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《電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)》2015年第十一期

摘要：

為推動(dòng)和規(guī)范非車載充電機(jī)的電氣性能，為充電機(jī)性能檢測(cè)工作提供技術(shù)手段，建立了基于組態(tài)王軟件的非車載充電機(jī)自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái)。本平臺(tái)采用組態(tài)王軟件進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，圍繞組態(tài)王開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行外圍硬件設(shè)備的配置，設(shè)備驅(qū)動(dòng)和通信的設(shè)計(jì)，并根據(jù)制定好的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行系統(tǒng)人機(jī)界面及實(shí)驗(yàn)操作的軟件設(shè)計(jì)。基于該平臺(tái)可開展安全功能、輸出特性、絕緣性能、諧波電流4大類實(shí)驗(yàn)，并通過實(shí)踐驗(yàn)證了檢測(cè)平臺(tái)的可行性與實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：

組態(tài)王；充電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)；自動(dòng)化測(cè)試；通信驅(qū)動(dòng)；測(cè)試實(shí)驗(yàn)

充電機(jī)性能是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支撐，關(guān)系著電動(dòng)汽車和動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全。若充電機(jī)性能不達(dá)標(biāo)，將會(huì)引起蓄電池充電時(shí)間異常、整車?yán)m(xù)航時(shí)間縮短、蓄電池使用壽命降低等問題。

目前電動(dòng)汽車發(fā)展仍以公共交通及公共服務(wù)車輛為主，換電模式為主要運(yùn)行模式之一，因此為保證電網(wǎng)和用戶的安全，需開展非車載充電機(jī)的性能檢測(cè)工作。文獻(xiàn)[1-5]對(duì)此開展了相關(guān)研究工作。因國外對(duì)充電機(jī)檢測(cè)并沒有相關(guān)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，所以相關(guān)研究較少。為可靠高效地開展非車載充電機(jī)性能測(cè)試，本文基于自動(dòng)控制系統(tǒng)開發(fā)軟件組態(tài)王6.55設(shè)計(jì)開發(fā)了充電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)。本平臺(tái)可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、界面友好、操作簡單、測(cè)試精度高，同時(shí)通過與平臺(tái)設(shè)備的通信實(shí)現(xiàn)非車載充電機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)化測(cè)試。平臺(tái)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，以報(bào)表或者曲線形式展現(xiàn)測(cè)試結(jié)果，測(cè)試過程準(zhǔn)確高效。

1檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)國家、企業(yè)各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6-8]均規(guī)定了充電機(jī)輸出電壓和輸出電流的范圍，基本范圍在24~750V，10~500A之間，結(jié)合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及平臺(tái)搭建意義，本平臺(tái)設(shè)計(jì)可滿足50~500V，0~100A的充電機(jī)性能的測(cè)試，可以完成的測(cè)試項(xiàng)目包括安全功能試驗(yàn)、輸出特性試驗(yàn)、絕緣性能試驗(yàn)、諧波電流試驗(yàn)。檢測(cè)平臺(tái)主要由3部分構(gòu)成，即功率電路系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。功率電路系統(tǒng)包括交流模擬電源、調(diào)壓電源、功率可調(diào)直流負(fù)載、電源選擇柜、開關(guān)切換柜、短路柜，模擬充電機(jī)不同運(yùn)行工況。檢測(cè)系統(tǒng)包括功率分析儀、數(shù)據(jù)記錄儀、示波器、電能質(zhì)量測(cè)試儀及所需的傳感器設(shè)備，在充電機(jī)性能測(cè)試過程中實(shí)時(shí)量測(cè)各測(cè)量點(diǎn)電壓、電流數(shù)據(jù)，獲得充電機(jī)性能數(shù)據(jù)。監(jiān)控系統(tǒng)包括工控機(jī)、驅(qū)動(dòng)程序、板卡及串行通信線纜等，實(shí)現(xiàn)充電機(jī)檢測(cè)的可視化和自動(dòng)化，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視充電機(jī)的狀態(tài)和遠(yuǎn)程控制平臺(tái)設(shè)備進(jìn)行充電機(jī)的測(cè)試。

