測量不確定度在電能表現場檢驗中的應用

周亞群 張 鋼 章春香 劉 歡 王志浩

（西安熱工研究院有限公司，西安 710054）

0 引言

國內現有檢定規程對電能表的檢定均在實驗室標準條件下進行，但在實際的電力系統中，存在著各種干擾信號，如電力諧波和間諧波電壓、電流畸變、電網電壓基波分量頻率和幅值的隨機波動、過電壓、電壓跌落、電壓突降等。由于傳統標準表法檢定電能表并不具備相應的干擾功能，不能很好地反映電能表在實際運行中的計量性能是否合格，因此，在實驗室條件下檢定合格的電能表未必能滿足在實際運行條件下的計量要求[1]。同時，在實際負荷運行中，運行方式的改變、接線的錯誤等都會造成計量的差錯[2]。歐盟規定，計量器具必須保證在實際運行環境中也能實現所設計的功能[3]，同時DL/T 448—2016《電能計量裝置技術管理規程》[4]規定，運行中的電能計量裝置應定期進行電能表現場檢驗，因此對電能表在實際運行條件下開展現場檢驗十分必要。

測量不確定度是用來描述測量結果不確定性的一個參數。由于測量不完善和人們的認識不足，測量值具有分散性，即每次測得的結果不是同一值，而是以一定的概率分散在某個區域內的許多個值。因此，測量不確定度已逐步成為評定測量質量、確保測量合理可靠的重要手段。

1 電能表現場檢驗工作原理

電能表現場檢驗是指電能表在線檢驗時，將電能表現場校驗儀看作一臺準確度等級高于被檢電能表且具有輔助功能的標準電能表，將標準電能表通過專用試驗端子接入與被檢電能表相同的電流回路、電壓回路，從被檢電能表的電流接線端子獲取電流信號，從其電壓接線端子獲取電壓信號，應保證在檢驗過程中嚴禁電流回路開路、電壓回路短路。在標準電能表達到熱穩定后，且在負荷相對穩定的狀態下，讀取標準電能表在被檢表輸出低頻脈沖的同時輸出的高頻脈沖數，將其作為實測脈沖并與算定脈沖相比較，算得被檢電能表現場檢驗時的誤差。現場檢驗時，推薦用光電轉換器采集被檢表的脈沖信號。圖1為電能表現場檢驗的工作原理示意圖。

圖1 電能表現場檢驗工作原理示意圖

在進行電能表現場檢驗時，電流采樣可選取直接測量法和鉗表測量法兩種方法。直接測量法可獲取較準確的電流值，但現場工作時存在一定的安全風險，同時在電流連接線上產生的各種寄生耦合電感、引線電感等均會對測量結果有較大的影響。為便于現場操作、減少安全隱患，可采用鉗表測量法，在不斷開線路時，采用所攜帶的在線電能表現場校驗儀配備的高準確度等級的鉗形電流表，從在線運行的被檢電能表的電流端子獲取電流信號，其計量原理是建立在電流互感器工作原理基礎上的，所以鉗表互感器鐵心閉合程度、剩磁情況及鉗表本身的準確度等級等因素均會對測量結果有較大的影響。

2 測量不確定度評定

2.1 標準不確定度的A類評定

標準不確定度的A類評定[5-7]是對測量進行重復觀測，用統計分析方法獲得實驗標準偏差s(yi)，通常用重復性測量條件下所得檢定或校準結果的分散性來定量地表示，即用單次檢定或校準結果yi的實驗標準差s(yi)來表示。當檢定或校準結果由N次重復測量的平均值得到時，檢定或校準結果的重復性引入的不確定度分量為。

在重復性條件下，用計量標準對被測對象進行n次獨立重復測量，若得到的測量值為yi（i=1, 2,…,n），則其重復性標準差s(yi)為

被測量估計值的A類標準不確定度uA為

2.2 標準不確定度的B類評定

標準不確定度的B類評定方法是根據有關信息或經驗，判斷被測量的可能區間，假設測量值是概率分布，根據概率分布要求的概率p確定k，則B類標準不確定度uB為

式中：a為被測量可能值區間的半寬度；k為包含 因子。

區間半寬度a一般根據以下信息確定：①以前測量的數據；②對有關技術資料和測量儀器特性的了解和經驗；③生產廠提供的技術說明書；④校準證書、檢定證書或其他文件提供的數據；⑤手冊或某些資料給出的參考數據；⑥檢定規程、校準規范或測試標準中給出的數據。

