交流電能表檢定裝置功率穩(wěn)定度評(píng)定方法探討

朱淑媛，宋進(jìn)良，劉漢勇

(1.遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006;2.沈陽(yáng)電力機(jī)械總廠，遼寧 沈陽(yáng) 110026)

電能表是計(jì)量某一時(shí)段電能累積值的專用計(jì)量器具。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電能表已經(jīng)成為社會(huì)用量最多的計(jì)量器具之一。目前，多種電能表主要應(yīng)用于電力的貿(mào)易結(jié)算和電力生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的考核。

標(biāo)準(zhǔn)電能表是電能計(jì)量體系中量值溯源和量值傳遞的中間媒介。它的量值可以溯源至國(guó)家基準(zhǔn)，也可以通過它把標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞至工作計(jì)量器具;保證電能標(biāo)準(zhǔn)量值的統(tǒng)一、準(zhǔn)確、可靠。

在電能計(jì)量體系中，也可以通過電能表檢定裝置把標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞至工作計(jì)量器具。它由功率源、標(biāo)準(zhǔn)電能表、標(biāo)準(zhǔn)互感器、二次回路及監(jiān)視儀表 (電流表、電壓表、功率表等)共同組成。本文主要對(duì)交流電能表檢定裝置功率穩(wěn)定度評(píng)定方法進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 算法分析

1.1 用瓦秒法檢定機(jī)械式電能表

用瓦秒法檢定機(jī)械式電能表，主要用標(biāo)準(zhǔn)功率表測(cè)定調(diào)定的恒定功率，或用標(biāo)準(zhǔn)功率源確定功率，同時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)器測(cè)量被檢電能表在恒定功率下轉(zhuǎn)若干轉(zhuǎn)所需時(shí)間。測(cè)量的時(shí)間與恒定功率的乘積得到實(shí)際電能值，與被檢電能表測(cè)定的電能值相比較來確定被檢電能表的相對(duì)誤差。

用定圈測(cè)時(shí)的瓦秒法檢定安裝式電能表，相對(duì)誤差按式 (1)計(jì)算:

式中:t為實(shí)測(cè)時(shí)間 (被檢電能表在恒定功率下轉(zhuǎn)N轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)器測(cè)定的時(shí)間)，s;T為算定時(shí)間(假定被檢電能表沒有誤差時(shí)在恒定功率下轉(zhuǎn)N轉(zhuǎn)應(yīng)需要的時(shí)間)，s。

算定時(shí)間按式 (2)計(jì)算:

式中:P為標(biāo)準(zhǔn)功率表或標(biāo)準(zhǔn)功率源指示的功率，W;N為選定的被檢電能表轉(zhuǎn)數(shù);KL和Ky為被檢電能表銘牌上標(biāo)注的電流互感器和電壓互感器的額定變化，未標(biāo)注者為1;KI和KU為同標(biāo)準(zhǔn)電能表聯(lián)用的標(biāo)準(zhǔn)電流互感器和標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器使用的額定變化;KJ為接線系數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)電能表接線有關(guān)。

確定算定時(shí)間用自動(dòng)方法 (如光電脈沖法)控制標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)器，被檢電能表連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，算定時(shí)間不少于10 s。若標(biāo)準(zhǔn)功率表或標(biāo)準(zhǔn)功率源所發(fā)功率脈沖序列不夠均勻或響應(yīng)速度較慢，還需適當(dāng)增加算定時(shí)間。若用手動(dòng)方法控制標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)器，在任何負(fù)載功率下，算定時(shí)間不應(yīng)少于50 s。

1.2 用瓦秒法檢定電子式電能表

用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字功率表測(cè)量調(diào)定的恒定功率，同時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)時(shí)器測(cè)量被檢表累計(jì)電能所需的時(shí)間，測(cè)量時(shí)間與恒定功率的乘積為實(shí)測(cè)電能值，再與被檢表累計(jì)的電能值相比較，以確定被檢表的相對(duì)誤差。

用瓦秒法檢定電能表時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)時(shí)器對(duì)時(shí)間的測(cè)量誤差 (%)應(yīng)不大于標(biāo)準(zhǔn)表準(zhǔn)確度等級(jí)1/20。計(jì)讀時(shí)間時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)時(shí)器應(yīng)有足夠多的讀數(shù)，以滿足由末位改變1個(gè)字的讀數(shù)誤差不超過標(biāo)準(zhǔn)表準(zhǔn)確度的1/10。

a. 定時(shí)測(cè)量法

記下在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)時(shí)器測(cè)定的一段時(shí)間內(nèi)被檢表累計(jì)的電能值，用式 (3)計(jì)算相對(duì)誤差γ(%)。測(cè)定的時(shí)間應(yīng)選得足夠長(zhǎng)，以使得被檢表累計(jì)的數(shù)字不少于表1的規(guī)定。

