Đánh giá Không chắc chắn cho Đo lường Biến áp Điện tử Mạng

1. Giới thiệu

Các biến áp điện tử lưới, như các thành phần đo lường không thể thiếu trong hệ thống điện, có độ chính xác đo lường liên quan trực tiếp đến hoạt động ổn định và quản lý hiệu quả của hệ thống điện. Tuy nhiên, trên thực tế, do đặc tính cố hữu của các linh kiện điện tử, yếu tố môi trường và hạn chế của phương pháp đo, kết quả đo của biến áp điện thường liên quan đến sự không chắc chắn. Sự không chắc chắn này không chỉ ảnh hưởng đến độ chính xác của dữ liệu điện mà còn gây hiểu lầm cho các chiến lược điều khiển, kiểm soát và bảo vệ của hệ thống điện. Do đó, nghiên cứu sâu về các phương pháp đánh giá sự không chắc chắn cho kết quả kiểm tra và đo lường của biến áp điện tử lưới là rất quan trọng để nâng cao độ chính xác đo lường của hệ thống điện.

Nghiên cứu này nhằm phân tích hệ thống các yếu tố ảnh hưởng đến sự không chắc chắn đo lường của biến áp điện, bao gồm sự trôi dạt nhiệt, lão hóa và nhiễu của các linh kiện điện tử, cũng như sự thay đổi nhiệt độ, độ ẩm và trường điện từ trong môi trường đo. Qua đó, sẽ tìm kiếm các phương pháp đánh giá sự không chắc chắn khoa học và hợp lý. Bằng cách xây dựng các mô hình toán học kết hợp với nguyên tắc thống kê và kiến thức đo lường, nghiên cứu này sẽ đánh giá toàn diện sự không chắc chắn đo lường của biến áp điện tử lưới trong các điều kiện làm việc khác nhau, cung cấp cơ sở lý thuyết và hỗ trợ kỹ thuật để xây dựng các quy định kiểm tra chính xác hơn và cải thiện chất lượng sản phẩm của biến áp điện.

2. Thí nghiệm Đánh giá Sự Không Chắc Chắn của Kết Quả Đo Lường
2.1 Đối tượng Thí nghiệm

Để đánh giá sự không chắc chắn của biến áp điện tử lưới, một thiết bị hiệu chuẩn điện áp chính xác ở mức 0,001 được chọn, bao phủ phạm vi đo từ 1–1000 V. Biến áp cần kiểm tra được thiết kế cho các tình huống có điện áp sơ cấp từ 10 kV–50 kV và điện áp thứ cấp 100 V, với độ chính xác 0,02. Cấu trúc của biến áp điện tử lưới được hiển thị trong Hình 1.

Môi trường thí nghiệm được đặt ở nhiệt độ ổn định 20 ± 2 °C, với độ ẩm tương đối duy trì dưới 60%, loại bỏ các tác động môi trường tiềm tàng lên kết quả đo.

2.2 Phương pháp Kiểm tra và Đo Lường cho Biến Áp Điện Tử Lưới

Trong quá trình kiểm tra biến áp điện tử lưới, cần một phương pháp đánh giá sự không chắc chắn khoa học để đảm bảo độ chính xác đo lường. Sử dụng biến áp điện tử lưới được hiển thị trong Hình 1 làm thiết bị chuẩn, kết nối mạch so sánh được áp dụng. Điều này cho phép liên kết liền mạch giữa biến áp điện tử được thử nghiệm và thiết bị chuẩn, như được minh họa trong Hình 2.

Sau đó, hệ thống đo lường số chính xác đọc và tính toán lỗi của biến áp điện tử đang được thử nghiệm. Mô hình thiết bị chuẩn là DHBV-110/0,02, với độ chính xác tuyệt vời hỗ trợ cho việc kiểm tra. Đối với biến áp đang được thử nghiệm, các điểm điện áp định mức 0,5%, 2%, 10%, 50% và 110% được đặt để bao phủ phạm vi hoạt động của nó. Mặc dù giới hạn lỗi tối đa cho các điểm này giống nhau trong cả điều kiện tải đầy và tải nhẹ, nhưng sự trôi dạt nhiệt và lão hóa của các linh kiện điện tử có thể gây ra sự khác biệt đáng kể về độ ổn định theo các điều kiện. Do đó, mỗi điểm phải được đánh giá độc lập về độ ổn định để kiểm soát sự không chắc chắn của kết quả kiểm tra, đáp ứng yêu cầu nghiêm ngặt về công nghệ đo lường chính xác cho hoạt động của lưới điện.

