低壓電流互感器自動(dòng)化檢定系統(tǒng)在線計(jì)量檢測(cè)

蔡文嘉， 唐登平， 李亮波， 郭 正， 李云峰

（1. 國網(wǎng)湖北省電力公司 計(jì)量中心， 武漢 430075； 2. 湖北省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院 電學(xué)計(jì)量技術(shù)研究所， 武漢 430080）

低壓電流互感器[1]是國家強(qiáng)制性檢定的器具，在生產(chǎn)和驗(yàn)收過程中，低壓電流互感器的檢定是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié).人工手動(dòng)檢定效率低，逐步被淘汰，自動(dòng)化檢定系統(tǒng)在各省計(jì)量中心的推動(dòng)下迅速發(fā)展起來[2-3].盡管自動(dòng)化檢定系統(tǒng)提高了低壓電流互感器的檢定效率，但也產(chǎn)生了新的問題[4-6].當(dāng)自動(dòng)化檢定系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，被檢的互感器將會(huì)出現(xiàn)大量的錯(cuò)檢與誤檢，進(jìn)而影響到電能貿(mào)易的公平公正.因此，需要對(duì)低壓電流互感器自動(dòng)化檢定系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)量檢測(cè)，主要包括量值溯源和計(jì)量監(jiān)督兩個(gè)部分.

自動(dòng)化檢定系統(tǒng)傳統(tǒng)量值溯源是定期將自動(dòng)化檢定系統(tǒng)的儀器拆卸下來送到法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定，主要存在以下問題：1）自動(dòng)化檢定系統(tǒng)體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不便拆卸和運(yùn)輸；2）拆卸過程可能會(huì)影響流水線的穩(wěn)定性和檢定的可靠性；3）儀器送檢周期長(zhǎng)，檢定期間自動(dòng)化檢定系統(tǒng)無法正常工作，影響生產(chǎn)任務(wù).

傳統(tǒng)計(jì)量監(jiān)督是人工實(shí)時(shí)地對(duì)自動(dòng)化檢定系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，確保自動(dòng)化檢定系統(tǒng)正常工作.主要存在以下問題：1）自動(dòng)化檢定系統(tǒng)數(shù)量不斷增加，采用傳統(tǒng)人工檢定的方式效率低下，無法滿足生產(chǎn)的需求[7]；2）人工檢定存在一定的滯后性，無法及時(shí)反饋系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題；3）自動(dòng)化檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及到機(jī)械、測(cè)控、光電信號(hào)處理等多個(gè)學(xué)科，人工檢定的方式無法保證系統(tǒng)的可靠性.

針對(duì)自動(dòng)化檢定系統(tǒng)傳統(tǒng)計(jì)量檢測(cè)存在的問題，文章提出了一種低壓電流互感器自動(dòng)化檢定系統(tǒng)在線計(jì)量檢測(cè)的方法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢定系統(tǒng)在線量值溯源和在線計(jì)量監(jiān)督.

1 在線計(jì)量檢測(cè)研究

在線計(jì)量檢測(cè)是指在不影響工況的情況下進(jìn)行計(jì)量檢測(cè)，現(xiàn)從在線量值溯源與在線計(jì)量監(jiān)督兩個(gè)方面進(jìn)行研究.

1.1 在線量值溯源研究

在線量值溯源主要從基本誤差、重復(fù)性、一致性、錯(cuò)檢率及誤檢率5個(gè)方面進(jìn)行溯源.

1.1.1 基本誤差的量值溯源

基本誤差的量值溯源參考JJF 1033-2016《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》[8]附錄C中的傳值比較法.量值溯源期間，將傳遞標(biāo)準(zhǔn)分別在高等級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室與計(jì)量中心的流水線上進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)室和流水線上測(cè)量時(shí)的擴(kuò)展不確定度分別記為Ulab與Uref，測(cè)量時(shí)誤差的均值分別為Ylab與Yref.在兩者包含因子近似相等的前提下，測(cè)量結(jié)果可評(píng)價(jià)為

（1）

Ylab與Yref包括比值差和相位差的均值，可以分別在實(shí)驗(yàn)室與流水線上測(cè)試后，經(jīng)過計(jì)算得到.Ulab和Uref的計(jì)算可以參考Q/GDW 11278-2014《計(jì)量用低壓電流互感器自動(dòng)化檢定系統(tǒng)校準(zhǔn)方法》[9]附錄C中的測(cè)量不確定度評(píng)定示例.

