Оценка на несигурността за измерване на електронен преобразувател на напрежението в мрежата

1. Въведение

Електронните преобразуватели на напрежение в мрежата, като незаменими измервателни компоненти в електроенергийните системи, имат своята измервателна точност пряко свързана с устойчивата работа и ефективното управление на електроенергийните системи. В практиката обачно, поради вродените характеристики на електронните компоненти, околните фактори и ограниченията на методите за измерване, резултатите от измерванията на преобразувателите на напрежение често включват несигурност. Тази несигурност не само влияе върху точността на данните за мощност, но и води до грешки в диспечерирането, контрола и защитата на електроенергийните системи. Следователно, задълбоченото изучаване на методите за оценка на несигурността при проверката и измерването на електронните преобразуватели на напрежение в мрежата е важно за подобряване на точността на измерванията в електроенергийните системи.

Целта на това проучване е систематичен анализ на факторите, които влияят върху измервателната несигурност на преобразувателите на напрежение, включително температурното преместване, стареенето и шумовата интерференция на електронните компоненти, както и промените в температурата, влажността и електромагнитните полета в измервателната среда. Чрез това ще бъдат разработени научни и разумни методи за оценка на несигурността. Чрез построяване на математически модели, комбинирани с принципи на статистиката и метрология, това проучване ще оцени комплексно измервателната несигурност на електронните преобразуватели на напрежение в мрежата при различни условия на работа, предоставяйки теоретична основа и техническа подкрепа за формулиране на по-точни регулации за проверка и подобряване на качеството на продуктите преобразуватели на напрежение.

2. Експеримент за оценка на несигурността на резултатите от измерванията
2.1 Обект на експеримента

За оценка на несигурността на електронните преобразуватели на напрежение в мрежата, е избран прецизен калибрационен прибор за напрежение с точност на ниво 0.001, покриващ диапазон на измерване от 1–1000 V. Преобразувателят на напрежение, който трябва да бъде проверен, е предназначен за сценарии с основно напрежение от 10 kV–50 kV и вторично напрежение от 100 V, с ниво на точност 0.02. Структурата на електронния преобразувател на напрежение в мрежата е показана на Фигура 1.

Експерименталната среда е установена на постоянна температура от 20 ± 2 °C, с относителна влажност, поддържана под 60%, за изключване на потенциалните околни влияния върху резултатите от измерванията.

2.2 Метод за проверка и измерване на електронните преобразуватели на напрежение в мрежата

При проверката на електронните преобразуватели на напрежение в мрежата, е необходим научен метод за оценка на несигурността, за да се гарантира точността на измерванията. Използвайки електронния преобразувател на напрежение, показан на Фигура 1, като стандартен прибор, се приема схема за връзка, базирана на сравнение. Това позволява безшовно съвпадение между проверявания електронен преобразувател на напрежение и стандартния прибор, както е илюстрирано на Фигура 2.

След това, високоточна цифрова измервателна система директно чете и изчислява грешката на проверявания електронен преобразувател на напрежение. Моделът на стандартния прибор е DHBV - 110/0.02, с отлична точност, подкрепяща проверката. За преобразувателя, който се проверява, са зададени точки на номинално напрежение от 0.5%, 2%, 10%, 50% и 110%, за да се покрие неговият диапазон на работа. Забележително е, че въпреки че максималните допустими граници на грешката за тези точки са еднакви при пълна и лека нагрузка, температурното преместване и стареенето на електронните компоненти може да причинят значителни различия в стабилността при различни условия. Следователно, стабилността на всяка точка трябва да бъде оценена независимо, за да се контролира несигурността на резултатите от проверката, съответстващи на строгите изисквания за високоточна измервателна технология в операцията на електроенергийната мрежа.

3. Математически модел

В експеримента за оценка на несигурността на резултатите от проверката и измерването на електронните преобразуватели на напрежение в мрежата, при проверка на точността на устройството, което се проверява, несигурността често се количествено определя през множество аспекти, като отклонение от точност и фазово закъснение. Тези два индикатора отразяват разликата в амплитуда и фазово отклонение между измерената стойност и истинската стойност, съответно. Следователно, могат да бъдат построени независими математически модели, за да се описат точно тези източници на несигурност. За отклонението от точност Y, може да се използва линейна регресионна модель, изразена като:

Където β0 и β1 са параметри на модела; $X$ е входния сигнал на електронния преобразувател на напрежение в мрежата; $\ε$ е случайна грешка. За фазовото закъснение $\φ$, то може да бъде изразено чрез тригонометрична функционална модель като

Където α представлява фиксирано фазово съсместване;θ(X) е фазова функция, която варира с входния сигнал. За по-детайлна анализа, могат да бъдат въведени нелинейни членове или полиномиални апроксимации, за да се увеличи точността на модела. Създаването на тези математически модели предоставя здравна теоретична основа и количествени инструменти за комплексна и систематична оценка на несигурността на резултатите от измерванията.