3. Mô hình Toán học

Trong thí nghiệm đánh giá sự không chắc chắn của kết quả kiểm tra và đo lường biến áp điện tử lưới, khi kiểm tra độ chính xác của thiết bị được thử nghiệm, sự không chắc chắn thường được định lượng qua nhiều chiều, như sai lệch độ chính xác và pha lag. Hai chỉ số này phản ánh sự khác biệt biên độ và sai lệch pha giữa giá trị đo và giá trị thực, tương ứng. Do đó, các mô hình toán học độc lập có thể được xây dựng để mô tả chính xác các nguồn không chắc chắn này. Đối với sai lệch độ chính xác Y, mô hình hồi quy tuyến tính có thể được sử dụng, biểu diễn như sau:

Trong đó β0 và β1 là các tham số mô hình; X là tín hiệu đầu vào của biến áp điện tử lưới; ε là thuật ngữ lỗi ngẫu nhiên. Đối với pha lag φ, nó có thể được biểu diễn bằng mô hình hàm lượng giác như sau

Trong đó α đại diện cho sự dịch chuyển pha cố định; θ(X) là hàm pha thay đổi theo tín hiệu đầu vào. Để phân tích chi tiết hơn, các hạng mục phi tuyến hoặc xấp xỉ đa thức có thể được giới thiệu để tăng cường độ chính xác của mô hình. Việc xây dựng các mô hình toán học này cung cấp cơ sở lý thuyết vững chắc và các công cụ định lượng để đánh giá toàn diện và hệ thống sự không chắc chắn của kết quả đo lường.

4. Kết quả của Thí nghiệm Đánh giá Thành Phần Sự Không Chắc Chắn

Trong quá trình kiểm tra biến áp điện tử lưới, nhiều mức điện áp được đặt để đánh giá sự không chắc chắn. Các điểm điện áp định mức 0,5%, 2%, 10%, 50% và 110% được chọn và đo bằng phương pháp so sánh. Các giá trị trung bình của sự khác biệt biên độ và sai lệch pha được ghi lại và tính toán làm giá trị tham chiếu tại các mức điện áp tương ứng, để đánh giá chính xác sự không chắc chắn hiệu suất của biến áp được thử nghiệm.

4.1 Đánh giá Sự Không Chắc Chắn Loại A

Sự không chắc chắn loại A phản ánh mức độ phân tán giữa các kết quả thu được trong quá trình đo lặp lại cùng một đối tượng. Công thức tính của nó là:

Trong đó n là số lần đo; xi là giá trị đo thứ i; x̄ là giá trị trung bình số học của các giá trị đo.

Sau đó, cho các điểm điện áp định mức 0,5%, 2%, 10%, 50% và 110%, kết quả đánh giá sự không chắc chắn loại A được hiển thị trong Bảng 1.

Như có thể thấy từ Bảng 1, khi điểm điện áp định mức tăng, sự không chắc chắn loại A của cả sự khác biệt biên độ và sai lệch pha đều có xu hướng tăng. Điều này là do ở mức điện áp thấp, biến áp điện ổn định hơn, dẫn đến ít phân tán trong kết quả đo. Tuy nhiên, ở mức điện áp cao, biến áp điện bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố hơn, do đó dẫn đến sự phân tán lớn hơn trong kết quả đo.

