電子式電能表低溫環境計量性能分析

孫 洋，韓 東，劉 華，郭淑英，楊作鵬，陳可佳

(1.黑龍江省電力科學研究院，哈爾濱150030;2.哈爾濱鐵路局哈鐵機務段，哈爾濱150086)

隨著時代的發展，電子式電能表在我國已經廣泛應用［1－2］。電能表的計量準確度關系到千家萬戶的利益，所以研究運行環境對電能表計量性能產生的影響具有重要意義［3－4］。本文為研究低溫環境對電子式電能表(耐低溫型)計量準確度的影響，在黑龍江省北部邊陲縣城漠河建立了低溫試驗場，得到了大量的珍貴數據，并利用數理統計方法對其進行了分析，從整體角度方便直觀地獲得了樣本信息，即運用 Z比分數在大量樣本中找到離群量［5－6］，通過對試驗樣本數據進行統計處理，分析低溫環境下電能表的計量性能。

1 試驗方法

1.1 樣本背景

2009年在漠河縣城區建設環境溫度實際運行試驗場進行采樣，試驗場共設35個測試臺區。分別從35個測試臺區中抽取共計175只單相電能表作為運行測試樣本，這175只樣表均為各廠家生產的耐低溫型電子式電能表。每年在冬、夏季節都對其進行實際負荷計量誤差測試。

1.2 評價方法

采用穩健中位統計技術Z比分數法處理測量結果，可以方便獲得誤差值離群的樣表。參比單位的比對結果是否有效的評判原則為:

當|Z|≤2時，比對結果在合理的預期范圍內;

當2≤|Z|≤3時，比對結果與合理的預期結果有差距，結果可疑，應分析原因;

當|Z|≥3時，比對結果離群，應分析原因。

1.2.1 中位值的計算

計算Z值首先要明確樣本的中位值，先將樣本數據Yji按大小順序排列。如果數據排列的結果為Y1i≤Y2i≤…≤Yni，則以中位值作參考值，由下面表達式確定:

1.2.2 標準IQR值

IQR為四分位間距，即低四分位數值和高四分位數值的差值IQR=Q3－Q1。其中，低四分位數值Q1是低于結果1/4處的最近值，高四分位數值Q3是高于結果3/4處的最近值。大多數情況下Q1和Q3通過數據值之間的內插法獲得。

1.2.3 Z值的計算

某個單位的Z比分數值為

式中:Yri為參考值，即中位值;s為所有參比單位比對結果發散性的估計量，一般采用樣本標準差或標準化四分位間距(NIQR)作為結果發散性的量度，NIQR與標準偏差相類似。

穩健的處理方法是采用NIQR:

2 測量結果統計分析

在EXCEL中，函數 quartile(array，quart)用來求一組數的四分位數，array為需要求得四分位值的數組，quart決定返回哪一個四分位值。

2.1 第1次測量數據分析

第1次測量數據統計Z比分數計算參數如表1所示。

表1 第1次測量數據Z比分數計算參數Tab.1 Z representative fractions calculation parameters of first time %

第1次測量時間為2010年1月，被測樣表試驗數據的Z比分數值如圖1所示。測量時環境溫度約為－46℃。

比較圖1中縱坐標值得知，有1只樣表Z值大于2，為2.09，該樣表測量值離群，樣表的編號為108號。經核對測試數據，該樣表平均誤差為2.48%，擴展不確定度為0.0028。依據JJG596－2012《電子式電能表檢定規程》，單相電子式誤差限為2.0%(本文規定為標準1)，超過“規程”2級表誤差標準。根據國家電網公司《單相智能電能表技術規范》規定，新裝2級單相電能表誤差限為1.2%(本文規定為標準2)，那么該樣表的誤差嚴重超差，超差率達到106.7%。本次測試超差的電能表數量占被測樣本電能表總數的0.57%。

