電能功率現(xiàn)場測量方法的計量性能

沈明炎 肖娜麗 / 福建省計量科學(xué)研究院

電能功率現(xiàn)場測量方法的計量性能

沈明炎 肖娜麗 / 福建省計量科學(xué)研究院

在功率測量原理的基礎(chǔ)上，討論了前端加源測值法和后端同步測值法的原理和特點，通過現(xiàn)場電能功率不同測量接入方式下的計量性能試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果和不確定度的分析評定，指出兩種方法的電能功率現(xiàn)場測量的計量差異，驗證了兩種現(xiàn)場功率測量方法計量性能一致性，對電能功率的現(xiàn)場測量工作具有參考價值。

電能功率；現(xiàn)場測量；前端加源測值法；后端同步測值法；測量不確定度

0 引言

隨著電氣自動化和電子通信業(yè)的蓬勃發(fā)展，現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)電氣自動化程度越來越高，電能已經(jīng)成為企業(yè)生產(chǎn)不可或缺的能源，幾乎遍布企業(yè)生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)，因此，生產(chǎn)現(xiàn)場的電能功率準(zhǔn)確度的計量對企業(yè)用電管理、能源監(jiān)控和成本管控等方面起著重要的作用。在不影響企業(yè)正常生產(chǎn)的情況下，定期開展電能功率的現(xiàn)場檢測，使計量器具工作在準(zhǔn)確度等級范圍內(nèi)，以確保計量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠?，F(xiàn)場檢測時，為了確保檢測的合理科學(xué)和結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，在保證標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備滿足要求之下，應(yīng)制定相應(yīng)的檢測方法和步驟。下文對電能功率的現(xiàn)場檢測的方法進(jìn)行探討。

1 電能功率現(xiàn)場測量方法及其特點

電能功率的現(xiàn)場測量是一個功率量值比較的過程[1]，即在相同狀態(tài)下，同時測量得到的被檢表的顯示值與標(biāo)準(zhǔn)器的實測值之差，相對于標(biāo)準(zhǔn)器的實測值的相對誤差即為被檢表的誤差[2]。根據(jù)功率測量原理，可用以下兩種方法來測量。

1.1 前端加源測值法（直接法）

直接法的測量原理是將被檢表的電壓電流端子與標(biāo)準(zhǔn)功率源直接連接，標(biāo)準(zhǔn)功率源輸出標(biāo)準(zhǔn)功率值，被檢儀表的顯示值與標(biāo)準(zhǔn)功率源的輸出值做比差，可得出被檢儀表相對于標(biāo)準(zhǔn)器的相對誤差（圖1）。運用此法可測到較寬負(fù)荷范圍，只要標(biāo)準(zhǔn)源的技術(shù)指標(biāo)滿足要求，原則上測量范圍可覆蓋所有測量點。由于此法需要斷電測量，要求將被檢儀表掉電脫離現(xiàn)場線路，因此當(dāng)現(xiàn)場測量時，被檢表所在線路必須具有可外接的電氣接口或輔助接線盒以供測量標(biāo)準(zhǔn)器接入。

圖1 電能功率現(xiàn)場測量原理框圖

1.2 后端同步測值法（間接法）

被檢儀表在正常工作狀態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)測量儀器在被檢儀表的同一電氣位置接入線路，確保兩者保持相同的電氣狀態(tài)（即電壓并聯(lián)、電流串聯(lián)）（如圖1(b)所示），令標(biāo)準(zhǔn)器與被檢表同步測量，被檢表的顯示值與標(biāo)準(zhǔn)器的實測值做比差，可得出被檢儀表相對于標(biāo)準(zhǔn)器的相對誤差。

間接法可分為直接電流接入和鉗形電流互感器接入兩種接入方式，直接電流接入的方式與直接法類似，需要將電流線連接外接的電氣接口或輔助接線盒進(jìn)行測量；運用鉗形電流互感器接入的方式則

可直接在線測量，無需斷電，也不需要另外的輔助測量外設(shè)，但是要求線路負(fù)荷水平不能過低、負(fù)荷波動不能太大。如果低于額定功率的10%或者負(fù)荷波動較大的話，則測量不確定度可能增大甚至無法測量。同時，此法只能測量當(dāng)前負(fù)荷狀態(tài)下的誤差，測量范圍相對較窄，并且，由于是采用電磁感應(yīng)式的連接方式，使標(biāo)準(zhǔn)器的準(zhǔn)確度等級相對偏低，對測量結(jié)果應(yīng)進(jìn)行修正。

