הערכת אי-וודאות מדידת מתח באמצעות טרנספורטר אלקטרוני רשת

1. מבוא

משתני מתח אלקטרוניים ברשת, כרכיבי מדידה בלתי נפרדים במערכות חשמל, יש קשר ישיר בין דיוק המדידה שלהם לפעילות יציבה וניהול יעיל של מערכות החשמל. עם זאת, בעRACTיקה, בשל מאפיינים פנימיים של רכיבים אלקטרוניים, גורמים סביבתיים ומקבלות של שיטות מדידה, תוצאות המדידה של משתני המתח לעתים קרובות כוללות אי-ודאות. אי-הוודאות הזו משפיעה לא רק על דיוק הנתונים החשמליים אלא גם מטעינה את אסטרטגיות ההצטיידות, הבקרה וההגנה של מערכות החשמל. לכן, מחקר מעמיק בשיטות הערכה של אי-וודאות עבור תוצאות האישור והמדידה של משתני מתח אלקטרוני ברשת הוא חיוני להרחבת דיוק המדידה של מערכות החשמל.

מחקר זה מתכוון לנתח באופן שיטתי את הגורמים המשפיעים על אי-וודאות המדידה של משתני מתח, כולל נדידת טמפרטורה, הזדקנות ופרעות רעש של רכיבים אלקטרוניים, כמו גם שינויים בטמפרטורה, לחות ושדות אלקטרומגנטיים בסביבת המדידה. באמצעות זה, ייחקרו שיטות הערכה מדעית ומנוסחת. על ידי בניית מודלים מתמטיים משולבים עם עקרונות סטטיסטיים ודקדוק מדידה, המחקר יעריך באופן כולל את אי-וודאות המדידה של משתני מתח אלקטרוני ברשת בתנאים שונים של עבודה, ויספק בסיס תיאורי ותמיכה טכנולוגית ליצירת תקנות אישור מדויקות יותר לשיפור איכות המוצר של משתני מתח.

2. ניסוי להערכת אי-וודאות של תוצאות מדידה
2.1 נושא הניסוי

עבור הערכת אי-וודאות של משתני מתח אלקטרוני ברשת, נבחר מכשיר 교נה מתח מדויק ברמת דיוק של 0.001, המשתרע על טווח מדידה של 1–1000 V. המשתנה המתח הנבדק מיועד לתרחישים עם מתח ראשוני של 10 kV–50 kV ומתח שניוני של 100 V, ברמת דיוק של 0.02. המבנה של המשתנה המתח האלקטרוני ברשת מוצג בתרשים 1.

סביבת הניסוי מוגדרת לטמפרטורה קבועה של 20 ± 2 °C, עם לחות יחסית שמaintained מתחת ל-60%, כדי להיפטר מהשפעות סביבתיות אפשריות על תוצאות המדידה.

2.2 שיטה לאישור ומדידה של משתני מתח אלקטרוני ברשת

במהלך האישור של משתני מתח אלקטרוני ברשת, נדרש שיטה מדעית להערכת אי-וודאות כדי להבטיח דיוק מדידה. באמצעות המשתנה המתח האלקטרוני המוצג בתרשים 1 כמכשיר התקן, ננקטת חיבור מעגל מבוסס השוואת. זה מאפשר התאמה חלקה בין המשתנה המתח האלקטרוני הנבדק לבין המכשיר התקן, כפי שמוצג בתרשים 2.

לאחר מכן, מערכת מדידה דיגיטלית בעלת דיוק גבוה קוראת ומחשבת ישירות את השגיאה של המשתנה המתח האלקטרוני הנבדק. דגם המכשיר התקן הוא DHBV - 110/0.02, עם דיוק מעולה המספק תמיכה לאישור. עבור המשתנה הנבדק, נקבעו נקודות מתח מוערך של 0.5%, 2%, 10%, 50% ו-110% כדי לכסות את טווח פעילותו. חשוב לציין כי למרות שהגבולות המירביים לשגיאות המותרות עבור הנקודות הללו הם אותם בהם בתנאי עומס מלא ואומץ, נדידת הטמפרטורה וההזדקנות של רכיבים אלקטרוניים עשויים לגרום להבדלים משמעותיים באיזון לאורך התנאים השונים. לכן, כל נקודה חייבת להיבחן בנפרד כדי לשלוט באי-וודאות תוצאות האישור, תוך לקיחת בחשבון את הדרישות הקפדניות של טכנולוגיית מדידה מדויקת להפעלת הרשת החשמלית.

