测量不确定度在电能表现场检验中的应用

周亚群 张 钢 章春香 刘 欢 王志浩

（西安热工研究院有限公司，西安 710054）

0 引言

国内现有检定规程对电能表的检定均在实验室标准条件下进行，但在实际的电力系统中，存在着各种干扰信号，如电力谐波和间谐波电压、电流畸变、电网电压基波分量频率和幅值的随机波动、过电压、电压跌落、电压突降等。由于传统标准表法检定电能表并不具备相应的干扰功能，不能很好地反映电能表在实际运行中的计量性能是否合格，因此，在实验室条件下检定合格的电能表未必能满足在实际运行条件下的计量要求[1]。同时，在实际负荷运行中，运行方式的改变、接线的错误等都会造成计量的差错[2]。欧盟规定，计量器具必须保证在实际运行环境中也能实现所设计的功能[3]，同时DL/T 448—2016《电能计量装置技术管理规程》[4]规定，运行中的电能计量装置应定期进行电能表现场检验，因此对电能表在实际运行条件下开展现场检验十分必要。

测量不确定度是用来描述测量结果不确定性的一个参数。由于测量不完善和人们的认识不足，测量值具有分散性，即每次测得的结果不是同一值，而是以一定的概率分散在某个区域内的许多个值。因此，测量不确定度已逐步成为评定测量质量、确保测量合理可靠的重要手段。

1 电能表现场检验工作原理

电能表现场检验是指电能表在线检验时，将电能表现场校验仪看作一台准确度等级高于被检电能表且具有辅助功能的标准电能表，将标准电能表通过专用试验端子接入与被检电能表相同的电流回路、电压回路，从被检电能表的电流接线端子获取电流信号，从其电压接线端子获取电压信号，应保证在检验过程中严禁电流回路开路、电压回路短路。在标准电能表达到热稳定后，且在负荷相对稳定的状态下，读取标准电能表在被检表输出低频脉冲的同时输出的高频脉冲数，将其作为实测脉冲并与算定脉冲相比较，算得被检电能表现场检验时的误差。现场检验时，推荐用光电转换器采集被检表的脉冲信号。图1为电能表现场检验的工作原理示意图。

图1 电能表现场检验工作原理示意图

在进行电能表现场检验时，电流采样可选取直接测量法和钳表测量法两种方法。直接测量法可获取较准确的电流值，但现场工作时存在一定的安全风险，同时在电流连接线上产生的各种寄生耦合电感、引线电感等均会对测量结果有较大的影响。为便于现场操作、减少安全隐患，可采用钳表测量法，在不断开线路时，采用所携带的在线电能表现场校验仪配备的高准确度等级的钳形电流表，从在线运行的被检电能表的电流端子获取电流信号，其计量原理是建立在电流互感器工作原理基础上的，所以钳表互感器铁心闭合程度、剩磁情况及钳表本身的准确度等级等因素均会对测量结果有较大的影响。

2 测量不确定度评定

2.1 标准不确定度的A类评定

标准不确定度的A类评定[5-7]是对测量进行重复观测，用统计分析方法获得实验标准偏差s(yi)，通常用重复性测量条件下所得检定或校准结果的分散性来定量地表示，即用单次检定或校准结果yi的实验标准差s(yi)来表示。当检定或校准结果由N次重复测量的平均值得到时，检定或校准结果的重复性引入的不确定度分量为。

在重复性条件下，用计量标准对被测对象进行n次独立重复测量，若得到的测量值为yi（i=1, 2,…,n），则其重复性标准差s(yi)为

被测量估计值的A类标准不确定度uA为

2.2 标准不确定度的B类评定

标准不确定度的B类评定方法是根据有关信息或经验，判断被测量的可能区间，假设测量值是概率分布，根据概率分布要求的概率p确定k，则B类标准不确定度uB为

式中：a为被测量可能值区间的半宽度；k为包含 因子。

区间半宽度a一般根据以下信息确定：①以前测量的数据；②对有关技术资料和测量仪器特性的了解和经验；③生产厂提供的技术说明书；④校准证书、检定证书或其他文件提供的数据；⑤手册或某些资料给出的参考数据；⑥检定规程、校准规范或测试标准中给出的数据。

