在測(cè)量系統(tǒng)的分析中，精度特性一般可以通過檢定裝置的數(shù)值傳遞或比對(duì)來解決，這是目前電能表廠家所采用的方法。本文主要研究測(cè)量系統(tǒng)的研究分析。本設(shè)計(jì)方案及具體實(shí)施基于國(guó)內(nèi)某知名電能表生產(chǎn)企業(yè)計(jì)量測(cè)試中心的電能表誤差檢測(cè)系統(tǒng)，具有一定的代表性。
(2)穩(wěn)定性條件的確定
繼續(xù)MSA分析前提是系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。本文涉及的穩(wěn)定性包括兩個(gè)方面:一是測(cè)試裝置的穩(wěn)定性，二是電能表的穩(wěn)定性。總而言之，就是電能表誤差檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。選取了7臺(tái)電能表和3臺(tái)檢測(cè)裝置作為研究對(duì)象。穩(wěn)定性研究采用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)裝置(誤差等級(jí)為0.01，中國(guó)科學(xué)院比對(duì)校準(zhǔn))對(duì)7個(gè)選定儀表的0.1Ib點(diǎn)誤差進(jìn)行測(cè)試:每個(gè)儀表測(cè)試5次，每次讀取10個(gè)數(shù)據(jù)，得到35組350個(gè)數(shù)據(jù)，每次測(cè)試前預(yù)熱十分鐘。整個(gè)實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)溫度嚴(yán)格控制在20±3℃以內(nèi)。
實(shí)驗(yàn)中得到的七張表的數(shù)據(jù)才是它的真值。數(shù)據(jù)修改后，分析制作Xbar- R控制圖，如下圖所示。經(jīng)過分析判斷，發(fā)現(xiàn)表2的誤差不穩(wěn)定，幾個(gè)均值統(tǒng)計(jì)和極差統(tǒng)計(jì)都超出了控制界限。因此，表2被刪除，剩下的六個(gè)表用于其余的實(shí)驗(yàn)和研究。
采用同樣的方法，對(duì)三臺(tái)檢驗(yàn)裝置進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試和判定，結(jié)果3臺(tái)檢驗(yàn)裝置均符合要求。
(3)重復(fù)性和再現(xiàn)性試驗(yàn)和研究
由于目前的電能表誤差檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了測(cè)試、讀數(shù)、計(jì)算和顯示的自動(dòng)化，人為影響因素已經(jīng)消除，對(duì)于電能表誤差檢測(cè)系統(tǒng)來說，重復(fù)性是指同一批次的電能表用同一檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)結(jié)果之間的一致性。再現(xiàn)性是指用不同的測(cè)試裝置對(duì)同一批電能表進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)試結(jié)果之間的一致性程度。
分別用所選的1-3號(hào)檢測(cè)裝置測(cè)試6個(gè)穩(wěn)定性好的電能表在A點(diǎn)的誤差。測(cè)試順序由抽簽決定。每個(gè)電能表分別測(cè)試5組數(shù)據(jù)，每組讀取10個(gè)數(shù)據(jù)。每次測(cè)量前，檢查裝置預(yù)熱30分鐘以上，電能表預(yù)熱10分鐘，采集90組數(shù)據(jù)，共計(jì)900個(gè)誤差數(shù)據(jù)。在每組數(shù)據(jù)測(cè)量期間，記錄當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室的溫度和濕度條件。在整個(gè)測(cè)試過程中，實(shí)驗(yàn)室為了找出各因素之間的相互影響，實(shí)驗(yàn)應(yīng)采用交互的方式，即每個(gè)檢驗(yàn)裝置分別對(duì)同一電能表進(jìn)行相同次數(shù)的重復(fù)測(cè)量，三個(gè)檢驗(yàn)裝置、六個(gè)電能表和每個(gè)電能表進(jìn)行五次測(cè)試，共收集90組數(shù)據(jù)。