3. מודל מתמטי

בניסוי להערכת אי-וודאות של תוצאות האישור והמדידה של משתני מתח אלקטרוני ברשת, בעת האישור של דיוק המכשיר הנבדק, אי-הוודאות שלו לעיתים קרובות מוכנסת לכמות דרך מימדים מרובים, כגון סטייה דיוק ופוזה מאוחרת. שני מדדים אלו משקפים את ההבדלים במגניטודה ובפוזה בין הערך המדוד לערך האמיתי, בהתאמה. לכן, ניתן לבנות מודלים מתמטיים עצמאיים כדי לתאר בצורה מדויקת את מקורות האי-וודאות האלו. עבור הסטייה דיוק Y, ניתן להשתמש במודל רגרסיה ליניארית, המבוטא כך:

כאשר β0 ו-β1 הם פרמטרי המודל; X הוא אות הכניסה של המשתנה המתח האלקטרוני ברשת; ε הוא טermen אקראי. עבור הפוזה מאוחרת φ, ניתן לבטא אותו באמצעות מודל פונקציה טריגונומטרית כך

כאשר α מייצגת את הפיזה הקבועה; θ(X) היא פונקציית פיזה משתנה עם אות הכניסה. עבור ניתוח מפורט יותר, ניתן להוסיף איברים לא-ליניאריים או קירובים פולינומיים כדי לשפר את דיוק המודל. הקמת המודלים המתמטיים מספקת בסיס תיאורי מוצק וכלים כמותיים להערכת כללית ומערכתית של אי-וודאות תוצאות המדידה.

4. תוצאות ניסוי הערכה של רכיבי אי-וודאות

באישור משתני מתח אלקטרוני ברשת, מוגדרים מספר רב של רמות מתח להערכת אי-וודאות. נבחרו נקודות מתח מוערך של 0.5%, 2%, 10%, 50% ו-110% ונמדדו באמצעות שיטת השוואת. ממוצע ההבדלים במגניטודה ובפוזה נרשם ומחושב כערכים התייחסות לרמות המתח המתאימות, כדי להעריך בצורה מדויקת את אי-הוודאות של המחשב הנבדק.

4.1 הערכה של אי-וודאות סוג A

אי-וודאות סוג A משקפת את מידת הפיזור בין התוצאות המתקבלות במהלך מדידות חוזרות של אותו אובייקט. נוסחת החישוב שלה היא:

כאשר n הוא מספר המדידות; xi הוא הערך הנמדד ה-i; x̄ הוא הממוצע האריתמטי של הערכים הנמדדים.

אז, עבור נקודות המתח המוערך של 0.5%, 2%, 10%, 50% ו-110%, תוצאות ההערכה של אי-וודאות סוג A מוצגות בטבלה 1.

כפי שניתן לראות בטבלה 1, ככל שנקודות המתח המוערך עולות, אי-וודאות סוג A של ההבדלים במגניטודה ובפוזה מראות מגמה עולה. זה מכיוון שבמצבים של מתח נמוך יותר, המשתנה המתח יציב יותר, מה שגורם לפיזור קטן יותר בתוצאות המדידה. עם זאת, במצבים של מתח גבוה יותר, המשתנה המתח מושפע מגורמים נוספים, מה שגורם לפיזור גדול יותר בתוצאות המדידה.

4.2 הערכה של אי-וודאות סוג B

תחת JJF 1059.1—2022 הערכה וביטוי של אי-וודאות מדידה, אי-וודאות סוג B מגיעה ממסקנה הגיונית של מידע ידוע ורלוונטי כדי להעריך את סטיית התקן שלה. המידע הזה עשוי לכלול מפרטים של ציוד מיצרנים, נתונים של שיטות קליברציה מוכרים בתעשייה, או ניתוח סטטיסטי של נתונים היסטוריים של מדידה. הליבה של אי-וודאות סוג B היא להגדיר את טווח השינוי האפשרי של הערך הנמדד על בסיס ניסיון או ידע מקצועי, עם רוחב חצי שהוא חצי מהרוחב של הטווח.