1.2平臺(tái)通信設(shè)計(jì)本平臺(tái)采用組態(tài)王軟件開發(fā)，測(cè)試過程中平臺(tái)設(shè)備需要與組態(tài)王進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，組態(tài)王的驅(qū)動(dòng)程序采用ActiveX技術(shù)，使通信程序和組態(tài)王構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，保證運(yùn)行系統(tǒng)的高效率，從而組成可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)。本平臺(tái)中組態(tài)王與I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換采用串行通信和板卡兩種方式，平臺(tái)通信設(shè)計(jì)如圖2所示。電源選擇柜、開關(guān)切換柜、直流負(fù)載柜采用板卡通信模式，此模式需在組態(tài)王工程瀏覽器的設(shè)備節(jié)點(diǎn)中通過“板卡”項(xiàng)進(jìn)行配置設(shè)備驅(qū)動(dòng)，板卡插接在工控機(jī)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線ISA（industrialstandardarchitecture）擴(kuò)展槽內(nèi)，用戶通過訪問板卡的I/O地址與平臺(tái)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；交流模擬電源和功率分析儀通過“COM”項(xiàng)進(jìn)行配置設(shè)備驅(qū)動(dòng)，串口設(shè)備通過RS232串行通信線纜連接到工控機(jī)的串口，本平臺(tái)配置2個(gè)串口，最多可配置32個(gè)串口通信設(shè)備。串口通訊不僅需要物理接口的連接還需要依據(jù)不同的設(shè)備采用不同的通訊配置，確定包括波特率、校驗(yàn)方式、校驗(yàn)位和數(shù)據(jù)位的個(gè)數(shù)等參數(shù)，設(shè)備和上位機(jī)組態(tài)王軟件必須配置一致才能實(shí)現(xiàn)正常通訊。通過遠(yuǎn)程通信方案可以遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)與監(jiān)控輸入電源狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)過壓、欠壓等不同電網(wǎng)狀況模擬；可以通過板卡通信遠(yuǎn)程控制電源選擇柜和開關(guān)切換柜的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)自動(dòng)切換；可以遠(yuǎn)程在線調(diào)節(jié)直流負(fù)載的大小，模擬蓄電池充電的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)充電機(jī)輸出不同功率的工作模式下測(cè)試的自動(dòng)化；并實(shí)時(shí)上傳檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

2基于組態(tài)王的自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái)

2.1組態(tài)王功能分析本平臺(tái)人機(jī)界面采用亞控公司的組態(tài)王6.55對(duì)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，該軟件充分利用了Windows的圖形功能完備、界面一致性好、易學(xué)易用的特點(diǎn)，使開發(fā)的系統(tǒng)更具有通用性，大大減少了工控軟件開發(fā)者的重復(fù)性工作，縮短項(xiàng)目開發(fā)周期，減少開發(fā)費(fèi)用。組態(tài)王開發(fā)軟件的功能特點(diǎn)有：①強(qiáng)大的界面顯示功能：提供給用戶豐富的作圖工具，可隨心所欲地繪制出各種工業(yè)界面；②良好的開放性：組態(tài)軟件能與多種通信協(xié)議互聯(lián)，支持多種硬件設(shè)備，向下能與低層的數(shù)據(jù)采集設(shè)備通信，向上能與管理層通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的雙向通信；③豐富的功能模塊：完成實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)生功能報(bào)表、顯示歷史曲線、實(shí)時(shí)曲線、提供報(bào)警功能；④強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫：配有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，可存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換；⑤可編程的命令語言：擴(kuò)充應(yīng)用系統(tǒng)的功能，對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行最精確的控制；⑥周密的系統(tǒng)安全防護(hù)：對(duì)不同的操作者賦予不同的操作權(quán)限，保證整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行；⑦仿真功能：提供強(qiáng)大的仿真功能使系統(tǒng)并行設(shè)計(jì)從而縮短開發(fā)周期[9]。文獻(xiàn)[10]曾經(jīng)用組態(tài)王軟件開發(fā)了逆變器并網(wǎng)檢測(cè)平臺(tái)，為本項(xiàng)目的實(shí)施提供了可靠的保證。