表1 各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電能表累計(jì)數(shù)字表

式中:γW為標(biāo)準(zhǔn)功率表或檢定裝置的已定系統(tǒng)誤差，%(不需更正時(shí)γW=0);P為標(biāo)準(zhǔn)功率表測(cè)得的恒定功率值，W;t為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試器測(cè)得的時(shí)間，s;W′為被檢表顯示的電能值，J。

當(dāng)被檢表顯示的是所累計(jì)的高頻脈沖數(shù)時(shí)式(3)中的W′用式 (4)計(jì)算:

式中:m為被檢表顯示的高頻脈沖數(shù);CH為被檢表的高頻脈沖常數(shù)，imp/kWh。

若被檢表的高頻脈沖常數(shù)用其他單位標(biāo)注，則按相應(yīng)轉(zhuǎn)換;若標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字功率表經(jīng)外配電流、電壓互感器接入，則式 (3)中的P應(yīng)乘以電流、電壓互感器的變比KI、KU。

若被檢表 (或標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字功率表)的倍頻開關(guān)不是在×1檔，則式 (3)的W′(或P)應(yīng)乘以倍頻值KF。

b. 定低頻脈沖數(shù) (N)測(cè)量法

當(dāng)用固定低頻脈沖數(shù) (N)測(cè)量時(shí)間的瓦秒法檢定時(shí)，被檢表的相對(duì)誤差γ(%)按式(5)計(jì)算:

式中:γW為標(biāo)準(zhǔn)功率表或檢定裝置的已定系統(tǒng)誤差，%(不需更正時(shí)γW=0);t為實(shí)測(cè)時(shí)間 (被檢表在恒定功率下輸出N個(gè)低頻脈沖數(shù)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)時(shí)器測(cè)定的時(shí)間)，s;t′為算定時(shí)間 (假定被檢表沒有誤差時(shí)，在恒定功率下輸出N個(gè)低頻脈沖數(shù)所需要的時(shí)間)，s。t′按式 (6) 計(jì)算:

式中:N為選定的低頻脈沖數(shù);CL為被檢表的低頻脈沖常數(shù)，imp/kWh。

2 電能表檢定裝置功率穩(wěn)定度評(píng)定方法

2.1 概率水平的峰—峰值評(píng)定法

在給定時(shí)限內(nèi)每隔0.2～0.5 s采集一次功率值Pi，由各功率值構(gòu)成的功率變化曲線，更接近功率變化的實(shí)際情況。若設(shè)備沒有功率自動(dòng)采集裝置，可選用具有6～7位示值的數(shù)字式功率表測(cè)定功率 (功率表誤差要足夠穩(wěn)定且其實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)不大于所需功率穩(wěn)定度的1/3)，每隔1～1.5 s讀記一次功率，在2 min內(nèi)得到80～120個(gè)功率值，由此也可得到比較近似的功率曲線。

用自動(dòng)方法或人工方法所得的瞬時(shí)功率，代入式 (7)求得S值，即:

式中:n表示在觀測(cè)時(shí)限T內(nèi)采集功率的次數(shù);pi為第i次采集的功率值 (n=1，2，…，N);為各次功率pi的平均值。

pi在平均功率上下波動(dòng)，因此功率變化區(qū)間(雙側(cè)置信限)為

功率的最大變化范圍ΔP=Pmax－Pmin?？紤]到cosφ值影響，推導(dǎo)功率穩(wěn)定度的通用表達(dá)式:

對(duì)雙側(cè)置信限來說，若取置信概率P=97.5%，則置信系數(shù)t1－α/2=2，因此用式 (12)評(píng)定功率穩(wěn)定度，即:

該公式表明，功率最大變化范圍是偏離功率平均值的程度，而不是在相同時(shí)限內(nèi)各功率平均值之間的差異程度。

在一列功率讀數(shù)的最大值或最小值的殘差應(yīng)滿足下列公式:

Pk是異常值，應(yīng)當(dāng)舍去，用余下的功率值再代入式 (12)和式 (13)驗(yàn)算，直代到?jīng)]有異常值為止。通常，在一列功率讀數(shù)中只有極少數(shù)異常值或無異常值。

2.2 簡(jiǎn)易的峰—峰值評(píng)定法

在沒有自動(dòng)裝置采集功率值的設(shè)備中，采用概率水平的峰—峰值評(píng)定法相對(duì)比較繁瑣。因此，對(duì)裝置進(jìn)行后續(xù)檢定和常規(guī)檢驗(yàn)時(shí)，還可采用簡(jiǎn)易的峰—峰值評(píng)定法評(píng)定功率穩(wěn)定度。

