大規(guī)模電能表自動(dòng)檢定時(shí)間優(yōu)化模型設(shè)計(jì)

周　峰，程瑛穎，肖　冀，金志剛

(1.國網(wǎng)重慶市電力公司 電力科學(xué)研究院，重慶 401123；2.國網(wǎng)重慶市電力公司 電能計(jì)量器具性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)室，重慶 401123；3.天津大學(xué)，天津 30072)

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大規(guī)模電能表自動(dòng)檢定時(shí)間優(yōu)化模型設(shè)計(jì)

周峰1,2，程瑛穎1,2，肖冀1,2，金志剛3

(1.國網(wǎng)重慶市電力公司 電力科學(xué)研究院，重慶 401123；2.國網(wǎng)重慶市電力公司 電能計(jì)量器具性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)室，重慶 401123；3.天津大學(xué)，天津 30072)

摘要：論述電能表的計(jì)量檢定原理和設(shè)計(jì)方法，介紹提高檢測(cè)效率的檢定試驗(yàn)時(shí)間優(yōu)化模型和方案，為提升電能表檢定效率和集約化管理模式的發(fā)展提供幫助。

關(guān)鍵詞：電能表；檢定；等待時(shí)間；脈沖間隔

隨著國家電網(wǎng)公司“三集五大”發(fā)展戰(zhàn)略的提出和智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，業(yè)界有針對(duì)性地提出了電能表的集約化管理理念，省級(jí)計(jì)量中心成為了電能表集中檢定的場(chǎng)所[1]。目前，國家電網(wǎng)省公司建成了集約化、大集中的省級(jí)計(jì)量中心，在技術(shù)上采用智能化全自動(dòng)流水線電能表檢定系統(tǒng)與自動(dòng)化立體庫系統(tǒng)無縫對(duì)接，對(duì)全省電能表統(tǒng)一檢定、統(tǒng)一倉儲(chǔ)、統(tǒng)一配送。

計(jì)量檢定結(jié)果是對(duì)電能表計(jì)量準(zhǔn)確度及其他準(zhǔn)確度測(cè)量方法有效性評(píng)價(jià)的重要依據(jù)，電能表的檢定效率決定了其能否滿足后續(xù)配送等環(huán)節(jié)的需求。因此，電能表計(jì)量檢定的過程及其代價(jià)成為了分析研究的焦點(diǎn)[2-3]。

1計(jì)量檢定方法設(shè)計(jì)

根據(jù)《電子式交流電能表》(JJG 596—2012)規(guī)程規(guī)定，電子式電能表需檢測(cè)的誤差點(diǎn)多達(dá)86個(gè)，每個(gè)誤差點(diǎn)的檢測(cè)流程包括升壓及升流、誤差點(diǎn)的檢測(cè)、電壓及電流回零。這86個(gè)誤差點(diǎn)的檢測(cè)所需時(shí)間總和分別是26 min、78 min、6 min。另外，計(jì)算機(jī)在測(cè)量項(xiàng)目之間的自動(dòng)切換需時(shí)7 min[4-5]。

下面以單相電子式有功電能表(簡(jiǎn)稱電表或被檢表)為例，分析當(dāng)前電能表計(jì)量檢定方法。由脈沖常數(shù)CMUT可知1個(gè)脈沖(間隔)所對(duì)應(yīng)的電能ΔE=1 imp/CMUT。因此，電表輸出的脈沖數(shù)(在其準(zhǔn)確度等級(jí)允許的范圍內(nèi))反映了通過電表的電能。電子式電能表通常輸出兩種脈沖：光脈沖，由電表面板上的LED發(fā)出；電脈沖，由電表接線盒內(nèi)兩個(gè)端鈕發(fā)出。

電表的檢定涉及標(biāo)識(shí)外觀檢查、耐壓試驗(yàn)、準(zhǔn)確度試驗(yàn)等項(xiàng)目。其中，準(zhǔn)確度試驗(yàn)包括基本誤差試驗(yàn)、常數(shù)試驗(yàn)、起動(dòng)試驗(yàn)、潛動(dòng)試驗(yàn)，必須用到輸出脈沖。準(zhǔn)確度試驗(yàn)需要使用標(biāo)準(zhǔn)電能表(簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)表)和電能表檢定裝置。標(biāo)準(zhǔn)表的脈沖常數(shù)CMS遠(yuǎn)大于被檢表。通常認(rèn)為CMS是實(shí)際值，而CMUT是名義值。