2.2測(cè)試方案整個(gè)充電機(jī)測(cè)試方案以組態(tài)王6.55作為開發(fā)平臺(tái)，測(cè)試充電機(jī)的測(cè)試方案流程如圖3所示。人機(jī)操作界面可實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）總體監(jiān)控。在上位機(jī)顯示采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)值，計(jì)算機(jī)通過和設(shè)備通信訪問相關(guān)設(shè)備寄存器來獲得設(shè)備的運(yùn)行情況，包括交流調(diào)壓電源輸出值、充電機(jī)輸出參數(shù)、負(fù)載接入電路的參數(shù)及相關(guān)狀態(tài)，并通過動(dòng)畫連接、實(shí)時(shí)曲線等顯示出來。（2）控制功能。如圖3（a）中的“配電控制”環(huán)節(jié)，在上位機(jī)端對(duì)開關(guān)切換柜和電源選擇柜的接觸器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，模擬充電機(jī)運(yùn)行的真實(shí)狀態(tài)，其中開關(guān)切換柜內(nèi)的接觸器為圖1中的開關(guān)S，是本平臺(tái)的硬件核心，通過對(duì)它的遠(yuǎn)程控制，選擇合適的設(shè)備接入充電機(jī)的兩側(cè)，滿足不同充電機(jī)的要求。（3）報(bào)警功能。如圖3（b）中的“交流檔位報(bào)警”和“參數(shù)設(shè)定報(bào)警”環(huán)節(jié)，在充電機(jī)的交流電源的輸入檔位和充電機(jī)輸出參數(shù)設(shè)定錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)發(fā)生報(bào)警，保證測(cè)試平臺(tái)安全運(yùn)行。（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。如圖3（b）中的“存數(shù)據(jù)報(bào)表”環(huán)節(jié)，將實(shí)驗(yàn)中所需的充電機(jī)配置參數(shù)、檢測(cè)參數(shù)和當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)均存入報(bào)表，并可通過EXCEL報(bào)表進(jìn)行查詢，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。（5）打印功能。打印產(chǎn)生的數(shù)據(jù)報(bào)表、歷史曲線等。（6）界面顯示。平臺(tái)操作界面分為主界面和子界面，利用菜單方式進(jìn)入充電機(jī)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)子界面。通過點(diǎn)擊工具欄的選項(xiàng)可以看到不同設(shè)備的狀態(tài)以及充電機(jī)的測(cè)試參數(shù)，并且在工具欄可以使用“急停”功能，數(shù)據(jù)報(bào)表功能，控制設(shè)備通斷功能。其界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

3檢測(cè)平臺(tái)測(cè)試實(shí)例

3.1非車載充電機(jī)測(cè)試項(xiàng)目非車載需要測(cè)試的項(xiàng)目主要為安全功能實(shí)驗(yàn)、輸出特性實(shí)驗(yàn)、絕緣性能實(shí)驗(yàn)、諧波電流實(shí)驗(yàn)、電磁兼容實(shí)驗(yàn)5大類。安全功能實(shí)驗(yàn)要求充電機(jī)具有輸入過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、輸出過流保護(hù)、輸出短路保護(hù)；輸出特性實(shí)驗(yàn)包括輸出電壓誤差、輸出電流誤差、穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)、功率因數(shù)、效率實(shí)驗(yàn)；絕緣性能實(shí)驗(yàn)包括絕緣電阻測(cè)試、工頻耐壓、沖擊耐壓、泄漏電流、接地電阻測(cè)試；電磁兼容試驗(yàn)包括電磁騷擾發(fā)射測(cè)試和設(shè)備的抗擾度測(cè)試，由于電磁兼容測(cè)試需在特定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下開展，因此本平臺(tái)未開展此項(xiàng)測(cè)試。本文用上述設(shè)備對(duì)某廠家一臺(tái)10kW充電機(jī)模塊進(jìn)行性能測(cè)試，該產(chǎn)品輸出電壓范圍50~100V，輸出電流范圍0~100A。以下以部分實(shí)驗(yàn)實(shí)例說明本平臺(tái)測(cè)試結(jié)果。