圖1 第1次測量數據Z值Fig.1 Z value of first measurement data

2.2 第2次測量數據分析

第2次測量數據統計Z比分數計算參數如表2所示。

表2 第2次測量數據Z比分數計算參數Tab.2 Z representative fractions calculation parameters of second time %

第2次測量時間為2010年7月，試驗數據的Z比分數序列如圖2所示。測量時環境溫度約為30℃。

圖2 第2次測量數據Z值Fig.2 Z value of second measurement data

比較圖2中縱坐標Z值可知，第2次測量的樣表Z值都小于2，說明樣表的測量誤差都在合理范圍內。根據測量結果，無超差的樣表。

2.3 第3次測量數據分析

第3次測量數據統計Z比分數計算參數如表3所示。

表3 第3次測量數據Z比分數計算參數Tab.3 Z representative fractions calculation parameters of third time %

第3次測量時間為2011年1月，試驗數據的Z比分數序列如圖3所示。測量環境溫度約為－45℃。

圖3 第3次測量數據Z值Fig.3 Z value of third measurement data

比較圖3中縱坐標Z值得知，第3次測量樣表中有2只樣表Z大于2，分別為2.04和2.01。按照判定原則這2只樣表測量能力均超過合理預期，應進一步分析原因。經核查，得到了2只樣表信息，如表4所示。

表4 離群樣表信息Tab.4 Outlier sample table information

由表4可知，編號80和編號110的被測表計誤差值離群，超差率(本文規定為標準2)分別為5.1%和21.7%。此時，以“標準2”為基準，超差樣表占被測樣表總數的1.1%。

2.4 第4次測量數據分析

第4次測量數據統計Z比分數計算參數如表5所示。

表5 第4次測量數據Z比分數計算參數Tab.5 Z representative fractions calculation parameters of fourth time%

第4次測量時間為2011年7月，試驗數據的Z比分數序列如圖4所示。測量環境溫度約為31℃。

圖4 第4次測量數據Z值Fig.4 Z value of fourth measurement data

比較圖4中縱坐標Z值得知，第4次測量樣表Z值都小于2，樣表的測量誤差都在合理范圍內。經核查，本次測量無超差樣表。

2.5 第5次測量數據分析

第5次測量數據統計Z比分數計算參數如表6所示。

表6 第5次測量數據Z比分數計算參數Tab.6 Z representative fractions calculation parameters of fifth time %

第5次測量時間為2011年12月，試驗數據的Z比分數序列圖如圖5所示。測量環境溫度約為－40℃。

圖5 第五次測量數據Z值Fig.5 Z value of fifth measurement data

比較圖5中縱坐標樣表Z值得知，第5次測量樣表中有1只樣表Z值大于3，值為3.35。按照判定原則，該樣表誤差值嚴重離群。經核查，樣表編號為82，其平均誤差為3.44%，擴展不確定度為0.03。超差率分別為0.57%(標準1)和186.7%(標準2)。

3 測量結果綜合分析

依據Z值測試結果，第一年冬季有1只樣表Z值大于2，為2.09;第二年冬季有2只樣表Z值大于2，分別為2.04和2.01;第三年冬季有1只樣表Z值大于3，為3.35。3 a冬季抽檢樣表不合格率低于1.1%，滿足國網公司運行中電能表“規定”，2a的夏季運行樣表測試Z值小于2。測試數據表明，被試樣表冬、夏二季連續測試5次整體運行樣表，計量質量良好。綜合分析可知:1)電子式電能表在低溫環境下計量受到一定影響，個別表在較低溫度下雖然計量超差，但樣表經轉夏季運行可自動回復準確計量。2)在大量運行表中抽取一定比例，采用“Z”比分數法進行統計分析，是判定電能表計量性能優劣程度的簡捷方法。

4 結論

1)電子式電能表在實際運行中有個別樣表受低溫的影響，誤差超過設計值，但經運行回至常溫環境，其計量性能可自動回復準確計量。

2)Z比分數法可以方便地在大量的電能表誤差數據中確定離群量，能有效對電能表計量性能進行分析。

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