MSA在电能表误差检验中具体应用

(1) 研究方案

在测量系统分析中，准确性特性一般可通过检验装置的量值传递或对比来解决，目前电能表制造企业都已采用。本文重点介绍测量系统的R&R分析。本设计方案和具体实施都是依托国内某知名电能表生产企业的计量测试中心的电能表误差检验系统展开的，具有一定的代表性。

(二) 稳定条件的确定

进行MSA分析前提是系统处于稳定状态。本文的研究涉及的稳定性包括两个方面：一是检验装置的稳定性，二是电能表的稳定性。综合起来就是电能表误差检验系统的稳定性。方案选择了7块电能表和3个检验装置作为研究对象。对于稳定性的研究，用标准试验室的标准装置（误差等级为0.01级，中国科学研究院比对校准）测试所选7块表的0.1Ib点误差：每块表测试5次，每次读取10个数据，共取得35组350个数据，每次测试前预热十分钟。整个试验是在标准试验室进行的，试验的温度都是严格控制在20±3℃以内。

试验所取得7块表的数据便是其真值，对数据修约后进行分析，做出Xbar- R控制图，如下图所示，进行分析和判定，发现2号表的误差不稳定，有多个均值统计量和极差统计量超出控制限，淘汰2号表用剩下的6块表做剩下的试验和研究。

采用同样的方法，对三台检验装置进行稳定性测试和判定，结果3台检验装置均符合要求。

(三) 重复性和再现性试验及研究

由于现在的电能表误差检验系统已经实现了测试、读数、计算、显示的自动化，人的影响因素已经消除，针对电能表误差检验系统而言，重复性是指在用同一检验装置检测同一批次电能表时，测试结果之间的一致程度。再现性是指用不同检验装置检测同一批次电能表时，测试结果之间的一致程度。

用选择的1- 3号检验装置分别测试稳定性较好的6块电能表在A点的误差，试验顺序抽签决定，每块电能表分别测试5组数据，每组读取10个数据，每次测量前检验装置预热30分钟以上，电能表预热10分钟，共采集到90组数据，共计900个误差数据，每组数据测量时记录当时试验室的温度、湿度条件，在整个试验过程中，试验室的温度都是控制在20±3℃。为了能够找到因素之间的相互影响，实验应采用交互模式，即每个检验装置分别对相同的电能表进行等次数的重复测量，以3个检验装置、6块电能表、每个电能表测试次数为5次，共采集90组数据。

1）数据分析

在变差分析中，将变差分解为四种：电能表自身误差、测量系统的重复性误差、检验装置的再现性误差、检验装置与电能表的交互作用造成的误差。为了能获得精准的分析结果，本次分析采用方差分析法，分析工具采用Minitab软件。由于数据量比较大，原始数据和Minitab分析过程忽略，本文就直接给出分析结果，数据分析的相关结果数据见下表。

MSA分析理论规定，一个测量系统是否可用的标准如下：

a）GR&R＜10%,测量系统可接受；

b）10%≤GR&R≤30%,测量系统的可接受性要依赖于应用的重要性、测量成本、维修费用以及其他因素；

c）GR&R＞30%，测量系统是不可接受的，应进行改进。根据表1和上述标准，可以看出GR&R占30.89%，超过判别标准0.89%，测量系统不可以接受，需要对其进行改进。其中，在方差分量贡献率中再现性占2.00%，说明误差测量系统的再现性很好；重复性占28.89%，误差测量系统的重复性不好，需要改进；另外，Minitab软件还给出了图形化的分析结果，可用于具体原因的定性分析。上图是GR&R研究相关的方差分析图。

从上图中可以看出：

a）在变异分量图上，电能表间变差的贡献率百分比远大于测量系统的R&R，说明大部分变差来源于电能表本身；

b）从电能表单值图上可以看到连接的线并非水平直线，说明电能表之间存在较大的差异；

c）从检验装置极差图上可以看到1号检验装置对电能表的测量表现出较大的不一致；

d）通过检验装置的箱线图上看出，检验装置之间的差异比电能表之间的差异要小得多，1号检验装置测量的结果要偏大一些；

2）改进建议

对于本次测量系统分析，可知系统的不确定性主要来源于电能表本身，对于电子式电能表为了减少自身误差的变化，可从以下方面着手解决：

提高分压电阻的精度和可靠性，加强进货检验；器运行在20%左右的额定电流，一次电流的大小对电流互感器的误差有很大影响，越接近电流互感器的额定一次电流其误差特性越好，过大或过小选择电流互感器的变比都不科学。根据规程要求和现场经验，电流互感器的实际运行一次电流应在其额定一次电流的60%左右，这样既能保证电流互感器有良好的误差特性，又给电流互感器过载留下了足够的裕度。

3）合理选择电压互感器计量绕组额定负荷把此次电能计量装置二次电压回路负荷测试数据进行分析总结如下：35～45VA占3%，基本都是35kV和110kV等级未改造的电能计量装置；30～35VA占4%；20～30VA占34%；10～20VA占44%；1～10VA占15%；电压互感器计量绕组负荷对计量绕组的误差有很大影响，因此合理地选择电压互感器计量绕组额定容量对其误差特性至关重要，建议母线型电压互感器计量绕组额定容量不大于50VA，线路型电压互感器计量绕组额定容量不大于30VA。