应用技术 ・ ■I 电能表自动化检定系统测量不确定度分析与评定 陈 岚 (台州市计量技术研究院台州318000) [摘要]结合电能表自动化检定系统特点,建立相关数学模型,主要从重复性、多路输出一致性、测量标准误差、电压回路与电流回路公共阻抗和环境影响 等s个方面全面分析标准不确定度误差来源,利用实验方法和数理统计,明确了电能表自动化检定系统测量不确定度的评定方法和简要步骤。 [关键词]电能表;自动化检定系统;不确定度 中图分类号:TG107 文献标识码:A 文章编号:1009—914X(2015)17-0199—03 1不确定度来源 (2)复现被测量的测量方法不理想; 国家计量技术规范JJF1059—1999《测量不确定度评定与表示》中指出:测 (3)取样的代表性不够,即被测样本不能代表所定义的被测量; 量中可能导致不确定度的来源一般有: (1)被测量的定义不完整, (4)对测量过程受环境影响的认识不恰如其分或对环境的测量与控制不完 善; 表1标准偏差值 (5)对模拟式仪器的读数存在人为偏移; 装置序号 S(%) (6)测量仪器的计量性能(如灵敏度、鉴别力闭、分辨力、死区及稳定性等) 。8幸=i 0 ∞8幸:弧SL 的局限性; (7)N量标准或标准物质的不确定度, 100A 10A O.2A 100A l0A 0.2A (8)引用的数据或其他参量的不确定度; 1 0.0520 O.o453 O.O3l0 O.O457 0.0417 0.0257 (9)测量方法和测量程序的近似和假设, 2 O.0317 0.0332 0.0975 0.0390 O.O265 0.0571 (1O)在相同条件下被测量在重复观测中的变化。 3 0.0302 0.0441 0.0521 0.O451 0.0335 0.O682 根据以上不确定度来源,可确定电能表自动化检定系统的标准不确定度来 4 0.0502 0.0540 0.0707 0.o694 0.0761 0.0786 源主要包括以下,个方面:重复性、多路输出一致性、测量标准误差、电压回路与 5 0.0396 0.o279 0.0522 0.0340 0.0639 0.0741 电流回路公共阻抗和环境影响等。 出高电平-离开感应区,输出低电平。根据这一特点,可用于设计红外入侵监控 3.3系统软件部分 系统。另外,可以设置光敏控制,可以用于楼道照明,在白天的时候不感应,晚上 传感器节点的程序设计分为主程序、各项功能子程序(温度、湿度、通信 光线弱的时候感应。 等)、人机交互子程序组成。主程序完成各部分模块的初始化工作,并等待中断, 兰.设计方案 定时时间到时进行传感器节点的数据采集,读取数据并存储。为便于节点的维 本设计将系统从功能上分为多个子系统:消防报警与控制系统、环境控制 修工作,节点程序还需要具有一定的人机交互功能。而一些汇聚节点需要具有 与管理系统、保安监控系统、照明控制与管理系统、电力供应及管理系统 交通 管理各个传感器节点的功能,定期查询各节点数据并将需要传送的数据传送给 运输系统。各个子系统采用不同的传感器检测,并将检测所得数据通过ZigBee 上位机监控程序。 子节点传输。 上位机软件祷要获取信息、处理信息并显示给操作者,一旦发生异常则发 系统框图如(图1): 出警报。从无线传感器网络中获取信息采用串口的方式,数据显示应简明易懂, 3.1系统整体要点 要存储历史信息以方便对比及分析趋势。同时需要具有各节点的位置信息,~ 基于无线传感网络的楼宇监控系统在应用过程中应注意以下几点:其一, 旦发生异常可以及时处理。 系统的可行性,是否容易实施,二,可扩展性,由于信息系统的不断发展以及系 四 系统缺点和挑战 统前期成本的,系统未来可能会有更新,因此当前设计必须给未来更新留 其自组织、自适应的特性让楼宇监控系统的可靠性有了很大保障。避免了 有余地,三,稳定性,必须保证系统能长时间运行,有极低的故障概率,一旦发现 有线连接,节点的部署更加容易,监控系统的成本也大大降低。但是也存在一些 系统中存在异常,应能及时通知客户,四,高媲陛,系统所有功能都能有效应用, 挑战,首先传感器节点受到能量,需要整个传感器网络维持低功耗,这对设 避免冗余,浪费资源;五,易操作性,由于监控系统建成后的操作人员一般是保 计者是一个比较大的挑战。楼字监控系统往往是一个庞大的网络,传感器节点 安,他们一般不具有超强的计算机操作能力,因此需要人机互动简明易懂,容易 众多,如果采取人工管理,费用过高,因此需要网络具有一定的自我检测和修复 上手。 