大量試驗(yàn)表明，在時(shí)限T內(nèi)的平均功率:

功率的最大變化范圍ΔP=Pmax－Pmin，則推導(dǎo)出功率穩(wěn)定度:

測(cè)定功率穩(wěn)定度時(shí)，在2 min內(nèi)至少能得到80個(gè)功率值，而且要求的功率變化程度通常小于0.5%。因此，最初調(diào)定的功率 (或第一次讀得的功率):

故將式 (3)簡(jiǎn)化成“簡(jiǎn)易峰—峰值評(píng)定法”評(píng)定功率穩(wěn)定度的計(jì)算公式:

這種方法評(píng)定結(jié)果的可信程度約為95%，但是不能判別讀得的Pmax或Pmin是否是異常值。因此，若按式 (17)確定的功率穩(wěn)定度不符合要求，再按式 (12)求得的結(jié)果為準(zhǔn)。

在電能表檢定規(guī)程中規(guī)定:用峰—峰值評(píng)定法評(píng)定功率穩(wěn)定度，規(guī)定的功率穩(wěn)定度為裝置等級(jí)指數(shù)的1/2(適用于電能比較法)和1/5(適用于瓦秒法)，由于目前使用的各級(jí)裝置輸出的功率都滿足這一要求，所以沒有理由降低功率穩(wěn)定度指標(biāo)。

3 實(shí)例分析

本文對(duì)功率穩(wěn)定度的評(píng)定采用“概率水平的峰—峰值評(píng)定法”和“簡(jiǎn)易的峰—峰值評(píng)定法”兩種方法，分別取功率因數(shù)cosφ=1和cosφ=0.5L的三相四線功率值為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

表2 cosφ=1時(shí)三相電能表檢定裝置功率測(cè)試結(jié)果

表3 cosφ=0.5 L時(shí)三相電能表檢定裝置功率測(cè)試結(jié)果

當(dāng)cosφ=1時(shí)，通過表2數(shù)據(jù)經(jīng)過式 (7)計(jì)算可得，S=0.018 1%，平均功率=1 499.838 W，用概率水平的峰—峰值評(píng)定法測(cè)定的功率穩(wěn)定度r=0.004 8%，用簡(jiǎn)易的峰—峰值評(píng)定法測(cè)定的功率穩(wěn)定度rF=0.004 7%，兩種方法得到的數(shù)據(jù)偏差很小。

當(dāng)cosφ=0.5L時(shí)，通過表3數(shù)據(jù)經(jīng)過式 (7)計(jì)算可得，S=0.011 9%，平均功率=750.212 0 W，用概率水平的峰—峰值評(píng)定法測(cè)定的功率穩(wěn)定度r=0.003 2%，用簡(jiǎn)易的峰—峰值評(píng)定法測(cè)定的功率穩(wěn)定度rF=0.003 3%，兩種方法得到的數(shù)據(jù)誤差很小，數(shù)據(jù)基本一致。

本文的測(cè)試過程采用0.01級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備KOM200.3型三相多功能比較儀，測(cè)試間隔采用每秒采樣，r和rF分別為概率水平的峰—峰值評(píng)定法和簡(jiǎn)易的峰—峰值評(píng)定法確定的功率穩(wěn)定度 (單次評(píng)定值)，多次測(cè)試結(jié)果表明:兩種計(jì)算方法結(jié)果基本相同，其置信概率均為95%。

4 結(jié)束語(yǔ)

功率穩(wěn)定度是電測(cè)計(jì)量設(shè)備評(píng)定過程中非常關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)，本文提出了一種高效的評(píng)定方法，通過理論分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明簡(jiǎn)易的峰—峰值評(píng)定法既保證了電能標(biāo)準(zhǔn)量值的統(tǒng)一、準(zhǔn)確、可靠，又明顯地提高了工作效率。

[1]藍(lán)永林.交流電能計(jì)量[M].北京:中國(guó)質(zhì)檢出版社，2011.

[2]JJG597—2005.交流電能表檢定裝置 [S].

[3]朱淑媛，劉漢勇.交流電能表現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行考核評(píng)估測(cè)試系統(tǒng)[J].東北電力技術(shù)，2011，32(2):50－52.

[4]李彥群.電能計(jì)量檢定與管理培訓(xùn)教材[M].北京:中國(guó)電力出版社，2010.

[5]吳安嵐.電能計(jì)量基礎(chǔ)及新技術(shù)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2004.