模拟测试分项计量数据计量错误\误差的实验方案
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摘要：上海已完成几百栋公共建筑的能耗监测系统建设工作，上传的数据存在一些计量错误及大量的计量误差。本文通过解析分项计量现场产生计量错误、误差的种种因素，其中主要因素如下：互感器接反、接线缺相、二次线缆长度过长、不同横截面积二次线缆等。根据主要因素，在模拟实验台的基础上，提出了一种可以模拟分项计量现场产生不同计量错误、误差影响因子的有效实验方案。
中图分类号：C35文献标识码： A
An experiment Strategy simulating the sub-metering
data error and mistake
Yuqing Wang1, Chan Xia1
（1 Shanghai Research Institute of Building Science, Postcode：201108）
Abstract: Energy-consumption monitoring system construction work has been completed in hundred of public buildings in Shanghai, and some measurement error and large measurement mistakes exist in uploading data. In this paper, various factors are resulted in measurement errors by analyzing sub-metering error of the scene, the following main factors including: transformer, lack of phase, different length of the second cables, different cross-sectional area of the second cables. According to the main factors, based on simulation test experiment, proposing an effective experimental scheme, which can simulate different measurement error and mistake influencing factors that exist in sub-metering scene.
Keywords: experimental scheme；simulation test；sub-metering data
0 引言
随着国家积极宣传节能工作，上海市的建筑能耗监测工作也在积极大力的、大范围的推广中，目前已有900余栋的大型公共建筑完成了能耗监测系统建设工作，预计到2015年将完成全市2000余栋建筑的系统建设工作。在建筑能耗监测系统的建设工作中，由于系统的设计思路、现场条件、施工质量等不同的因素影响，存在着计量错误、计量误差，如互感器接反、相位接错、线缆过细、线缆过长等。产生的计量错误、计量误差会导致计量数据与真实数据偏差达到5%～50%，对能耗监测数据的应用基础产生了巨大的影响，数据将不能真实反映建筑能耗的真实情况，并严重影响建筑能耗监测系统在全市节能减排工作中发挥应有的作用。
本文将简要介绍分项计量系统现场建设过程中，可能会造成计量数据产生错误、误差的种种原因，并找出主要影响因素，进而研究出一个有效的模拟实验方案。
1不同数据计量错误、误差影响因素大小
根据调研及工程案例现场计量数据分析得知，可能会造成计量数据产生错误或误差的原因见表1所示。由表1可看出，不同原因会导致计量数据的产生不同的结果：计量数据偏小、偏大或者为零。结合实际能耗监测系统建设过程及理论分析不同计量数据计量错误、误差的原因，对比分析可知主要影响因素：互感器接反、互感器接线缺相、二次线缆长度过长和二次线缆横截面积过小。
表1 造成计量数据产生错误或误差类型一览表
序号 影响因素 计量数据错误、误差类型
1 互感器的种类 开合式 计量数据偏小
闭式 数据影响较小
2 互感器损坏 计量数据偏小或为0
3 互感器接反 对于三相三线式：A相极性接反一般会出现计量数据偏小；C相极性接反时，当功率因素大于0.5时计量数据偏小；大于0.5时计量数据偏大[1]。对于三相四线式：计量数据为实际数据的1/3[2]。