3.2諧波電流實(shí)驗(yàn)在平臺(tái)的菜單項(xiàng)中選擇“諧波電流實(shí)驗(yàn)”，根據(jù)實(shí)驗(yàn)流程，設(shè)定充電機(jī)工作在額定輸出電流狀態(tài)，通過電能質(zhì)量分析儀采集2~25次諧波電流數(shù)據(jù)，并計(jì)算出單次諧波電流含有率。由于充電機(jī)整流設(shè)備為6脈動(dòng)，以6k±1次諧波為主，因此測(cè)試數(shù)據(jù)僅列出6k±1次諧波電流含量如表1所示，各次諧波電流頻譜如圖5所示。由表1和圖5可知，充電機(jī)的5次和7次諧波占總諧波比重最大，且三相電流諧波含有率基本相同，而充電機(jī)輸入的各次諧波電流含有率均不大于30%，符合GB/T19826—2005電力工程直流電源設(shè)備通用技術(shù)條件及安全要求規(guī)定。3.3穩(wěn)壓精度實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)步驟：充電機(jī)連接功率可調(diào)阻性負(fù)載，設(shè)置充電機(jī)恒壓輸出模式，設(shè)定電壓整定值，調(diào)整輸入電壓分別為90%、100%、110%額定值時(shí)，在0~100%額定電流間調(diào)整負(fù)載電流，分別測(cè)量充電機(jī)輸出電壓。在平臺(tái)的菜單項(xiàng)中選擇“穩(wěn)壓精度實(shí)驗(yàn)”，根據(jù)實(shí)驗(yàn)流程設(shè)定各測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)，穩(wěn)壓精度測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示，其中實(shí)驗(yàn)點(diǎn)1、4、7的交流輸入電壓是額定電壓的110%；點(diǎn)2、5、8為額定電壓；點(diǎn)3、6、9為額定電壓的90%。實(shí)驗(yàn)點(diǎn)1、2、3為空載狀態(tài)下；點(diǎn)4、5、6為輸出電流50A；7、8、9為輸出電流100A。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)交流電源電壓在標(biāo)準(zhǔn)值±15%范圍內(nèi)變化，輸出直流電流在額定值的0~100%范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出直流電壓應(yīng)在相應(yīng)的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)任一數(shù)值上應(yīng)保持穩(wěn)定，充電機(jī)輸出電壓精度不應(yīng)超過±0.5%。從表2中可以看出該模塊穩(wěn)壓精度各測(cè)試點(diǎn)處滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并且輸出電壓越接近額定電壓，穩(wěn)壓精度越高。圖6給出了每個(gè)測(cè)量點(diǎn)偏離電壓設(shè)定值的大小，從圖中可以看出隨著負(fù)載增加，實(shí)際輸出電壓在減小，并且在各設(shè)定輸出電壓下，輸出電流為50%狀態(tài)下電壓偏差度最小。

4結(jié)語

本文詳細(xì)闡述了一種基于自動(dòng)控制系統(tǒng)開發(fā)軟件組態(tài)王的非車載充電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)，對(duì)平臺(tái)的硬件電路設(shè)計(jì)、通信設(shè)計(jì)做了詳細(xì)論述，并對(duì)檢測(cè)平臺(tái)的測(cè)試流程及測(cè)試方案進(jìn)行了分析，最后給出了諧波電流實(shí)驗(yàn)、穩(wěn)壓精度實(shí)驗(yàn)2個(gè)典型實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，驗(yàn)證了該檢測(cè)平臺(tái)的實(shí)用性。本檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)合理，自動(dòng)化程度高，可以在很大程度上提高充電機(jī)檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確性，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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作者：劉亞麗 李國棟 胡波 趙新 車延博 滕文 單位：國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院 天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 國網(wǎng)天津市電力公司營銷部