高压电能计量现场校准装置及其不确定度分析

朱媞媞 （大庆油田技术监督中心）

大庆油田作为我国最大的石油生产基地之一，经过近几十年的开发建设，现有多个采油厂和多个大型石化企业，其部分业务已经扩展到全国和海外[1]。

作为用电大户，油田主要配备的是10 kV和6 kV 的高压电网[2]。近年来随着新建产能和采油新技术应用，油田用电量逐渐增加[3]。由于高压电网投入使用时间比较早，其电能计量设备数量巨大，对其计量准确度做出科学的测量评估，将为油田的设备维护更新、技术改造、数字化油田建设等[4-6]提供强有力的决策支持。

大庆油田常见的高压电能计量设备主要有高压电能计量箱和高压计量柜等形式。在高压电网中高压电能计量设备主要由电压互感器、电流互感器（或组合互感器）、智能电能表以及计量二次回路等部分组合而成[7]，这些计量器具的计量准确度主要是采用对电压互感器、电流互感器（或组合互感器）、智能电能表和计量二次回路进行分别校准，难以得到可靠的评估。就高压电网现场运维的情况来看，高压电能计量设备是需要长期连续的工作在高压电网上的，不能像其他的计量器具一样通过定期或不定期的送检来保证其计量准确性[8-9]。大庆油田下属各采油厂分布分散，电网复杂，很多高压电能计量设备安装在现场之后不便于拆卸，且拆卸作业需要提前报告并将连续几天断电，影响油田生产。由于拆卸的实际操作难度大，用户也希望测试单位能到现场进行校准。

国际上公认的高压电能计量可分为室内（inhouse）检定和现场（on-site）校准两个部分[10]，室内检定为确保高压电能计量的可靠提供量值溯源，而现场校准则为高压电网运行提供有效而持续的计量保证。2013 年，中国计量科学研究院研制出了世界上第一个高压电能计量标准装置[11]，采用电压/电压转换器（V/V）、电流/电压转换器（I/V）以及三相标准功率源等技术，按实际电网参数进行操作，给出了高压电能计量的整体校准思路，对高压电能计量设备实现了室内校准。

目前对高压电能计量设备的现场校准还无法以整体的形式进行。高压电能计量现场校准装置，将现场使用环境中的高压电能计量设备作为一个整体，不考虑设备内部各部分的关联和影响，将被校准的高压电能计量设备与现场校准装置通过高压电缆连接在一起，形成回路，由现场校准装置的功率源输出标准功率，将多功能标准表测得的标准电能值与被校准的高压电能计量设备显示的电能值进行比较分析，从而得出被校准高压电能计量设备的误差。

1 装置简介

高压电能计量现场校准装置是将高压三相标准功率源作为核心，与多功能标准表以及标准的电压互感器、电流互感器结合起来，与V/V、I/V 转换器以组合的方式，对高压电能计量设备进行整体校准。

高压三相标准功率源由测控单元和谐波信号源、功放单元、升压升流单元组成。

多功能标准表由测控单元、三相I/V 变换器和三相V/V 变换器组成。

高压电能计量现场校准装置的工作原理见图1。该装置实际上是一个高压的、大电流的标准功率源，主要由三个部分组成：①传感单元，三相V/VA、V/VB、V/VC转换器把三相高压转换为满量程是200 mV 的交流电压UVA、UVB、UVC；三相I/VA、I/VB、I/VC转换器把三相电流转换为满量程是200 mV 的交流电压UIA、UIB、UIC；测量单元通过SA、SB、SC提供直流供电；装置通过安全虚地GS与配电装置的接地端子连接，以确保装置的安全。②测量单元，传感单元传输来的三相六路电压信号通过测量单元进行A/D 变换，从而求出三相电压、电流、功率和电能。③数据处理与通讯单元：在这里把被校准单元的测量结果和标准功率源输出的标准数值进行比较，得出被校准高压电能计量设备的误差。

图1 高压电能计量现场校准装置的工作原理Fig.1 Working principle of field calibration device for high-voltage electric energy measurement

高压电能计量现场校准装置如图2 所示。图中上方为装置的外观，下方左图为高压输出部分，下方右图为低压操作部分。

图2 高压电能计量现场校准装置Fig.2 Field calibration device of high-voltage electric energy measurement

高压电能计量现场校准装置大部分时间工作在高压环境，且工作时车内升流器、升压器将电压由220 V 升压至10 kV，因此要充分确保人身和装置的安全。高压电能计量现场校准装置的设备布局见图3。设备分为高压区和低压区两部分，在两区中间加装了一个高低压屏蔽隔断，保证安全距离，校准的所有操作全部在低压区完成；在隔断中间开了一个观察窗，便于两区域间的观察和联络；为避免有移动物体误入高压区域，将红外线监测装置和全自动交流稳压装置的安全功能整合到一体，一旦有移动物体进入高压区域，鸣声器马上报警，全自动交流稳压装置立即自动切断电源；在升流升压器的底部安装接地端子，进行有效接地[12]。

