Onzekerheidsbeoordeling voor meetwaarden van elektronische netspanningstransformator

1. Inleiding

Netwerkelektronische spanningstransformatoren, als onmisbare meetcomponenten in elektriciteitsnetwerken, hebben hun meetnauwkeurigheid direct verbonden met de stabiele werking en efficiënte beheer van elektriciteitsnetwerken. Echter, in de praktijk, door de inherente eigenschappen van elektronische componenten, omgevingsfactoren en beperkingen van meetmethoden, bevatten de meetresultaten van spanningstransformatoren vaak onzekerheden. Deze onzekerheden beïnvloeden niet alleen de nauwkeurigheid van stroomgegevens, maar leiden ook tot misleidende dispatching, controle- en beschermingsstrategieën van elektriciteitsnetwerken. Daarom is diepgaand onderzoek naar de evaluatiemethoden voor onzekerheden van de verificatie en meetresultaten van netwerkelektronische spanningstransformatoren cruciaal voor het verbeteren van de meetnauwkeurigheid van elektriciteitsnetwerken.

Dit onderzoek heeft als doel de factoren die de meetonzekerheid van spanningstransformatoren beïnvloeden systematisch te analyseren, waaronder temperatuurafwijking, veroudering en ruisstoring van elektronische componenten, evenals veranderingen in temperatuur, vochtigheid en elektromagnetische velden in de meetomgeving. Hierdoor zullen wetenschappelijke en redelijke onzekerheidevaluatiemethoden worden verkend. Door wiskundige modellen te construeren in combinatie met statistische principes en metrologische kennis, zal dit onderzoek de meetonzekerheid van netwerkelektronische spanningstransformatoren onder verschillende werkomstandigheden grondig evalueren, waarbij een theoretische basis en technische ondersteuning wordt geboden voor het opstellen van nauwkeurigere verificatieregels en het verbeteren van de productkwaliteit van spanningstransformatoren.

2. Experiment voor de Evaluatie van Onzekerheid van Meetresultaten
2.1 Experimenteel Object

Voor de onzekerheidevaluatie van netwerkelektronische spanningstransformatoren is een precisiespanningskalibratieapparaat met een nauwkeurigheid van 0,001 niveau geselecteerd, met een meetbereik van 1–1000 V. De te verifiërende spanningstransformator is ontworpen voor scenario's met een primaire spanning van 10 kV–50 kV en een secundaire spanning van 100 V, met een nauwkeurigheidsniveau van 0,02. De structuur van de netwerkelektronische spanningstransformator is weergegeven in Figuur 1.

De experimentele omgeving is ingesteld op een constante temperatuur van 20 ± 2 °C, met de relatieve luchtvochtigheid onder 60%, waardoor mogelijke omgevingsinvloeden op de meetresultaten worden geëlimineerd.

2.2 Verificatie- en Meetmethode voor Netwerkelektronische Spanningstransformatoren

Tijdens de verificatie van netwerkelektronische spanningstransformatoren is een wetenschappelijke onzekerheidevaluatiemethode vereist om de meetnauwkeurigheid te garanderen. Met de netwerkelektronische spanningstransformator zoals weergegeven in Figuur 1 als standaardapparaat, wordt een vergelijkingsgebaseerde schakeling toegepast. Dit stelt een naadloze uitlijning tussen de geteste elektronische spanningstransformator en het standaardapparaat in staat, zoals weergegeven in Figuur 2.

Vervolgens leest en berekent een hoge-nauwkeurigheid digitale meetsysteem rechtstreeks de fout van de geteste elektronische spanningstransformator. Het model van het standaardapparaat is DHBV-110/0.02, met uitstekende nauwkeurigheid die de verificatie ondersteunt. Voor de geteste transformator zijn spanningpunten van 0,5%, 2%, 10%, 50% en 110% ingesteld om haar werkgebied te bestrijken. Merkwaardig genoeg, hoewel de maximale toegestane foutlimieten voor deze punten hetzelfde zijn onder volledige- en lichtbelasting, kunnen temperatuurafwijking en veroudering van elektronische componenten significante stabiliteitsverschillen veroorzaken onder verschillende omstandigheden. Daarom moet de stabiliteit van elk punt onafhankelijk worden geëvalueerd om de onzekerheid van de verificatie-resultaten te controleren, voldoende aan de strenge eisen van elektriciteitsnetwerken voor hoge-nauwkeurigheidsmeettechnologie.