的能力,以降低成本。无线传感网络结构和普通的网络有很大差异,传统的网络 3 2系统结构 安全设施并不适用于无线传感网络。本设计采用单频率通信,极易受到网络攻 从网络层面上,楼宇监控系统可以分为无线传感网络和上位机监控部分。 击,因此需要一个适合无线传感网络的有效安全机制。本设计中没有考虑将上 传感器网络包含了传感器节点、汇聚节点及管理节点,各个节点可以随机分布, 位机接入互联网,监控距离会受到一定。另外在实际操作中,需要的传感器 通过自组织方式组网。由于发射功率随通信距离增大而增大,为解决功耗增大 种类会多于本设计涉及的传感器种类。 的矛盾,采用中继多跳的方式进行通讯。上位机采用的是个人电脑,上位机监控 五.总结 软件将采集到的数据进行存储、分析、处理、显示,并在故障时报警。 基于无线传感网络的楼宇监控系统在国内兴起,为楼宇监控系统的发展提 根据楼宇监控区域的大小、节点数量和能耗等情况采用适合的网络拓扑结 供了一个新的方向。本文设计的基于ZigBee的无线传感器网络在具备无线、可 构对降低成本,提高监控系统的实用性有很大帮助。由于监控区域范围较广,节 靠等优势的情况下也存在一些弊端 但是,可以预见,基于无线传感网络的楼宇 点数目多,分布于多楼层,需要着重考虑能耗问题(布线完成后更换电池比较 监控系统将得到更加广泛的应用 难)以及通信距离的,不宜采用星形结构。而网状结构对节点要求高,需要 参考文献 大部分节点为功能节点,成本较高 簇状树形网络由于其能耗低 健壮、便于扩 …1韦文舂.浅议高层住宅楼宇监控系统的设计方案[JJ.城市建设理论研 展的特点,适合因此本文采用簇状结构。 究.2012(28). 在楼宇监控系统中,每个房间放置一个ZigBee子节点,该节点连接多种传 [2]姚忠孝.基于无线传感器网络的楼宇能耗检测系统研究与发现[D].浙 感器,负责采集各个传感器的数据如温度湿度信息,通过多跳方式发送信息至 江工业大学.2010. 上级路由节点。每个楼层都设置一个路由节点,用来收集下级子节点传来的数 [3】何佩.基于无线传感器网络的楼字结构的监测系统的研究[D1.江南大 据,并将数据传至中心节点。中心节点负责协调网络,并和远程控制中心实现网 学.2012. 络连接,使远程控制中心能够有效监控整个楼宇。 [4]崔然,马旭东,彭昌海.基于无线传感技术的楼宇环境监控系统设 J】. 系统结构图如下: 现代电子技术.2010(7). 科技博览{ 199 应用技术 l■ 表2#l装置测量误差 表位序号 = s =!O :S车=: lO0A lOA 0.2A lOOA 10A 0.2A 1 0.007 0.008 0.008 O.01 3 0.041 0.054 9 一O.002 0.019 0.Ol1 0.022 0.057 0.067 l0 一O.020 0.020 0.01O 一0.009 0.053 0.068 16 —0.0lO 0.022 0.009 O.016 O.O53 0.064 l9 —0.019 0.O21 0.009 一O.015 0.052 0.064 75 —0.040 0.O18 ().O1O —O.043 0.050 0.062 78 一O.041 0.020 0.O12 —0.039 0.050 0.060 84 一O.022 0.02l 0.009 —0.007 O.O53 0.062 30 —0.022 O.O19 0.008 —0.016 0.057 0.070 31 —0.001 0.022 0.009 0.023 0.061 0.071 MAX 0.007 0.022 0.012 0.023 O.061 0.07l MIN —O.041 O.008 0.008 —0.043 0.041 0.054 表3#2装置测量误差 表位序号 =s审=1 O S串:曩j lO0A 10A 0.2A 1OOA 10A O.2A 47 一O.058 0.005 O.0l6 —0.069 0.036 0.064 48 一O.039 0.Ol1 0.0l6 —0.032 O.042 0.063 53 ~0.035 O.O14 0.016 —0.036 0.040 0.060 54 一O.o65 0.01l 0.028 一O.093 0.034 0.059 55 —0.049 0.012 0.016 -0.07l 0.038 0.059 65 一O.026 O.014 O.014 —0.021 0.041 0.059 66 一O.022 O.O13 0.022 一O.015 0.042 0.059 26 —0.049 O.0l1 0.016 一O.052 0.040 0.068 27 —0.044 0.Ol3 0.016 —一0.047 0.040 0.069 l5 一O.024 0.014 0.O17 一O.Ol7 0.04l 0.067 MAX —O.022 0.014 0.028 -0.Ol5 O.042 0.069 MIN —O.O65 0.005 O.014 —0.093 0.034 0.059 表4#3装置测量误差 表位序号 :。