图3 高压电能计量现场校准装置的设备布局Fig.3 Equipment layout of of field calibration device for high-voltage electric energy measurement

对高压电能计量设备进行现场整体校准时，按其在电网中的实际使用状态，将高压电能计量现场校准装置与被校准的高压电能计量设备经过六条高压电缆连接起来。校准时采用功率乘时间的测量法——瓦秒法，将被校高压电能计量设备设定适当的脉冲数，每个校准点的校准时间不少于10 s ，在此脉冲数产生的时间段，高压电能计量现场校准装置输出标准电能值与被校高压电能计量设备同时测得的电能值相比较，确定被校准高压电能计量设备的相对误差。

2 不确定度分析

依据Q/SY DQ1691—2015《高压电能计量装置校准方法》 要求，测量方法采用瓦秒法，按式（1）建立数学模型。

式中：γ为被检高压电能计量设备的误差，%；γm为高压电能计量现场校准装置测得的误差，%；

充分考虑人机料法环各个部分，认为现场校准过程中测量不确定度的主要来源为设备和方法，人员操作、环境和材料对不确定度分析的影响不大。高压电能计量现场校准装置有A 类和B 类两个不确定度的分量。A 类不确定度包括两个部分：一部分是重复测量得到的结果的标准偏差；另一部分是在一段时间内观察到的测量结果变化的随机部分，也就是由标准装置的高压三相标准功率源以及多功能标准表组合而成的核查体系所得到的标准偏差。B 类不确定度主要来自于上一级标准装置引入的的不确定度，以及整体校准装置在传递的过程中引入的残留偏差。选择不同的量程，L为感性负载、C为容性负载，在不同的功率因数（ cosϕ=1.0、cosϕ=0.5L、 cosϕ=0.5C）状态下，分别确定它们的基本误差。按式（2）贝塞尔公式计算得出标准偏差估计值σ（%）[13]：

式中：γi为进行第i次测量时，被校高压电能计量设备测量结果的基本误差，%；γˉ为各次基本误差γi的平均值；n为进行重复测量的次数，一般不能少于5 次。

针对高压电能计量现场校准装置的各个不确定度分量进行分析。

2.1 标准偏差和不确定度μAl

标准装置重复测量所得结果的标准偏差理论上等于高压三相标准功率源的标准偏差Ss和多功能标准表的标准偏差SM的均方根值。

2.1.1 多功能标准表的标准偏差

根据上一级检测机构出具的校准证书可以得到多功能标准表的标准偏差（表1）， 取电压10 kV、电流100 A、不同的功率因数（cosϕ=1.0、cosϕ=0.5L、 cosϕ=0.5C）处，记录A、B、C 三相的分相功率以及它们的合相功率的标准偏差。

表1 多功能标准表的标准偏差Tab.1 Standard deviation of multi-function standardized form

从表中数值里取最大的标准偏差值（cosϕ=0.5L），作为多功能标准表的不确定度分量，即多功能标准表的标准偏差为SM=22×10-6。

2.1.2 高压三相标准功率源的标准偏差

根据高压三相标准功率源的校准证书可以得到功率源的标准偏差（表2），取电压10 kV、电流100 A、不同的功率因数（cosϕ=1.0、 cosϕ=0.5L、cosϕ=0.5C）处，记录A、B、C 三相的分相功率以及它们的合相功率的标准偏差。

表2 功率源的标准偏差Tab.2 Standard deviation of power source

从表2 中数值里取最大的标准偏差值（ cosϕ=0.5L）， 作为高压三相标准功率源的不确定度分量，即高压三相标准功率源的标准偏差为：Ss=41×10-6。

测量结果的标准偏差SA1理论上等于高压三相标准功率源的标准偏差Ss和多功能标准表的标准偏差SM的均方根值，按式（3）计算可以得出测量结果的标准偏差SA1：

式中：SA1为测量结果的标准偏差；Ss为高压三相标准功率源的标准偏差；SM为多功能标准表的标准偏差。

代入数据计算并取整得出：SA1=47×10-6。也就是说，测量结果的标准偏差引入的不确定度为uA1=47×10-6。

2.2 长期稳定性试验结果及其不确定度uA2

对高压电能计量现场校准装置一段时间内观察到的测量结果变化的随机部分进行分析，也就是得出由装置的高压三相标准功率源以及多功能标准表组合而成的核查体系的标准偏差。

以2 个月的时间为间隔，对高压电能计量现场校准装置进行核查实验。在不同的功率因数（cosϕ=1.0、 cosϕ=0.5L、 cosϕ=0.5C） 状态下，由高压三相标准功率源输出，由多功能标准表测量，对所得测量结果的误差进行标准偏差计算，长期稳定性实验结果见表3。