2 試驗與結(jié)果

樣品和標(biāo)準(zhǔn)器選取：取0.5級穩(wěn)定性良好的交流功率儀表作為被檢表，取準(zhǔn)確度等級均為0.05級的多功能電測產(chǎn)品檢定裝置CL302和三相電能計量質(zhì)量現(xiàn)場測試儀SB2300（電流鉗型互感器為0.2級）為測量主標(biāo)準(zhǔn)器，多次測量兩個標(biāo)準(zhǔn)器之間的數(shù)值差小于標(biāo)準(zhǔn)器準(zhǔn)確度等級的1/10,可認(rèn)為兩個標(biāo)準(zhǔn)器的測量準(zhǔn)確度一致[3]。

測量方法：分別用前端加源測值法和后端同步測值法對被檢表進(jìn)行測量，用CL302和SB2300作測量標(biāo)準(zhǔn)器來測量被檢表的量值，被檢表的顯示值和標(biāo)準(zhǔn)器的示值比較，得到被檢表相對標(biāo)準(zhǔn)器測量結(jié)果的相對誤差。接線方法如圖1所示，試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 測量結(jié)果 單位：%

測量環(huán)境條件：溫度（20±2）℃，相對濕度（60 ±15）%

3 測量結(jié)果不確定度分析與評定

3.1 建立數(shù)學(xué)模型[4]

式中：γ — 被檢交流功率儀表的相對誤差(%)；

Eo— 標(biāo)準(zhǔn)器測得的功率顯示值；

Ex— 被檢交流功率儀表的功率顯示值

3.2 測量不確定度的來源及評定[5]

相對誤差γ的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（γ）的來源主要有兩個方面：在重復(fù)性條件下，由于測量結(jié)果的分散性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（γ1），可采用A類評定方法評定；標(biāo)準(zhǔn)器的誤差、被檢表的分辨力、標(biāo)準(zhǔn)器上級檢定時傳遞的誤差、數(shù)據(jù)化整及負(fù)載引入的誤差、導(dǎo)線引入的誤差、電源的調(diào)節(jié)細(xì)度和穩(wěn)定性等引起的不確定度分量u（γ2），可采用B類評定方法評定。由于測量經(jīng)過較長時間的預(yù)熱處理且負(fù)載平穩(wěn)，因此負(fù)載引入的誤差、導(dǎo)線引入的誤差、電源的調(diào)節(jié)細(xì)度和穩(wěn)定性引入的誤差可忽略不計。

3.2.1 不確定度分量u（γ1）的評定

根據(jù)上文提及的兩種方法，分別用多功能電測產(chǎn)品檢定裝置和三相電能計量質(zhì)量現(xiàn)場測試儀，在相同的參比條件下測量0.5級被檢功率儀表，對該被檢表按照檢測點在重復(fù)性條件下進(jìn)行10次測量，并根據(jù)貝塞爾公式求出單次實驗標(biāo)準(zhǔn)差S，誤差測量結(jié)果見表2。

表2 重復(fù)性測量結(jié)果 單位：%

考慮到不同的被檢表之間的差異，取測量實驗標(biāo)準(zhǔn)差最大值的2倍作為測量結(jié)果的分散性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項，則兩種方法的不確定度分量為

多功能電測產(chǎn)品檢定裝置：u（γ1）= 0.009%×2 = 0.018%

三相電能計量質(zhì)量現(xiàn)場測試儀：u（γ1）′ = 0.013%×2 = 0.026%（直接電流接入）u（γ1）″ = 0.016%×2 = 0.032%（鉗形電流互感器接入）

3.2.2 不確定度分量u（γ2）的評定

3.2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)器誤差的不確定度

多功能電測產(chǎn)品檢定裝置和三相電能計量質(zhì)量現(xiàn)場測試儀直接接入方式測量的誤差絕對值不會超過±0.05%，即分散區(qū)間的半寬為a= 0.05%，在此區(qū)間可認(rèn)為服從均勻分布，則標(biāo)準(zhǔn)器的誤差的不確定度分量為。

由于三相電能計量質(zhì)量現(xiàn)場測試儀使用電流鉗型互感器測量，則誤差絕對值不會超過±0.2%，即分散區(qū)間的半寬為a= 0.2%，在此區(qū)間可認(rèn)為服從均勻分布，則標(biāo)準(zhǔn)器的誤差的不確定度分量為。