s审=i 0 ::S唪=0 ;已 100A lOA 0.2A lO0A l0A O.2A l5 —0.028 0.OlO 0.027 一O.034 0.044 0.076 l8 —0.038 0.OlO 0.043 —0.061 0.039 0.070 25 ~O.029 0.013 0.021 一O.028 0.045 0.072 3l —O.022 0.012 0.028 一O.030 0.045 0.063 40 一O.O2l O.O12 0.028 一O.027 0.O44 0.058 43 —0.Ol7 O.O13 0.027 一O.O13 0.048 0.059 47 —0.022 O.O11 0.Ol9 一O.022 0.046 0.056 53 —0.023 0.Ol6 0.022 —0.020 0.046 0.047 62 -0.017 0.0l3 0.024 ~O.019 0.044 0.047 66 —0.021 一O.Oll 0.027 —0.033 0.044 0.056 MAX ~O.O17 0.0l6 0.043 一O.0l3 0.048 0.076 MIN —O.038 -0.0ll 0.019 一O.O6l 0.039 0.047 2电能表自动化检定系统组成 电能表自动化检定系统由电能表检定输送系统和电能表检定装置两部分 组成。其中,检定输送系统主要包括上料单元、输送支线单元、自动接拆线单元、 图像识别单元(可选)、自动打标单元(可选)、下料装箱单元、异常下料单元、空 箱缓存单元、工况监测单元等;检定装置主要包括耐压检定装置和多功能检定 装置。 根据检定作业量大小,检定系统可由多个基本检定单元组成。每个检定单 元具有一套检定输送系统和若干检定装置完整的功能模组,可自动完成检定作 业的基本流程。通过检定输送系统将各组成部分有机组合、紧密集成,实现电能 表的上料、输送、分拣、定位、接拆线、检定、图像识别(可选)、打标(可选)、装箱 等检定作业的全过程自动化、智能化,形成以流水线方式不间断作业的全自动 检定系统。 3不确定度评定方法 下面以单相电能表自动化检定系统为例,进行不确定度分析和评定。 3 1概述 200科技博览 表5#4装置测量误差 表位序号 ::8车=: ::S带=:i 1O0A l0A 0.2A 1OOA 10A 0.2A 67 —0.030 0.019 0.039 O.O31 O.048 0.056 75 一O.O14 0.021 0.028 —0.Ol6 0.053 0.054 83 —0.024 0.O17 0.O18 一O.047 0.052 0.054 65 —0.025 0.O15 0.037 —0.039 0.O51 0.053 60 —0.037 0.020 0.022 0.072 0.045 0.053 53 一O.023 0.026 0.023 —0.040 0.052 0.053 46 一O.Oll 0.025 0.022 —0.018 0.053 0.056 38 一().034 0.0l7 O.O3l 0.050 0.049 0.061 30 —0.Ol8 O.Ol9 0.031 一O.025 0.O55 0.063 23 一O.046 0.016 O.021 一O.083 0.049 0.061 MAX —O.O1l 0.026 0.039 —0.0l6 0.055 0.063 MIN —O.046 0.015 O.O18 ~0.083 0.045 0.053 表6#5装置测量误差 表位序号 s孛:i O 8出= jL lOOA 10A O.2A lOOA 10A 0.2A 45 一O.020 —0.003 一O.006 0.004 0.026 0.045 37 —0.045 —0.004 —0.005 ~0.033 