高壓電能計量現場校準裝置及其不確定度分析

朱媞媞 （大慶油田技術監督中心）

大慶油田作為我國最大的石油生產基地之一，經過近幾十年的開發建設，現有多個采油廠和多個大型石化企業，其部分業務已經擴展到全國和海外[1]。

作為用電大戶，油田主要配備的是10 kV和6 kV 的高壓電網[2]。近年來隨著新建產能和采油新技術應用，油田用電量逐漸增加[3]。由于高壓電網投入使用時間比較早，其電能計量設備數量巨大，對其計量準確度做出科學的測量評估，將為油田的設備維護更新、技術改造、數字化油田建設等[4-6]提供強有力的決策支持。

大慶油田常見的高壓電能計量設備主要有高壓電能計量箱和高壓計量柜等形式。在高壓電網中高壓電能計量設備主要由電壓互感器、電流互感器（或組合互感器）、智能電能表以及計量二次回路等部分組合而成[7]，這些計量器具的計量準確度主要是采用對電壓互感器、電流互感器（或組合互感器）、智能電能表和計量二次回路進行分別校準，難以得到可靠的評估。就高壓電網現場運維的情況來看，高壓電能計量設備是需要長期連續的工作在高壓電網上的，不能像其他的計量器具一樣通過定期或不定期的送檢來保證其計量準確性[8-9]。大慶油田下屬各采油廠分布分散，電網復雜，很多高壓電能計量設備安裝在現場之后不便于拆卸，且拆卸作業需要提前報告并將連續幾天斷電，影響油田生產。由于拆卸的實際操作難度大，用戶也希望測試單位能到現場進行校準。

國際上公認的高壓電能計量可分為室內（inhouse）檢定和現場（on-site）校準兩個部分[10]，室內檢定為確保高壓電能計量的可靠提供量值溯源，而現場校準則為高壓電網運行提供有效而持續的計量保證。2013 年，中國計量科學研究院研制出了世界上第一個高壓電能計量標準裝置[11]，采用電壓/電壓轉換器（V/V）、電流/電壓轉換器（I/V）以及三相標準功率源等技術，按實際電網參數進行操作，給出了高壓電能計量的整體校準思路，對高壓電能計量設備實現了室內校準。

目前對高壓電能計量設備的現場校準還無法以整體的形式進行。高壓電能計量現場校準裝置，將現場使用環境中的高壓電能計量設備作為一個整體，不考慮設備內部各部分的關聯和影響，將被校準的高壓電能計量設備與現場校準裝置通過高壓電纜連接在一起，形成回路，由現場校準裝置的功率源輸出標準功率，將多功能標準表測得的標準電能值與被校準的高壓電能計量設備顯示的電能值進行比較分析，從而得出被校準高壓電能計量設備的誤差。

1 裝置簡介

高壓電能計量現場校準裝置是將高壓三相標準功率源作為核心，與多功能標準表以及標準的電壓互感器、電流互感器結合起來，與V/V、I/V 轉換器以組合的方式，對高壓電能計量設備進行整體校準。

高壓三相標準功率源由測控單元和諧波信號源、功放單元、升壓升流單元組成。

多功能標準表由測控單元、三相I/V 變換器和三相V/V 變換器組成。

高壓電能計量現場校準裝置的工作原理見圖1。該裝置實際上是一個高壓的、大電流的標準功率源，主要由三個部分組成：①傳感單元，三相V/VA、V/VB、V/VC轉換器把三相高壓轉換為滿量程是200 mV 的交流電壓UVA、UVB、UVC；三相I/VA、I/VB、I/VC轉換器把三相電流轉換為滿量程是200 mV 的交流電壓UIA、UIB、UIC；測量單元通過SA、SB、SC提供直流供電；裝置通過安全虛地GS與配電裝置的接地端子連接，以確保裝置的安全。②測量單元，傳感單元傳輸來的三相六路電壓信號通過測量單元進行A/D 變換，從而求出三相電壓、電流、功率和電能。③數據處理與通訊單元：在這里把被校準單元的測量結果和標準功率源輸出的標準數值進行比較，得出被校準高壓電能計量設備的誤差。

圖1 高壓電能計量現場校準裝置的工作原理Fig.1 Working principle of field calibration device for high-voltage electric energy measurement

高壓電能計量現場校準裝置如圖2 所示。圖中上方為裝置的外觀，下方左圖為高壓輸出部分，下方右圖為低壓操作部分。

圖2 高壓電能計量現場校準裝置Fig.2 Field calibration device of high-voltage electric energy measurement

高壓電能計量現場校準裝置大部分時間工作在高壓環境，且工作時車內升流器、升壓器將電壓由220 V 升壓至10 kV，因此要充分確保人身和裝置的安全。高壓電能計量現場校準裝置的設備布局見圖3。設備分為高壓區和低壓區兩部分，在兩區中間加裝了一個高低壓屏蔽隔斷，保證安全距離，校準的所有操作全部在低壓區完成；在隔斷中間開了一個觀察窗，便于兩區域間的觀察和聯絡；為避免有移動物體誤入高壓區域，將紅外線監測裝置和全自動交流穩壓裝置的安全功能整合到一體，一旦有移動物體進入高壓區域，鳴聲器馬上報警，全自動交流穩壓裝置立即自動切斷電源；在升流升壓器的底部安裝接地端子，進行有效接地[12]。

