单相智能电能表设计方案多目标稳健性评价通则

1单相智能电能表设计方案多目标稳健性评价通则本文件规定了针对单相智能电能表设计方案开展多目标稳健性评价的对象、流程和方法。本文件适用于基于仿真模型的单相智能电能表设计方案多目标稳健性评价。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文件中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。DL/T1490-2015智能电能表功能规范3术语和定义DL/T1490-2015界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1干扰因素interferencefactor在产品生产、存储和使用过程中，引起产品质量特性波动的外界因素。注：干扰因素可能来自相同工艺不同批次产品间、同一批次不同产品间制造工艺、环境等。3.2质量一致性qualityconsistency表征产品质量特性波动幅度的综合指标，用标准偏差值表示。3.3多目标稳健性评价robustnessevaluation在环境温度、磁场等干扰因素影响下对评价对象进行质量一致性评价的活动。4评价对象及干扰因素4.1评价对象单相智能电能表设计方案多目标稳健性评价应包含但不限于如下对象：a)计量单元；b)控制单元；2c)电源单元。4.2干扰因素单相智能电能表设计方案多目标稳健性评价应包含但不限于如下干扰因素：a)环境温度；b)工频磁场；c)恒定磁场。5评价流程 图1单相智能电能表硬件部分设计方案多目标稳健性评价流程6评价方法6.1信息收集所需信息见表1。表1单相智能电能表设计方案多目标稳健性评价所需信息123按照如下步骤建立仿真模型：a)分析单相智能电能表评价对象的工作原理及组成结构；b)根据所评价对象，确定适合的仿真工具，建立仿真模型，参见附录A；c)测试、验证与修正仿真模型；d)若需大量计算，可建立快速计算模型，基本流程见图2。图2快速计算基本流程6.3质量特性分析6.3.1概述按照收集到的信息确定仿真模型中评价对象设计允许偏差范围。用于质量特性分析的虚拟样本数量每批次应不少于1000只。6.3.2温度影响下计量误差分析基于单相智能电能表计量单元仿真模型，在计量单元各参数公差范围内建立虚拟样本（可采用正态分布在参比频率、参比电流和参比电压条件下，在产品规范规定的范围内每间隔10℃,仿真得到每批次单相智能电能表的计量误差分布。6.3.3工频磁场影响下计量误差分析基于单相智能电能表计量单元仿真模型，在计量单元各参数公差范围内建立虚拟样本（可采用正态分布在参比频率、参比电压条件下，各方向施加规范规定的工频磁场强度（如0.5mT仿真得到无负载电流、Itr下每批次单相智能电能表的计量误差分布。6.3.4温度影响下控制单元质量特性分析基于单相智能电能表控制单元仿真模型，在控制单元各参数公差范围内建立虚拟样本（可采用正态4分布在参比频率、参比电压、参比电流条件下，在产品规范规定的范围内每间隔10℃,仿真得到每批次单相智能电能表的负荷开关动作时间分布。6.3.5恒定磁场影响下控制单元质量特性分析基于单相智能电能表控制单元仿真模型，在控制单元各参数公差范围内建立虚拟样本（可采用正态分布在参比频率、参比电压、参比电流条件下，各方向施加规范规定的恒定磁场（如200mT仿真得到每批次单相智能电能表的负荷开关分闸时间分布及合闸时间分布。6.3.6温度影响下电源单元质量特性分析基于单相智能电能表整机热仿真模型及电源单元仿真模型，在电源单元各参数公差范围内建立虚拟样本（可采用正态分布电压分别选取参比电压、1.25倍参比电压，电流分别选取10Itr、50%Imax、Imax、1.2Imax，在产品规范规定的范围内每间隔10℃,仿真得到每批次单相智能电能表误保护概率。6.4.1单一对象稳健性计算根据6.3得到的质量特性分布，应用式（1）计算单一对象稳健性标准偏差值s(Y)。（1）参见附录C。5仿真软件对于温度场、磁场等结构场的仿真，推荐采6（资料性）单相智能电能表单一对象稳健性评价示例以某款2级单相智能电能表在温度影响下的计量误差评价为例，收集产品设计文件和生产工艺文件，梳理计量原理，确定各类元器件的公差范围。测量计量芯片参考电压、150KΩ分压电阻、680Ω采样电阻的温度系数；温度（-40～70）℃在计量芯片参考电压Uref、150KΩ分压电阻R150KΩ及680Ω采样电阻R680Ω随温度的变化情况并拟合曲线得到：k150kΩ=-15.713/148.9k=-105.56×10-6oC-1k680Ω=3.8037×10-2/679.7=55.96×10-6oC-1T——测量温度；k150KΩ——150KΩ分压电阻的温度系数；k680Ω——680Ω采样电阻的温度系数。B.2建立仿真模型B.2.1分析单相智能电能表工作原理及各单元组成结构单相智能电能表计量单元由电阻分压网络、锰铜采样回路、计量芯片三部分组成，其中电阻分压网络用于获取电压信号，锰铜采样回路用于获取电流信号，计量芯片主要用于功率计算、电能量计算、输出脉冲信号。B.2.2确定适合的仿真工具，建立仿真模型选择MATLAB/Simulink建立计量单元仿真模型。计量单元各组成部分及整体仿真模型建立方法如a)建立计量芯片仿真模型:1）根据计量芯片的工作原理，在模型内集成相应的数字放大模块、AD转换模块、高低通滤波器、相位补偿器和数字乘法器；2）根据芯片数据手册配置相关参数：电压放大倍数KU，火线电流放大倍数KL，零线电流放大倍数KZ。计量芯片仿真模型见图B.1。7b)建立电阻分压网络模型：1）根据电阻分压采样电路原理图，使用建立的可变电阻模型，参考电压模型和随机数模块，搭建仿真模型；2）考虑分压电阻容差的影响，建立随机数模块，与可变电阻模型上的不确定因素端口连接，以表示容差。分压电阻网络仿真模型见图B.2。c）建立锰铜采样回路模型：1)根据锰铜采样回路建立模型，将参考电压温度模型集成在锰铜分流采样回路仿真模型2)采用不确定因素端口连接随机数模块，并在一定范围内模拟电阻容差。锰铜采样回路仿真模型见图B.3。8图B.3锰铜采样器仿真模型示例d）建立计量单元整体模型：1）用交流电压源和交流电流源模拟电网电压和电流；子系统current为锰铜分流采样器模型，voltage为电阻分压采样电路模型，calculate为计量芯片模型。输出电能值可以通过Display模块显示，Display1为电能计量值，Display2为电能理论值；2）ToWorkspace模块可以将仿真电能值记录在MATLAB工作区中，以方便进行数据处理。计量单元整体仿真模型见图B.4。B.2.3若需大量计算，可建立快速计算模型计量单元MATLAB/Simulink仿真计算较快，可不需要快速计算模型。B.2.4测试、验证与修正仿真模型对比计量单元仿真电能计量结果与实测结果，验证仿真模型的准确性。可依据实测结果对仿真模型进行修正。B.3质量特性分析9计算-40℃~70℃温度条件下的各元器件参数。通过收集到的工艺信息中各关键参数的公差限确定虚拟样本容差范围，每种温度条件，采用蒙特卡洛试验方法，仿真生成1000组虚拟样本的误差值。为不同温度下计量误差均值，s(y)为计量标准差。