การประเมินความไม่แน่นอนสำหรับการวัดทรานสฟอร์เมอร์แรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ในระบบสายส่ง

1. บทนำ

ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ในระบบสายส่งไฟฟ้า ซึ่งเป็นส่วนประกอบในการวัดที่ขาดไม่ได้ในระบบไฟฟ้า มีความแม่นยำในการวัดที่เชื่อมโยงโดยตรงกับการดำเนินงานอย่างมั่นคงและการจัดการอย่างมีประสิทธิภาพของระบบไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ปัจจัยแวดล้อม และข้อจำกัดของการวัด ผลการวัดของตัวแปลงแรงดันไฟฟ้านั้นมักจะมีความไม่แน่นอน ความไม่แน่นอนนี้ไม่เพียงแต่ส่งผลกระทบต่อความแม่นยำของข้อมูลพลังงานเท่านั้น แต่ยังทำให้กลยุทธ์ในการควบคุม การกำกับดูแล และการป้องกันของระบบไฟฟ้าคลาดเคลื่อน ดังนั้น การศึกษาอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับวิธีการประเมินความไม่แน่นอนสำหรับการตรวจสอบและผลการวัดของตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ในระบบสายส่งไฟฟ้าจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการเพิ่มความแม่นยำในการวัดของระบบไฟฟ้า

การศึกษานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อวิเคราะห์อย่างเป็นระบบถึงปัจจัยที่ส่งผลกระทบต่อความไม่แน่นอนในการวัดของตัวแปลงแรงดันไฟฟ้า รวมถึงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ความเสื่อมสภาพ และสัญญาณรบกวนของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ตลอดจนการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ความชื้น และสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในสภาพแวดล้อมการวัด โดยผ่านการวิเคราะห์นี้ จะสำรวจวิธีการประเมินความไม่แน่นอนที่มีความเหมาะสมและมีหลักฐานทางวิทยาศาสตร์ ผ่านการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ร่วมกับหลักสถิติและความรู้ทางวิทยาการวัด การวิจัยนี้จะประเมินความไม่แน่นอนในการวัดของตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ในระบบสายส่งไฟฟ้าภายใต้สภาพการทำงานที่แตกต่างกัน พร้อมทั้งให้พื้นฐานทางทฤษฎีและการสนับสนุนทางเทคนิคในการกำหนดกฎระเบียบการตรวจสอบที่แม่นยำมากขึ้นและการปรับปรุงคุณภาพของตัวแปลงแรงดันไฟฟ้า

2. การทดลองประเมินความไม่แน่นอนของผลการวัด
2.1 วัตถุประสงค์ของการทดลอง

ในการประเมินความไม่แน่นอนของตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ในระบบสายส่งไฟฟ้า ได้เลือกใช้อุปกรณ์สอบเทียบแรงดันไฟฟ้าที่มีความแม่นยำระดับ 0.001 ครอบคลุมช่วงการวัด 1-1000 V ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการตรวจสอบถูกออกแบบมาสำหรับสถานการณ์ที่แรงดันไฟฟ้าหลักอยู่ระหว่าง 10 kV-50 kV และแรงดันไฟฟ้ารองอยู่ที่ 100 V ด้วยระดับความแม่นยำ 0.02 โครงสร้างของตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ในระบบสายส่งไฟฟ้าแสดงในรูปที่ 1

สภาพแวดล้อมการทดลองถูกตั้งค่าให้มีอุณหภูมิคงที่ 20 ± 2 °C พร้อมกับรักษาความชื้นสัมพัทธ์ไว้ต่ำกว่า 60% เพื่อกำจัดผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นจากสภาพแวดล้อมต่อผลการวัด

2.2 วิธีการตรวจสอบและวัดตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ในระบบสายส่งไฟฟ้า

ในการตรวจสอบตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ในระบบสายส่งไฟฟ้า จำเป็นต้องใช้วิธีการประเมินความไม่แน่นอนที่มีความเหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่ามีความแม่นยำในการวัด ใช้ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ในระบบสายส่งไฟฟ้าที่แสดงในรูปที่ 1 เป็นอุปกรณ์มาตรฐาน พร้อมกับการเชื่อมต่อวงจรแบบเปรียบเทียบ ทำให้สามารถเชื่อมต่อระหว่างตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการทดสอบและอุปกรณ์มาตรฐานได้อย่างราบรื่น ดังที่แสดงในรูปที่ 2

ต่อจากนั้น ระบบวัดดิจิทัลที่มีความแม่นยำสูงจะทำการอ่านและคำนวณความผิดพลาดของตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการทดสอบ โมเดลของอุปกรณ์มาตรฐานคือ DHBV-110/0.02 ซึ่งมีความแม่นยำที่ยอดเยี่ยมในการตรวจสอบ สำหรับตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการทดสอบ จุดแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดอยู่ที่ 0.5%, 2%, 10%, 50%, และ 110% เพื่อครอบคลุมช่วงการทำงาน ทั้งนี้ แม้ว่าข้อจำกัดความผิดพลาดสูงสุดสำหรับจุดเหล่านี้จะเหมือนกันในสภาพโหลดเต็มและโหลดเบา แต่การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและการเสื่อมสภาพของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อาจทำให้ความมั่นคงแตกต่างกันอย่างมาก ดังนั้น ต้องประเมินความมั่นคงของแต่ละจุดอย่างอิสระเพื่อควบคุมความไม่แน่นอนของผลการตรวจสอบ ตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดในการวัดด้วยความแม่นยำสูงสำหรับการดำเนินงานของระบบสายส่งไฟฟ้า