1)數(shù)據(jù)分析
在變異分析中，變異分為四種類型:電能表本身的誤差、測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性誤差、檢驗(yàn)裝置的再現(xiàn)性誤差以及檢驗(yàn)裝置與電能表相互作用產(chǎn)生的誤差。為了獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果，本次分析采用方差分析方法，分析工具采用Minitab軟件。由于數(shù)據(jù)量大，忽略了原始數(shù)據(jù)和Minitab分析過程，所以本文直接給出了分析結(jié)果，數(shù)據(jù)分析的相關(guān)數(shù)據(jù)如下表所示。
MSA分析根據(jù)該理論，測(cè)量系統(tǒng)可用性的標(biāo)準(zhǔn)如下:
A) gr&r小于10%，測(cè)量系統(tǒng)合格；
B)10%≤GR&R≤30%，測(cè)量系統(tǒng)的可接受性取決于應(yīng)用的重要性、測(cè)量成本、維護(hù)成本等因素；
C) gr&r > 30%，測(cè)量系統(tǒng)不合格，應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)表1和上述標(biāo)準(zhǔn)可以看出，GR&R占30.89%，超出判別標(biāo)準(zhǔn)0.89%。測(cè)量系統(tǒng)不可接受，需要改進(jìn)。其中，再現(xiàn)性占方差分量貢獻(xiàn)率的2.00%，說明誤差測(cè)量系統(tǒng)具有良好的再現(xiàn)性。重復(fù)性占28.89%，誤差測(cè)量系統(tǒng)重復(fù)性不好，需要改進(jìn)。此外，Minitab軟件還給出了圖形化的分析結(jié)果，可用于具體原因的定性分析。上圖是與GR&R研究相關(guān)的方差分析圖。
從上圖可以看出:
a)在變化分量圖上，電能表之間變化的貢獻(xiàn)百分比遠(yuǎn)大于測(cè)量系統(tǒng)的R&R，說明大部分變化來自電能表本身；
b)從電能表的單值圖可以看出，連接線不是水平直線，說明電能表之間差別很大；
c)從檢查裝置的量程圖可以看出，1號(hào)檢查裝置對(duì)電能表的測(cè)量顯示出很大的不一致性；
d)從檢驗(yàn)裝置的箱圖來看，檢驗(yàn)裝置之間的差異遠(yuǎn)小于電能表之間的差異，1號(hào)檢驗(yàn)裝置的測(cè)量結(jié)果更大；
2)改進(jìn)建議
通過對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)的分析可以看出，系統(tǒng)的不確定度主要來自電能表本身。對(duì)于電子電能表，為了減少自身誤差的變化，我們可以從以下幾個(gè)方面解決問題:
提高分壓電阻的精度和可靠性，加強(qiáng)進(jìn)貨檢驗(yàn)；在額定電流的20%左右運(yùn)行時(shí)，一次電流的大小對(duì)電流互感器的誤差有很大的影響。電流互感器的額定一次電流越接近，其誤差特性越好，電流互感器的變比過大或過小選擇都是不科學(xué)的。根據(jù)規(guī)程要求和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，電流互感器的實(shí)際一次電流應(yīng)為其額定一次電流的60%左右，既能保證電流互感器良好的誤差特性，又能為電流互感器的過載留出足夠的余量。
3)電壓互感器測(cè)量繞組額定負(fù)荷的合理選擇電能計(jì)量裝置二次電壓回路負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析總結(jié)如下:35 ~ 45VA占3%，基本為35kV、110kV電能計(jì)量裝置，未改造；30 ~ 35VA占4%；20 ~ 30VA占34%；10 ~ 20VA占44%；1 ~ 10VA占15%；電壓互感器測(cè)量繞組的負(fù)載對(duì)測(cè)量繞組的誤差有很大影響，因此合理選擇電壓互感器測(cè)量繞組的額定容量對(duì)其誤差特性至關(guān)重要。建議母線式電壓互感器測(cè)量繞組額定容量不大于50VA，線路式電壓互感器測(cè)量繞組額定容量不大于30VA。
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