2.3 測量不確定度評定數學模型

在進行電能表現場檢驗測量誤差的測量不確定度B類評定時，本文僅考慮電能表現場校驗儀本身的影響，忽略現場溫度及接線方式和相位角識別錯誤引入的附加誤差等B類不確定度分量。電能表現場檢驗測量誤差的數學模型為

式中：e為電能表現場檢驗誤差值；x為電能表示值；x0為電能表現場校驗儀示值。

數學模型中各輸入量互不相關，所以合成標準不確定度為

2.4 示值誤差測量不確定度的符合性評定

依據計量檢定規程以外的技術規范對示值誤差進行評定時，需對示值誤差是否符合最大允許誤差做符合性判斷，對評定得到的示值誤差進行測量不確定度評定。不確定度是指與測量結果相關聯的參數，用來表征合理地賦予被測量之間的分散性。在可保證重復性和復現性的狀態下得到的測試結果才用不確定度來表示。由于在進行電能表現場檢驗時，實際負荷情況是實時變化的，故其他因素相同時，由于測量條件不同會有不同的不確定度，因此需考慮測量不確定度對示值誤差的影響。

在進行符合性評定時，當示值誤差的測量不確定度與被評定測量儀器的最大允許誤差的絕對值之比小于1/3時，無需考慮示值誤差的測量不確定度對符合性評定的影響，但當示值誤差的測量不確定度與被評定測量儀器的最大允許誤差的絕對值之比大于1/3時，必須考慮示值誤差的測量不確定度對符合性評定的影響。若示值誤差小于最大允許誤差與擴展不確定度之差時才可判斷合格；若示值誤差大于或等于最大允許誤差與擴展不確定度之和時可判斷不合格；若示值誤差既不符合合格判定又不符合不合格判定時，需對準確度等級更高的標準裝置通過增加測量次數或改善測量方法等來降低誤差的測量不確定度，然后重新進行判定[8-10]。

3 電能表現場檢驗案例分析

選取科陸CL3121B 0.05級電能表現場校驗儀對有功0.5級三相四線式電能表進行電能表現場檢驗，電能表現場校驗儀配備的鉗表等級為0.1級。被檢電能表參數見表1。

表1 被檢電能表參數

3.1 電能表現場檢驗誤差數據

實際運行工況：U=100V，I=0.5A，cosφ=0.89L。分別采用直接測量法、鉗表法進行電能表現場檢驗，每種電流采樣方式均進行十次測試，分別讀取不同電流采樣方式下被檢電能表現場檢驗時的誤差見表2。

表2 被檢電能表現場檢驗誤差

3.2 直接測量法測量不確定度評定

根據表2中誤差數據，采用貝塞爾公式（2）計算重復性引入的測量不確定度分量uA，得uA=0.073%。（算術平均值的實驗標準偏差）。電能表現場校驗儀經上級計量機構量值傳遞合格，使用說明書中技術指標有功電能測量直接測量，電流0.1～12A時，最大允許誤差e=±0.05%，則其半寬a=0.05%，在區間內認為服從均勻分布，包含因子，根據式（3） 得uB=a/k=0.029%。由式（5）得0.078%。擴展不確定度=Kuc=0.163%（擴展系數K=2）。

3.3 鉗表法測量不確定度評定

根據表2中誤差數據，采用貝塞爾公式（2）計算重復性引入的測量不確定度分量，得uA=0.181%。（算術平均值的實驗標準偏差）。電能表現場校驗儀經上級計量機構量值傳遞合格，使用說明書中技術指標有功電能測量鉗表測量，電流0.1～12A時，最大允許誤差e=±0.1%，則其半寬a=0.1%，在區間內認為服從均勻分布，包含因子，根據式（3） 得uB=a/k=0.058%。由式（5）得0.181%。擴展不確定度=Kuc=0.362%（擴展系數K=2）。

根據示值誤差是否符合最大允許誤差做符合性判斷，對評定得到的示值誤差進行測量不確定度評定。0.5級電能表現場檢驗時直接測量法、鉗表測量法測量不確定度評定結果見表3。

表3 測量不確定度評定結果

4 結論

電能表現場檢驗方法在電能表實際運行下的電能計量性能評估中發揮著重要作用。使用電能表現場校驗儀進行電能表實負荷測試時，不同的電流采樣方式對測量結果產生不同的影響。對于0.5（S）級電能表，直接測量時，擴展不確定度小于1/3最大允許誤差，電能表實負荷測試時電能表誤差值無需考慮測量不確定度的影響。但采用鉗形表測量時，由于擴展不確定度大于1/3最大允許誤差，電能表實負荷測試時電能表誤差值應考慮測量不確定度的影響。建議進行電能表實負荷校驗時，電流采樣優先采用直接測量法。