3. แบบจำลองทางคณิตศาสตร์

ในการทดลองประเมินความไม่แน่นอนของผลการตรวจสอบและวัดตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ในระบบสายส่งไฟฟ้า เมื่อตรวจสอบความแม่นยำของอุปกรณ์ที่ต้องการทดสอบ ความไม่แน่นอนมักจะถูกปริมาณได้ผ่านมิติหลายประการ เช่น ความคลาดเคลื่อนของความแม่นยำและการเลื่อนเฟส สองตัวชี้วัดนี้สะท้อนถึงความแตกต่างของขนาดและความคลาดเคลื่อนของเฟสระหว่างค่าที่วัดได้กับค่าจริง ดังนั้น สามารถสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่อิสระเพื่ออธิบายแหล่งที่มาของความไม่แน่นอนเหล่านี้ได้ สำหรับความคลาดเคลื่อนของความแม่นยำ Y สามารถใช้แบบจำลองการถดถอยเชิงเส้น ซึ่งแสดงเป็น:

ที่ β0 และ β1 เป็นพารามิเตอร์ของแบบจำลอง X เป็นสัญญาณขาเข้าของตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ในระบบสายส่งไฟฟ้า ε เป็นเงื่อนไขความผิดพลาดแบบสุ่ม สำหรับการเลื่อนเฟส φ สามารถแสดงโดยแบบจำลองฟังก์ชันตรีโกณมิติเป็น

ที่ α แทนการเลื่อนเฟสคงที่ θ(X) เป็นฟังก์ชันเฟสที่เปลี่ยนแปลงตามสัญญาณขาเข้า ในการวิเคราะห์อย่างละเอียด สามารถนำเทอมไม่เชิงเส้นหรือการประมาณด้วยพหุนามมาใช้เพื่อเพิ่มความแม่นยำของแบบจำลอง การสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เหล่านี้มอบพื้นฐานทางทฤษฎีและเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ที่มีความแข็งแกร่งในการประเมินความไม่แน่นอนของผลการวัดอย่างครบถ้วนและเป็นระบบ

4. ผลการทดลองประเมินส่วนประกอบความไม่แน่นอน

ในการตรวจสอบตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ในระบบสายส่งไฟฟ้า ได้ตั้งค่าระดับแรงดันไฟฟ้าหลายชุดเพื่อประเมินความไม่แน่นอน จุดแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดอยู่ที่ 0.5%, 2%, 10%, 50%, และ 110% ได้ถูกเลือกและวัดโดยใช้วิธีการเปรียบเทียบ ค่าเฉลี่ยของความแตกต่างของขนาดและความคลาดเคลื่อนของเฟสได้ถูกบันทึกและคำนวณเป็นค่าอ้างอิงที่ระดับแรงดันไฟฟ้าที่สอดคล้อง เพื่อประเมินความไม่แน่นอนของประสิทธิภาพของตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าที่ทดสอบ

4.1 การประเมินความไม่แน่นอนประเภท A

ความไม่แน่นอนประเภท A สะท้อนถึงระดับการกระจายของผลที่ได้จากการวัดวัตถุเดียวกันซ้ำๆ สูตรการคำนวณคือ:

ที่ n คือจำนวนครั้งที่วัด xi คือค่าที่วัดครั้งที่ i x̄ คือค่าเฉลี่ยเลขคณิตของค่าที่วัดได้

จากนั้น สำหรับจุดแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด 0.5%, 2%, 10%, 50%, และ 110% ผลการประเมินความไม่แน่นอนประเภท A แสดงในตาราง 1

จากตาราง 1 สามารถเห็นได้ว่าเมื่อจุดแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดเพิ่มขึ้น ความไม่แน่นอนประเภท A ทั้งความแตกต่างของขนาดและความคลาดเคลื่อนของเฟสแสดงแนวโน้มเพิ่มขึ้น สาเหตุนี้เป็นเพราะที่ระดับแรงดันไฟฟ้าต่ำ ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้ามีความมั่นคงมากขึ้น ทำให้มีการกระจายของผลการวัดน้อยลง แต่ที่ระดับแรงดันไฟฟ้าสูง ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าได้รับผลกระทบจากปัจจัยมากขึ้น ทำให้มีการกระจายของผลการวัดมากขึ้น

