Ocenjevanje negotovosti meritev omrežnega elektronskega napetostnega preobrazovalnika

1. Uvod

Elektronski napetostni transformatorji v omrežju, kot nezamenljivi meritveni komponenti v električnih sistemih, imajo svojo meritveno točnost neposredno povezano s stabilnim delovanjem in učinkovitim upravljanjem električnih sistemov. V praksi pa zaradi lastnosti elektronskih komponent, okoljskih dejavnikov in omejitev merilnih metod, merila napetostnih transformatorjev pogosto vključujejo negotovosti. Te negotovosti ne le vplivajo na točnost podatkov o energiji, ampak tudi zavajajo strategije za usmerjanje, nadzor in zaščito električnih sistemov. Torej je globoko raziskovanje metod ocenjevanja negotovosti za preverjanje in merjenje elektronskih napetostnih transformatorjev v omrežju ključnega pomena za izboljšanje meritvene točnosti električnih sistemov.

Ta študija se namenja sistemični analizi dejavnikov, ki vplivajo na meritveno negotovost napetostnih transformatorjev, vključno z temperaturnim odklonom, staranjem in šumskimi motnjami elektronskih komponent, kot tudi spremembami temperature, vlage in elektromagnetnih polj v meritvenem okolju. S tem bo raziskana znanstvena in smiselna metoda ocenjevanja negotovosti. Z gradnjo matematičnih modelov, kombiniranih z statističnimi principi in metrološkimi znanji, bo ta raziskava celovito ocenila meritveno negotovost elektronskih napetostnih transformatorjev v omrežju pri različnih delovnih pogoji, kar bo prineslo teoretično podlago in tehnično podporo za oblikovanje bolj natančnih predpisov za preverjanje in izboljšanje kakovosti napetostnih transformatorjev.

2. Poskus za oceno negotovosti rezultatov merjenja
2.1 Poskusni predmet

Za oceno negotovosti elektronskih napetostnih transformatorjev v omrežju je izbran natančen napetostni kalibracijski posrednik s točnostjo 0,001 stopnje, ki pokriva merilni obseg 1–1000 V. Preverjani napetostni transformator je zasnovan za scenarije z primarno napetostjo 10 kV–50 kV in sekundarno napetostjo 100 V, z točnostjo 0,02. Struktura elektronskega napetostnega transformatorja v omrežju je prikazana na Sliki 1.

Poskusno okolje je nastavljeno na konstantno temperaturo 20 ± 2 °C, z relativno vlago pod 60 %, s čimer se izključijo potencialni okoljski vplivi na rezultate merjenja.

2.2 Metoda preverjanja in merjenja elektronskih napetostnih transformatorjev v omrežju

Med preverjanjem elektronskih napetostnih transformatorjev v omrežju je potrebna znanstvena metoda ocenjevanja negotovosti, da se zagotovi točnost merjenja. Uporabljena je primerjalna vez, ki omogoča brezhibno poravnave med preverjanim elektronskim napetostnim transformatorjem in standardnim posrednikom, kot je prikazano na Sliki 2.

Nato visoko natančni digitalni merilni sistem neposredno prebere in izračuna napako preverjanega elektronskega napetostnega transformatorja. Model standardnega posrednika je DHBV-110/0.02, ki ima odlično točnost, ki podpira preverjanje. Za preverjani transformator so določene nominalne napetostne točke 0,5 %, 2 %, 10 %, 50 % in 110 %, da bi pokrili njegov operativni obseg. Opomba, čeprav so dovoljene maksimalne napake enake pri polnih in lahkofnosnih pogojih, lahko temperaturni odklon in starenje elektronskih komponent povzročita pomembne razlike v stabilnosti med pogoji. Zato mora biti stabilnost vsake točke neodvisno ocenjena, da se nadzira negotovost rezultatov preverjanja, kar zadovoljuje stroge zahteve za visoko natančno merilno tehnologijo pri delovanju električnega omrežja.

3. Matematični model

V poskusu za oceno negotovosti rezultatov preverjanja in merjenja elektronskih napetostnih transformatorjev v omrežju, ko preverjamo točnost preizkušenega posrednika, je njegova negotovost pogosto kvantificirana skozi več dimenzij, kot sta odstopanje točnosti in fazni zamik. Ti dva kazalca odražata amplitudno razliko in fazni odmik med meritveno vrednostjo in resnično vrednostjo. Torej se lahko neodvisni matematični modeli zgradijo, da točno opišejo te vire negotovosti. Za odstopanje točnosti Y se lahko uporabi linearni regresijski model, izražen kot:

Kjer so β₀ in β₁ parametri modela; X je vhodni signal elektronskega napetostnega transformatorja v omrežju; ε je naključni element napake. Za fazni zamik φ se lahko uporabi trigonometrični funkcionalni model, izražen kot

Kjer α predstavlja fiksni fazni premik; θ(X) je fazna funkcija, ki se spreminja glede na vhodni signal. Za bolj podrobno analizo se lahko uvedejo nelinearni členi ali polinomske aproksimacije, da se izboljša točnost modela. Ustanovitev teh matematičnih modelov prinaša trdno teoretično podlago in kvantitativne orodja za celovito in sistematično ocenjevanje negotovosti rezultatov merjenja.