量值溯源期間，使用傳遞標(biāo)準(zhǔn)在主持實(shí)驗(yàn)室建立傳遞標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫和控制限；在參加實(shí)驗(yàn)室建立傳遞標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫.計(jì)算En值，若En<1，則參加實(shí)驗(yàn)室基本誤差的量值溯源合格.若En>1，則判斷傳遞標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù)是否在主持實(shí)驗(yàn)室的控制限范圍內(nèi)，若在范圍內(nèi)，則基本誤差溯源過程不合格；否則，認(rèn)為傳遞標(biāo)準(zhǔn)損壞，需要更換備用傳遞標(biāo)準(zhǔn)重新進(jìn)行基本誤差的量值溯源，其流程如圖1所示.

圖1 基本誤差的量值溯源流程Fig.1 Flow chart of measurement value traceability of basic errors

1.1.2 重復(fù)性的量值溯源

重復(fù)性的量值溯源參考JJG 1139-2017計(jì)量用低壓電流互感器自動(dòng)化檢定系統(tǒng)檢定規(guī)程[10]中重復(fù)性的測(cè)量方法.量值溯源期間，使用一組傳遞標(biāo)準(zhǔn)在參與實(shí)驗(yàn)室的流水線上重復(fù)測(cè)量并計(jì)算基本誤差.通過貝塞爾公式計(jì)算各個(gè)工位標(biāo)準(zhǔn)偏差作為各個(gè)工位的重復(fù)性，各個(gè)工位重復(fù)性的最大值即為倉位的重復(fù)性.若重復(fù)性小于0.2 S級(jí)電流互感器誤差限值的1/10，則認(rèn)為重復(fù)性的量值溯源合格；否則，重復(fù)性的量值溯源不合格.

1.1.3 一致性的量值溯源

一致性的量值溯源參考JJG 1139-2017計(jì)量用低壓電流互感器自動(dòng)化檢定系統(tǒng)檢定規(guī)程中一致性的測(cè)量方法.量值溯源期間，使用同一互感器在參與實(shí)驗(yàn)室流水線的各個(gè)工位上進(jìn)行重復(fù)測(cè)量并計(jì)算誤差均值.取各個(gè)工位誤差均值最大值與最小值的極差作為倉位的一致性，若一致性小于0.2 S級(jí)電流互感器誤差限制的1/5，則認(rèn)為一致性的量值溯源合格；否則，一致性的量值溯源不合格.

1.1.4 誤檢率的量值溯源

誤檢率的量值溯源參考JJG 1139-2017計(jì)量用低壓電流互感器自動(dòng)化檢定系統(tǒng)檢定規(guī)程中誤檢率的測(cè)量方法.量值溯源期間，準(zhǔn)備m臺(tái)合格的傳遞標(biāo)準(zhǔn)在在線計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)上進(jìn)行重復(fù)測(cè)量10次，總測(cè)量次數(shù)為10m，合格次數(shù)為a，則誤檢率可表示為

（2）

若誤檢率小于0.5%，則認(rèn)為誤檢率的量值溯源合格；否則，誤檢率的量值溯源不合格.

1.1.5 錯(cuò)檢率的量值溯源

錯(cuò)檢率的量值溯源參考JJG 1139-2017計(jì)量用低壓電流互感器自動(dòng)化檢定系統(tǒng)檢定規(guī)程中錯(cuò)檢率的測(cè)量方法.量值溯源期間，取n臺(tái)不合格的傳遞標(biāo)準(zhǔn)在在線計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)上進(jìn)行重復(fù)測(cè)量10次，總測(cè)量次數(shù)為10n，合格次數(shù)為b，則錯(cuò)檢率可表示為

（3）

若錯(cuò)檢率為0，則認(rèn)為錯(cuò)檢率的量值溯源合格；否則，錯(cuò)檢率的量值溯源不合格.