אז, יש לבחור גורם כיסוי k מתאים לפי מאפייני ההתפלגות הסתברותית והרמת אמון הנדרשת. בדרך כלל, אם ערכי מדידה מתפלגים אחיד בתוך הטווח המוגדר (כל ערך בעל הסתברות שווה), משתמשים במודל התפלגות אחיד, ו-k יכול להיות קירוב של √3 כדי להבטיח דיוק ודיוק בהערכת אי-וודאות. נוסחת החישוב של אי-וודאות סוג B היא

כאשר a הוא רוחב חצי של טווח השינוי במדידה.

עבור נקודות המתח המוערך של 0.5%, 2%, 10%, 50% ו-110%, תוצאות ההערכה של אי-וודאות סוג B מוצגות בטבלה 2.

כפי שניתן לראות בטבלה 2, בנקודות מתח מוערך שונות, בין אם עבור הבדלים במגניטודה או פוזה, האי-וודאות מראה מגמה עולה ככל שהמתח עולה. בהשוואה לאי-וודאות סוג A, הערכה של אי-וודאות סוג B מתבססת יותר על הדיוק והשלמות של המידע הידוע, ומשקפת הערכה מקדימה של הביצועים של המשתנה המתח הנמדד. לכן, ביישומים מעשיים, בחינת全方位的翻译结果如下：

1. מבוא

משתני מתח אלקטרוניים ברשת, כרכיבי מדידה בלתי נפרדים במערכות חשמל, יש קשר ישיר בין דיוק המדידה שלהם לפעילות יציבה וניהול יעיל של מערכות החשמל. עם זאת, בעRACTיקה, בשל מאפיינים פנימיים של רכיבים אלקטרוניים, גורמים סביבתיים ומקבלות של שיטות מדידה, תוצאות המדידה של משתני המתח לעתים קרובות כוללות אי-וודאות. אי-הוודאות הזו משפיעה לא רק על דיוק הנתונים החשמליים אלא גם מטעינה את אסטרטגיות ההצטיידות, הבקרה וההגנה של מערכות החשמל. לכן, מחקר מעמיק בשיטות הערכה של אי-וודאות עבור תוצאות האישור והמדידה של משתני מתח אלקטרוני ברשת הוא חיוני להרחבת דיוק המדידה של מערכות החשמל.

מחקר זה מתכוון לנתח באופן שיטתי את הגורמים המשפיעים על אי-וודאות המדידה של משתני מתח, כולל נדידת טמפרטורה, הזדקנות ופרעות רעש של רכיבים אלקטרוניים, כמו גם שינויים בטמפרטורה, לחות ושדות אלקטרומגנטיים בסביבת המדידה. באמצעות זה, ייחקרו שיטות הערכה מדעית ומנוסחת. על ידי בניית מודלים מתמטיים משולבים עם עקרונות סטטיסטיים ודקדוק מדידה, המחקר יעריך באופן כולל את אי-וודאות המדידה של משתני מתח אלקטרוני ברשת בתנאים שונים של עבודה, ויספק בסיס תיאורי ותמיכה טכנולוגית ליצירת תקנות אישור מדויקות יותר לשיפור איכות המוצר של משתני מתח.

2. ניסוי להערכת אי-וודאות של תוצאות מדידה
2.1 נושא הניסוי

עבור הערכת אי-וודאות של משתני מתח אלקטרוני ברשת, נבחר מכשיר교נה מתח מדויק ברמת דיוק של 0.001, המשתרע על טווח מדידה של 1–1000 V. המשתנה המתח הנבדק מיועד לתרחישים עם מתח ראשוני של 10 kV–50 kV ומתח שניוני של 100 V, ברמת דיוק של 0.02. המבנה של המשתנה המתח האלקטרוני ברשת מוצג בתרשים 1.

סביבת הניסוי מוגדרת לטמפרטורה קבועה של 20 ± 2 °C, עם לחות יחסית שמaintained מתחת ל-60%, כדי להיפטר מהשפעות סביבתיות אפשריות על תוצאות המדידה.

