電力自動化節(jié)能設(shè)計技術(shù)與大數(shù)據(jù)分析研究

喻建軍

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100)

作為煤炭消費占有量為總量一半左右的行業(yè)，我國電力行業(yè)的一次能源消耗量、污染物排放量均在國內(nèi)排到了前列[1]。電煤在供應(yīng)電力的同時，還產(chǎn)生了大量的溫室氣體以及有毒有害氣體，對空氣以及環(huán)境造成了十分嚴(yán)重的污染。當(dāng)前，在電力技術(shù)處于飛速發(fā)展的狀況之下，對于煤炭等發(fā)電能源的消耗也越來越大，因此，節(jié)能減排工作是隨著目前電力技術(shù)的發(fā)展，需要被列為工業(yè)生產(chǎn)工作中重要一環(huán)的工作之一。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，大量相關(guān)技術(shù)人員都投身到了電力行業(yè)的節(jié)能減排工作中去。電力系統(tǒng)有著龐大的系統(tǒng)構(gòu)造，其節(jié)能減排工程涉及到了發(fā)電、輸電、變電、配電、用電，有著不小的規(guī)模，其中，發(fā)電、電網(wǎng)和用電為電力產(chǎn)業(yè)鏈的主要構(gòu)成部分[2]。受電能發(fā)電量和消耗量平衡特點的影響，研究電力產(chǎn)業(yè)的碳減排時必須從三個環(huán)節(jié)同時入手，將碳減排的途徑、措施深入到這三個環(huán)節(jié)之中。對于電力自動化節(jié)能技術(shù)的設(shè)計，應(yīng)在保障電力可靠供應(yīng)的前提下，對不同種類的發(fā)電機(jī)組按照其能耗水平、污染物排放水平以及經(jīng)濟(jì)適用水平進(jìn)行排序。改進(jìn)對于電力自動化節(jié)能設(shè)計技術(shù)的改進(jìn)，應(yīng)以節(jié)能、經(jīng)濟(jì)為根本，提高技術(shù)水平，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

1 電力自動化節(jié)能的重要意義

最近幾年，自動化的概念逐漸風(fēng)靡，在此背景下，電力自動化應(yīng)運而生。使得大眾在使用電能方面越來越便捷，居民們盡情享受信息技術(shù)帶來的便利的同時，能源耗費嚴(yán)重的問題逐漸進(jìn)入大眾視野，引發(fā)新一輪的關(guān)注熱潮?；诖耍?jié)能這一概念在眾多場合頻頻亮相，社會各界對“自動化節(jié)能”的關(guān)注熱情也日益高漲。就目前而言，立足于國內(nèi)的社會現(xiàn)狀，節(jié)能問題刻不容緩。隨著國內(nèi)工業(yè)化進(jìn)程的加速，電能作為一項重要的社會資源，不再是取之不盡、用之不竭，正在以出乎大眾意料的速度快速流失。節(jié)約電能，迫在眉睫。近些年來，人們的生活水平不斷提高，生活質(zhì)量也得到了明顯的改善，對于電能的需求量較以往大幅度提升，唯有充分并且深刻地認(rèn)識到電能節(jié)約的重要意義，不斷探索、尋求切實可行的解決方案緩解用電危機(jī)，方能促進(jìn)社會的可持續(xù)發(fā)展，擁有更加適宜的生存環(huán)境。

