О метрологии электронных электросчетчиков

 

Автор

Гуртовцев Аркадий, Ведущий научный сотрудник РУП "БЕЛТЭИ" (Минск), к. т. н.

 

    Анализ реальных погрешностей счетчиков
    Результаты испытаний конкретных типов электронных счетчиков класса 1 приведены в табл. П. 1.
    Схема измерения погрешностей испытуемых счетчиков приведена на рис.2. Измерительный комплекс содержит трехфазный источник фиктивной мощности (ИФМ) МК7006, эталонный трехфазный ваттметр-счетчик (ВС) ЦЭ7008 100А-0,05/0,1 и источник питания (ИП) для телеметрического выхода рабочего счетчика. ИФМ предназначен для воспроизведения измеряемых физических величин переменного тока (напряжения, тока, активной и реактивной мощностей), а ВС - для поверки и регулировки трех- и однофазных счетчиков классов точности 0,2 и менее точных - с допускаемой основной относительной погрешностью измерения активной мощности + 0,05 %.
    Определение относительной погрешности рабочего счетчика производится путем сравнения значений электроэнергии, учтенной им за время испытания (величина определяется по количеству импульсов, поступивших с телеметрического выхода счетчика на частотный вход ВС), и значения электроэнергии, учтенной ВС, а также реактивной мощности + 0,1 %. Цифровая величина погрешности считывается непосредственно с дисплея ВС или с компьютера, подключенного к нему (на рис.2 не показан).
    Результаты испытаний при НУ трехфазных счетчиков класса 1 шести типов от пяти изготовителей (Республика Беларусь - ПРУП "ВЗЭП", Россия - концерн "Энергомера", ФГУП "НЗИФ", ООО "Инкотекс" и Украина - ООО "Телекарт-Прибор") объединены в табл. П. 1. Данные приведены по 29-ти образцам и в общей сложности по 435-ти отдельным измерениям. Очевидно, что горизонтальная строка (15 испытаний), соответствующая результатам испытаний определенного образца счетчика, содержит систематические погрешности, которые адекватны конкретным условиям испытаний (установленным значениям Iн и КМ). При многократном повторении для каждого определенного образца указанных испытаний результаты их будут лишь незначительно отличаться от обозначенных в табл.П.1.
    Вместе с этим результаты испытаний для разных образцов счетчиков в одних и тех же условиях (столбец таблицы) различны и могут рассматриваться как значения случайной величины dоп. Очевидно, что каждый столбец таблицы дает вероятностное распределение этой величины и на этой основе возможно определить погрешности среднестатистического счетчика для всех конкретных условий испытаний. Если допустить, что точные условия испытаний или эксплуатации счетчика неизвестны, то полученные по каждому образцу счетчика результаты (строка таблицы) также можно интерпретировать как значения случайной величины dоп.
    Определим законы и числовые характеристики случайного распределения основной погрешности dоп как по отдельным типам счетчиков, так и в целом по их совокупности. Для этого все множество значений случайной величины dоп, принадлежащее интервалу {-2,?,+2} % для счетчиков класса 1 (см. табл. 2), разобьем на группы, или диапазоны с дискретностью в 0,25 %, и для каждого из них определим арифметическую сумму значений случайной величины, групповую частоту и относительную групповую частоту попадания значений dоп в каждый диапазон. Результаты групповых выборок и расчетов приведены в табл.7.
    На основе этих данных можно построить гистограммы и/или кривые распределения плотности вероятности случайной величины dоп (рис. 3).
    Кривые распределения для двух типов счетчиков (ЭЭ8005, ЦЭ6850М) и для всей испытанной совокупности трехфазных счетчиков класса 1 приведены на рис. 3. Очевидно, что график распределения плотности вероятности основной погрешности счетчиков близок к нормальному распределению по отдельным типам счетчиков (и тем более по всей их совокупности). Заметим, что кривая для ЭЭ8005 смещена вправо относительно начала координат, а кривая ЦЭ8050М - влево. Кроме того, они имеют различия в форме (крутизна), среднеарифметическом значении (САЗ) и среднеквадратичном отклонении (СКО) основной погрешности. Числовые характеристики кривых САЗ, СКО и диапазоны истинного значения основной погрешности dоп с доверительной вероятностью 0,997 приведены в табл. 8.
    На основании анализа рис. 3. и табл. 8 можно сделать следующие выводы:
    1) счетчики конкретного производителя имеют, как правило, САЗ основных погрешностей, смещенные относительно нуля в сторону "плюс" (например, ЭЭ8005) или "минус" (например, ЦЭ6850М), что, вероятно, связано с соответствующей организацией процесса регулировки и поверки счетчиков в конкретных заводских условиях (заметим, что разнотипные счетчики ЦЭ6850М и ЦЭ6822 концерна "Энергомера" схожи по своим вероятностным числовым характеристикам);