圖3 高壓電能計量現場校準裝置的設備布局Fig.3 Equipment layout of of field calibration device for high-voltage electric energy measurement

對高壓電能計量設備進行現場整體校準時，按其在電網中的實際使用狀態，將高壓電能計量現場校準裝置與被校準的高壓電能計量設備經過六條高壓電纜連接起來。校準時采用功率乘時間的測量法——瓦秒法，將被校高壓電能計量設備設定適當的脈沖數，每個校準點的校準時間不少于10 s ，在此脈沖數產生的時間段，高壓電能計量現場校準裝置輸出標準電能值與被校高壓電能計量設備同時測得的電能值相比較，確定被校準高壓電能計量設備的相對誤差。

2 不確定度分析

依據Q/SY DQ1691—2015《高壓電能計量裝置校準方法》 要求，測量方法采用瓦秒法，按式（1）建立數學模型。

式中：γ為被檢高壓電能計量設備的誤差，%；γm為高壓電能計量現場校準裝置測得的誤差，%；

充分考慮人機料法環各個部分，認為現場校準過程中測量不確定度的主要來源為設備和方法，人員操作、環境和材料對不確定度分析的影響不大。高壓電能計量現場校準裝置有A 類和B 類兩個不確定度的分量。A 類不確定度包括兩個部分：一部分是重復測量得到的結果的標準偏差；另一部分是在一段時間內觀察到的測量結果變化的隨機部分，也就是由標準裝置的高壓三相標準功率源以及多功能標準表組合而成的核查體系所得到的標準偏差。B 類不確定度主要來自于上一級標準裝置引入的的不確定度，以及整體校準裝置在傳遞的過程中引入的殘留偏差。選擇不同的量程，L為感性負載、C為容性負載，在不同的功率因數（ cos?=1.0、cos?=0.5L、 cos?=0.5C）狀態下，分別確定它們的基本誤差。按式（2）貝塞爾公式計算得出標準偏差估計值σ（%）[13]：

式中：γi為進行第i次測量時，被校高壓電能計量設備測量結果的基本誤差，%；γˉ為各次基本誤差γi的平均值；n為進行重復測量的次數，一般不能少于5 次。

針對高壓電能計量現場校準裝置的各個不確定度分量進行分析。

2.1 標準偏差和不確定度μAl

標準裝置重復測量所得結果的標準偏差理論上等于高壓三相標準功率源的標準偏差Ss和多功能標準表的標準偏差SM的均方根值。

2.1.1 多功能標準表的標準偏差

根據上一級檢測機構出具的校準證書可以得到多功能標準表的標準偏差（表1）， 取電壓10 kV、電流100 A、不同的功率因數（cos?=1.0、cos?=0.5L、 cos?=0.5C）處，記錄A、B、C 三相的分相功率以及它們的合相功率的標準偏差。

表1 多功能標準表的標準偏差Tab.1 Standard deviation of multi-function standardized form

從表中數值里取最大的標準偏差值（cos?=0.5L），作為多功能標準表的不確定度分量，即多功能標準表的標準偏差為SM=22×10-6。

2.1.2 高壓三相標準功率源的標準偏差

根據高壓三相標準功率源的校準證書可以得到功率源的標準偏差（表2），取電壓10 kV、電流100 A、不同的功率因數（cos?=1.0、 cos?=0.5L、cos?=0.5C）處，記錄A、B、C 三相的分相功率以及它們的合相功率的標準偏差。

表2 功率源的標準偏差Tab.2 Standard deviation of power source

從表2 中數值里取最大的標準偏差值（ cos?=0.5L）， 作為高壓三相標準功率源的不確定度分量，即高壓三相標準功率源的標準偏差為：Ss=41×10-6。

測量結果的標準偏差SA1理論上等于高壓三相標準功率源的標準偏差Ss和多功能標準表的標準偏差SM的均方根值，按式（3）計算可以得出測量結果的標準偏差SA1：

式中：SA1為測量結果的標準偏差；Ss為高壓三相標準功率源的標準偏差；SM為多功能標準表的標準偏差。

代入數據計算并取整得出：SA1=47×10-6。也就是說，測量結果的標準偏差引入的不確定度為uA1=47×10-6。

2.2 長期穩定性試驗結果及其不確定度uA2

對高壓電能計量現場校準裝置一段時間內觀察到的測量結果變化的隨機部分進行分析，也就是得出由裝置的高壓三相標準功率源以及多功能標準表組合而成的核查體系的標準偏差。

以2 個月的時間為間隔，對高壓電能計量現場校準裝置進行核查實驗。在不同的功率因數（cos?=1.0、 cos?=0.5L、 cos?=0.5C） 狀態下，由高壓三相標準功率源輸出，由多功能標準表測量，對所得測量結果的誤差進行標準偏差計算，長期穩定性實驗結果見表3。