2 電力自動化節(jié)能技術(shù)的原則

對于電力自動化節(jié)能技術(shù)的設(shè)計，不僅包括應(yīng)在電路運行之中減少電能的損耗，還需要對電路的運行過程進(jìn)行設(shè)計，尤其是處于社會電力工業(yè)發(fā)展的背景之下，重要性尤為凸顯。因此，研究電力自動化節(jié)能設(shè)計技術(shù)時，應(yīng)將系統(tǒng)的可實施性作為研究目標(biāo)，將系統(tǒng)的負(fù)荷能力視為衡量標(biāo)準(zhǔn)，提高對系統(tǒng)運行中安全性的重視，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)、容易操作。在對節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計前，應(yīng)先探究其原則與方向。在電力自動化技術(shù)節(jié)能設(shè)計中，安全是其首要前提，只有在保證安全生產(chǎn)的前提下，企業(yè)才可以考慮節(jié)約生產(chǎn)成本的問題。因此，針對電力自動化節(jié)能技術(shù)的設(shè)計，企業(yè)不能把眼光只放在對于能源耗材的節(jié)省，而不顧相關(guān)操作人員的安全問題，必須要保證電力穩(wěn)定傳輸且達(dá)到相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)，才可以考慮電力自動化的節(jié)能設(shè)計。對于電力自動化進(jìn)行節(jié)能設(shè)計，目的是促進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)的同時完成環(huán)境保護(hù)的任務(wù)。一方面，能源使用效率的提高可以使企業(yè)的生產(chǎn)成本降低，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供前提。另一方面，能源消耗的降低也減小了對環(huán)境的壓力，降低了對環(huán)境的污染。因此，選用更加環(huán)保的能源與節(jié)能技術(shù)是當(dāng)前企業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)發(fā)展的大勢所趨。此外，在滿足上面兩條原則的前提下，電力自動化節(jié)能技術(shù)的設(shè)計還應(yīng)考慮效益的提升，表現(xiàn)為降低設(shè)備的損耗、盡量減少對現(xiàn)有模式的改動，以減少成本的開銷。

3 電力自動化節(jié)能設(shè)計研究

節(jié)能的目標(biāo)并不單單局限于減少電路在運行過程中產(chǎn)生的損耗，在設(shè)計工作方面，也需要花時間和精力。首先，對于電力設(shè)計而言，其主要目的在于電力自動化系統(tǒng)的可實施性。設(shè)計電力系統(tǒng)時，需要充分考慮整個系統(tǒng)的負(fù)荷能力，其必須符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和要求；其次，確保電力系統(tǒng)的安全性，也是需要關(guān)注的重點方向之一。在確保可實施性和安全性的前提和基礎(chǔ)下，需要著重考慮節(jié)能問題，設(shè)計出既安全又節(jié)能的電力系統(tǒng)，從而在根本上解決能源消耗過大的問題。

3.1 變壓器節(jié)能設(shè)計

變壓器經(jīng)濟(jì)運行是電力自動化節(jié)能中較為有效的一種方法，指在輸出負(fù)荷相同的條件下，為變壓器選擇更合適的運行方式以及負(fù)載方式，是提高變壓器運行效率的手段之一。變壓器的容量、電流以及電壓等需設(shè)定為額定指標(biāo)，以減少在日常運行中產(chǎn)生的內(nèi)部功率損耗，保證變壓器的穩(wěn)定運行。變壓器的內(nèi)部功率損耗分兩種，一是空載損耗，二是負(fù)載損耗。在變壓器的設(shè)計上，已經(jīng)有在變壓器中加入非晶材料的方式，非晶材料有著延長設(shè)備運行時間的特性，從而維持設(shè)備保持節(jié)能效果。

3.2 供配電節(jié)能設(shè)計

在電力輸送的過程中，電阻的存在會使電能產(chǎn)生折損，這種損耗大多源自導(dǎo)線自身的電阻。因此，想要提高電能的傳遞效率，降低導(dǎo)線自身的電阻是有效手段之一。導(dǎo)線的電阻與其橫截面積呈負(fù)相關(guān)，與電力輸送線路總長呈正相關(guān)，所以可通過以下幾種方式來降低導(dǎo)線的電阻，提高電能輸送效率。首先，在導(dǎo)線材質(zhì)的選擇上，應(yīng)當(dāng)盡量使用一些電阻率較小的材質(zhì)。綜合考慮電阻率以及使用價格等因素，當(dāng)前用電設(shè)計中已摒棄過去的鋁芯電纜，以電阻率更小的銅芯電纜為主要使用對象。其次，導(dǎo)線的總長應(yīng)限制在一定長度內(nèi)，在進(jìn)行布線時盡量縮短長度，且盡可能選擇直線型架線的方式，減少彎折，同時盡可能地在電力系統(tǒng)的負(fù)載中心附近安裝變壓設(shè)備。最后，可以采取增大導(dǎo)線的橫截面積的方式來達(dá)到減小導(dǎo)線電阻的目的。