0.O21 0.043 28 一O.023 ~0.Oo6 —0.008 O.O09 0.025 0.041 2l 一0.045 —0.004 —0.007 一O.035 0.021 0.041 15 —0.067 —0.003 一O.001 一O.080 O.Ol8 0.040 8 -0.037 —0.002 一O.004 —0.029 0.022 0.037 l 一0.053 —0.007 —0.008 —0.050 0.007 0.042 48 —0.035 —0.003 0.000 一O.Oo6 0.024 0.042 70 —0.O31 一O.001 一O.009 一O.008 0.024 0.022 90 —0.043 —0.004 —0.010 一O.03l 0.021 0.033 MAX ~O.020 一O.001 0.000 0.009 0.O26 0.045 MIN —O.067 —0.007 一O.O1O 一0.080 0.007 0.022 表7装置测量误差最大变差 功率因数 ::s帝:i 0 : S串:0囊L 负载电流 lO0A 1OA O.2A l00A 1OA 0.2A 最大变差 0.089l 0.0696 0.0821 0.068l O.O515 O.0638 表8环境影响最大变差 最大变差 嚣0s串: 0 0 S牵::0三_L 100A 1OA 0.2A lO0A 10A 0.2A MAX 0.007 0.026 0.043 0.023 O.061 0.076 MIN —O.O67 —0.011 一O.010 一O.093 0.007 0.022 MAX— 0.074 0.037 O.O53 0.116 0.068 0.098 MIN (1)测量依据:JJG596—1999((电子式电能表》; (2)环境温度:(2o±2)℃ 相对湿度:(60±15)%RH; (3)测量标准:单相电能表自动化检定系统1号单元(含5台单相电能表检定 装置,每台装景90表位); 装置测量范围:220V,(0.1~100)A; 装置准确度等级:0.1级; (4)被检对象:2级单相费控智能电能表,220V,l0(100)A,2级; (5)测量过程:单相电能表自动化检定系统输出功率给被检表,并对被检表 进行积分,得到的电能值与装置输出的标准电能值比较,从而得到被检表在该 功率下的相对误差。 3 2数学模型 被检电能表相对误差; l ——单相电能表自动化检定系统测得的相对误差 应用技术 ●I 表9标准不确定度一览表 序号 不确定度来源 1 0.069% l O.O69% O.067% 在重复性条件下由测量示值不重复引入的标准不确定度: 丑 2 O.116% 多路输出一致性引入的标准不确定度。2 3 测量标准误差引入的标准不确定度“3 : s嗥:l O时O.1‰ :: s孛=1 0时O.058%; :::s孛=g 2 2iS幸 4 0.090% -8C时.:0.15%; 。s =£训。・8C时:O.087%; =S率 0 C时:0115%。 .ie时:02%。 0.052% O.051% 电压回路与电流回路公共阻抗引入的标准不确定度 毒 5 0.089% 环境影响引入的标准不确定度 S 1 。 灵敏系数:l j一‘}● 选择1号检定装置,自动压接满90只电流规格为10(100)a的电能表,在单 相电能表自动化检定系统正常运行的情况下测试第一次误差。第一次误差测试 3 3标准不确定度评定 3.3.1在重复性条件下由测量示值不重复引入的标准不确定度 选取9O只10(100)A规格的电能表分别在5台装置上进行重复性测试,每台 装置每个负载点分别选取标准偏差最大值如下: 取最大值S==0+0日75%;在实际测量中,基本误差取二次测量的平均值, S 完毕后,清空除1号检定装置以外的所有电能表,手动操作l号检定装置测试第 二次误差,除1号检定装置以外的所有用电设备均停止 :作。两次测量误差最大 差值如下: 取最大值0.089%,按照矩形分布 === ,则 “ =0 039%寺-I3 =0 05i%。 3 4合成标准不确定度 故、tj ~ =0 069%。由于重复性包含了分辨力引入的不确定度分量, 、 为避免重复计算,不再考虑分辨力引入的不确定度分量。 3.3.2多路输出一致性引人的标准不确定度 2 3.4.1标准不确定度一览表 3.4.2合成标准不确定度评定 由于各项标准不确定度分量是互不相关的,所以合成标准不确定度 可 表示为: …一… 。 。 