4 互感器的变比[3] 过大 负载电流不足以达到电能表的启动电流或工作电流低于30%标定电流时，计量数据为0或偏小。
过小 实际电流大于电表额定电流，导致出现负误差，使得电表转速变小，计量数据偏小。
5 互感器接线缺相 计量数据较小
6 线缆的长度（过长） 导线电阻增大，线路损耗增多，计量数据偏小
7 线缆的横截面积（过小） 导线电阻增大，线路损耗增多，计量数据偏小
8 电表接线缺相 电能表转慢，缺一相时电表仅计量两相电量；缺两相时电表仅计量一相电量；缺三相时电表停转[4]。
9 保险丝损坏 导致线电压增大，计量数据偏大
2分项计量模拟实验台简介
为准确揭示建筑能耗监测系统在建设过程中，计量数据初始端接线存在的种种问题，课题组自主搭建了分项计量模拟实验台，如下图2所示。
图2 分项计量模拟实验台原理图
该模拟实验台主要由空气断路器、稳压器、实验台主体、负载箱等组成。其中L1、L2、L3表示外接电源的三相火线，N表示零线，主要用于提供实验所需要的电源；QF表示空气断路器，用于接通、分断和承载额定工作电流和短路、过载等，实物如图3；稳压器为三相稳压器，主要用于实验过程中提供稳定的三相输入电压，避免由于其波动对实验过程中的计量数据产生影响，实物如图3；实验柜主要包括空气断路器、接触器、热继电器及接线端子、互感器、计量电能表等，用于模拟现场计量数据的采集和校验，实物如图4；负载箱主要用于模拟实际使用中提供的不同末端负载，用于调节模拟实验台中的电流大小，实物如图5。
图3 外接电源控制箱图4 三相稳压器
图5 实验柜 图6 实验用负载箱
3测试分项计量数据错误、误差实验方案
3.1实验目的
针对现场调研和文献查阅而梳理出的能耗监测数据计量错误、误差的主要影响因素，基于自主搭建的分项计量模拟实验台，分别测试得到不同计量错误、误差对计量准确度的影响。
3.2实验原理
将不同因素组合在一起，本次拟选取一种组合方式，改变某一种计量错误、误差的实验因素，保持其余影响因子相同的情况下，对该种计量错误或误差影响因子进行测试，记录实验柜面板上两个电表电流测试值与校验值，对比分析两者间的差异值，从而得出该计量错误或误差的影响大小。其中影响大小的计算方法见式3-1所示。
Δ=（Ιo--Ιs）/Ιo*100%（3-1）
式中，
Ιo---电流的正确值，由实验台柜校验段电表读取，A；
Ιs---电流的实际值，由实验台柜测试段电表读取，A。
保证实验测试过程中数据准确的前提下，考虑不同方案的操作简便性、时间的长短性及接近现场实际情况等方面，综合得出最优测试方案。本实验对各种测试方案的测试时间进行对比，选择测试时间最短的测试方案作为最优测试方案。其中时间的计算方法如式3-2所示。
T=Nn*tn+ Nn *Nn-1*tn-1+ Nn *Nn-1* Nn-2*tn-2+…
+ Nn *Nn-1* Nn-2…N2*t2+ Nn *Nn-1* Nn-2…N2N1*t1 （3-2）
式中：
T---实验测试总时间，t；
N1 ---第一个变量的改变次数；t1---第一个变量改变所需的时间，t；
N2---第二个变量的改变次数；t2---第二个变量改变所需的时间，t；
Nn ---最后一个变量的改变次数；tn---最后一个变量改变所需的时间，t。
3.3实验方法
通过现场和文献调研知，主要因素涉及的材料为：互感器、二次线缆（不同长度和不同横截面积的二次线缆）及末端负载。本实验通过控制其他三个影响因素相同而改变其中一个因素的方法进行测试。以下简介本次实验将用到的互感器类型，不同长度的二次线缆及不同横截面积的二次线缆，不同末端调节负载。
本实验所选用的互感器分为2种类型：一种为0.2S级，变比范围：5/5~200/5，用于校验段用互感器。一种为0.5级，变比从5/5~200/5，用于测试段用互感器，实验时主要选取10种变比值，分别为5/5；10/5；15/5；20/5；25/5；30/5；40/5；50/5；60/5；75/5；100/5；150/5；200/5。
二次线缆横截面积大小根据分项计量现场常用型号选取3种，用于互感器与电表之间传输用，分别为：1.5mm2；2.5mm2；4mm2。
二次线缆长度依据分项计量现场常用的长度并结合实验及互感器的特性曲线得出了线缆长度范围为1m~40m。实验时选取了9种长度，分别为，1m；3m；5m；7m；10m；15m；20m；30m；40m。
根据实际建设能耗监测系统与用能特征，本次实验用调节末端负载不超过50kW，调节范围在1~50kW之间。本次实验拟选取的10种末端负载情况，分别如下：1 kW；2kW；5 kW；10 kW；15 kW；20 kW；25 kW；30 kW；40 kW；50 kW。
3.4实验方案