    2) САЗ основных погрешностей могут достигать для отдельных типов счетчиков класса 1 величины 0,15-0,3 %, а по всей испытанной совокупности счетчиков класса 1 имеет отрицательное значение, но по абсолютной величине значительно меньше соответствующих значений САЗ для большинства типов счетчиков;
    3) распределения основных погрешностей счетчиков от разных производителей отличаются между собой по СКО в 2-3 раза, что, видимо, связано с особенностями базовых конструкций счетчиков.
    Практическая интерпретация этих выводов заключается в том, что большинство счетчиков имеют САЗ основной погрешности со знаком "минус", т. е. недоучитывают электроэнергию в пользу потребителей (исключение составляют счетчики ЭЭ8005 ПРУП "ВЗЭП", которые наоборот работают в пользу продавца электроэнергии). При использовании в сечении учета на объекте учета таких счетчиков в выигрыше всегда будет потребитель, и этот выигрыш в среднем может составить 0,15-0,3 % от всей потребленной энергии. Для уменьшения данной величины необходимо либо знать распределения погрешностей по конкретным типам счетчиков и применять счетчики с меньшим абсолютным значением САЗ, либо использовать в сечении учета счетчики различных производителей (в этом случае САЗ допускается потенциально уменьшить за счет увеличения разнообразия погрешностей).
    В условиях применения счетчиков с не нулевым САЗ основной погрешности стандартный метод нахождения интегральной основной погрешности измерения электроэнергии по сечению учета объекта, основанный на квадратичном сложении погрешностей измерений или их пределов [см. формулу (2)] в отдельных точках учета, некорректен. Очевидно, что чем больше абсолютная величина САЗ dоп, тем сильнее реальная оценка погрешности отличается от суммы (3) и тем ближе она к сумме (2). В пределе, когда вся кривая распределения расположится в одном квадранте координатной плоскости, правильную оценку даст только сумма (3). Для нахождения промежуточных формул вычисления суммарной погрешности в указанных случаях следует рассмотреть варианты применения в сечении учета счетчиков как с различными абсолютными величинами и знаками САЗ основной погрешности, так и с различными значениями максимальной плотности вероятности и СКО. Анализ этой задачи выходит за рамки настоящей статьи.
    Кардинальный же метод решения проблемы ненулевого САЗ dоп - обеспечение нулевого САЗ на стадии изготовления и заводской поверки счетчиков (результаты испытаний показали, что изготовители счетчиков даже не подозревали о существовании проблемы, выявленной нами). Видимо, стоит проинструктировать производителей счетчиков по вопросу обязательного обозначения в паспорте каждого счетчика числовых характеристик распределения основной погрешности данного вида, полученных на основании совокупности типовых и выходных испытаний счетчиков.
    Еще один практический вывод заключается в том, что счетчики от разных изготовителей имеют в рамках своего класса отличающийся запас точности. Например, счетчики ЦЭ6850М и ЦЭ6822 обеспечивают практически все измерения с предельной основной погрешностью менее 0,85 %, в то время как счетчики ЭЭ8005 - с пределом 1,86 %. Очевидно, что первые обеспечивают погрешность при всех режимах испытаний в НУ в пределах номинального класса точности, а последние - в пределах удвоенного номинала класса, т. е. дают менее точную оценку потребления электроэнергии. В целом же можно утверждать, что требования стандартов по основной погрешности соответствуют современному уровню изготовления счетчиков.
    Рассмотрим дополнительные погрешности от влияющих величин (табл. П. 2). В ней приведены значения сумм основной и дополнительной погрешностей счетчиков в соответствующих условиях испытаний при заданных диапазонах отклонений влияющих величин (напряжения, частоты и т. д.). Эти данные могут рассматриваться как значения случайной величины dдп. На основании таблицы сформированы групповые выборки этой случайной величины (табл. 8) и построены кривые распределения ее плотности (рис.4).
    Анализ показывает, что практически все значения сумм основной и дополнительных погрешностей распределены в диапазоне номинального класса счетчиков. Сопоставив данные с показанными в табл. 6 для счетчиков класса 1, можно увидеть резкое несоответствие результатов испытаний максимальным пределам погрешностей, установленных стандартами: они завышены в 2-3 раза относительно действительных значений. Следовательно, можно говорить о том, что стандартные ограничения уже не соответствуют современному уровню производства электронных счетчиков и не стимулируют его дальнейший прогресс в плане повышения устойчивости учета электроэнергии к уровню действий влияющих факторов. Это неудивительно, так как ограничения стандартов МЭК (и заимствованных из МЭК таких же российских) некритически "перекочевали" из аналогичных стандартов, установленных много лет назад для индукционных счетчиков [10]. Этот факт уже отмечался и ранее в [7].

