电能功率现场测量方法的计量性能

沈明炎 肖娜丽 / 福建省计量科学研究院

电能功率现场测量方法的计量性能

沈明炎 肖娜丽 / 福建省计量科学研究院

在功率测量原理的基础上，讨论了前端加源测值法和后端同步测值法的原理和特点，通过现场电能功率不同测量接入方式下的计量性能试验，并根据试验结果和不确定度的分析评定，指出两种方法的电能功率现场测量的计量差异，验证了两种现场功率测量方法计量性能一致性，对电能功率的现场测量工作具有参考价值。

电能功率；现场测量；前端加源测值法；后端同步测值法；测量不确定度

0 引言

随着电气自动化和电子通信业的蓬勃发展，现代企业生产电气自动化程度越来越高，电能已经成为企业生产不可或缺的能源，几乎遍布企业生产的每一个环节，因此，生产现场的电能功率准确度的计量对企业用电管理、能源监控和成本管控等方面起着重要的作用。在不影响企业正常生产的情况下，定期开展电能功率的现场检测，使计量器具工作在准确度等级范围内，以确保计量数据的准确可靠。现场检测时，为了确保检测的合理科学和结果的准确可靠，在保证标准设备满足要求之下，应制定相应的检测方法和步骤。下文对电能功率的现场检测的方法进行探讨。

1 电能功率现场测量方法及其特点

电能功率的现场测量是一个功率量值比较的过程[1]，即在相同状态下，同时测量得到的被检表的显示值与标准器的实测值之差，相对于标准器的实测值的相对误差即为被检表的误差[2]。根据功率测量原理，可用以下两种方法来测量。

1.1 前端加源测值法（直接法）

直接法的测量原理是将被检表的电压电流端子与标准功率源直接连接，标准功率源输出标准功率值，被检仪表的显示值与标准功率源的输出值做比差，可得出被检仪表相对于标准器的相对误差（图1）。运用此法可测到较宽负荷范围，只要标准源的技术指标满足要求，原则上测量范围可覆盖所有测量点。由于此法需要断电测量，要求将被检仪表掉电脱离现场线路，因此当现场测量时，被检表所在线路必须具有可外接的电气接口或辅助接线盒以供测量标准器接入。

图1 电能功率现场测量原理框图

1.2 后端同步测值法（间接法）

被检仪表在正常工作状态，标准测量仪器在被检仪表的同一电气位置接入线路，确保两者保持相同的电气状态（即电压并联、电流串联）（如图1(b)所示），令标准器与被检表同步测量，被检表的显示值与标准器的实测值做比差，可得出被检仪表相对于标准器的相对误差。

间接法可分为直接电流接入和钳形电流互感器接入两种接入方式，直接电流接入的方式与直接法类似，需要将电流线连接外接的电气接口或辅助接线盒进行测量；运用钳形电流互感器接入的方式则

可直接在线测量，无需断电，也不需要另外的辅助测量外设，但是要求线路负荷水平不能过低、负荷波动不能太大。如果低于额定功率的10%或者负荷波动较大的话，则测量不确定度可能增大甚至无法测量。同时，此法只能测量当前负荷状态下的误差，测量范围相对较窄，并且，由于是采用电磁感应式的连接方式，使标准器的准确度等级相对偏低，对测量结果应进行修正。

2 试验与结果

样品和标准器选取：取0.5级稳定性良好的交流功率仪表作为被检表，取准确度等级均为0.05级的多功能电测产品检定装置CL302和三相电能计量质量现场测试仪SB2300（电流钳型互感器为0.2级）为测量主标准器，多次测量两个标准器之间的数值差小于标准器准确度等级的1/10,可认为两个标准器的测量准确度一致[3]。

测量方法：分别用前端加源测值法和后端同步测值法对被检表进行测量，用CL302和SB2300作测量标准器来测量被检表的量值，被检表的显示值和标准器的示值比较，得到被检表相对标准器测量结果的相对误差。接线方法如图1所示，试验数据见表1。

表1 测量结果 单位：%

测量环境条件：温度（20±2）℃，相对湿度（60 ±15）%

3 测量结果不确定度分析与评定

3.1 建立数学模型[4]

式中：γ — 被检交流功率仪表的相对误差(%)；

Eo— 标准器测得的功率显示值；

Ex— 被检交流功率仪表的功率显示值

3.2 测量不确定度的来源及评定[5]

相对误差γ的标准不确定度u（γ）的来源主要有两个方面：在重复性条件下，由于测量结果的分散性引起的标准不确定度分量u（γ1），可采用A类评定方法评定；标准器的误差、被检表的分辨力、标准器上级检定时传递的误差、数据化整及负载引入的误差、导线引入的误差、电源的调节细度和稳定性等引起的不确定度分量u（γ2），可采用B类评定方法评定。由于测量经过较长时间的预热处理且负载平稳，因此负载引入的误差、导线引入的误差、电源的调节细度和稳定性引入的误差可忽略不计。