根据前面分析可知，影响因素主要包括：互感器（包括互感器的接线、变比）、不同长度二次线缆、不同横截面积二次线缆及末端负载。实验时，选定一个变量因素进行改变，在控制其他影响因素相同的情况下读取测试段和校验段的电流大小。根据变量因素改变的次序，可初步拟定24种方案，具体见表2所示。
在上述方案测试数据均准确无误的前提下，为得出最具可行行的实验方案，本实验综合考虑了各实验方案的测试时间，具体见图3-2所示。
结合表2和图7可得出，当各因素变化时间相同时，方案5和方案19所需时间相同且最短，由图可得出此时实验测试时间与各变量因素的改变值次数有关，先测试改变次数多的因素则实验测试时间越短。当各因素变化时间不同时，实验测试时间随因素的改变次数和更换时间而变。当因素改变次数多且更换时间长时，应先测试因素改变次数多且更换时间短的。
表2 初步拟定的24种方案
方案序号 影响因素变化次序（1-2-3-4）
方案1 互感器---二次线缆长度---二次线缆横截面积---末端负载
方案2 互感器---二次线缆长度---末端负载---二次线缆横截面积
方案3 互感器---二次线缆横截面积---二次线缆长度---末端负载
方案4 互感器---二次线缆横截面积---末端负载---二次线缆长度
方案5 互感器---末端负载---二次线缆长度---二次线缆横截面积
方案6 互感器---末端负载---二次线缆横截面积---二次线缆长度
方案7 二次线缆长度---互感器---二次线缆横截面积---末端负载
方案8 二次线缆长度---互感器---末端负载---二次线缆横截面积
方案9 二次线缆长度---二次线缆横截面积---互感器---末端负载
方案10 二次线缆长度---二次线缆横截面积---末端负载---互感器
方案11 二次线缆长度---末端负载---二次线缆横截面积---互感器
方案12 二次线缆长度---末端负载---互感器---二次线缆横截面积
方案13 二次线缆横截面积---互感器---二次线缆---末端负载
方案14 二次线缆横截面积---互感器---末端负载---二次线缆长度
方案15 二次线缆横截面积---二次线缆长度---互感器---末端负载
方案16 二次线缆横截面积---二次线缆长度---末端负载---互感器
方案17 二次线缆横截面积---末端负载---互感器---二次线缆长度
方案18 二次线缆横截面积---末端负载---二次线缆长度---互感器
方案19 末端负载---互感器---二次线缆长度---二次线缆横截面积
方案20 末端负载---互感器---二次线缆横截面积---二次线缆长度
方案21 末端负载---二次线缆长度---互感器---二次线缆横截面积
方案22 末端负载---二次线缆长度---二次线缆横截面积---互感器
方案23 末端负载----二次线缆横截面积---互感器---二次线缆长度
方案24 末端负载----二次线缆横截面积---二次线缆长度---互感器
图7 各实验方案下实验测试时间变化关系
4结论
1、通过文献查阅及解析分项计量现场产生计量错误、误差的种种可能原因，得出对计量数据影响较大的因素主要为：互感器、不同长度二次线缆、不同横截面积二次线缆及末端负载。
2、通过自主搭建的模拟实验台，对主要因素的测试范围进行了选择，分别为互感器变比：5/5；10/5；15/5；20/5；25/5；30/5；40/5；50/5；60/5；75/5；100/5；150/5；200/5；二次线缆横截面积：1.5mm2；2.5mm2；4mm2；二次线缆长度：1m；3m；5m；7m；10m；15m；20m；30m；40m；末端负载情况：1 kW ；2kW；5 kW；10 kW；15 kW；20 kW；25 kW；30 kW；40 kW；50 kW。
3、通过对四种主要影响因素进行排列组合，综合考虑各因素改变次数及更换时间，得出当各因素更换时间相同时，先测试改变次数多的因素既准确又省时。
5参考文献
[1] 王月华,王野. 电流互感器极性接反造成的计量错误浅析[J]. 吉林电力技术,1997(1)
[2] 童岩峰. 电流互感器的极性问题探讨[J]，科技资讯(SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION), 2011(36).
[3] 黄焱, 李定柏. 电流互感器变比的合理选择[J]. 江西电力, 2006, 30(5).
[4] 朱海珍. 电能表接线对电能计量的影响[J].实用科技.
[5] 致谢
感谢上海市建筑科学研究院（集团）有限公司科技开发项目“建筑能耗监测数据的计量错误、误差分析级纠正、补偿技术研究”的资助。