Omvärdering av osäkerhet för mätning med nätbaserad elektronisk spänningsomvandlare

1. Introduktion

Nätets elektroniska spänningsomvandlare, som oumbärliga mätkomponenter i elkraftsystem, har sitt mätresultat direkt kopplat till det stabila drift och effektiva hanteringen av elkraftsystem. I praktiken påverkas emellertid mätresultaten av spänningsomvandlarna ofta av osäkerhet, vilket beror på de inbyggda egenskaperna hos elektroniska komponenter, miljöfaktorer och begränsningar i mätmetoder. Denna osäkerhet påverkar inte bara precisionen i eldata, utan kan också missleda schemaläggning, styrning och skyddstrategier för elkraftsystem. Därför är djupgående forskning om metoder för att utvärdera osäkerheten i verifiering och mätresultat av nätets elektroniska spänningsomvandlare avgörande för att öka mätningen noggrannhet i elkraftsystem.

Detta studie syftar till att systematiskt analysera faktorer som påverkar mätosäkerheten av spänningsomvandlare, inklusive temperaturdrift, åldring och brusstörning av elektroniska komponenter, samt förändringar i temperatur, fuktighet och elektromagnetiska fält i mätmiljön. Genom detta kommer vetenskapliga och rimliga metoder för osäkerhetsutvärdering att utforskas. Genom att konstruera matematiska modeller kombinerade med statistiska principer och metrologisk kunskap kommer denna forskning att ge en omfattande utvärdering av mätosäkerheten för nätets elektroniska spänningsomvandlare under olika arbetsförhållanden, vilket ger en teoretisk grund och tekniskt stöd för att formulera mer precisa verifieringsregler och förbättra produktkvaliteten av spänningsomvandlare.

2. Experiment för utvärdering av mätresultatens osäkerhet
2.1 Experimenterande objekt

För osäkerhetsutvärdering av nätets elektroniska spänningsomvandlare väljs en precisionskalibreringsenhet med en precision på 0,001-nivå, som täcker ett mätområde från 1–1000 V. Den spänningsomvandlare som ska verifieras är utformad för scenarier med en primärspänning på 10 kV–50 kV och en sekundärspänning på 100 V, med en noggrannhetsnivå på 0,02. Strukturen av nätets elektroniska spänningsomvandlare visas i figur 1.

Den experimentella miljön inställs till en konstant temperatur på 20 ± 2 °C, med den relativa luftfuktigheten underhållen under 60%, vilket eliminerar potentiella miljöpåverkan på mätresultatet.

2.2 Verifierings- och mätmetod för nätets elektroniska spänningsomvandlare

Under verifieringen av nätets elektroniska spänningsomvandlare krävs en vetenskaplig metod för osäkerhetsutvärdering för att säkerställa mätningens noggrannhet. Med hjälp av den nätets elektroniska spänningsomvandlaren som visas i figur 1 som standardenhet används en jämförelsebaserad kretsanslutning. Detta möjliggör en sömlös anpassning mellan den testade elektroniska spänningsomvandlaren och standardenheten, som illustreras i figur 2.

Därefter läser och beräknar ett högprecisionssystem direkt felet hos den elektroniska spänningsomvandlaren som testas. Standardenhetens modell är DHBV-110/0.02, med utmärkt noggrannhet som underlättar verifieringen. För den transformer som testas, ställs punkterna för nominell spänning på 0,5 %, 2 %, 10 %, 50 % och 110 % in för att täcka dess driftområde. Notabene, trots att maximalt tillåtna felgränser för dessa punkter är samma under full- och lätta belastningsförhållanden, kan temperaturdrift och åldring av elektroniska komponenter orsaka betydande stabilitets skillnader över olika förhållanden. Därför måste varje punkts stabilitet oberoende utvärderas för att kontrollera verifieringsresultatets osäkerhet, vilket uppfyller stränga krav på högnoggrann mätteknik för elnätsdrift.

3. Matematisk modell

I experimentet för utvärdering av osäkerheten i verifiering och mätresultat av nätets elektroniska spänningsomvandlare, när man verifierar enhetens noggrannhet, kvantifieras dess osäkerhet ofta genom flera dimensioner, såsom noggrannhetsavvikelse och fasfördröjning. Dessa två indikatorer återspeglar amplitudskillnaden respektive fasavvikelsen mellan det mätta värdet och det verkliga värdet. Således kan oberoende matematiska modeller konstrueras för att exakt beskriva dessa källor till osäkerhet. För noggrannhetsavvikelsen Y kan en linjär regressionsmodell användas, uttryckt som:

Där β₀ och β₁ är modellparametrar; X är inmatningssignalen för nätets elektroniska spänningsomvandlare; ε är det slumpmässiga felet. För fasfördröjningen φ kan den uttryckas med en trigonometrisk funktionsmodell som

Där α representerar den fixa fasförskjutningen; θ(X) är en fasfunktion som varierar beroende på inmatningssignalen. För mer detaljerad analys kan icke-linjära termer eller polynomapproximationer införas för att förbättra modellens noggrannhet. Upprättandet av dessa matematiska modeller ger en solid teoretisk grund och kvantitativa verktyg för att omfattande och systematiskt utvärdera osäkerheten i mätresultat.

