智能電能表自動化檢定流水線表位檢測準確性研究

魯觀娜,劉影,易忠林,李亮,王慧楠,李文文,陸佳

(1.國網冀北電力有限公司計量中心,北京 100085; 2.北京華科同和科技有限公司,北京 100045;3.洛陽高新三L電子產品有限公司,河南 洛陽 471000)

0 引 言

由于建設智能電網需要全面使用智能電能表。近年來智能電能表改由國家電網集中采購后派分至各省公司集中檢測,由此日檢表能力數萬只的智能電能表自動化檢定流水線(以下簡稱流水線)應運而生。由于流水線日檢表量巨大和檢表過程很快,按照原來的檢定方法空載抽檢表位,已不能完全保證流水線系統及每個表位的準確性。因為流水線的不同表位受隔離變壓器的帶載能力、短接繼電器狀態、壓線機構接觸電阻等因素的影響很大,目前檢測部門每次耗費大量人力物力,使用臺式標準表進行停機空載逐個檢測表位的方法,無法準確檢測出這些表位帶載后真實狀況,也無法準確判斷流水線掛滿表后每個表位的工作狀態是否正常[1]。因此,迫切需要應用科技創新手段對流水線進行不間斷動態在線檢定及期間核查,以保證流水線上各個表位工作正常及所檢定的每只電能表均能合格下線,因此實現流水線表位在線帶載檢測具有重要意義。

以往的相關研究一方面是通過普通標準電能表空載檢測裝置輸出或表位基本誤差、裝置測量重復性判斷裝置及表位工作狀態是否正常[2-4];通過相對穩定的智能電能表對流水線表位進行期間核查。然而流水線工作流程復雜表位狀態受環境、磁場干擾、隔離變壓器的帶載能力、短接繼電器狀態、壓線機構接觸電阻等因素的影響很大,這給檢測結果造成了很大的不確定性,空載檢測的結果并不能反應當前表位真實的工作誤差。

由于流水線工作狀態直接決定被測智能電能表檢測結論是否準確[5],如果由于其表位異常未能及時發現,導致將不合格的智能電能表判定為合格,則不合格電能表的入網會造成嚴重的計量誤差,影響電力貿易的公平性及數據分析的準確性[6-8]。

針對上述問題,文章對流水線表位是否需要帶載檢測進行研究[9-11],通過挑選不同廠家生產的流水線采用普通標準電能表、普通標準電能表加智能電能表、安裝式標準電能表三種方法對流水線的固定表位進行基本誤差檢測和裝置測量重復性實驗,實驗結束后將相關數據對比分析來評估判斷哪種方法檢測結果更準確,方法更簡便[12-15]。文章對國網冀北電力公司計量中心智能流水線進行在線帶載及空載檢測對比,結果驗證了帶載檢測的必要性。

1 研究思路

1.1 表位異常的識別

單相智能電能表的檢測需要檢測裝置在每個表位配備輸出隔離變壓器。文章主要研究單相智能電能表流水線表位在線帶載和空載檢測的誤差來驗證表位工作的準確性,通常單相流水線的一個檢定單元包含60個表位,這60個表位分別裝有60個輸出隔離變壓器,每個隔離變壓器的帶載容量,工作狀態都可能會影響當前表位的準確度。

對于同一個檢定單元的所有表位,處以同一電氣回路中,每個表位主要差別在于輸出隔離變壓器、壓線端子接觸電阻、表位短接繼電器的狀態。在實際工作過程中,這當中任意一項都可能會導致表位誤差偏差,甚至超差,而如何準確及時的判斷出表位異常是文章研究的方向。

1.2 方案概述

文章研究主要基于流水線工作環境(非參比條件)下,采用多種設備、不同方法測得的流水線標準表及表位的基本誤差、裝置測量重復性進行比對分析。用來準確判斷其表位工作時真實的工作狀態,完善一套設備在線核查及檢測方案,為流水線運維提供科學依據。

文章采用如圖1所示的實驗流程框架,其中流水線測試端口誤差檢測環節,采用傳統的方式對流水線進行基本誤差、裝置測量重復性實驗檢測,同時反向驗證不同檢測設備工作的準確度及可靠性;流水線表位誤差檢測環節,采用不同檢測設備、不同方法對流水線表位進行基本誤差、裝置測量重復性實驗檢測;檢測結論分析研究環節,依據相關標準提取兩種模式下的檢測結論進行橫向和縱向對比分析,得出實驗結論,根據實驗結論進行相關的研究分析。