    Выводы
    1. Большинство типов электронных счетчиков, производимых в странах СНГ, имеют статистически достоверные систематические основные и дополнительные погрешности со смещением в "минус", т. е. есть частично не учитывают электроэнергию в пользу ее потребителей. В этих условиях становятся недостоверными метрологические оценки погрешностей измерений электроэнергии, основанные на квадратичных вычислениях и нормальном законе распределения погрешностей с нулевым значением их математического ожидания.
    2. При производстве электронных счетчиков и аттестации самого производства по критерию качества управления необходимо контролировать статистические характеристики распределения основных и дополнительных погрешностей выпускаемых счетчиков, а в паспортах на счетчики указывать заводские данные по распределению основных и дополнительных погрешностей для каждого типа счетчика. Необходимо обеспечить производство счетчиков с нулевым значением математического ожидания основных и дополнительных погрешностей.
    3. Оценка точности учета электроэнергии в реальных условиях эксплуатации электронных счетчиков должна основываться не на номинальном значении класса их точности, а на учете погрешностей при конкретных условиях эксплуатации. При невозможности оценки таких условий суммарные погрешности следует рассчитывать на наихудший случай на основе суммирования предельных значений погрешностей, установленных стандартами. Такое суммирование должно выполняться квадратично, если есть уверенность в отсутствии статистически достоверных систематических погрешностей, и непосредственно в ином случае тоже.
    4. Электронные счетчики одного класса точности, но различных изготовителей, имеют существенные различия в запасе точности, обеспечивая реально разную правильность оценки учета электроэнергии. Необходимо указывать в паспортах на счетчики числовые характеристики распределения погрешностей для каждого типа счетчика, что послужит дополнительным критерием выбора их потребителями.
    5. Стандарты МЭК на электронные счетчики, а следовательно, и основанные на них новые российские стандарты, устарели в своих требованиях по предельным значениям дополнительных погрешностей, обусловленных отклонениями влияющих величин. Следует пересмотреть их в сторону двух- трехкратного уменьшения этих пределов с целью дальнейшего стимулирования прогресса в области учета электроэнергии и обеспечения его достоверности.
    Автор выражает благодарность доктору технических наук Е.П. Забелло и начальнику испытательного центра В.В. Бордаеву за конструктивное обсуждение настоящей статьи и внесенные коррективы.

    Список литературы
    1.РМГ 29-99. Метрология. Основные термины и определения. - Минск : Госстандарт, 2002.
    2. ГОСТ Р 52320-2005. Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Общие требования. Испытания и условия испытаний. Ч. 11: Счетчики электрической энергии. - М. : Стандартинформ, 2005.
    3. ГОСТ Р 52322-2005. Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования. Ч. 21: Статические счетчики активной энергии классов точности 1 и 2. - М. : Стандартинформ, 2005.
    4. ГОСТ Р 52323-2005. Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования. Ч.22: Статические счетчики активной энергии классов точности 0.2S и 0,5S. - М. : Стандартинформ, 2005.
    5. ГОСТ 30207-94. Статические счетчики ватт-часов активной энергии переменного тока (классы точности 1 и 2). - Минск : Белстандарт, 1998.
    6. ГОСТ 30206-94. Статические счетчики ватт/часов активной энергии переменного тока (классы точности 0,2S и 0,5S). - Минск : Белстандарт, 1997.
    7. Гуртовцев А.Л., Бордаев В.В., Чижонок В.И. Электронные электросчетчики. Доверять или проверять. // Новости электротехники, № 1,2 - 2005.
    8. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - Минск : Белстандарт, 1999.
    9. Зайдель А.Н. Погрешности измерений физических величин. - Л. : Наука, 1985.
    10. ГОСТ 6570. Счетчики электрические активной и реактивной энергии индукционные. - М. : 1996.