3.2.1 不确定度分量u（γ1）的评定

根据上文提及的两种方法，分别用多功能电测产品检定装置和三相电能计量质量现场测试仪，在相同的参比条件下测量0.5级被检功率仪表，对该被检表按照检测点在重复性条件下进行10次测量，并根据贝塞尔公式求出单次实验标准差S，误差测量结果见表2。

表2 重复性测量结果 单位：%

考虑到不同的被检表之间的差异，取测量实验标准差最大值的2倍作为测量结果的分散性引起的标准不确定度分项，则两种方法的不确定度分量为

多功能电测产品检定装置：u（γ1）= 0.009%×2 = 0.018%

三相电能计量质量现场测试仪：u（γ1）′ = 0.013%×2 = 0.026%（直接电流接入）u（γ1）″ = 0.016%×2 = 0.032%（钳形电流互感器接入）

3.2.2 不确定度分量u（γ2）的评定

3.2.2.1 标准器误差的不确定度

多功能电测产品检定装置和三相电能计量质量现场测试仪直接接入方式测量的误差绝对值不会超过±0.05%，即分散区间的半宽为a= 0.05%，在此区间可认为服从均匀分布，则标准器的误差的不确定度分量为。

由于三相电能计量质量现场测试仪使用电流钳型互感器测量，则误差绝对值不会超过±0.2%，即分散区间的半宽为a= 0.2%，在此区间可认为服从均匀分布，则标准器的误差的不确定度分量为。

3.2.2.2 测量结果数据修约化整

0.5 级被检表的数据修约化整间距为0.05%，分散区间的半宽为a= 0.025%，在此区间可认为服从均匀分布，即。

不确定度分量u（γ2）的标准不确定度合成：

多功能电测产品检定装置和三相电能计量质量现场测试仪（直接电流接入）：

三相电能计量质量现场测试仪（钳形电流互感器接入）：

3.2.3 合成标准不确定度的评定

标准不确定度uc( γ )的计算，根据

多功能电测产品检定装置：uc( γ ) = 0.037%

三相电能计量质量现场测试仪（直接电流接入）：uc（γ）′ = 0.041%

三相电能计量质量现场测试仪（钳形电流互感器接入）：uc(γ) ″ = 0.121%

3.2.4 扩展不确定度的评定

扩展不确定度为合成标准不确定度uc和包含因子k的乘积，取包含因子k= 2，则扩展不确定度U为

多功能电测产品检定装置：

U=kuc(γ) = 2×0.037% = 0.074%

三相电能计量质量现场测试仪（直接电流接入）：U′ =kuc(γ)′ = 2×0.041% = 0.082%

三相电能计量质量现场测试仪（钳形电流互感器接入）：U″ =kuc(γ)″ = 2×0.121% = 0.242%

4 分析与总结

由表1的试验结果及不确定度相叠加，可得出如表3所示测量误差，利用两种方法测量同一被检表，得到的测量误差的最大差值为0.05%，仅约为被检表准确度的1/10，几乎无差异。通过试验数据分析，可判定导致两种方法的测量结果偏差的主要因素为标准器的准确度等级。当标准器准确度等级足够高时，两种方法得出的测量结果是一致的；当标准器的辅助设备的准确度等级不太高时，则要对测量结果进行数据修正（本试验中根据标准器的溯源数据可以得出在100 V、5 A时的修正值为0.15%），以得到准确的测量结果。由此，可总结得出两种功率测量方法在现场测量功率时能够得到相同的测量结果。

表3 测量结果 单位：%

5 结语

本文根据测量原理，通过理论分析和实测试验，分析比较了两种电能功率现场测量方法及其相应的测量接入方式的计量性能，结合日常的功率现场测量工作，得出测量方法对测量结果的准确度和测量不确定度的影响，验证了前端加源测值法和后端同步测值法的测量一致性，从测量技术上对电能功率现场测量工作进行分析，可为电能功率现场测量提供一定的技术参考。

[1] 张勤，曹瑞基. 计量检测人员培训教材·电磁计量 [M]. 北京：中国计量出版社，2007.

[2] 蓝永林. 交流电能计量 [M]. 北京：中国计量出版社，2009.

[3] 黄丽贞. 电测仪表的测量误差及其减小方法[J]. 科技信息，2010（21）：.

[4] 朱金英. 关于多功能电参数测量仪的检测方法[J]. 云南大学学报(自然科学版), 2009, 31 (S2): 313～316.

[5] 全国法制计量技术委员会JJF 1059.1-2012 [S]. 北京：中国质检出版社，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