一。 单相电能表自动化检定系统有5台装置,每台装置有90表位。相对单相电能 表自动化检定系统,其5台装置之间,以及450 ̄"表位之间的不一致会引入标准 不确定度,利用电能表自动化检定系统的自动接拆线机构将高稳定标准电能表 接入被检表位置,每个装置随机抽取lO个表位进行检测,误差数据如下: 在5台装置各个负载点分别选取误差最大值和误差最小值,可得出最大变 差如下: 硝审:。o时 一,’K专《+ + ;机 = j4% 一————…——一 。。s毒==0 墓呈 0.8C时:0.15%;- 。 s =0 5£时:0.2%。H =3 5扩展不确定度、 .f I- ;+。 十。:十“: 0j。。母6 -●- 。‘●_。●。 。--’’。- -- _。- 一 -。。 。-。‘_ 。●。_。●。^ 取最大变差0.116%,按照矩形分布 = 丐,则 . i+ + + ;+!{ =0 i67% ,=0.ii6%÷、,3=0 067%。 3.3.3测量标准误差引入的标准不确定度“3 按照JJG597—2005((交流电能表检定装置*规程规定,0.1级单相电能表检 定装置测量范围内的最大允许误差: c0s审:i。O时:0.1%; 不确定度既然是对真值所处范围的评定,而此范围与一定的鬣信概率有 关。对于正态分布,合成不确定度的置信概率为0.68,但是实际使用中往往希望 把置信概率提高一些,即扩大置信概率,扩大置信概率后的不确定度称为扩展 不确定度。根据国际上和国内计量规范的规定,扩展不确定度用u表示,计算公 式如下: 系数惫是置信因素又称包含因子,在不同置信概率p下, 值也不同。在电 c0s中::0.5L10 ̄.8C时:0.15%‘ c0s审=0.5C时:0.2%。 其不确定度按照矩形分布K=、/3,则 ccs审: .0时:I{ =0.1%÷、,3=0。058哆b; c。s审===0.51.1t? 8C时:“3=0.15%专、,3 0.O嚣7%; c0s中=0.SC时: :O 2。屯÷ 3一-0 i1.5 6。 能表标准装鬣中,辩值一般取2,置信概P=0,95%。单相电能表自动化检定系统 检定2级单相电能表,其基本误差测量结果的扩展不确定度为: c0s串 i。0时: :=赫H一・=0.27峰6 A=2 ≈=2 CC!S巾 0 51.10.8C时:0.15%} ~ 一R :0 30% 3.3.4电压回路与电流回路公共阻抗引入的标准不确定度 t 4 由于单相电能表自动化检定系统的电压回路与电流回路不脱钩,电压回路 与电流回路间存在一个公共阻抗一 ,CC,S ==0.5C时:0.2%。 f == ! =:0.33譬蠹 4结论 是 .2 +冀, 其中:嗣,——公共线路阻抗,是个定值; 电能表自动化捡定系统不确定度评定的关键是要找出所有不确定度分量, 也就是找出所有对检定结果可能产生影响的因素。结合传统检定装置不确定度 分析方法,并通过大量的试验和数据分析,可以确定影响电能表自动化检定系 统检定结果的因素主要包括重复陛、多路输出一致性、测量标准误差、电压回路 与电流回路公共阻抗和环境影响等5个方面 明确了电能表自动化检定系统测 冀 ——为接拆线机构压接产生的接触电阻,每次压接都不一样,大电流 时还因发热而变大,是个变量。 电流I流过口 时产生的压降为,与电压回路的参比电压 进行叠加而引入 }品 了误差 ≥。在自动接线情况下测试第一次误差,然后人工接线使电压回路直接 接人被检表(此时公共阻抗露 0)再测试第二次误差。 ,则 在参比电压为220V、电流100A时,两次误差之差基本上在0.040%~ 0.0 9 0%之间,取最大值0.0 9%,按照矩形分布 = 量不确定度的评定方法和简要步骤,对于电能表自动化检定系统的设备维护与 检定质量管理具有重要的参考意义。 参考文献 [1】吴剑芳.电能表标准装置的不确定度分析和计算.浙江电力,2002年第 4期:63—65. [1]JJG 596—1999电子式电能表检定规程. [2】JJG 597—2005交流电能表检定装置. {^:=O.090%÷、/3=0 0S2%。 3.3.5环境影响引人的标准不确定度 单相电能表自动化检定系统的各种监澳J设备、控制设备、机器人、输送线等 设施产生的各种电磁、噪声等都会对检定结果产生影响。 [3]JJF 1059-t999 ̄量不确定度评定与表示. 作者简介 陈岚:女;民族:汉族;籍贯:浙江台州;1970 ̄l2月出生;学历:本科;职称: 中级,研究方向:电能计量检测。 科技博览 201