電動(dòng)車戶內(nèi)充電行為辨識(shí)設(shè)備的性能評(píng)價(jià)方法

戴強(qiáng)晟，晏 依

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210000；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司供電服務(wù)管理中心， 江西 南昌 330001）

0 引言

電動(dòng)車又稱為“電瓶車”，它是由蓄電池（電瓶）提供電能，由電動(dòng)機(jī)（直流、交流，串勵(lì)、他勵(lì)）驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)機(jī)動(dòng)車輛。電動(dòng)車具有運(yùn)維成本低、環(huán)保、停車方便等優(yōu)點(diǎn)，在中國具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。然而，由于居民安全意識(shí)薄弱，社區(qū)監(jiān)管手段匱乏，用戶夜間在戶內(nèi)對(duì)電瓶車進(jìn)行長時(shí)間的持續(xù)充電，可能會(huì)導(dǎo)致電池過度充電，從而發(fā)熱鼓脹，引起自燃或爆炸，引發(fā)電氣火災(zāi)[2-3]。

非介入式負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)最早由美國MIT的Hart G.W.提出，該技術(shù)僅需在用戶入戶線處安裝電氣量監(jiān)測裝置對(duì)總電氣量進(jìn)行量測，通過一定的負(fù)荷辨識(shí)算法進(jìn)行處理，便可實(shí)現(xiàn)不同特性負(fù)荷成分的分解[4-7]。相比于介入式負(fù)荷監(jiān)測，具有硬件成本低、用戶接受度高、拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

為滿足電動(dòng)車戶內(nèi)安全充電的監(jiān)管要求，利用非介入式負(fù)荷辨識(shí)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車戶內(nèi)充電行為的精準(zhǔn)識(shí)別，且市場上已有相應(yīng)的產(chǎn)品。然而，電動(dòng)車戶內(nèi)充電行為辨識(shí)設(shè)備的性能評(píng)價(jià)方法的缺失，阻礙了產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程及技術(shù)發(fā)展[8]。

1 電動(dòng)車戶內(nèi)充電過程的功率變化特性

電動(dòng)車電池充電是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過程，充電過程中，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能在電池的正負(fù)兩級(jí)形成材料堆積。由于電池的構(gòu)造特性，在充電的過程中，隨著電池電量的不斷提升，電池正負(fù)極兩端的電壓也隨之上升，充電電流的大小由充電動(dòng)機(jī)輸出電壓與電池電壓的壓差決定，稱之為充電壓差。由于電池組的整體電阻相對(duì)很小，如果固定充電電壓，在電池充電初期，電池電壓較低，充電壓差較大，這時(shí)充電電流會(huì)非常大，會(huì)導(dǎo)致電池過熱甚至電池?fù)p傷。

在電池電量不斷上升之后，電池電壓逐漸升高，充電壓差不斷縮小，會(huì)導(dǎo)致充電電流很小，無法滿足充電要求。這就要求充電動(dòng)機(jī)有一個(gè)合理的充電安排，并要求在電池電壓較低的時(shí)候控制電流以一個(gè)較為恒定的電流充電。電池電壓達(dá)到一定高度接近充滿的時(shí)候，又要保障電池電壓以一定的速度緩慢上升，保證電池能夠充滿。

因此，充電過程大致可分為三個(gè)階段，分別是恒流階段、恒壓階段和涓流階段。從恒流到涓流狀態(tài)隨著電池充電量增高，電流特征量變化越小，負(fù)荷辨識(shí)難度越高。

2 辨識(shí)設(shè)備的性能評(píng)價(jià)方法

2.1 總體思路

一種電動(dòng)車戶內(nèi)充電行為辨識(shí)設(shè)備的性能評(píng)價(jià)方法，步驟流程圖如圖1所示。

圖1 性能評(píng)價(jià)方法的流程示意圖

具體步驟如下：

步驟1：將電動(dòng)車戶內(nèi)充電過程分為6個(gè)階段：充電量20%～40%、充電量40%～60%、充電量60%～80%、恒流階段、恒壓階段及涓流階段；

步驟2：設(shè)置負(fù)荷參數(shù)類型，具體包括：負(fù)荷參數(shù)類型為電器種類、啟動(dòng)時(shí)間、停止時(shí)間及電能消耗，并記錄各充電階段的負(fù)荷參數(shù)類型的實(shí)際值；當(dāng)電器種類為電動(dòng)車時(shí)，電器種類的實(shí)際值為1；當(dāng)電器種類不是電動(dòng)車時(shí)，電器種類的實(shí)際值記為0；

步驟3：使用辨識(shí)設(shè)備進(jìn)行辨識(shí)，并記錄各充電階段負(fù)荷參數(shù)類型的測量值；當(dāng)電動(dòng)車戶內(nèi)充電行為辨識(shí)設(shè)備識(shí)別出電器種類為電動(dòng)車時(shí)，則電器種類的測量值為1；當(dāng)電器種類不是電動(dòng)車時(shí)，則電器種類的測量值記為0；

步驟4：對(duì)比各充電階段負(fù)荷參數(shù)類型的實(shí)際值與測量值，得到各充電階段的電動(dòng)車戶內(nèi)充電行為辨識(shí)差異度R；

步驟5：設(shè)置處罰系數(shù)α，對(duì)辨識(shí)差異度進(jìn)行懲罰性修正，并計(jì)算各充電階段的辨識(shí)準(zhǔn)確度T；

