تقييم عدم اليقين لقياس محول الجهد الإلكتروني للشبكة

1. مقدمة

كما أن المحولات الإلكترونية للفولتية في الشبكة هي مكونات قياس لا غنى عنها في أنظمة الطاقة، فإن دقة القياس الخاصة بها مرتبطة مباشرة بالعمل المستقر والإدارة الفعالة لأنظمة الطاقة. ومع ذلك، في الممارسة العملية، بسبب الخصائص الذاتية للمكونات الإلكترونية والعوامل البيئية وقيود طرق القياس، غالباً ما تتضمن نتائج القياس للمحولات الفولتية عدم اليقين. هذا الغموض يؤثر ليس فقط على دقة بيانات الطاقة ولكنه يضل أيضًا استراتيجيات التوجيه والتحكم والحماية لأنظمة الطاقة. بالتالي، فإن البحث العميق حول طرق تقييم عدم اليقين للتحقق من نتائج القياس للمحولات الإلكترونية للفولتية في الشبكة أمر حاسم لتحسين دقة القياس لأنظمة الطاقة.

يهدف هذا البحث إلى تحليل نظامي للعوامل المؤثرة في عدم اليقين في القياس للمحولات الفولتية، بما في ذلك الانحراف الحراري والتقدم في العمر وتداخل الضوضاء للمكونات الإلكترونية، وكذلك التغيرات في درجة الحرارة والرطوبة والحقول الكهرومغناطيسية في بيئة القياس. من خلال هذا، سيتم استكشاف طرق تقييم علمية ومنطقية لعدم اليقين. عن طريق بناء نماذج رياضية مجتمعة مع المبادئ الإحصائية والمعرفة الحسابية، سيقوم هذا البحث بتقييم شامل لعدم اليقين في القياس للمحولات الإلكترونية للفولتية في الشبكة تحت ظروف عمل مختلفة، مما يوفر أساساً نظرياً ودعماً تقنياً لوضع لوائح التحقق الأكثر دقة وتحسين جودة المنتجات للمحولات الفولتية.

2. التجربة لتقييم عدم اليقين في نتائج القياس
2.1 الكائن التجريبي

لتقييم عدم اليقين للمحولات الإلكترونية للفولتية في الشبكة، تم اختيار جهاز معايرة فولتية دقيق بدقة مستوى 0.001، يغطي نطاق قياس من 1-1000 فولت. المحول الفولتي المراد التحقق منه مصمم لسيناريوهات بفولتية أولية تتراوح بين 10 كيلوفولت-50 كيلوفولت وفولتية ثانوية تبلغ 100 فولت، بدقة مستوى 0.02. يتم عرض هيكل المحول الإلكتروني للفولتية في الشبكة في الشكل 1.

تم ضبط بيئة التجربة على درجة حرارة ثابتة تبلغ 20 ± 2 درجة مئوية، مع الحفاظ على الرطوبة النسبية أقل من 60٪، مما يلغي الآثار البيئية المحتملة على نتائج القياس.

2.2 طريقة التحقق والقياس للمحولات الإلكترونية للفولتية في الشبكة

خلال التحقق من المحولات الإلكترونية للفولتية في الشبكة، يتطلب الأمر طريقة تقييم علمية لعدم اليقين لضمان دقة القياس. باستخدام المحول الإلكتروني للفولتية المعروض في الشكل 1 كجهاز قياسي، يتم اعتماد طريقة الربط الدائري القائم على المقارنة. هذا يسمح بمطابقة سلسة بين المحول الإلكتروني للفولتية تحت الاختبار وجهاز القياس القياسي، كما هو موضح في الشكل 2.

بعد ذلك، يقوم نظام القياس الرقمي ذو الدقة العالية بقراءة وحساب الخطأ للمحول الإلكتروني للفولتية تحت الاختبار مباشرة. نموذج الجهاز القياسي هو DHBV-110/0.02، مع دقة ممتازة تدعم التحقق. بالنسبة للمحول تحت الاختبار، تم تحديد نقاط الفولتية المقدرة بنسبة 0.5٪، 2٪، 10٪، 50٪، و110٪ لتغطية نطاق التشغيل الخاص به. بشكل ملحوظ، رغم أن حدود الخطأ المسموح به لهذه النقاط هي نفسها تحت ظروف الحمل الكامل والخفيف، قد يؤدي انحراف الحرارة والتقدم في العمر للمكونات الإلكترونية إلى اختلافات كبيرة في الاستقرار عبر هذه الظروف. لذا، يجب تقييم استقرار كل نقطة بشكل مستقل للتحكم في عدم اليقين في نتائج التحقق، مما يلبي متطلبات التشغيل الصارمة لأنظمة قياس عالية الدقة للشبكة الكهربائية.

