Usikkerhetsvurdering for måling av nettverksbasert elektronisk spenningsoverfører

1. Innføring

Nettverksmessige elektroniske spenningstransformatorer, som uunnlidelige måleenheter i kraftsystemer, har sin målnøyaktighet direkte knyttet til stabil drift og effektiv forvaltning av kraftsystemer. Imidlertid involverer ofte måleresultatene fra spenningstransformatorer usikkerhet på grunn av egenskaper hos elektroniske komponenter, miljøfaktorer og begrensninger i målemetoder i praksis. Denne usikkerheten påvirker ikke bare nøyaktigheten av strømdata, men kan også mislede om rutiner for justering, kontroll og beskyttelse av kraftsystemer. Derfor er det viktig å utføre grundig forskning på metoder for usikkerhetsvurdering av verifiserings- og måleresultater for nettverksmessige elektroniske spenningstransformatorer for å forbedre målnøyaktigheten i kraftsystemer.

Denne studien har som mål å systematisk analysere faktorer som påvirker målusikkerheten for spenningstransformatorer, inkludert temperaturdrift, aldring og støyforstyrrelser av elektroniske komponenter, samt endringer i temperatur, fuktighet og elektromagnetiske felt i målemiljøet. Gjennom dette vil vitenskapelige og rimelige metoder for usikkerhetsvurdering bli utforsket. Ved å bygge matematiske modeller kombinert med statistiske prinsipper og metrologisk kunnskap, vil denne forskningen gi en omfattende vurdering av målusikkerheten for nettverksmessige elektroniske spenningstransformatorer under ulike arbeidsforhold, og bidra med teoretisk grunnlag og teknisk støtte for å utarbeide mer nøyaktige verifikasjonsregler og forbedre produktkvaliteten for spenningstransformatorer.

2. Eksperiment for Vurdering av Usikkerhet i Måleresultater
2.1 Eksperimentell Objekt

For usikkerhetsvurdering av nettverksmessige elektroniske spenningstransformatorer, blir et nøyaktig spenningkalibreringsanlegg med nøyaktighetsnivå på 0,001 valgt, som dekker et målespann på 1–1000 V. Spenningstransformatoren som skal verifiseres, er designet for scenarioer med primærspenning på 10 kV–50 kV og sekundærspenning på 100 V, med nøyaktighetsnivå på 0,02. Strukturen av nettverksmessige elektroniske spenningstransformatorer vises i figur 1.

Eksperimentell miljø settes til en konstant temperatur på 20 ± 2 °C, med relativ fuktighet holdt under 60%, for å eliminere potensielle miljøeffekter på måleresultater.

2.2 Verifiserings- og Målemetode for Nettverksmessige Elektroniske Spenningstransformatorer

Under verifisering av nettverksmessige elektroniske spenningstransformatorer, kreves en vitenskapelig metode for usikkerhetsvurdering for å sikre målnøyaktighet. Ved å bruke nettverksmessige elektroniske spenningstransformatorer som vist i figur 1 som standardanlegg, blir en sammenligningsbasert kretsforkobling benyttet. Dette muliggjør en seamless tilpasning mellom den testede elektroniske spenningstransformatoren og standardanlegget, som vist i figur 2.

Deretter leses og beregnes feilen av den elektroniske spenningstransformatoren under testing direkte ved hjelp av et høy-nøyaktig digitalt målesystem. Standardanleggets modell er DHBV-110/0.02, med fremragende nøyaktighet som underbygger verifiseringen. For transformatoren under testing, settes spenningspunkter på 0,5%, 2%, 10%, 50% og 110% for å dekke dets driftsområde. Merk at selv om maksimalt tillatt feilgrense for disse punktene er like under full og lett belastning, kan temperaturdrift og aldring av elektroniske komponenter føre til betydelige stabilitetsforskjeller over forhold. Derfor må hver punkts stabilitet vurderes uavhengig for å kontrollere verifiseringsresultatets usikkerhet, for å møte strømnets streng krav til høy-nøyaktig måleteknologi.

3. Matematisk Modell

I eksperimentet for vurdering av usikkerhet i verifiserings- og måleresultater for nettverksmessige elektroniske spenningstransformatorer, når nøyaktigheten av enheten under testing verifiseres, kvantifiseres ofte dens usikkerhet gjennom flere dimensjoner, som nøyaktighetsavvik og faselag. Disse to indikatorene reflekterer henholdsvis amplitudedifferansen og faseavviket mellom det målte verdien og den sanne verdien. Således kan uavhengige matematiske modeller opprettes for å nøyaktig beskrive disse kilene til usikkerhet. For nøyaktighetsavvik Y, kan en lineær regresjonsmodell brukes, uttrykt som:

Hvor β₀ og β₁ er modellparametre; X er inngangssignalet til nettverksmessige elektroniske spenningstransformatorer; ε er tilfeldig feilterm. For faselag φ, kan det uttrykkes ved en trigonometrisk funksjonsmodell som

Hvor α representerer den faste faseforskyvningen; θ(X) er en fasefunksjon som varierer med inngangssignalet. For mer detaljert analyse kan ikke-lineære termer eller polynomapproksimasjoner innføres for å forbedre modellens nøyaktighet. Opprettelsen av disse matematiske modellene gir et solid teoretisk grunnlag og kvantitative verktøy for å omfattende og systematisk vurdere usikkerheten i måleresultater.