3.3 無功補(bǔ)償節(jié)能設(shè)計

整個電力體系中，大部分功率都屬于無功功率，因此，線路壓力的增加，會導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓變得不穩(wěn)定。所以，選擇合適的無功補(bǔ)償裝置，對于電力系統(tǒng)的節(jié)能降耗來說不可或缺。

對于無功補(bǔ)償設(shè)備的選擇，應(yīng)注意以下三點：第一，應(yīng)全面考慮電壓負(fù)荷、容量等在內(nèi)的電力系統(tǒng)參數(shù)，再對無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行選擇使用。第二，使用過程中需要全面了解補(bǔ)償線路的負(fù)荷情況，根據(jù)電網(wǎng)的運行狀態(tài)，從靜態(tài)補(bǔ)償裝置和動態(tài)補(bǔ)償裝置中選擇，從而達(dá)到節(jié)能效果。第三，投切方式的選擇應(yīng)采取使用廣泛且穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度和靈活度較高的投切模式。此外，遵循就近原則，盡可能地縮短電路的總長，以避免功率傳輸過程中的無意義浪費。

3.4 濾波器節(jié)能設(shè)計

科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，電力自動化系統(tǒng)中的精密儀器日益增多。在復(fù)雜多變的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，諧波電流量不斷增多，大量的諧波對電網(wǎng)儀器造成一定程度的負(fù)面影響，引起電壓的不穩(wěn)定波動，進(jìn)而消耗大量電能。所以，濾波器的采用在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。挑選濾波器時，盡可能選擇有源濾波器，盡管有源濾波器的造價較高，然而，相較于無源濾波器，可以高效清除濾波，加之工作速度偏快，節(jié)能性能良好，可以在一定程度上預(yù)防電力系統(tǒng)中諧波帶來的危害和損耗。

3.5 照明設(shè)備節(jié)能設(shè)計

在國內(nèi)的電能消耗中，照明設(shè)備所耗電量占比較高。實際上，不論是生活用電抑或是工業(yè)用電，照明設(shè)備的使用量非常巨大。采用節(jié)能型照明設(shè)備，可以在某種程度上減少能源消耗，并在一定程度上大幅降低能耗，提升電力系統(tǒng)整體的節(jié)能效率。

4 電力大數(shù)據(jù)分析

4.1 電力大數(shù)據(jù)及其特征

所謂電力大數(shù)據(jù)，指的是智能電網(wǎng)在發(fā)電、 配電、 輸電、營銷及管理等方面產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。其包括各電器設(shè)備中的傳感器、用戶家中的智能電表以及營銷系統(tǒng)收集整理的客戶反饋等內(nèi)容，這些數(shù)據(jù)最終匯總于數(shù)據(jù)中心進(jìn)行統(tǒng)一的存儲和管理。關(guān)于電力大數(shù)據(jù)，有助于促進(jìn)智能電網(wǎng)的穩(wěn)定性、節(jié)能性。通過對電力大數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析和研討，可以在一定程度上提高智能電網(wǎng)的管理水平，設(shè)計更加高效科學(xué)的生產(chǎn)規(guī)劃方案，對能源的輸送以及調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化整合，從而建立起更加精準(zhǔn)的用戶用電行為模型等。一般而言，電力大數(shù)據(jù)優(yōu)勢較多。第一，體量較大。隨著社會科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，智能電網(wǎng)的建設(shè)日益深入人心，并逐漸得到廣泛應(yīng)用。終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備的安裝幾乎進(jìn)入了每家每戶。采集的數(shù)據(jù)規(guī)模日益龐大，呈指數(shù)級增長趨勢。以浙江為例，假設(shè)全省住戶2 200萬，倘若智能電表安裝在每家每戶，依據(jù)信息采集規(guī)則，每15min采集一條信息，那么每天的用電記錄將高達(dá)21億條。第二，類型豐富多樣。在智能電網(wǎng)中，產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，既包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，又包括半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)類型豐富且多樣，因此，單一的數(shù)據(jù)處理模式并不適用。需要結(jié)合數(shù)據(jù)的多樣性要求存儲與處理技術(shù)的多樣性。第三，速度很快。電力大數(shù)據(jù)在速度方面擁有得天獨厚的優(yōu)勢，終端數(shù)量的增長對數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)提出了更為嚴(yán)苛的要求。除此之外，電力大數(shù)據(jù)也擁有其獨特的特點。首先，電力大數(shù)據(jù)中包含的信息資源豐富多樣，比如，用戶的用電規(guī)律、 最佳輸電調(diào)度策略等內(nèi)容，此類信息有助于節(jié)約電能消耗，促進(jìn)資源的可持續(xù)發(fā)展，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)即能量的特征；其次，數(shù)據(jù)具有交互性。電力大數(shù)據(jù)往往與其他行業(yè)的大數(shù)據(jù)產(chǎn)生交互，通過深刻系統(tǒng)的分析，其包含的信息對于決策等具有重要的意義；最后，數(shù)據(jù)具有共情性。電力大數(shù)據(jù)為國網(wǎng)企業(yè)更好地滿足用戶的使用需求提供了更多的便利和渠道。所謂共情，指的是感同身受。對于國網(wǎng)企業(yè)發(fā)電的各個環(huán)節(jié)，均可以通過電力大數(shù)據(jù)，為客戶們提供更優(yōu)更佳的電力服務(wù)，實現(xiàn)共同發(fā)展。