4. Rezultati poskusa za oceno komponent negotovosti

Pri preverjanju elektronskih napetostnih transformatorjev v omrežju je za oceno negotovosti določenih več setov napetostnih ravni. Izbrane so nominalne napetostne točke 0,5 %, 2 %, 10 %, 50 % in 110 %, ki so bile zmerno merjene. Povprečne vrednosti amplitudne razlike in faznega odmika so zabeležene in izračunane kot referenčne vrednosti na ustrezne napetostne ravni, da bi točno ocenili negotovost zmogljivosti preverjanega transformatorja.

4.1 Ocenjevanje negotovosti tipa A

Negotovost tipa A odraža raven disperzije med rezultati, pridobljenimi pri ponovitih merjenjih istega predmeta. Njena izračunska formula je:

Kjer je n število meritev; xi je i-ta meritvena vrednost; x̄ je aritmetična sredina meritvenih vrednosti.

Nato so rezultati ocene negotovosti tipa A za nominalne napetostne točke 0,5 %, 2 %, 10 %, 50 % in 110 % prikazani v Tabeli 1.

Kot je vidno iz Tabele 1, s povečevanjem nominalne napetostne točke, negotovost tipa A za oba, amplitudno razliko in fazni odmik, kaže trend naraščanja. To je zato, ker so pri nižjih napetostnih ravneh napetostni transformatorji bolj stabilni, kar prinaša manj disperzije v rezultatih merjenja. Pri višjih napetostnih ravneh pa napetostni transformatorji vplivajo več faktorjev, kar vodi do večje disperzije v rezultatih merjenja.

4.2 Ocenjevanje negotovosti tipa B

Pod JJF 1059.1—2022 Ocena in izraz merilne negotovosti, negotovost tipa B izvira iz razumenega sklepanja iz znanih relevantnih informacij za oceno standardne deviacije. Te informacije lahko vključujejo specifikacije opreme od proizvajalcev, podatke o priznanih metodah kalibracije ali statistično analizo zgodovinskih podatkov merjenja. Jezgra negotovosti tipa B je definicija možnega variacijskega obsega meritvene vrednosti na osnovi izkušenj ali strokovnega znanja, s polovico širine obsega.

Nato se izbere ustrezni faktor pokritja k za kvantifikacijo glede na značilnosti verjetnostne porazdelitve in zahtevano stopnjo zaupanja. Običajno, če so meritvene vrednosti enakomerno porazdeljene znotraj predvidenega intervala (vsaka vrednost ima enako verjetnost), se uporablja model enakomerne porazdelitve, in k se lahko vzame za približek √3, da se zagotovi točnost in natančnost ocene. Izračunska formula za negotovost tipa B je

Kjer je a polovica širine variacijskega intervala meritve.

Za nominalne napetostne točke 0,5 %, 2 %, 10 %, 50 % in 110 % so rezultati ocene negotovosti tipa B prikazani v Tabeli 2.

Kot je vidno iz Tabele 2, pri različnih nominalnih napetostnih točkah, ali za amplitudno razliko ali fazni odmik, negotovost kaže trend naraščanja s povečevanjem napetostne ravni. V primerjavi s negotovostjo tipa A, ocenjevanje negotovosti tipa B večji poudarek klade na točnost in popolnost znanih informacij, kar odraža apriorne ocene zmogljivosti merjenega napetostnega transformatorja. Torej, v praktičnih aplikacijah, celovito obravnavanje negotovosti tipa A in B omogoča boljšo razumevanje točnosti in zanesljivosti rezultatov merjenja.

4.3 Ocenjevanje združene standardne negotovosti

Pri oceni združene standardne negotovosti, če so rezultati preverjanja in merjenja vsakega elektronskega napetostnega transformatorja v omrežju neodvisni in nekorelirani (to je, njihovi koeficienti korelacije so vsi 0), negotovosti sledijo principu linearnega kombiniranja za akumulacijo. Na tej osnovi se lahko ocena združene standardne negotovosti izrazi z naslednjo formulo

Nato so rezultati ocene združene standardne negotovosti za nominalne napetostne točke 0,5 %, 2 %, 10 %, 50 % in 110 % prikazani na Sliki 3.

Iz rezultatov na Sliki 3, ko se nominalna napetost poveča od 0,5 % do 110 %, združene standardne negotovosti za amplitudno razliko in fazni odmik kažejo stabilno rast. Specifično, negotovost amplitudne razlike se poveča od 0,008 % do 0,085 % (približno desetkrat), negotovost faznega odmika pa od 0,05° do 0,35° (približno sedemkrat). Ta trend pomeni, da višja napetost poveča občutljivost transformatorja na zunanje motnje, kar poveča merilno negotovost. Vendar ne pride do ekstremnih sprememb podatkov, kar kaže, da je postopek ocenjevanja stabilen in zanesljiv.

5. Zaključek

V raziskavi o metodah ocenjevanja negotovosti za preverjanje in merjenje elektronskih napetostnih transformatorjev v omrežju so analizirani več faktorjev, ki vplivajo na točnost merjenja, in raziskane so znanstvene in učinkovite metode ocenjevanja. Skozi teoretično analizo in eksperimentalno preverjanje, se ne le izboljša zanesljivost rezultatov merjenja napetostnih transformatorjev, temveč prinaša tudi trdno jamstvo za stabilno delovanje električnega sistema.