4.2 การประเมินความไม่แน่นอนประเภท B

ภายใต้ JJF 1059.1—2022 การประเมินและการแสดงความไม่แน่นอนของการวัด ความไม่แน่นอนประเภท B มาจากการอนุมานอย่างสมเหตุสมผลจากข้อมูลที่ทราบ ในการประมาณค่าความคลาดเคลื่อนมาตรฐาน ข้อมูลเหล่านี้อาจเกี่ยวข้องกับข้อมูลทางเทคนิคจากผู้ผลิต ข้อมูลของวิธีการสอบเทียบที่ยอมรับในวงการ หรือการวิเคราะห์สถิติของข้อมูลการวัดในอดีต แก่นหลักของความไม่แน่นอนประเภท B คือการกำหนดช่วงความผันผวนของค่าที่วัดได้ตามประสบการณ์หรือความรู้ทางวิชาชีพ ด้วยความกว้างครึ่งหนึ่งของช่วงความผันผวน

จากนั้น ควรเลือกปัจจัยการครอบคลุม k ที่เหมาะสมสำหรับการปริมาณตามลักษณะการแจกแจงความน่าจะเป็นและความมั่นใจที่ต้องการ ทั่วไปแล้ว หากค่าที่วัดได้มีการกระจายอย่างสม่ำเสมอภายในช่วงที่กำหนด (แต่ละค่ามีความน่าจะเป็นเท่ากัน) ควรใช้แบบจำลองการกระจายอย่างสม่ำเสมอ และ k สามารถประมาณได้เป็น √3 เพื่อให้การประเมินมีความแม่นยำและเข้มงวด สูตรการคำนวณความไม่แน่นอนประเภท B คือ

ที่ a คือความกว้างครึ่งหนึ่งของช่วงความผันผวนของการวัด

สำหรับจุดแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด 0.5%, 2%, 10%, 50%, และ 110% ผลการประเมินความไม่แน่นอนประเภท B แสดงในตาราง 2

จากตาราง 2 สามารถเห็นได้ว่าที่จุดแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นความแตกต่างของขนาดหรือความคลาดเคลื่อนของเฟส ความไม่แน่นอนแสดงแนวโน้มเพิ่มขึ้นเมื่อระดับแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น เมื่อเทียบกับความไม่แน่นอนประเภท A การประเมินความไม่แน่นอนประเภท B ขึ้นอยู่กับความแม่นยำและความครบถ้วนของข้อมูลที่ทราบ สะท้อนการประเมินล่วงหน้าของประสิทธิภาพของตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าที่วัด ดังนั้น ในทางปฏิบัติ การพิจารณาความไม่แน่นอนประเภท A และประเภท B อย่างครบถ้วนจะช่วยให้เข้าใจความแม่นยำและความน่าเชื่อถือของผลการวัดได้ดียิ่งขึ้น

4.3 การประเมินความไม่แน่นอนมาตรฐานผสม

ในการประเมินความไม่แน่นอนมาตรฐานผสม ถ้าผลการตรวจสอบและวัดของตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ในระบบสายส่งไฟฟ้าแต่ละตัวเป็นอิสระและไม่สัมพันธ์กัน (กล่าวคือ ค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ทั้งหมดเป็น 0) ความไม่แน่นอนจะสะสมตามหลักการผสมเชิงเส้น บนพื้นฐานนี้ การประเมินความไม่แน่นอนมาตรฐานผสมสามารถแสดงด้วยสูตรต่อไปนี้

จากนั้น สำหรับจุดแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด 0.5%, 2%, 10%, 50%, และ 110% ผลการประเมินความไม่แน่นอนมาตรฐานผสมแสดงในรูปที่ 3

จากผลในรูปที่ 3 เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดเพิ่มขึ้นจาก 0.5% ถึง 110% ความไม่แน่นอนมาตรฐานผสมของความแตกต่างของขนาดและความคลาดเคลื่อนของเฟสแสดงแนวโน้มเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะ ความไม่แน่นอนของความแตกต่างของขนาดเพิ่มขึ้นจาก 0.008% ถึง 0.085% (ประมาณ 10 เท่า) และความไม่แน่นอนของความคลาดเคลื่อนของเฟสเพิ่มขึ้นจาก 0.05° ถึง 0.35° (ประมาณ 7 เท่า) แนวโน้มนี้แสดงให้เห็นว่าแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นทำให้ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้ามีความไวต่อการรบกวนจากภายนอกมากขึ้น ทำให้ความไม่แน่นอนในการวัดขยายตัว แต่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงข้อมูลที่รุนแรง ซึ่งแสดงให้เห็นว่ากระบวนการประเมินมีความมั่นคงและน่าเชื่อถือ

5. สรุป

ในการวิจัยเกี่ยวกับวิธีการประเมินความไม่แน่นอนของผลการตรวจสอบและวัดตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ในระบบสายส่งไฟฟ้า ได้วิเคราะห์ปัจจัยที่ส่งผลกระทบต่อความแม่นยำในการวัดหลายประการ และสำรวจวิธีการประเมินที่มีประสิทธิภาพและมีหลักฐานทางวิทยาศาสตร์ ผ่านการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีและการตรวจสอบด้วยการทดลอง ไม่เพียงแต่เพิ่มความน่าเชื่อถือของผลการวัดของตัวแปลงแรงดันไฟฟ้า แต่ยังมอบการรับประกันที่มั่นคงสำหรับการดำเนินงานของระบบไฟฟ้า