4. Резултати от експеримента за оценка на компонентите на несигурността

При проверката на електронните преобразуватели на напрежение в мрежата, са зададени множество нива на напрежение за оценка на несигурността. Избрани са номиналните точки на напрежение 0.5%, 2%, 10%, 50% и 110% и са измерени с метода на сравнение. Средните стойности на разликата в амплитуда и фазовото отклонение са записани и изчислени като референтни стойности при съответните нива на напрежение, за да се оцени точно несигурността на производствените характеристики на проверявания преобразувател.

4.1 Оценка на тип A несигурност

Несигурността от тип A отразява степента на разсеяние между резултатите, получени при повторни измервания на един и същ обект. Нейната формула за изчисление е:

Където n е броят на измерванията; x_i е i-тото измерена стойност;xˉ  е аритметичната средна стойност на измерените стойности.

След това, за номиналните точки на напрежение 0.5%, 2%, 10%, 50% и 110%, резултатите от оценката на несигурността от тип A са показани в таблица 1.

Както се вижда от таблица 1, с увеличаването на номиналната точка на напрежение, несигурността от тип A както на разликата в амплитуда, така и на фазовото отклонение показва тенденция към увеличаване. Това се дължи на факта, че при по-ниски нива на напрежение, преобразувателят на напрежение е по-стабилен, което води до по-малко разсеяне в резултатите от измерванията. Но при по-високи нива на напрежение, преобразувателят на напрежение е влияет от повече фактори, което води до по-голямо разсеяне в резултатите от измерванията.

4.2 Оценка на несигурността от тип B

Според JJF 1059.1—2022 Оценка и изразяване на измервателната несигурност, несигурността от тип B произлиза от разумно извеждане на известна релевантна информация, за да се оцени стандартното отклонение. Тази информация може да включва спецификации на оборудването от производителя, данни за признавани в индустрията методи за калибриране, или статистичен анализ на историческите данни от измервания. Съществената част на несигурността от тип B е да дефинира възможния интервал на изменение на измерената стойност, базиран на опит или професионални познания, с нейната половина ширина, която представлява половината от ширината на интервала.

След това, се избира подходящ фактор за покритие k за квантифициране според характеристиките на вероятностното разпределение и необходимата ниво на доверие. Обикновено, ако измерените стойности са равномерно разпределени в предварително зададен интервал (всяка стойност има равна вероятност), се използва модел на равномерно разпределение, и k може да се вземе като приближение на √3
 за осигуряване на точността и строгостта на оценката. Формулата за изчисление на несигурността от тип B е

Където a е половината ширина на интервала на изменение на измерването.

За номиналните точки на напрежение 0.5%, 2%, 10%, 50% и 110%, резултатите от оценката на несигурността от тип B са показани в таблица 2.

Както се вижда от таблица 2, при различни номинални точки на напрежение, както за разликата в амплитуда, така и за фазовото отклонение, несигурността показва тенденция към увеличаване с увеличаването на нивото на напрежение. В сравнение с несигурността от тип A, оценката на несигурността от тип B зависи повече от точността и пълнотата на известната информация, отразявайки предварителна оценка на производствените характеристики на преобразувателя на напрежение, който се измерва. Следователно, в практически приложения, всестранното разглеждане на несигурността от тип A и тип B позволява по-комплексно разбиране на точността и надеждността на резултатите от измерванията.

4.3 Оценка на комбинираната стандартна несигурност

При оценка на комбинираната стандартна несигурност, ако резултатите от проверката и измерването на всеки електронен преобразувател на напрежение в мрежата са независими и некорелирани (т.е. техните коефициенти на корелация са всички 0), несигурностите следват принципа на линейна комбинация за натрупване. На основата на това, оценката на комбинираната стандартна несигурност може да бъде изразена чрез следната формула

След това, за номиналните точки на напрежение 0.5%, 2%, 10%, 50% и 110%, резултатите от оценката на комбинираната стандартна несигурност са показани на Фигура 3.

От резултатите на Фигура 3, с увеличаването на номиналното напрежение от 0.5% до 110%, комбинираните стандартни несигурности на разликата в амплитуда и фазовото отклонение показват стабилен ръст. По-конкретно, несигурността на разликата в амплитуда расте от 0.008% до 0.085% (≈10 пъти), а несигурността на фазовото отклонение расте от 0.05° до 0.35° (≈7 пъти). Тази тенденция означава, че по-високото напрежение увеличава чувствителността на преобразувателя към външни помехи, разширявайки измервателната несигурност. Все пак, не се наблюдават крайни промени в данните, което показва, че процесът на оценка е стабилен и надежден.

5.Заключение

В изследването на метода за оценка на несигурността при проверката и измерването на електронните преобразуватели на напрежение в мрежата, са анализирани много фактори, влияещи върху точността на измерванията, и са изучени научни и ефективни методи за оценка. Чрез теоретичен анализ и експериментална проверка, не само се подобрява надеждността на резултатите от измерванията на преобразувателите на напрежение, но се предоставя и здравна гаранция за устойчивата работа на електроенергийната система.