檢定裝置的主要功能是：向被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表提供穩(wěn)定功率；采集被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表的輸出脈沖并進(jìn)行處理，如計(jì)算被檢表的相對(duì)誤差、定時(shí)計(jì)脈沖數(shù)等。

如圖1所示，MUT為被檢表，MS為標(biāo)準(zhǔn)表，MTS為電能表檢定裝置，PC為控制計(jì)算機(jī)。MTS有電流出入端鈕I+與I-，MUT和MS串聯(lián)接入該端鈕。MTS有電壓端鈕U+與U-，MUT通過1：1互感器與MS并聯(lián)接入該端鈕。脈沖采集器S1、S2通過端口D1、D2接入MTS。PC通過D3端口控制MTS。

圖1　單相電子式電能表檢定示意圖

1)基本誤差試驗(yàn)

某型號(hào)被檢電能表規(guī)格如表1所示。

表1　某型號(hào)被檢表規(guī)格

電能表檢定裝置依據(jù)式(1)計(jì)算被檢表相對(duì)誤差。

(1)

(2)

將式(2)帶入式(1)可以得到

(3)

根據(jù)式(3)所示的原理獲取相對(duì)誤差e的時(shí)間(只考慮采集脈沖的時(shí)間，忽略計(jì)算時(shí)間)為

Te=MMUTTp

(4)

式(4)中的MMUT根據(jù)需要選取，值越大試驗(yàn)時(shí)間越長，但量化誤差越小。量化誤差為

(5)

式(4)中的TP為被檢表脈沖間隔時(shí)間

(6)

式(6)中：U為試驗(yàn)電壓，通常固定為參比電壓Un；I為試驗(yàn)電流，在0.05Ib至Imax之間變化；cosφ為功率因數(shù)，為1或0.5L。

規(guī)格被檢表在各負(fù)載條件下的脈沖間隔TP見表2。

2)起動(dòng)試驗(yàn)

起動(dòng)試驗(yàn)的檢定方法：電壓線路加參比電壓Un，電流線路加起動(dòng)電流Istart，功率因數(shù)cosφ。要求MTS在規(guī)定時(shí)限Tstart內(nèi)至少接收到1個(gè)脈沖，否則MUT為不合格。

計(jì)量檢定規(guī)程規(guī)定《電子式交流電能表》(JJG 596—2012)規(guī)定了確定Tstart的計(jì)算方式為

(7)

根據(jù)表1中的MUT，可以計(jì)算得到Istart=0.005 A，Ib=0.025 A，將其代入式(7)得到Tstart=10.9 min。

若暫不考慮規(guī)程規(guī)定的式(7)，假定MUT在起動(dòng)電流Istart下保持計(jì)量準(zhǔn)確，則在式(7)所確定的時(shí)間間隔內(nèi)應(yīng)有脈沖輸出。但實(shí)際上電能表制造者不聲明保證在起動(dòng)電流(微小電流)條件下具有良好計(jì)量特性。因此，可對(duì)式(6)乘以擴(kuò)展因子K(通常取K=1.2)，并令cosφ=1估算出起動(dòng)試驗(yàn)脈沖間隔

(8)

表2　規(guī)格被檢表各負(fù)載下的脈沖間隔

3)潛動(dòng)試驗(yàn)

潛動(dòng)試驗(yàn)檢定方法為：給電壓線路加1.15Un，電流線路不加電流。在規(guī)定時(shí)限Tno-load內(nèi)，若MTS接收到不多于1個(gè)脈沖，則MUT合格，否則視為不合格。而認(rèn)為接收到1個(gè)脈沖為合格的原因是有可能MUT的ΔW幾乎為0。

依據(jù)規(guī)程規(guī)定，確定Tno-load的公式為

(9)