3.2.2.2 測量結(jié)果數(shù)據(jù)修約化整

0.5 級被檢表的數(shù)據(jù)修約化整間距為0.05%，分散區(qū)間的半寬為a= 0.025%，在此區(qū)間可認(rèn)為服從均勻分布，即。

不確定度分量u（γ2）的標(biāo)準(zhǔn)不確定度合成：

多功能電測產(chǎn)品檢定裝置和三相電能計量質(zhì)量現(xiàn)場測試儀（直接電流接入）：

三相電能計量質(zhì)量現(xiàn)場測試儀（鉗形電流互感器接入）：

3.2.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc( γ )的計算，根據(jù)

多功能電測產(chǎn)品檢定裝置：uc( γ ) = 0.037%

三相電能計量質(zhì)量現(xiàn)場測試儀（直接電流接入）：uc（γ）′ = 0.041%

三相電能計量質(zhì)量現(xiàn)場測試儀（鉗形電流互感器接入）：uc(γ) ″ = 0.121%

3.2.4 擴展不確定度的評定

擴展不確定度為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc和包含因子k的乘積，取包含因子k= 2，則擴展不確定度U為

多功能電測產(chǎn)品檢定裝置：

U=kuc(γ) = 2×0.037% = 0.074%

三相電能計量質(zhì)量現(xiàn)場測試儀（直接電流接入）：U′ =kuc(γ)′ = 2×0.041% = 0.082%

三相電能計量質(zhì)量現(xiàn)場測試儀（鉗形電流互感器接入）：U″ =kuc(γ)″ = 2×0.121% = 0.242%

4 分析與總結(jié)

由表1的試驗結(jié)果及不確定度相疊加，可得出如表3所示測量誤差，利用兩種方法測量同一被檢表，得到的測量誤差的最大差值為0.05%，僅約為被檢表準(zhǔn)確度的1/10，幾乎無差異。通過試驗數(shù)據(jù)分析，可判定導(dǎo)致兩種方法的測量結(jié)果偏差的主要因素為標(biāo)準(zhǔn)器的準(zhǔn)確度等級。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)器準(zhǔn)確度等級足夠高時，兩種方法得出的測量結(jié)果是一致的；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)器的輔助設(shè)備的準(zhǔn)確度等級不太高時，則要對測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)修正（本試驗中根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)器的溯源數(shù)據(jù)可以得出在100 V、5 A時的修正值為0.15%），以得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果。由此，可總結(jié)得出兩種功率測量方法在現(xiàn)場測量功率時能夠得到相同的測量結(jié)果。

表3 測量結(jié)果 單位：%

5 結(jié)語

本文根據(jù)測量原理，通過理論分析和實測試驗，分析比較了兩種電能功率現(xiàn)場測量方法及其相應(yīng)的測量接入方式的計量性能，結(jié)合日常的功率現(xiàn)場測量工作，得出測量方法對測量結(jié)果的準(zhǔn)確度和測量不確定度的影響，驗證了前端加源測值法和后端同步測值法的測量一致性，從測量技術(shù)上對電能功率現(xiàn)場測量工作進(jìn)行分析，可為電能功率現(xiàn)場測量提供一定的技術(shù)參考。

[1] 張勤，曹瑞基. 計量檢測人員培訓(xùn)教材·電磁計量 [M]. 北京：中國計量出版社，2007.

[2] 藍(lán)永林. 交流電能計量 [M]. 北京：中國計量出版社，2009.

[3] 黃麗貞. 電測儀表的測量誤差及其減小方法[J]. 科技信息，2010（21）：.

[4] 朱金英. 關(guān)于多功能電參數(shù)測量儀的檢測方法[J]. 云南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2009, 31 (S2): 313～316.

[5] 全國法制計量技術(shù)委員會JJF 1059.1-2012 [S]. 北京：中國質(zhì)檢出版社，2012.

Research on metrological performance of electric power on-site measurement methods

Shen Mingyan，Xiao Nali
（Fujian Metrology Institute）

This article aims to analyze and to compare the measurement performance of electric power on-site measurement methods.On the basis of the power measurement principle,and discusses the principles and characteristics of the front-end source value measurement method and the back-end synchronization source measurement method,through the measurement performance test under different measurement access modes of electric power on-site measurement, and according to the test results and uncertainty analysis of evaluation, points out the measurement difference between the two kinds of methods of electric power on-site measurement,and verify consistency of performance of the two methods for electric power on-site measurement,and there is the technical reference value to the electric power on-site measurement.

electric power; on-site measurement; front-end source value measurement method; back-end synchronization source measurement method; uncertainty of measurement