1.2 在線計(jì)量監(jiān)督研究

在線計(jì)量監(jiān)督參考GBT4091-2001《常規(guī)控制圖》[11]中控制圖的繪制方法.根據(jù)互感器在不同時(shí)期測(cè)量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，繪制成如圖2所示的控制圖.其中UCL、CL、LCL分別是控制上限、中心線和控制下限，當(dāng)數(shù)據(jù)線在合格線之間波動(dòng)表明當(dāng)前的檢定工作狀態(tài)非常穩(wěn)定，當(dāng)數(shù)據(jù)線波動(dòng)接近警戒線表明工作狀態(tài)變得不穩(wěn)定，如果超過上下控制限則表明流水線出了問題.

圖2 計(jì)量監(jiān)督控制Fig.2 Control of measurement supervision

UCL與LCL的值可以表示為

UCL=X0+Aσ0

（4）

LCL=X0-Aσ0

（5）

式中：X0為參加流水線測(cè)試的總均值；A為控制圖上n次測(cè)試結(jié)果對(duì)應(yīng)的系數(shù)，可以查詢GBT4091-2001《常規(guī)控制圖》中的表2獲?。沪?為給定的標(biāo)準(zhǔn)值[12-15].

在UCL與LCL之間進(jìn)行6等分，確定合格線和警戒線，建立計(jì)量監(jiān)督的控制圖.在期間核查時(shí)，使用傳遞標(biāo)準(zhǔn)在流水線上進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)在合格線內(nèi)，則流水線正常工作；當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)超出合格線在警戒線內(nèi)，則流水線存在安全隱患；當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)超出警戒線，則流水線出現(xiàn)故障，需要及時(shí)檢查.

2 應(yīng)用與實(shí)例

本文以武漢電力科學(xué)研究院和武漢計(jì)量中心為例，研究低壓電流互感器自動(dòng)化檢定系統(tǒng)在線計(jì)量檢測(cè).開發(fā)出在線計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)，主要從在線量值溯源和在線計(jì)量監(jiān)督兩個(gè)方面的應(yīng)用進(jìn)行表述.以規(guī)格為BL158H/170102的雙級(jí)電流互感器進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)如表1所示.通過長(zhǎng)時(shí)間多次試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，試驗(yàn)檢定的第1組原始數(shù)據(jù)如表2所示.

表1 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集參數(shù)Tab.1 Acquisition parameters for standard data

表2 第1組試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)Tab.2 Original data of first group tests

2.1 在線量值溯源

武漢電力科學(xué)研究院校驗(yàn)儀準(zhǔn)確度等級(jí)為0.001級(jí)，武漢計(jì)量中心流水線校驗(yàn)儀準(zhǔn)確度等級(jí)為0.01級(jí)，傳遞標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度等級(jí)為0.05級(jí).參考Q GDW 11278-2014《計(jì)量用低壓電流互感器自動(dòng)化檢定系統(tǒng)校準(zhǔn)方法》附錄C中的測(cè)量不確定度評(píng)定示例，計(jì)算得到電科院實(shí)驗(yàn)室和計(jì)量中心流水線的擴(kuò)展不確定度如表3所示.將傳遞標(biāo)準(zhǔn)分別在電科院實(shí)驗(yàn)室與計(jì)量中心流水線上測(cè)試得到比值差和相位差的均值，并根據(jù)式（1）計(jì)算得到En值，結(jié)果如表4所示.由表4可以看出，在電科院實(shí)驗(yàn)室和計(jì)量中心流水線測(cè)試En值均小于1，因此認(rèn)為基本誤差的量值溯源合格.

表3 實(shí)驗(yàn)室和計(jì)量中心流水線擴(kuò)展不確定度Tab.3 Expanded uncertainty of laboratory and assembly line of measurement center

表4 實(shí)驗(yàn)室和計(jì)量中心流水線測(cè)試均值Tab.4 Test mean values of laboratory and assembly line of measurement center

按照重復(fù)性的量值溯源方法，測(cè)量并計(jì)算得到電流互感器的誤差數(shù)據(jù).測(cè)量工位重復(fù)性及誤差限值，結(jié)果如表5所示.由表5可以得出，計(jì)量中心流水線各個(gè)工位重復(fù)性均小于0.2 S級(jí)電流互感器誤差限值的1/10，因此認(rèn)為重復(fù)性的量值溯源合格.根據(jù)不同點(diǎn)比值差和相位差的標(biāo)準(zhǔn)偏差，可以繪制出對(duì)應(yīng)倉位柱形圖.