4. Resultat av experimentet för utvärdering av osäkerhetskompontenterna

I verifieringen av nätets elektroniska spänningsomvandlare fastställs flera uppsättningar spänningsnivåer för osäkerhetsbedömning. Punkterna för nominell spänning på 0,5 %, 2 %, 10 %, 50 % och 110 % väljs och mäts med hjälp av jämförelsemethoden. Medelvärdena för amplitudskillnaden och fasavvikelsen registreras och beräknas som referensvärden vid motsvarande spänningsnivåer, för att exakt utvärdera prestandaosäkerheten för den testade transformatorn.

4.1 Typ A-osäkerhetsutvärdering

Typ A-osäkerhet reflekterar graden av spridning bland resultaten som erhållits vid upprepade mätningar av samma objekt. Beräkningsformeln är:

Där n är antalet mätningar; xi är det i:e mätvärdet; x̄ är det aritmetiska medelvärdet av mätvärdena.

Sedan visas utvärderingsresultatet av typ A-osäkerhet för punkterna för nominell spänning på 0,5 %, 2 %, 10 %, 50 % och 110 % i tabell 1.

Som syns i tabell 1, visar både amplitudskillnaden och fasavvikelsen en ökande trend av typ A-osäkerhet med ökande nominell spänningspunkt. Detta beror på att vid lägre spänningsnivåer är spänningsomvandlaren mer stabil, vilket leder till mindre spridning i mätresultaten. Men vid högre spänningsnivåer påverkas spänningsomvandlaren av fler faktorer, vilket leder till större spridning i mätresultaten.

4.2 Utvärdering av typ B-osäkerhet

Enligt JJF 1059.1—2022 Utvärdering och uttryck för mätosäkerhet, kommer typ B-osäkerhet från att rimligt dra slutsatser från känd relevant information för att uppskatta dess standardavvikelse. Denna information kan involvera utrustningsspecifikationer från tillverkare, data från industriellt erkända kalibreringsmetoder, eller statistisk analys av historiska mätdata. Kärnan i typ B-osäkerhet är att definiera det möjliga variationsintervallet för det mätta värdet baserat på erfarenhet eller expertkunskap, med dess halva bredd som hälften av intervallets bredd.

Sedan väljs en lämplig täckningsfaktor k för kvantisering beroende på sannolikhetsfördelningsegenskaper och önskad konfidensnivå. Vanligtvis, om mätvärden är jämnt fördelade inom det förinställda intervallet (varje värde har lika sannolikhet), används den jämnt fördelade modellen, och k kan tas som en approximation av √3 för att säkerställa utvärderingens noggrannhet och strikthet. Beräkningsformeln för typ B-osäkerhet är

Där a är halva bredden av mätningens variationsintervall.

För punkterna för nominell spänning på 0,5 %, 2 %, 10 %, 50 % och 110 % visas utvärderingsresultatet av typ B-osäkerhet i tabell 2.

Som syns i tabell 2, visar både amplitudskillnaden och fasavvikelsen en ökande trend av typ B-osäkerhet med ökande spänningsnivå vid olika nominella spänningspunkter. Jämfört med typ A-osäkerhet, beror utvärderingen av typ B-osäkerhet mer på noggrannheten och fullständigheten av känd information, vilket återspeglar en förhandsuppskattning av prestandan hos den mätta spänningsomvandlaren. Därför, i praktiska tillämpningar, gör en omfattande övervägande av både typ A- och typ B-osäkerhet det möjligt att få en mer komplett bild av noggrannheten och pålitligheten av mätresultat.

4.3 Utvärdering av kombinerad standardosäkerhet

När man utvärderar den kombinerade standardosäkerheten, om verifierings- och mätresultaten för varje nätets elektroniska spänningsomvandlare är oberoende och okorrelerade (dvs. deras korrelationskoefficienter är alla 0), följer osäkerheterna principen för linjär kombination för ackumulering. Baserat på detta kan utvärderingen av den kombinerade standardosäkerheten uttryckas genom följande formel

Sedan visas utvärderingsresultatet av den kombinerade standardosäkerheten för punkterna för nominell spänning på 0,5 %, 2 %, 10 %, 50 % och 110 % i figur 3.

Från figur 3:s resultat, när nominell spänning ökar från 0,5 % till 110 %, visar den kombinerade standardosäkerheten för både amplitudskillnaden och fasavvikelsen en stadig tillväxt. Specifikt, amplitudskillnadens osäkerhet ökar från 0,008 % till 0,085 % (ungefär 10-gångers), och fasavvikelsens osäkerhet ökar från 0,05° till 0,35° (ungefär 7-gångers). Denna trend indikerar att högre spänning ökar transformatorns känslighet för extern störning, vilket leder till en ökning av mätosäkerheten. Dock inträffar inga extremt dataförändringar, vilket indikerar att utvärderingsprocessen är stabil och tillförlitlig.

5. Slutsats

I forskningen om metoder för utvärdering av osäkerhet för verifiering och mätresultat av nätets elektroniska spänningsomvandlare analyseras flera faktorer som påverkar mätningens noggrannhet, och vetenskapliga och effektiva utvärderingsmetoder undersöks. Genom teoretisk analys och experimentell verifiering, förbättras inte bara tillförlitligheten av mätresultaten för spänningsomvandlare, utan det ger också en solid garanti för det stabila drift av elkraftsystemet.