2.2 שיטה לאישור ומדידה של משתני מתח אלקטרוני ברשת

במהלך האישור של משתני מתח אלקטרוני ברשת, נדרש שיטה מדעית להערכת אי-וודאות כדי להבטיח דיוק מדידה. באמצעות המשתנה המתח האלקטרוני המוצג בתרשים 1 כמכשיר התקן, ננקטת חיבור מעגל מבוסס השוואת. זה מאפשר התאמה חלקה בין המשתנה המתח האלקטרוני הנבדק לבין המכשיר התקן, כפי שמוצג בתרשים 2.

לאחר מכן, מערכת מדידה דיגיטלית בעלת דיוק גבוה קוראת ומחשבת ישירות את השגיאה של המשתנה המתח האלקטרוני הנבדק. דגם המכשיר התקן הוא DHBV - 110/0.02, עם דיוק מעולה המספק תמיכה לאישור. עבור המשתנה הנבדק, נקבעו נקודות מתח מוערך של 0.5%, 2%, 10%, 50% ו-110% כדי לכסות את טווח פעילותו. חשוב לציין כי למרות שהגבולות המירביים לשגיאות המותרות עבור הנקודות הללו הם אותם בהם בתנאי עומס מלא ואומץ, נדידת הטמפרטורה וההזדקנות של רכיבים אלקטרוניים עשויים לגרום להבדלים משמעותיים באיזון לאורך התנאים השונים. לכן, כל נקודה חייבת להיבחן בנפרד כדי לשלוט באי-וודאות תוצאות האישור, תוך לקיחת בחשבון את הדרישות הקפדניות של טכנולוגיית מדידה מדויקת להפעלת הרשת החשמלית.

3. מודל מתמטי

בניסוי להערכת אי-וודאות של תוצאות האישור והמדידה של משתני מתח אלקטרוני ברשת, בעת האישור של דיוק המכשיר הנבדק, אי-הוודאות שלו לעיתים קרובות מוכנסת לכמות דרך מימדים מרובים, כגון סטייה דיוק ופוזה מאוחרת. שני מדדים אלו משקפים את ההבדלים במגניטודה ובפוזה בין הערך המדוד לערך האמיתי, בהתאמה. לכן, ניתן לבנות מודלים מתמטיים עצמאיים כדי לתאר בצורה מדויקת את מקורות האי-וודאות האלו. עבור הסטייה דיוק Y, ניתן להשתמש במודל רגרסיה ליניארית, המבוטא כך:

כאשר β0 ו-β1 הם פרמטרי המודל; X הוא אות הכניסה של המשתנה המתח האלקטרוני ברשת; ε הוא טermen אקראי. עבור הפוזה מאוחרת φ, ניתן לבטא אותו באמצעות מודל פונקציה טריגונומטרית כך

כאשר α מייצגת את הפיזה הקבועה; θ(X) היא פונקציית פיזה משתנה עם אות הכניסה. עבור ניתוח מפורט יותר, ניתן להוסיף איברים לא-ליניאריים או קירובים פולינומיים כדי לשפר את דיוק המודל. הקמת המודלים המתמטיים מספקת בסיס תיאורי מוצק וכלים כמותיים להערכת כללית ומערכתית של אי-וודאות תוצאות המדידה.

4. תוצאות ניסוי הערכה של רכיבי אי-וודאות

באישור משתני מתח אלקטרוני ברשת, מוגדרים מספר רב של רמות מתח להערכת אי-וודאות. נבחרו נקודות מתח מוערך של 0.5%, 2%, 10%, 50% ו-110% ונמדדו באמצעות שיטת השוואת. ממוצע ההבדלים במגניטודה ובפוזה נרשם ומחושב כערכים התייחסות לרמות המתח המתאימות, כדי להעריך בצורה מדויקת את אי-הוודאות של המחשב הנבדק.

4.1 הערכה של אי-וודאות סוג A

אי-וודאות סוג A משקפת את מידת הפיזור בין התוצאות המתקבלות במהלך מדידות חוזרות של אותו אובייקט. נוסחת החישוב שלה היא:

כאשר n הוא מספר המדידות; xi הוא הערך הנמדד ה-i; x̄ הוא הממוצע האריתמטי של הערכים הנמדדים.