2.3 测量不确定度评定数学模型

在进行电能表现场检验测量误差的测量不确定度B类评定时，本文仅考虑电能表现场校验仪本身的影响，忽略现场温度及接线方式和相位角识别错误引入的附加误差等B类不确定度分量。电能表现场检验测量误差的数学模型为

式中：e为电能表现场检验误差值；x为电能表示值；x0为电能表现场校验仪示值。

数学模型中各输入量互不相关，所以合成标准不确定度为

2.4 示值误差测量不确定度的符合性评定

依据计量检定规程以外的技术规范对示值误差进行评定时，需对示值误差是否符合最大允许误差做符合性判断，对评定得到的示值误差进行测量不确定度评定。不确定度是指与测量结果相关联的参数，用来表征合理地赋予被测量之间的分散性。在可保证重复性和复现性的状态下得到的测试结果才用不确定度来表示。由于在进行电能表现场检验时，实际负荷情况是实时变化的，故其他因素相同时，由于测量条件不同会有不同的不确定度，因此需考虑测量不确定度对示值误差的影响。

在进行符合性评定时，当示值误差的测量不确定度与被评定测量仪器的最大允许误差的绝对值之比小于1/3时，无需考虑示值误差的测量不确定度对符合性评定的影响，但当示值误差的测量不确定度与被评定测量仪器的最大允许误差的绝对值之比大于1/3时，必须考虑示值误差的测量不确定度对符合性评定的影响。若示值误差小于最大允许误差与扩展不确定度之差时才可判断合格；若示值误差大于或等于最大允许误差与扩展不确定度之和时可判断不合格；若示值误差既不符合合格判定又不符合不合格判定时，需对准确度等级更高的标准装置通过增加测量次数或改善测量方法等来降低误差的测量不确定度，然后重新进行判定[8-10]。

3 电能表现场检验案例分析

选取科陆CL3121B 0.05级电能表现场校验仪对有功0.5级三相四线式电能表进行电能表现场检验，电能表现场校验仪配备的钳表等级为0.1级。被检电能表参数见表1。

表1 被检电能表参数

3.1 电能表现场检验误差数据

实际运行工况：U=100V，I=0.5A，cosφ=0.89L。分别采用直接测量法、钳表法进行电能表现场检验，每种电流采样方式均进行十次测试，分别读取不同电流采样方式下被检电能表现场检验时的误差见表2。

表2 被检电能表现场检验误差

3.2 直接测量法测量不确定度评定

根据表2中误差数据，采用贝塞尔公式（2）计算重复性引入的测量不确定度分量uA，得uA=0.073%。（算术平均值的实验标准偏差）。电能表现场校验仪经上级计量机构量值传递合格，使用说明书中技术指标有功电能测量直接测量，电流0.1～12A时，最大允许误差e=±0.05%，则其半宽a=0.05%，在区间内认为服从均匀分布，包含因子，根据式（3） 得uB=a/k=0.029%。由式（5）得0.078%。扩展不确定度=Kuc=0.163%（扩展系数K=2）。

3.3 钳表法测量不确定度评定

根据表2中误差数据，采用贝塞尔公式（2）计算重复性引入的测量不确定度分量，得uA=0.181%。（算术平均值的实验标准偏差）。电能表现场校验仪经上级计量机构量值传递合格，使用说明书中技术指标有功电能测量钳表测量，电流0.1～12A时，最大允许误差e=±0.1%，则其半宽a=0.1%，在区间内认为服从均匀分布，包含因子，根据式（3） 得uB=a/k=0.058%。由式（5）得0.181%。扩展不确定度=Kuc=0.362%（扩展系数K=2）。

根据示值误差是否符合最大允许误差做符合性判断，对评定得到的示值误差进行测量不确定度评定。0.5级电能表现场检验时直接测量法、钳表测量法测量不确定度评定结果见表3。

表3 测量不确定度评定结果

4 结论

电能表现场检验方法在电能表实际运行下的电能计量性能评估中发挥着重要作用。使用电能表现场校验仪进行电能表实负荷测试时，不同的电流采样方式对测量结果产生不同的影响。对于0.5（S）级电能表，直接测量时，扩展不确定度小于1/3最大允许误差，电能表实负荷测试时电能表误差值无需考虑测量不确定度的影响。但采用钳形表测量时，由于扩展不确定度大于1/3最大允许误差，电能表实负荷测试时电能表误差值应考虑测量不确定度的影响。建议进行电能表实负荷校验时，电流采样优先采用直接测量法。