圖1 實驗流程圖

2 實驗設備選用

實驗采用普通臺式標準電能表和符合智能電能表尺寸及性能指標的安裝式標準電能表為主要檢測設備。為保證實驗的準確性,文章選用經國家級計量檢定機構驗證合格的臺式標準電能表、安裝式標準電能表和單相智能電能表樣機。實驗設備的準確性及可靠性在文中進行充分驗證后再進行相關研究實驗。

2.1 檢測設備規格

某品牌RD3X型便攜式標準電能表(以下簡稱RD):采用A/D轉換計量芯片,支持0.1 A～100 A寬量程負載誤差測試,準確度等級0.02級。

某品牌FMS63X型安裝式標準電能表(以下簡稱FMS):內置TDM時分割乘法器原理計量單元,支持0.1 A～100 A寬量程負載誤差測試,外觀結構及自身功耗符合國網單相智能電能表要求,準確度等級0.02級。

某品牌DDZY9XX型安裝式電能表(以下簡稱DDZY):電流規格5(60) A,外觀結構符合國網單相智能電能表要求,準確度等級2級,用于標準電能表帶載檢測。

2.2 被檢設備規格

某品牌單相流水線(以下簡稱JX1),每個檢定單元60表位,電流量程:0.1 A～120 A;準確度等級:0.1級。

某品牌單相流水線(以下簡稱JX2),每個檢定單元60表位,電流量程:0.1 A～120 A;準確度等級:0.1級。

3 流水線測試端誤差檢測

3.1 標準電能表檢測

在參比條件下(環境溫度20℃±2℃;相對濕度60%±15%;電壓允許偏差0.5%;頻率允許偏差0.3%,波形失真度小于1%),用RD和FMS分別對JX1和JX2進行基本誤差及裝置測量重復性測試,根據設備量程選取100 A、20 A、5 A、0.1 A負載點功率因數 1.0和0.5 L進行檢測。實驗時將RD標準電能表外接AC220 V電源供電,FMS安裝式標準電能表采用回路直接供電。電流回路串聯、電壓回路并聯分別接入設備檢測端口,被測設備脈沖接入標準電能表,實驗方案如圖2、圖3所示。由流水線設備升壓、升流實現不同電流負載點誤差檢測。每個負載點記錄5個原始誤差,計算平均值進行后續數據分析研究。

圖2 RD檢測端接入實驗方案

圖3 FMS檢測端接入實驗方案

被檢裝置基本誤差:

文章中兩種標準表與被檢裝置輸出端連接完成后,經預熱穩定后,將參考標準測量的電能與裝置指示的電能i帶入式(1),計算裝置的相對誤差ri(%)。

被檢裝置的相對誤差ri(%)按式(1)計算。

(1)

式中Wi為裝置指示的電能,單位:kW·h;Wo為參考標準測量的電能,單位:kW·h。

計算基本誤差獲取電能值由標準設備對電能脈沖計數后換算得出。

被測裝置測量重復性:

選擇100 A電流負載點,分別在功率因數1.0,0.5 L分別確定基本誤差。進行5次測量,每次測量從開機初始狀態調整至測量狀態。按式(2)計算實驗標準差s(%):

(2)

(3)

式中n為2重復測量次數。

不同被測設備的基本誤差或測量重復性實驗偏差值ra(%)為RD和FMS兩臺設備檢測出被測裝置的基本誤差或測量重復性誤差差值,按式(3)計算。

3.2 檢測結論

通過上述方案,RD和FMS兩種標準表對兩臺流水線裝置某一檢定單元檢測端基本誤差和裝置測量重復性檢測,文章實驗過程中進行多次重復檢測,由于文章篇幅限值,文章僅選取其中具有代表性的1次數據進行統計,結果如表1、表2所示。