3. Wiskundig Model

In het experiment voor de evaluatie van de onzekerheid van de verificatie- en meetresultaten van netwerkelektronische spanningstransformatoren, bij de verificatie van de nauwkeurigheid van het te testen apparaat, wordt de onzekerheid vaak gekwantificeerd via meerdere dimensies, zoals nauwkeurigheidsafwijking en fasenachtrekking. Deze twee indicatoren weerspiegelen respectievelijk het amplitudeverteerschil en faseverschil tussen de gemeten waarde en de ware waarde. Daarom kunnen onafhankelijke wiskundige modellen worden opgesteld om deze bronnen van onzekerheid nauwkeurig te beschrijven. Voor de nauwkeurigheidsafwijking Y kan een lineair regressiemodel worden gebruikt, uitgedrukt als:

Waar β0 en β1 modelparameters zijn; $X$ is het ingangssignaal van de netwerkelektronische spanningstransformator; $\ε$ is de willekeurige foutterm. Voor de fasenachtrekking $\φ$, kan deze worden uitgedrukt door een goniometrisch functiemodel als

Waar α de vaste fasenverplaatsing vertegenwoordigt; θ(X) is een faserotatie-functie die varieert met het ingangssignaal. Voor een gedetailleerdere analyse kunnen niet-lineaire termen of polynoombenaderingen worden ingevoerd om de nauwkeurigheid van het model te verhogen. De opstelling van deze wiskundige modellen biedt een solide theoretische basis en kwantitatieve instrumenten voor een grondige en systematische evaluatie van de onzekerheid van meetresultaten.

4. Resultaten van het Onzekerheidscomponentevaluatie-experiment

Bij de verificatie van netwerkelektronische spanningstransformatoren worden meerdere sets spanningniveaus ingesteld voor onzekerheidsbeoordeling. De spanningpunten van 0,5%, 2%, 10%, 50% en 110% worden geselecteerd en gemeten met behulp van de vergelijkingsmethode. De gemiddelde waarden van het amplituderverschil en de fasenachtrekking worden vastgelegd en berekend als referentiewaarden op de corresponderende spanningniveaus, om de prestatieonzekerheid van de geteste transformator nauwkeurig te evalueren.

4.1 Type A Onzekerheidsbeoordeling

Type A onzekerheid weerspiegelt de mate van spreiding onder de resultaten die tijdens herhaalde metingen van hetzelfde object zijn verkregen. De berekening formule is:

Waar n het aantal metingen is; x_i is de i-de gemeten waarde; xˉ is het rekenkundig gemiddelde van de gemeten waarden.

Vervolgens, voor de spanningpunten van 0,5%, 2%, 10%, 50% en 110%, worden de evaluatie-resultaten van Type A onzekerheid weergegeven in Tabel 1.

Zoals te zien is in Tabel 1, neemt de Type A onzekerheid van zowel het amplituderverschil als de fasenachtrekking toe naarmate het spanningpunt stijgt. Dit komt omdat bij lagere spanningniveaus de spanningstransformator stabieler is, wat resulteert in minder spreiding in de meetresultaten. Echter, bij hogere spanningniveaus wordt de spanningstransformator beïnvloed door meer factoren, wat leidt tot grotere spreiding in de meetresultaten.