3. النموذج الرياضي

في التجربة لتقييم عدم اليقين في نتائج التحقق والقياس للمحولات الإلكترونية للفولتية في الشبكة، عند التحقق من دقة الجهاز تحت الاختبار، غالبًا ما يتم تكميل عدم اليقين الخاص به من خلال أبعاد متعددة، مثل انحراف الدقة وتراجع الطور. هذان المؤشرين يعكسان الفرق في السعة والفروق الطورية بين القيمة المقاسة والقيمة الحقيقية، على التوالي. وبالتالي، يمكن بناء نماذج رياضية مستقلة لوصف هذه المصادر من عدم اليقين بدقة. بالنسبة لانحراف الدقة Y، يمكن استخدام نموذج انحدار خطي، والذي يتم التعبير عنه كالآتي:

حيث β0 وβ1 هما معلمات النموذج؛ X هو الإشارة الداخلة للمحول الإلكتروني للفولتية في الشبكة؛ ε هو مصطلح الخطأ العشوائي. بالنسبة لتراجع الطور φ، يمكن التعبير عنه بواسطة نموذج دالة مثلثية كما يلي:

حيث α يمثل الزيادة الثابتة في الطور؛ θ(X) هي دالة الطور التي تتغير مع الإشارة الداخلة. لمزيد من التحليل المفصل، يمكن تقديم شروط غير خطية أو تقريبات متعددة الحدود لتعزيز دقة النموذج. يوفر إنشاء هذه النماذج الرياضية أساسًا نظريًا متينًا وأدوات كمية لتقدير شامل ونظامي لعدم اليقين في نتائج القياس.

4. نتائج تجربة تقييم مكونات عدم اليقين

في التحقق من المحولات الإلكترونية للفولتية في الشبكة، يتم تحديد عدة مستويات من الجهد لتقييم عدم اليقين. يتم اختيار نقاط الجهد المقدر بنسبة 0.5٪، 2٪، 10٪، 50٪، و110٪ وقياسها باستخدام طريقة المقارنة. يتم تسجيل وحساب المتوسطات لاختلاف السعة والفروق الطورية كقيم مرجعية عند مستويات الجهد المقابلة، وذلك لتقييم دقيق لعدم اليقين في الأداء للمحول تحت الاختبار.

4.1 تقييم عدم اليقين من النوع A

يعكس عدم اليقين من النوع A درجة التشتت بين النتائج المكتسبة أثناء القياسات المتكررة لنفس الكائن. صيغة حسابه هي:

حيث n هو عدد القياسات؛ xi هو القيمة المقاسة رقم i؛ x̄ هو الوسط الحسابي للقيم المقاسة.

ثم، بالنسبة لنقاط الجهد المقدر بنسبة 0.5٪، 2٪، 10٪، 50٪، و110٪، تظهر نتائج تقييم عدم اليقين من النوع A في الجدول 1.

كما يمكن رؤيته من الجدول 1، مع زيادة نقطة الجهد المقدر، يظهر عدم اليقين من النوع A لكل من اختلاف السعة والفروق الطورية اتجاهاً تصاعدياً. هذا لأن المحول الفولتي يكون أكثر استقراراً عند مستويات الجهد المنخفضة، مما يؤدي إلى تشتت أقل في نتائج القياس. ومع ذلك، عند مستويات الجهد الأعلى، يتأثر المحول الفولتي بعوامل أكثر، مما يؤدي إلى تشتت أكبر في نتائج القياس.