據(jù)表1中的MUT可得Tno-load=30.3 min。

2提高檢測(cè)效率的檢定試驗(yàn)時(shí)間優(yōu)化模型和方案

隨著電能計(jì)量集約化管理的深入，成倍增加的電能表檢定量給電能表檢定系統(tǒng)帶來了巨大壓力[6-7]。計(jì)量檢定的代價(jià)包括人工投入、資產(chǎn)投入和時(shí)間投入，這里僅分析時(shí)間投入。

1)基本誤差試驗(yàn)

N只電能表同時(shí)試驗(yàn)，由于各表輸出脈沖有先后，所以試驗(yàn)時(shí)間為等待時(shí)間T(N)(即開始通電至最后輸出脈沖的電表有脈沖輸出的時(shí)間)與最后1只電表的誤差測(cè)量時(shí)間Te之和。

以MTS開始輸出功率為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，被檢表MUTi(i=1，…，N)輸出首個(gè)脈沖的時(shí)刻為隨機(jī)變量Ti(i=1，…，N)。本文采用以下兩個(gè)假設(shè)。

假設(shè)1：Ti服從[0,TP]上的均勻分布。

假設(shè)2：Ti相互獨(dú)立。

由假設(shè)1可得單只電能表等待時(shí)間Ti的分布函數(shù)為

(10)

根據(jù)T(N)的定義可知

T(N)=max(Ti)

(11)

(12)

(13)

T(N)的概率密度函數(shù)為

(14)

根據(jù)式(13)和式(14)可計(jì)算的期望值

(15)

由式(13)和式(14)可知，隨著電能表數(shù)量N的增大，等待時(shí)間必然十分接近電能表脈沖間隔時(shí)間TP。式(14)中T(N)的概率密度也表明了這一點(diǎn)，如圖2所示。特別是當(dāng)N為30時(shí)，平均等待時(shí)間為0.968 TP，等待時(shí)間大于0.9 TP的概率達(dá)到0.958。對(duì)于現(xiàn)有電能表智能化檢定流水線系統(tǒng)單臺(tái)60表位的電能表上料檢定，電能表檢定等待時(shí)間無限接近TP。

由此可知，對(duì)表2所示的各負(fù)載條件下脈沖間隔進(jìn)行求和運(yùn)算，即可得到基本誤差試驗(yàn)的總等待時(shí)間。

圖2　等待時(shí)間的概率密度

2)起動(dòng)試驗(yàn)

3)潛動(dòng)試驗(yàn)

由以上可知，電能表潛動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間Tno-load為潛動(dòng)試驗(yàn)條件下允許的脈沖間隔最小值。

3結(jié)論

本文對(duì)省級(jí)計(jì)量中心集約化管理模式下的電能表集中檢定方法進(jìn)行了分析，對(duì)于電能表數(shù)量N≥30的批量檢定可以得出如下結(jié)論：基本誤差試驗(yàn)(表2規(guī)定的負(fù)載點(diǎn))的等待時(shí)間約為173 s，起動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間為10.9 min，潛動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間為30.3 min。本文對(duì)批量電能表的檢定時(shí)間優(yōu)化和工作效率的提升提供了參考。

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A Study on the Design of the Time Optimization Model for Auto-Verification of Massive Electric Energy Meters

ZHOU Feng1,2，CHENG Yingying1,2，XIAO Ji1,2，JIN Zhigang3

(1．Electric Power Research Institute of State Grid Chongqing Electric Power Company，Chongqing 401123，P.R.China；2．Lab of Performance Assessment for Electric Energy Metering Instrument of State Grid Chongqing Electric Power Company，Chongqing 401123，P.R.China；3．Tianjin University，Tianjin 300072，P.R.China)

Abstract：This article analyzes the centralized verification methods of electric energy meters under the intensive management mode for provincial-level centers of metering．In addition，it presents the time optimization model for verification tests as well as relevant scheme to enhance the metering efficiency，which provides reference for the time optimization and working efficiency of the verification of massive electric energy meters．

Key words：electric energy meter；verification；waiting time；pulse interval

收稿日期：2015-10-09

作者簡(jiǎn)介：周峰(1987-)，工程師，主要從事電能計(jì)量裝置技術(shù)的研究與管理工作。

中圖分類號(hào)：TM933.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-8032(2016)01-0025-03