אז, עבור נקודות המתח המוערך של 0.5%, 2%, 10%, 50% ו-110%, תוצאות ההערכה של אי-וודאות סוג A מוצגות בטבלה 1.

כפי שניתן לראות בטבלה 1, ככל שנקודות המתח המוערך עולות, אי-וודאות סוג A של ההבדלים במגניטודה ובפוזה מראות מגמה עולה. זה מכיוון שבמצבים של מתח נמוך יותר, המשתנה המתח יציב יותר, מה שגורם לפיזור קטן יותר בתוצאות המדידה. עם זאת, במצבים של מתח גבוה יותר, המשתנה המתח מושפע מגורמים נוספים, מה שגורם לפיזור גדול יותר בתוצאות המדידה.

4.2 הערכה של אי-וודאות סוג B

תחת JJF 1059.1—2022 הערכה וביטוי של אי-וודאות מדידה, אי-וודאות סוג B מגיעה ממסקנה הגיונית של מידע ידוע ורלוונטי כדי להעריך את סטיית התקן שלה. המידע הזה עשוי לכלול מפרטים של ציוד מיצרנים, נתונים של שיטות קליברציה מוכרים בתעשייה, או ניתוח סטטיסטי של נתונים היסטוריים של מדידה. הליבה של אי-וודאות סוג B היא להגדיר את טווח השינוי האפשרי של הערך הנמדד על בסיס ניסיון או ידע מקצועי, עם רוחב חצי שהוא חצי מהרוחב של הטווח.

אז, יש לבחור גורם כיסוי k מתאים לפי מאפייני ההתפלגות הסתברותית והרמת אמון הנדרשת. בדרך כלל, אם ערכי מדידה מתפלגים אחיד בתוך הטווח המוגדר (כל ערך בעל הסתברות שווה), משתמשים במודל התפלגות אחיד, ו-k יכול להיות קירוב של √3 כדי להבטיח דיוק ודיוק בהערכת אי-וודאות. נוסחת החישוב של אי-וודאות סוג B היא

כאשר a הוא רוחב חצי של טווח השינוי במדידה.

עבור נקודות המתח המוערך של 0.5%, 2%, 10%, 50% ו-110%, תוצאות ההערכה של אי-וודאות סוג B מוצגות בטבלה 2.

כפי שניתן לראות בטבלה 2, בנקודות מתח מוערך שונות, בין אם עבור הבדלים במגניטודה או פוזה, האי-וודאות מראה מגמה עולה ככל שהמתח עולה. בהשוואה לאי-וודאות סוג A, הערכה של אי-וודאות סוג B מתבססת יותר על הדיוק והשלמות של המידע הידוע, ומשקפת הערכה מקדימה של הביצועים של המשתנה המתח הנמדד. לכן, ביישומים מעשיים, בחינת 类型A和类型B的不确定性，可以更全面地掌握测量结果的准确性和可靠性。

4.3 综合标准不确定性的评估

在评估综合标准不确定性时，如果每个电网电子电压互感器的校准和测量结果都是独立且不相关的（即它们的相关系数都为0），则不确定度遵循线性组合的原则进行累积。基于此，综合标准不确定性的评估可以用以下公式表示：

然后，对于额定电压点0.5%，2%，10%，50%和110%，综合标准不确定性的评估结果如图3所示。

从图3的结果来看，随着额定电压从0.5%增加到110%，幅值差和相位偏差的综合标准不确定性稳步增长。具体来说，幅值差的不确定性从0.008%增加到0.085%（约10倍），相位偏差的不确定性从0.05°增加到0.35°（约7倍）。这种趋势表明，较高的电压增加了互感器对外部干扰的敏感性，从而扩大了测量不确定性。然而，没有出现极端数据变化，这表明评估过程是稳定可靠的。

5. 结论

在研究电网电子电压互感器校准和测量结果的不确定性评估方法中，分析了影响测量精度的多个因素，并探索了科学有效的评估方法。通过理论分析和实验验证，不仅提高了电压互感器测量