4. Resultater av Usikkerhetskomponentevalueringsekperimentet

I verifisering av nettverksmessige elektroniske spenningstransformatorer, settes flere sett med spenningsnivåer for usikkerhetsvurdering. De nominerte spenningspunktene på 0,5%, 2%, 10%, 50% og 110% velges og måles ved hjelp av sammenligningsmetoden. Gjennomsnittsverdiene av amplitudedifferansen og faseavviket registreres og beregnes som referanseverdier ved de tilsvarende spenningsnivåene, for å nøyaktig vurdere prestasjonusikkerheten for den testede transformator.

4.1 Type A Usikkerhetsvurdering

Type A usikkerhet reflekterer graden av spredning blant resultater som oppnås under repeterte målinger av samme objekt. Beregningsformelen er:

Hvor n er antall målinger; xi er den i-te målte verdien; x̄ er det aritmetiske gjennomsnittet av målte verdier.

Så, for de nominerte spenningspunktene på 0,5%, 2%, 10%, 50% og 110%, vises resultatene av Type A usikkerhetsvurderingen i tabell 1.

Som man kan se i tabell 1, øker Type A usikkerheten for både amplitudedifferansen og faseavviket når det nominerte spenningspunktet øker. Dette er fordi ved lavere spenningsnivåer er spenningstransformatoren mer stabil, noe som fører til mindre spredning i måleresultatene. Men ved høyere spenningsnivåer, er spenningstransformatoren påvirket av flere faktorer, noe som fører til større spredning i måleresultatene.

4.2 Vurdering av Type B Usikkerhet

Ifølge JJF 1059.1—2022 Vurdering og uttrykk av måleusikkerhet, kommer Type B usikkerhet fra å fornuftig slutte fra kjent relevant informasjon for å estimere standardavviket. Denne informasjonen kan involvere utstyrspecificasjoner fra produsenter, data fra industrielt anerkjente kalibreringsmetoder, eller statistisk analyse av historiske måledata. Kernen i Type B usikkerhet er å definere det mulige variasjonsområdet for den målte verdien basert på erfaring eller profesjonskunnskap, med dens halvbredd som halvparten av områdesbredden.

Deretter velges en passende dekningsfaktor k for kvantisering i henhold til sannsynlighetsfordelingskarakteristikkene og ønsket konfidensnivå. Vanligvis, hvis målte verdier er jevnt fordelt innenfor et forhåndsbestemt intervall (hver verdi har lik sannsynlighet), brukes uniform fordelingsmodellen, og k kan tas som en tilnærming til √3 for å sikre vurderingsnøyaktighet og nøyaktighet. Beregningsformelen for Type B usikkerhet er

Hvor a er halvbredden av målevariasjonsintervallet.

For de nominerte spenningspunktene på 0,5%, 2%, 10%, 50% og 110%, vises resultatene av Type B usikkerhetsvurderingen i tabell 2.

Som man kan se i tabell 2, øker usikkerheten for både amplitudedifferansen og faseavviket som spenningsnivået stiger ved ulike nominerte spenningspunkter. Sammenlignet med Type A usikkerhet, avhenger vurderingen av Type B usikkerhet mer av nøyaktigheten og kompletheten av kjent informasjon, og reflekterer en forhåndsinnestilt estimering av prestasjonen til den målte spenningstransformator. Derfor, i praktiske anvendelser, gir en omfattende betraktning av både Type A og Type B usikkerhet en mer omfattende forståelse for nøyaktigheten og påliteligheten av måleresultatene.

4.3 Vurdering av Kombinert Standardusikkerhet

Når man vurderer kombinert standardusikkerhet, hvis verifiserings- og måleresultatene for hver nettverksmessig elektronisk spenningstransformator er uavhengige og ukorrelert (altså deres korrelasjonskoeffisienter er alle 0), følger usikkerhetene prinsippet om lineær kombinasjon for akkumulering. Basert på dette, kan vurderingen av kombinert standardusikkerhet uttrykkes ved følgende formel

Så, for de nominerte spenningspunktene på 0,5%, 2%, 10%, 50% og 110%, vises resultatene av kombinert standardusikkerhetsvurderingen i figur 3.

Fra figur 3s resultater, som det nominerte spenningspunktet øker fra 0,5% til 110%, viser kombinert standardusikkerheten for både amplitudedifferansen og faseavviket en stabil økning. Spesifikt, øker amplitudedifferansens usikkerhet fra 0,008% til 0,085% (ca. 10 ganger), og faseavvikets usikkerhet øker fra 0,05° til 0,35° (ca. 7 ganger). Denne trender impliserer at høyere spenning øker transformatorens følsomhet for eksterne forstyrrelser, noe som utvider måleusikkerheten. Likevel forekommer det ingen ekstreme dataendringer, noe som indikerer at evalueringen er stabil og pålitelig.

5. Konklusjon

I forskningen på metoder for usikkerhetsvurdering av verifiserings- og måleresultater for nettverksmessige elektroniske spenningstransformatorer, analyseres flere faktorer som påvirker målenøyaktighet, og vitenskapelige og effektive vurderingsmetoder utforskes. Gjennom teoretisk analyse og eksperimentell verifisering, forbedres ikke bare påliteligheten av spenningstransformatorers måleresultater, men det gir også en solid garanti for stabil drift av kraftsystemet.