4.2 Đánh giá Sự Không Chắc Chắn Loại B

Theo JJF 1059.1—2022 Đánh giá và Thể hiện Sự Không Chắc Chắn Đo Lường, sự không chắc chắn loại B đến từ việc suy luận hợp lý từ thông tin liên quan đã biết để ước lượng độ lệch chuẩn của nó. Thông tin này có thể liên quan đến thông số kỹ thuật thiết bị từ nhà sản xuất, dữ liệu của phương pháp hiệu chuẩn được công nhận trong ngành, hoặc phân tích thống kê của dữ liệu đo lường lịch sử. Nòng cốt của sự không chắc chắn loại B là xác định khoảng biến đổi có thể của giá trị đo dựa trên kinh nghiệm hoặc kiến thức chuyên môn, với nửa rộng là một nửa độ rộng của khoảng.

Sau đó, chọn một hệ số bao phủ phù hợp k để định lượng theo đặc điểm phân phối xác suất và mức độ tin cậy yêu cầu. Thường thì, nếu giá trị đo được phân bố đều trong khoảng được đặt trước (mỗi giá trị có xác suất bằng nhau), mô hình phân bố đều được sử dụng, và k có thể lấy gần đúng là √3 để đảm bảo độ chính xác và nghiêm ngặt trong đánh giá. Công thức tính sự không chắc chắn loại B là

Trong đó a là nửa rộng của khoảng biến đổi đo.

Đối với các điểm điện áp định mức 0,5%, 2%, 10%, 50% và 110%, kết quả đánh giá sự không chắc chắn loại B được hiển thị trong Bảng 2.

Như có thể thấy từ Bảng 2, ở các điểm điện áp định mức khác nhau, dù là sự khác biệt biên độ hay sai lệch pha, sự không chắc chắn đều có xu hướng tăng khi mức điện áp tăng. So với sự không chắc chắn loại A, việc đánh giá sự không chắc chắn loại B phụ thuộc nhiều hơn vào độ chính xác và tính đầy đủ của thông tin đã biết, phản ánh ước lượng trước về hiệu suất của biến áp điện đang được đo. Do đó, trong ứng dụng thực tế, cân nhắc toàn diện sự không chắc chắn loại A và loại B cho phép nắm bắt toàn diện độ chính xác và độ tin cậy của kết quả đo lường.

4.3 Đánh giá Sự Không Chắc Chắn Chuẩn Tổng Hợp

Khi đánh giá sự không chắc chắn chuẩn tổng hợp, nếu kết quả kiểm tra và đo lường của mỗi biến áp điện tử lưới độc lập và không tương quan (tức là hệ số tương quan của chúng đều là 0), sự không chắc chắn tuân theo nguyên tắc kết hợp tuyến tính để tích lũy. Dựa trên điều này, việc đánh giá sự không chắc chắn chuẩn tổng hợp có thể được biểu diễn bằng công thức sau

Sau đó, đối với các điểm điện áp định mức 0,5%, 2%, 10%, 50% và 110%, kết quả đánh giá sự không chắc chắn chuẩn tổng hợp được hiển thị trong Hình 3.

Từ kết quả của Hình 3, khi điện áp định mức tăng từ 0,5% đến 110%, sự không chắc chắn chuẩn tổng hợp của sự khác biệt biên độ và sai lệch pha đều tăng ổn định. Cụ thể, sự không chắc chắn về sự khác biệt biên độ tăng từ 0,008% đến 0,085% (khoảng 10 lần), và sự không chắc chắn về sai lệch pha tăng từ 0,05° đến 0,35° (khoảng 7 lần). Xu hướng này cho thấy mức điện áp cao hơn làm tăng khả năng chịu ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài, mở rộng sự không chắc chắn đo lường. Tuy nhiên, không có sự thay đổi dữ liệu cực đoan nào xảy ra, cho thấy quá trình đánh giá ổn định và đáng tin cậy.

5. Kết luận

Trong nghiên cứu về phương pháp đánh giá sự không chắc chắn cho kết quả kiểm tra và đo lường biến áp điện tử lưới, nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác đo lường được phân tích, và các phương pháp đánh giá khoa học và hiệu quả được tìm kiếm. Qua phân tích lý thuyết và kiểm chứng thực nghiệm, không chỉ cải thiện độ tin cậy của kết quả đo lường biến áp mà còn cung cấp bảo đảm vững chắc cho hoạt động ổn định của hệ thống điện.