步驟6：通過截尾均值方法計(jì)算綜合準(zhǔn)確度T0；

步驟7：根據(jù)各疊加電器的權(quán)重系數(shù)Ci，得到綜合分?jǐn)?shù)S；

步驟8：設(shè)置電動(dòng)車戶內(nèi)充電行為辨識(shí)能力等級(jí)表，根據(jù)綜合分?jǐn)?shù)S的值評(píng)價(jià)電動(dòng)車戶內(nèi)充電行為辨識(shí)設(shè)備的性能等級(jí)。

2.2 辨識(shí)差異度的計(jì)算

辨識(shí)差異度R是通過計(jì)算測量值向量x和實(shí)際值向量y之間的馬氏距離D（x）得到的，具體的方法如下：

在某一個(gè)充電階段，負(fù)荷參數(shù)類型中的電器種類、啟動(dòng)時(shí)間、停止時(shí)間、電能消耗的測量值分別記為x1，x2，x3，x4，實(shí)際值分別記為y1，y2，y3，y4；

測量值的向量記為x=（x1，x2，x3，x4）T，實(shí)際值的向量為y=（y1，y2，y3，y4）T，得到測量值與實(shí)際值的均值向量如公式（1）所示：

分別計(jì)算測量值向量x的期望E（x）和實(shí)際值向量y的期望E（x）和E（y）：

測量值向量和實(shí)際值向量的協(xié)方差為：

則協(xié)方差矩陣為：

計(jì)算測量值與實(shí)際值的馬氏距離D(x)，得到辨識(shí)差異度R如式（7）所示；

辨識(shí)差異度R的取值范圍為[0，1]，當(dāng)R＞1時(shí)取1，當(dāng)R＜0時(shí)取0。

2.3 辨識(shí)結(jié)果的綜合分?jǐn)?shù)計(jì)算

處罰系數(shù)α應(yīng)根據(jù)不同的充電階段設(shè)置，充電量越低，辨識(shí)錯(cuò)誤處罰越高，處罰系數(shù)越小。辨識(shí)準(zhǔn)確度T可根據(jù)辨識(shí)差異度R和處罰系數(shù)α得到：

綜合準(zhǔn)確度T0通過截尾均值方法得到，在6個(gè)充電階段分別計(jì)算辨識(shí)準(zhǔn)確度T，去除辨識(shí)準(zhǔn)確度T的最大值和最小值，計(jì)算剩余4個(gè)充電階段辨識(shí)準(zhǔn)確度T的平均值，即為綜合準(zhǔn)確度T0；

辨識(shí)結(jié)果的綜合分?jǐn)?shù)S可根據(jù)綜合準(zhǔn)確度T0和各疊加電器權(quán)重系數(shù)C計(jì)算得到；

3 算例分析

圖1所示是本算例電動(dòng)車戶內(nèi)充電過程的功率變化特性圖。

圖1 電動(dòng)車戶內(nèi)充電過程的功率變化特性圖

各充電階段負(fù)荷參數(shù)類型實(shí)際值如表1所示。

表1 充電階段相關(guān)負(fù)荷參數(shù)實(shí)際值

各充電階段負(fù)荷參數(shù)類型測量值如如表2所示：

表2 充電階段相關(guān)負(fù)荷參數(shù)測試值

通過式（7）得到的辨識(shí)差異度R結(jié)果如表3所示。

表3 辨識(shí)差異度

設(shè)置處罰系數(shù)α，對(duì)辨識(shí)差異度進(jìn)行懲罰性修正，并計(jì)算各充電階段的辨識(shí)準(zhǔn)確度T；各充電階段的處罰系數(shù)α的值如表4所示。

表4 辨識(shí)準(zhǔn)確度

各充電階段的辨識(shí)準(zhǔn)確度T的值如表5所示。

表5 辨識(shí)準(zhǔn)確度

通過截尾均值方法計(jì)算綜合準(zhǔn)確度T0，即：

在辨識(shí)過程中，用電用戶的戶內(nèi)用電設(shè)備存在多種電器疊加的情況，辨識(shí)結(jié)果的綜合分?jǐn)?shù)S可根據(jù)綜合準(zhǔn)確度T0和各疊加電器權(quán)重系數(shù)C計(jì)算得到，本算例中各疊加電器權(quán)重系數(shù)C的值如表6所示。

表6 各疊加電器權(quán)重系數(shù)

本算例中無疊加電器，權(quán)重系數(shù)C=1，綜合分?jǐn)?shù)S為87.76。設(shè)置的辨識(shí)能力等級(jí)表如表7所示。

表7 辨識(shí)能力等級(jí)表

根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)表，判斷被測的電動(dòng)車戶內(nèi)充電行為辨識(shí)能力等級(jí)為良。

4 結(jié)語

文中首先基于電動(dòng)車戶內(nèi)充電不同階段的特性，將充電行為過程分為6個(gè)不同的階段，對(duì)比分析各充電階段負(fù)荷參數(shù)類型的實(shí)際值與測量值，在計(jì)及疊加電器的影響下，得到綜合分?jǐn)?shù)S的值；最后根據(jù)設(shè)置的電動(dòng)車戶內(nèi)充電行為辨識(shí)能力等級(jí)表，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車戶內(nèi)充電行為辨識(shí)設(shè)備的性能考核。通過具體的算例，對(duì)某電動(dòng)車戶內(nèi)充電行為辨識(shí)設(shè)備的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得到該設(shè)備的性能等級(jí)為良的結(jié)論。該方法的提出有利于相關(guān)產(chǎn)品的性能提升與非介入式負(fù)荷辨識(shí)技術(shù)的推廣應(yīng)用。