表2 JX2裝置檢測端檢測數據

由表1、表2數據可知,RD和FMS兩臺設備檢測流水線裝置某一檢定單元檢測端基本誤差數據均合格且一致性較好,設備間誤差偏差在0.005%以內。裝置測量重復性1.0誤差平均值均小于0.01%,0.5 L誤差平均值均小于0.02%(JJG597-2005交流電能表檢定裝置檢定規程要求0.1級裝置測量重復性1.0誤差平均值小于等于0.01%,0.5 L誤差平均值小于等于0.02%),JX1和JX2兩臺流水線檢定單元在檢測端實驗結論均合格。說明文章選用的檢測設備在測量準確性及穩定性方面符合實驗要求,在此基礎上為文章下一步進行表位檢測提供基礎數據支撐。

4 流水線表位誤差檢測

4.1 表位空載檢測

在流水線工作環境下,用RD分別對JX1和JX2進行基本誤差及裝置測量重復性測試,根據設備量程選取100 A、20 A、5 A、0.1 A負載點功率因數 1.0和0.5 L進行檢測。實驗時將RD標準電能表外接AC220 V電源供電,電壓、電流、脈沖線分別連接國網單相智能表尺寸的端子座。壓接接入被測表位,實驗方案如圖4所示。由流水線設備升壓、升流實現不同電流負載點誤差檢測。每個負載點記錄5個原始誤差,計算平均值進行后續數據分析研究。

圖4 RD空載檢測表位實驗方案

基本誤差及裝置測量重復性誤差計算均采用式(1)～式(3)實現。

4.2 表位帶載檢測

在流水線工作環境下,用RD和FMS分別對JX1和JX2進行基本誤差及裝置測量重復性測試,根據設備量程選取100 A、20 A、5 A、0.1 A負載點功率因數 1.0和0.5 L進行檢測。實驗時將RD標準電能表外接AC220 V電源供電,電流回路與DDZY9XX智能電能表串聯后與電壓、脈沖線分別連接國網單相智能表尺寸的端子座。壓接接入被測表位,實驗方案如圖5、圖6所示。FMS631直接壓接接入被測表位。由流水線設備升壓、升流實現不同電流負載點誤差檢測。每個負載點記錄5個原始誤差,計算平均值進行后續數據分析研究。

圖5 RD帶載檢測表位實驗方案

圖6 FMS帶載檢測表位實驗方案

基本誤差及裝置測量重復性誤差計算均采用式(1)～式(3)實現。

4.3 檢測結論

通過上述方案,RD和FMS兩種標準表對兩臺流水線裝置某一檢定單元表位空載和帶載檢測基本誤差和裝置測量重復性,同上一組實驗一樣,進行多次重復檢測,文章僅選取其中具有代表性的1次數據進行統計,結果如表3、表4所示。

表3 JX1表位接入檢測數據

表4 JX2表位接入檢測數據

由表3、表4數據可知,RD在空載檢測流水線表位對比RD空載檢測裝置檢測端(表1、表2中RD檢測數據),在100 A和0.1 A兩個負載點不同方式檢測出誤差偏差在0.01%～0.02%之間。文章分析同一設備在流水線不同位置檢測存在偏差,排除帶載影響,影響誤差的主要因素為表位電壓、電流接線柱端面與標準表之間的接觸電阻大小影響電能測量的準確度,導致誤差偏差。由測量數據可知在100 A電流和0.1 A電流工況下,以上因素對測量準確度影響更大。

RD標準電能表加DDZY9XX電能表進行檢測,相當于RD在檢測流水線表位時將DDZY9XX電能表自身功耗作為負載,實現對表位的帶載檢測;而采用FMS安裝式標準電能表進行檢測,其設計無外接電源,采用回路供電,屬于帶載檢測,同時其設計滿足電能表相關標準要求,自身功耗與普通電能表相同,等同于普通標準表加電能表對流水線表位進行帶載檢測。

由表3、表4數據可知當分別采用RD加DDZY 9XX電能表和FMS對流水線表位進行帶載檢測時,兩臺設備在同一流水線檢定單元表位檢測誤差,平均值差值均在0.01%以內,說明設備本身準確度沒有問題,但是檢測出的誤差相對同樣在表位空載檢測RD測出的誤差來說存在較大偏差。分析數據如下:JX1裝置最大偏差值達0.086 6%,JX2最大偏差值達0.0589%,同時JX2的100 A、20 A、0.1 A電流負載點檢測誤差已超出0.1%,依據<>檢定規程判定該表位實驗不合格。