表3 长期稳定性实验结果Tab.3 Test results of long-period stability

从表3 中数值里取最大的标准偏差值（ cosϕ=0.5C），作为高压电能计量现场校准装置的中长期稳定性引入的不确定度，即，uA2=11×10-6。

2.3 上一级的标准装置引入的不确定度uB1、 uB2

依据DL/T 448—2016《电能计量装置技术管理规程》[14]要求，对高压电能计量现场校准装置进行量值溯源，把经过国家电能标准校准过的多功能标准表作为传递标准使用，配合使用标准电压互感器、标准电流互感器，将量值传递到高压三相标准功率源。 电能量值溯源到国家的电能基准（3×10-5），同时借助国家的三相电能标准（1×10-4）以及国家的高压电流比例标准（2×10-5），将范围扩大到高压、大电流。平时把多功能标准表作为校准标准，通过自校准的方式，来监督和确认装置的准确性、可靠性，保证装置的长期稳定性。

由此可知，上一级的标准装置为国家电能标准装置、国家高压电流标准装置，从上一级检测机构出具的校准证书中可以查到上一级的标准装置引入的不确定度分别为1×10-4、2×10-5，包含因子k=2。则上一级的电能标准装置和高压电流标准装置引入的不确定度分量uB1=5×10-5，uB2=1×10-5。

2.4 残留偏差及不确定度UB3

从上一级检测机构提供的相关资料中可知，高压电能计量现场校准装置在传递过程中引入的残留偏差为30×10-6，即高压电能计量现场校准装置在传递的过程中残留偏差引入的不确定度为：uB3=3×10-5。

2.5 A 类不确定度uA 和B 类不确定度uB

表4 为各不确定度分量的汇总表，按式（4）、式（5）计算各不确定度分量均方根，可以得出A类不确定度uA和B 类不确定度uB。

表4 不确定度汇总Tab.4 Summary of uncertainties

式中：uA为A 类不确定度；uA1为测量结果的标准偏差引入的不确定度；uA2为高压电能计量现场校准装置中长期稳定性引入的不确定度；uB为B 类不确定度；uB1为上一级的电能标准装置引入的不确定度；uB2为上一级的高压电流标准装置引入的不确定度；uB3为高压电能计量现场校准装置在传递的过程中残留偏差引入的不确定度。

代 入 数 据 计 算 并 取 整 得 出uA=49×10-6；uB=60×10-6。

2.6 合成不确定度

uA与uB是相互独立不相关的，那么合成标准不确定度在数值上是各项参数按均方根合成的总不确定度，按式（6） 计算可以得出合成不确定度uC。

式中：uC为合成不确定度；uA为A 类不确定度；uB为B 类不确定度。

代入数据计算并取整得出uC=78×10-6。

2.7 扩展不确定度

包含因子取值k=2 时，按式（7）计算可以得出扩展不确定度U。

式中：U为扩展不确定度；k为包含因子，取值k=2 ；uC为合成不确定度。 代入数据得出U=1.56×10-4。

从扩展不确定度的结果可以看出，高压电能计量现场校准装置的不确定度为1.56×10-4，装置在现场校准的过程中能够保持稳定的性能指标。

与实验室及其他同类型装置相比，高压电能计量现场校准装置采用高压三相标准功率源和V/V、I/V 转换器组合的方式对高压电能计量设备进行整体校准。工作中使用多功能标准表对装置进行自校准，能够监督和确认三相电压、电流、有功功率、无功功率、相位以及三相的总功率等数据的测量结果，保证高压电能计量现场校准装置的长期稳定性。

3 结论

高压电能计量设备测量的电能量是以百万千瓦时计算的，高压电能计量现场校准装置解决了高压电能计量设备量值溯源的问题，大庆油田年校准量约350 台件，实现经济效益约100 万元。目前，大庆油田正在进行油田数字化建设，油田智能电网也在积极有序地推动。对高压电能计量设备的数据进行准确掌控，并在此基础上继续进行油田电网智能计量体系的研究，采用高压电能计量现场校准装置对大庆油田生产建设将起到积极的促进作用，对实现智能网络布局和产业技术升级具有重要意义。

高压电能计量现场校准装置在实际应用时还存在一些问题，例如：有的高压电能计量设备安装位置偏僻，道路狭窄，车辆无法进入；由于受试验场所、现场气候环境等因素的限制，试验中选取了高压电能计量现场校准装置全年现场检测较集中的时间段，没有在全年段做更多的试验，今后还需要进一步完善。下一步工作拟开发一款便携式校准装置，利用5G 技术和油田智能化模块，通过无线传输的方法，将便携式校准装置与高压电能计量现场校准装置相结合，完善检测技术，以适应油田发展的需要。