表3 長期穩定性實驗結果Tab.3 Test results of long-period stability

從表3 中數值里取最大的標準偏差值（ cos?=0.5C），作為高壓電能計量現場校準裝置的中長期穩定性引入的不確定度，即，uA2=11×10-6。

2.3 上一級的標準裝置引入的不確定度uB1、 uB2

依據DL/T 448—2016《電能計量裝置技術管理規程》[14]要求，對高壓電能計量現場校準裝置進行量值溯源，把經過國家電能標準校準過的多功能標準表作為傳遞標準使用，配合使用標準電壓互感器、標準電流互感器，將量值傳遞到高壓三相標準功率源。 電能量值溯源到國家的電能基準（3×10-5），同時借助國家的三相電能標準（1×10-4）以及國家的高壓電流比例標準（2×10-5），將范圍擴大到高壓、大電流。平時把多功能標準表作為校準標準，通過自校準的方式，來監督和確認裝置的準確性、可靠性，保證裝置的長期穩定性。

由此可知，上一級的標準裝置為國家電能標準裝置、國家高壓電流標準裝置，從上一級檢測機構出具的校準證書中可以查到上一級的標準裝置引入的不確定度分別為1×10-4、2×10-5，包含因子k=2。則上一級的電能標準裝置和高壓電流標準裝置引入的不確定度分量uB1=5×10-5，uB2=1×10-5。

2.4 殘留偏差及不確定度UB3

從上一級檢測機構提供的相關資料中可知，高壓電能計量現場校準裝置在傳遞過程中引入的殘留偏差為30×10-6，即高壓電能計量現場校準裝置在傳遞的過程中殘留偏差引入的不確定度為：uB3=3×10-5。

2.5 A 類不確定度uA 和B 類不確定度uB

表4 為各不確定度分量的匯總表，按式（4）、式（5）計算各不確定度分量均方根，可以得出A類不確定度uA和B 類不確定度uB。

表4 不確定度匯總Tab.4 Summary of uncertainties

式中：uA為A 類不確定度；uA1為測量結果的標準偏差引入的不確定度；uA2為高壓電能計量現場校準裝置中長期穩定性引入的不確定度；uB為B 類不確定度；uB1為上一級的電能標準裝置引入的不確定度；uB2為上一級的高壓電流標準裝置引入的不確定度；uB3為高壓電能計量現場校準裝置在傳遞的過程中殘留偏差引入的不確定度。

代 入 數 據 計 算 并 取 整 得 出uA=49×10-6；uB=60×10-6。

2.6 合成不確定度

uA與uB是相互獨立不相關的，那么合成標準不確定度在數值上是各項參數按均方根合成的總不確定度，按式（6） 計算可以得出合成不確定度uC。

式中：uC為合成不確定度；uA為A 類不確定度；uB為B 類不確定度。

代入數據計算并取整得出uC=78×10-6。

2.7 擴展不確定度

包含因子取值k=2 時，按式（7）計算可以得出擴展不確定度U。

式中：U為擴展不確定度；k為包含因子，取值k=2 ；uC為合成不確定度。 代入數據得出U=1.56×10-4。

從擴展不確定度的結果可以看出，高壓電能計量現場校準裝置的不確定度為1.56×10-4，裝置在現場校準的過程中能夠保持穩定的性能指標。

與實驗室及其他同類型裝置相比，高壓電能計量現場校準裝置采用高壓三相標準功率源和V/V、I/V 轉換器組合的方式對高壓電能計量設備進行整體校準。工作中使用多功能標準表對裝置進行自校準，能夠監督和確認三相電壓、電流、有功功率、無功功率、相位以及三相的總功率等數據的測量結果，保證高壓電能計量現場校準裝置的長期穩定性。

3 結論

高壓電能計量設備測量的電能量是以百萬千瓦時計算的，高壓電能計量現場校準裝置解決了高壓電能計量設備量值溯源的問題，大慶油田年校準量約350 臺件，實現經濟效益約100 萬元。目前，大慶油田正在進行油田數字化建設，油田智能電網也在積極有序地推動。對高壓電能計量設備的數據進行準確掌控，并在此基礎上繼續進行油田電網智能計量體系的研究，采用高壓電能計量現場校準裝置對大慶油田生產建設將起到積極的促進作用，對實現智能網絡布局和產業技術升級具有重要意義。

高壓電能計量現場校準裝置在實際應用時還存在一些問題，例如：有的高壓電能計量設備安裝位置偏僻，道路狹窄，車輛無法進入；由于受試驗場所、現場氣候環境等因素的限制，試驗中選取了高壓電能計量現場校準裝置全年現場檢測較集中的時間段，沒有在全年段做更多的試驗，今后還需要進一步完善。下一步工作擬開發一款便攜式校準裝置，利用5G 技術和油田智能化模塊，通過無線傳輸的方法，將便攜式校準裝置與高壓電能計量現場校準裝置相結合，完善檢測技術，以適應油田發展的需要。