4.2 Evaluatie van Type B Onzekerheid

Volgens JJF 1059.1—2022 Evaluatie en Uiting van Meetonzekerheid, komt Type B onzekerheid voort uit redelijke afleidingen van bekende relevante informatie om de standaardafwijking te schatten. Deze informatie kan betrekking hebben op apparatuurspecificaties van fabrikanten, gegevens van industrieel erkende kalibratiemethoden, of statistische analyse van historische meetgegevens. Het kernpunt van Type B onzekerheid is om op basis van ervaring of professionele kennis de mogelijke variatiebereik van de gemeten waarde te definiëren, waarbij de halve breedte de helft van de bereikbreedte is.

Daarna wordt een passende dekkingsfactor k geselecteerd voor kwantisering, afhankelijk van de kansverdelingskenmerken en de vereiste betrouwbaarheidsniveau. Gewoonlijk, als de gemeten waarden uniform verdeeld zijn binnen het vooraf ingestelde interval (elke waarde heeft gelijke kans), wordt het uniforme verdelingsmodel gebruikt, en kan k worden genomen als een benadering van √3 om de evaluatie-accurate en strengheid te waarborgen. De berekeningsformule voor Type B onzekerheid is

Waar a de halve breedte van het meetvariatie-interval is.

Voor de spanningpunten van 0,5%, 2%, 10%, 50% en 110%, worden de evaluatie-resultaten van Type B onzekerheid weergegeven in Tabel 2.

Zoals te zien is in Tabel 2, neemt de onzekerheid, of het nu gaat om het amplituderverschil of de fasenachtrekking, toe naarmate het spanningniveau stijgt. In vergelijking met Type A onzekerheid, berust de evaluatie van Type B onzekerheid meer op de nauwkeurigheid en volledigheid van bekende informatie, wat een voorafgaande schatting van de prestatie van de te meten spanningstransformator weerspiegelt. Daarom, in de praktijk, een alomvattende overweging van zowel Type A als Type B onzekerheden stelt in staat om een meer grondige grip te krijgen op de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van meetresultaten.

4.3 Evaluatie van Gecombineerde Standaardonzekerheid

Bij de evaluatie van de gecombineerde standaardonzekerheid, als de verificatie- en meetresultaten van elke netwerkelektronische spanningstransformator onafhankelijk en ongecorreleerd zijn (dat wil zeggen, hun correlatiecoëfficiënten zijn allemaal 0), volgen de onzekerheden het principe van lineaire combinatie voor accumulatie. Op basis hiervan kan de evaluatie van de gecombineerde standaardonzekerheid worden uitgedrukt door de volgende formule

Vervolgens, voor de spanningpunten van 0,5%, 2%, 10%, 50% en 110%, worden de evaluatie-resultaten van de gecombineerde standaardonzekerheid weergegeven in Figuur 3.

Uit de resultaten in Figuur 3 blijkt dat, naarmate de spanning stijgt van 0,5% tot 110%, de gecombineerde standaardonzekerheden van zowel het amplituderverschil als de fasenachtrekking gestaag toenemen. Specifiek gezien, neemt de onzekerheid van het amplituderverschil toe van 0,008% tot 0,085% (ongeveer 10-voudig), en de onzekerheid van de fasenachtrekking van 0,05° tot 0,35° (ongeveer 7-voudig). Deze trend suggereert dat hogere spanningen de gevoeligheid van de transformator voor externe storingen verhogen, waardoor de meetonzekerheid toeneemt. Echter, er treden geen extreme gegevenswijzigingen op, wat aangeeft dat het evaluatieproces stabiel en betrouwbaar is.

5. Conclusie

In het onderzoek naar de onzekerheidevaluatiemethode voor de verificatie- en meetresultaten van netwerkelektronische spanningstransformatoren, worden meerdere factoren die de meetnauwkeurigheid beïnvloeden geanalyseerd, en wetenschappelijke en effectieve evaluatiemethoden verkend. Door middel van theoretische analyse en experimentele verificatie, wordt niet alleen de betrouwbaarheid van de meetresultaten van spanningstransformatoren verbeterd, maar ook een solide garantie geboden voor de stabiele werking van het elektriciteitsnetwerk.