4.2 تقييم عدم اليقين من النوع B

وفقًا لـ JJF 1059.1-2022 "تقييم وتعبير عن عدم اليقين في القياس"، يأتي عدم اليقين من النوع B من استنتاج معقول للمعلومات ذات الصلة المعروفة لتقدير الانحراف المعياري لها. قد تشمل هذه المعلومات المواصفات التقنية للأجهزة من الشركات المصنعة، البيانات لطرق المعايرة المعترف بها في الصناعة، أو التحليل الإحصائي للبيانات التاريخية للقياس. الجوهر في عدم اليقين من النوع B هو تعريف مدى التغير المحتمل للقيمة المقاسة بناءً على الخبرة أو المعرفة المهنية، حيث يكون نصف العرض هو نصف عرض المدى.

ثم يتم اختيار معامل تغطية k مناسب للتكيف وفقًا لخصائص التوزيع الاحتمالي والمستوى المطلوب من الثقة. عادةً، إذا كانت القيم المقاسة موزعة بشكل موحد ضمن الفترة المحددة (كل قيمة لها احتمالية متساوية)، يتم استخدام نموذج التوزيع المنتظم، ويمكن اعتبار k تقريباً لـ √3 لضمان دقة وتوازن التقييم. صيغة حساب عدم اليقين من النوع B هي

حيث a هو نصف العرض للفترة المتغيرة للقياس.

بالنسبة لنقاط الجهد المقدر بنسبة 0.5٪، 2٪، 10٪، 50٪، و110٪، تظهر نتائج تقييم عدم اليقين من النوع B في الجدول 2.

كما يمكن رؤيته من الجدول 2، عند نقاط الجهد المقدر المختلفة، سواء بالنسبة لاختلاف السعة أو الفروق الطورية، يظهر عدم اليقين اتجاهاً تصاعدياً مع زيادة مستوى الجهد. مقارنة بعدم اليقين من النوع A، يعتمد تقييم عدم اليقين من النوع B بشكل أكبر على دقة وكفاية المعلومات المعروفة، مما يعكس تقديرًا مسبقًا لأداء المحول الفولتي تحت القياس. لذا، في التطبيقات العملية، يعتبر النظر الشامل في عدم اليقين من النوع A والنوع B يسمح بفهم أكثر شمولية لدقة وموثوقية نتائج القياس.

4.3 تقييم عدم اليقين المركب المعياري

عند تقييم عدم اليقين المركب المعياري، إذا كانت نتائج التحقق والقياس لكل محول إلكتروني للفولتية في الشبكة مستقلة وغير مرتبطة (أي أن معاملات الارتباط لها جميعاً 0)، فإن عدم اليقين يتبع مبدأ الجمع الخطي. بناءً على ذلك، يمكن التعبير عن تقييم عدم اليقين المركب المعياري بالصيغة التالية

ثم، بالنسبة لنقاط الجهد المقدر بنسبة 0.5٪، 2٪، 10٪، 50٪، و110٪، تظهر نتائج تقييم عدم اليقين المركب المعياري في الشكل 3.

من نتائج الشكل 3، مع زيادة الجهد المقدر من 0.5٪ إلى 110٪، يظهر عدم اليقين المركب المعياري لاختلاف السعة والفروق الطورية اتجاهاً تصاعدياً مستقراً. بشكل خاص، يزداد عدم اليقين لاختلاف السعة من 0.008٪ إلى 0.085٪ (حوالي 10 أضعاف)، ويصل عدم اليقين للفروق الطورية من 0.05 درجة إلى 0.35 درجة (حوالي 7 أضعاف). يشير هذا الاتجاه إلى أن زيادة الجهد تزيد من حساسية المحول للتداخل الخارجي، مما يوسع عدم اليقين في القياس. ومع ذلك، لا تحدث تغيرات في البيانات مفرطة، مما يشير إلى أن عملية التقييم مستقرة وموثوقة.

5. الخلاصة

في البحث حول طريقة تقييم عدم اليقين في نتائج التحقق والقياس للمحولات الإلكترونية للفولتية في الشبكة، تم تحليل العديد من العوامل المؤثرة في دقة القياس واستكشاف طرق تقييم علمية وفعالة. من خلال التحليل النظري والتجربة التحققية، ليس فقط تحسنت موثوقية نتائج القياس للمحولات الفولتية، ولكن أيضاً تم توفير ضمان قوي لتشغيل مستقر لنظام الطاقة.