中直流电能表计量误差和计量芯片温度的关系如表2 所示。表2 计量误差与温度对应关系Tab.2IMeasurement error corresponds todifferent temperatures计量芯片温度/-20-10010204050用三次多项式将表2 中能反映温度和计量误差关系数据进行拟合，能够得到两者之间的函数关系式，即：一19 2 一电测与仪 表Electrical Measurement&Instrumentationy=2.281 10 3-2.841 10-*2+0.016 35x-0.097 47式中x为计量芯片温度；为计量误差。图11为拟合出的以温度为变量的误差曲线。0.30.20.1%/0TemperatureJc-0.163.1805-0.257.456951:733445.009940.286334.562828.839223.115617.3921(b)+15 Temperature Ici19.002012.76746.452870.138313-6.17625-12.4908-18.805425.1199-31.4345(d)+15 计量误差/%0.5660.2750.1520.0920.1260.2340.302Vol.60 No.6Jun.15,2023-0.3-0.4-0.5-20-1001020304050温度/图11误差温度曲线Fig.11 Error temperature curve由图11可看出相关系数取0.9 8 9 时，三次多项式拟合效果较准确。利用有限元软件对直流表进行温度场仿真，得到计量芯片所处温度随环境温度变化趋势，再将这个变化趋势关系带人温度和计量误差函数公式，即可得到直流电能表在不同环境温度下的计量误差，见表3。表3 不同环境温度下计量误差Tab.3 Measurement error sunder different temperatures环境温度/-35-25-15-55152535由表3 能够看出，当直流充电桩内部环境温度较低时,直流电能表误差是负值；随着直流充电桩内部环境温度上升，计量误差逐渐由负的误差向正的误差变化。且比较整个仿真的温度范围内误差绝对值发现，直流充电桩处于低温环境时，其内部直流电能表计量准确度误差较大。4结束语在我国东北、西北地区,冬季处于空旷开阔地的直流充电桩内部温度很容易达到-3 5甚至更低，对满足国标GB/T33708-2017的0.5级电动汽车直流充电桩用电能表进行温度场分析，得到分流器、电源芯片计量芯片温度/19.955210.976 4-1.546 97.901 617.336 326.793 936.245 945.735 0计量误差/%-0.5560-0.315 2-0.123 60.015 60.112.40.180 50.230 50.274 3第6 0 卷第6 期2023年6 月15日发热对直流表计量准确度影响的结果，且给出了35之间温度变化和计量误差之间的拟合曲线，即环境温度和计量结果之间的函数关系，可为后续研究极寒地区直流表计量准确度补偿算法提供理论依据。研究对象是直流充电桩用采用分流器的直流计量表，与传统表的区别在于发热主要器件既包括内部电源芯片又包括外部分流器，考虑环境因素多有限元建模复杂，且研究条件以我国极寒地区温度变化范围设置仿真条件,研究直流表的计量准确度和环境温度的关系是有实际工程意义的。参考文献1 Etezadi M,Ghofrani M,Arabali A.Performance of Advanced Meters:Effects of Different Temperatures and Loading Conditions on Meter Ac-curacy C.2014 IEEE PES T&D Conference and Exposition,Chica-go,I.L,USA,2014;1-5.2高翔，刘沛温度对电动汽车直流充电机计量性能影响的研究J电测与仪表，2 0 2 0，57（2 0）：46-50.Gao Xiang,Liu Pei.Effect of Temperature on Measurement Perform-ance of EV DC Chargers J.Electrical Measurement&Instrumenta-tion,2020,57(20):46-50.3 Snyder I B,Strickland G,Snyder A F.Temperature Rise StandardsTests Differences and Performance Assessment for Electricity Meter andMeter Socket Interface C.2014 Clemson University Power SystemsConference,Clemson,S.C,USA,2014:1-5.4 Abbas M.,Vaqar S A.,Alhems L M.Digital Energy Meter TestingUnder Adverse Field Conditions C.2016 IEEE 25th InternationalSymposium on Industrial Electronics(ISIE),Santa Clara,C.A,USA,2016:760-765.5黎海明，兰家隆低温漂带隙基准源及驱动电路设计 J国外电子元器件，2 0 0 5，（11）：2 3-2 5.Li Haiming,Lan Jialong.Design of the reference source and drive cir-cuitJ.Foreign Electronic Components,2005,(11):23-25.6郑超航，李华弱电网下电压源型变换器静态稳定性分析 J电力系统保护与控制，2 0 2 1，49（17）：3 8-47.7】罗治民，刘伯权，郭佳佳。低温漂高抑制比带隙基准电压源设计J.电子与封装，2 0 18，18（12）：2 6-2 9.Luo Zhimin,Liu Boquan,Guo Jiajia.Design of the reference voltagesourceJ.Electronics and Packaging,2018,18(12):26-29.8李光竹，詹坤，高广德，等基于PWM自适应稳压电流互感器的取能电源设计方法 J.智慧电力，2 0 2 2，50（6）：57-6 3.9张海磊，戈益坚。一种应用于高精度数模转换器的DEM译码器的设计 J.产业创新研究，2 0 2 0，（2 2）：18 5-18 7.电测与仪 表Electrical Measurement&InstrumentationZhang Hailei,Ge Yijian.Design of a DEM decoder applied to a high-precision digital-to-analog converterJ.Industrial Innovation Research,2020,(22):185-187.10马文忠，田洪英，刘慧玉，等，非隔离型模块化多电平DC/DC变换器的最小化桥臂环流控制 J.电力系统保护与控制，2 0 2 1，49(22):51-58.11岳舟.高电压增益混合型DC-DC变换器研究 J.电力系统保护与控制,2 0 2 1,49(2 1)：113-12 2.12 肖勇，张乐平，胡珊珊，等.关口表计量影响量分析 J电测与仪表,2 0 18,55(9)：9 1-9 7.Xiao Yong,Zhang Leping,Hu Shanshan,et al.Analysis of the meas-urement and influence quantity of the pass table J.Electrical Meas-urement&Instrumentation,2018,55(9):91-97.13 张鹏，陈丽丽AT和BT切石英晶体频率温度特性随切角变化关系研究 J科技创新导报，2 0 16，13（9）：2 5-2 6.Zhang Peng,Chen Lili.Temperature characteristics of AT and BT cutquartz crystals J.Science and Technology Innovation Guide,2016,13(9):25-26.14县国成，王永攀，高俊，等基于ELM-SVM模型与电能计量大数据的窃电识别技术研究 J智慧电力，2 0 2 2，50（9）：8 2-8 9.15吕明东.考虑温度影响的智能电能表计量精度一致性分析与优化D哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 18.16方昊低温环境下智能电能表计量特性在线监测系统研究 D哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 19.17王凯全温度下智能电能表计量误差分析及温度补偿研究 D哈尔滨：哈尔滨理工大学，2 0 2 0.18张祝喜，杨翠云，宁锁珍温度变化对电能表计量的影响及其修正方法 J.工业计量，2 0 0 3，（S1)：16 5-16 6.Zhang Zhuxi,Yang Cuiyun,Ning Suozhen.Effects of temperaturechange on electric energy meter measurement and its correction methodJ.Industrial Measurement,2003,(S1):165-166.19王利阁.电动汽车充电桩直流电能表检定装置研究 D长沙：湖南大学,2 0 16.作者简介：侯磊（19 8 6 一），男，高级工程师，硕士，从事能源互联网技术、电力系统分析控制、综合能源服务技术研究。Email:收稿日期：2 0 2 2-11-0 9；修回日期：2 0 2 3-0 1-13(田春雨编发）Vol.60 No.6Jun.15,2023一19 3