一致性、誤檢率、錯(cuò)檢率的量值溯源與重復(fù)性的量值溯源類似，使用傳遞標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)量中心流水線上測(cè)試誤差數(shù)據(jù)并保存到數(shù)據(jù)庫.在線計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)讀取并計(jì)算數(shù)據(jù)得到一致性、誤檢率、錯(cuò)檢率的量值溯源結(jié)論，最后在前臺(tái)界面進(jìn)行顯示.

表5 工位重復(fù)性及誤差限值Tab.5 Station repeatability and error limits

2.2 在線計(jì)量監(jiān)督

在線計(jì)量監(jiān)督需要對(duì)額定電流為1%、5%、20%、100%、120%下的比值差與相位差進(jìn)行監(jiān)督.每天分別在武漢電力科學(xué)研究院和武漢計(jì)量中心測(cè)試10組數(shù)據(jù)，一共測(cè)試5d，分別計(jì)算每天比值差與相位差的均值.控制限的上限和下限依據(jù)式（4）和式（5）得到，X0對(duì)應(yīng)額定電流當(dāng)天的總均值.A值參考GBT4091-2001《常規(guī)控制圖》中表2計(jì)量控制圖計(jì)算控制限的系數(shù)表，其中子組數(shù)為10，故A取0.494.σ0值參考JJG 313-2010《測(cè)量用電流互感器檢定規(guī)程》中表2特殊使用要求的電流互感器的誤差限制.武漢電科院與計(jì)量中心樣品準(zhǔn)確度等級(jí)分別為0.05級(jí)和0.2級(jí)，σ0為允許誤差的1/5，故σ0的取值如表6所示.電科院實(shí)驗(yàn)室計(jì)算得到5d比值差與相位差均值如表7所示.計(jì)量中心流水線測(cè)試5d的比值差與相位差如表8所示.

表6 σ0取值Tab.6 σ0 values

表7 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)均值Tab.7 Mean values of test data from laboratory

表8 計(jì)量中心流水線測(cè)試數(shù)據(jù)均值Tab.8 Mean values of test data from assembly line of measurement center

根據(jù)電科院實(shí)驗(yàn)室與計(jì)量中心流水線比值差和相位差的計(jì)算數(shù)據(jù)，繪制出不同額定電流下比值差和相位差計(jì)量監(jiān)督的控制圖，其控制限應(yīng)用界面如圖3所示.核查期間，使用核查標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，可以直觀地判斷測(cè)試數(shù)據(jù)是否在控制限范圍內(nèi).

3 結(jié) 論

本文提出了一種低壓電流互感器自動(dòng)化檢定系統(tǒng)在線計(jì)量檢測(cè)方法，利用傳遞標(biāo)準(zhǔn)和核查標(biāo)準(zhǔn)在主持實(shí)驗(yàn)室與參加實(shí)驗(yàn)室之間進(jìn)行量值傳遞，從基本誤差、重復(fù)性、一致性、錯(cuò)檢率、誤檢率5個(gè)方面進(jìn)行量值溯源，通過休哈特控制圖檢測(cè)誤差，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢定系統(tǒng)的在線量值溯源和在線計(jì)量監(jiān)督.在某計(jì)量中心的應(yīng)用表明，在線計(jì)量檢測(cè)可以避免流水線拆卸、運(yùn)輸困難等問題，實(shí)現(xiàn)在不影響工況下的在線量值溯源，縮短量值溯源周期，實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時(shí)監(jiān)督，節(jié)省人力物力成本.為自動(dòng)化檢定系統(tǒng)在線計(jì)量檢測(cè)提供技術(shù)支持.

圖3 計(jì)量監(jiān)督界面Fig.3 Measurement supervision interfaces