4.2 電力大數(shù)據(jù)分析處理

檢索得到的電力數(shù)據(jù)中，存在斷開、重復(fù)以及缺失的電力數(shù)據(jù)，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，并將清洗后的電力數(shù)據(jù)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到一個或者若干個屬性不同但連續(xù)、流暢的電力數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果。

已知檢索得到的電力數(shù)據(jù)存在斷點，即數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺失值，所以為了能夠正常反饋電力數(shù)據(jù)的預(yù)測效果，清洗預(yù)測數(shù)據(jù)集，并對缺失值進(jìn)行填補(bǔ)。通常來說，電力數(shù)據(jù)變化時，曲線具有平滑性特征，相鄰時刻點的電力負(fù)荷變化率變動較小。根據(jù)這一特點，利用均值處理法對單個點的數(shù)據(jù)缺失值進(jìn)行填補(bǔ)，將前一時刻點和后一時刻點的電力預(yù)測值相加，根據(jù)所得的平均值作為該時刻點的預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，公式為：

(2)

公式(2)中：t+1表示后一時刻點；t-1表示前一時刻點；ct表示t時刻的數(shù)據(jù)填補(bǔ)值；ct-1與ct+1分別表示不同時刻點下的預(yù)測電力值。填補(bǔ)數(shù)據(jù)還可能受填補(bǔ)位置、電力接發(fā)等因素的影響，存在尺度不一的情況。因此對這些填補(bǔ)值做標(biāo)準(zhǔn)化處理，統(tǒng)一其量綱，避免數(shù)值范圍大的數(shù)據(jù)淹沒數(shù)值范圍小的數(shù)據(jù)。將所有數(shù)據(jù)歸一化到[0,1]區(qū)間內(nèi)，該過程如公式(3)所示。

(3)

在電氣設(shè)備運行環(huán)節(jié)，諧波的出現(xiàn)會導(dǎo)致電壓產(chǎn)生不穩(wěn)定波動，進(jìn)而會對相關(guān)的電網(wǎng)儀器產(chǎn)生損害。諧波的產(chǎn)生無可避免，因此，為有效地改善這一問題，減少電能過度消耗與產(chǎn)生的損失，工業(yè)生產(chǎn)中已有大量企業(yè)開始使用有源濾波器，優(yōu)點是運行速度快、濾波性能更優(yōu)。與無源濾波器相比，雖然有源濾波器有著相對偏高的造價，但可以更徹底地清除濾波。同時由于其有著更快的工作速度、更好的節(jié)能性能，能夠在輸送電能時減少諧波對電網(wǎng)系統(tǒng)的危害，保障其安全穩(wěn)定運行。

5 結(jié) 語

本文以滿足當(dāng)前對于節(jié)能減排的要求為前提，結(jié)合當(dāng)前電力自動化系統(tǒng)的發(fā)展情況，探究電力自動化節(jié)能技術(shù)設(shè)計的方向與具體設(shè)計技術(shù)。由于本文的研究仍存在著不足，除本文所述的幾種設(shè)計技術(shù)外，還存在著更多的方式有待發(fā)掘完善。希望本文的研究能夠為電力自動化節(jié)能設(shè)計技術(shù)的發(fā)展提供一定的理論依據(jù)。