從實驗數據和以上分析可以看出,兩臺裝置在表位帶載的工況下測試的基本誤差偏差較大,且JX2實驗結論不合格。分析影響表位誤差準確性的的主要因素為表位電壓、電流接線柱端面與標準表之間的接觸電阻大小、輸出隔離變壓器帶載能力等。由圖5、圖6可知文中實驗均在同一檢定單元表位、都采用端子壓接的方式進行實驗,因此實驗的一致性可以排除表位電壓壓降、表位壓接等因素,判定該實驗中影響表位誤差一致性的主要因素為表位輸出隔離變壓器的帶載能力。

5 應用實例

5.1 多表位帶載檢測

根據以上實驗得出的數據及分析結論,文章采用60塊0.02級FMS安裝式標準電能表(60塊FMS采用國網冀北電力公司計量中心0.01級電能表檢定裝置檢測合格,且所有負載點表與表之間誤差偏差值小于0.01%)對國網冀北電力公司計量中心下屬單相自動化檢定流水線某一檢定單元進行全表位帶載檢測,檢測方法同文中4.2,以基本誤差實驗負載電流為5 A,功率因數1.0和0.5 L為例,由于篇幅限制文章隨機抽取10個表位的檢測數據,進行對比分析,數據內容如表5所示。

表5 不同表位檢測數據

5.2 數據分析

由表5數據可知,在同樣采用0.02級FMS安裝式標準表進行基本誤差檢測的情況下(所有負載點表與表之間誤差偏差值小于0.01%),不同表位間的誤差存在較大的差異,誤差一致性較差。圖7則直觀的展示了不同表位間誤差差異,功率因數為1.0最大誤差差值達0.051 3%,功率因數為0.5 L最大誤差差值達0.076 4%。因此流水線多表位同時采用在線帶載檢測可以快速的得出檢測結論,準確判斷每一個表位的真實誤差。通過橫向分析檢測數據對整個流水線的狀態進行評估,保障被測電能表檢定結論準確可靠。

圖7 流水線不同表位誤差曲線

6 結果與分析

通過以上實驗檢測數據分析可以判斷,采用普通標準電能表對流水線的檢測端或表位端空載進行檢測時,僅能檢測出裝置功率源空載輸出的穩定性及裝置內置的標準表接功率源時的整體誤差。而采用普通標準表加電能表帶載表位檢測或者采用安裝式標準表帶載表位檢測,則可以準確檢測出當前被測表位在工作時真實準確的誤差狀況。分析文中實驗相關數據可知,流水線表位在空載、帶載情況下,測量準確性是存在差異的。而隔離變壓器的穩定性及帶載能力直接影響表位的工作狀態即檢測準確度。文中相關實驗進一步驗證了流水線表位在空載和帶載工況下的檢測量準確度差異。

由以上分析可知,采用傳統的方法對流水線檢測端或表位進行空載檢測,檢測結論不能準確的反應流水線的真實狀態,采用表位帶載檢測出的結論更為準確。通過文中實驗過程比較及應用實例中表3～表5數據結論分析可以進一步判斷,同樣是表位帶載檢測,采用尺寸外觀、穩定性及準確度符合相關標準要求的高準確度等級的安裝式標準電能表,進行流水線表位在線帶載檢測,是更可靠、更精準、更有效的技術工藝發展方向[16-20]。而采用一定數量的安裝式標準電能表同時進行在線帶載檢測能更高效準確的檢測出流水線表位的工作狀態。

7 結束語

文中設計制定了多種方法對電能表流水線進行基本誤差及測量重復性檢測,目的是研究流水線表位檢測的準確性。實驗結果也驗證了表位帶載檢測的必要性。通過實驗數據分析可以看出,電能表計量檢定裝置在演變升級成電能表自動化流水線之后,其系統的硬件、軟件均更復雜;工作時其準確度的影響因素也更多。例如流水線工況并不是100%的參比條件工況,存在諸如溫度變化、磁場干擾、EMC/EMI條件、隔離變壓器帶載能力、端子壓接的可靠性,表位短接繼電器等等變化因素。此時若僅采用原來的傳統方法只對裝置檢測口或者表位進行空載檢測,顯然已不能滿足實際工作需求,無法及時準確判斷表位的真實工作狀態。為了保證流水線檢測合格的電能表都是準確合格的,確保電力貿易的公平性,建議推廣采用表位帶載的方式對流水線進行定期檢測。