電氣工程自動化及其節(jié)能設(shè)計的探討

黃國凱

（福建船政交通職業(yè)學院，福建 福州 350007）

0 引言

人們生活生產(chǎn)中，電氣自動化技術(shù)應用較為廣泛，特別是信息技術(shù)的發(fā)展，推動電氣自動化技術(shù)也隨之更新，在自動化水平提高下，卻也出現(xiàn)過度挖掘能源，能源浪費打破自然平衡的問題。因此，面對能源危機，需響應國家節(jié)能減排要求，落實節(jié)能設(shè)計理念，不僅能夠減少電能浪費，緩解能源危機，還能保證電氣工程系統(tǒng)設(shè)備運行穩(wěn)定性，減少發(fā)生故障概率。

1 電氣自動化工程節(jié)能設(shè)計意義

電氣工程作為現(xiàn)代重要學科，集計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)等于一體，工程水平一定程度能夠代表國家的科技發(fā)展水平，應用較為廣泛，在人們生活、工作方方面面均有體現(xiàn)，具有重要價值。該工程開展節(jié)能設(shè)計，意義如下：

（1）電氣設(shè)備應用均會耗能，特別是電能作為常規(guī)能源，用于工作、生活各個方面，能源短缺問題愈發(fā)顯著，使得節(jié)能減排成為電氣工程自動化關(guān)鍵研究問題，將節(jié)能理念融入工程設(shè)計，可提高工作效率，減少能耗。

（2）電氣工程自動化系統(tǒng)對運行平穩(wěn)性要求較高，傳統(tǒng)技術(shù)盡管能夠提高工作效率，運行卻存在穩(wěn)定性、安全性不足情況，易造成輸供電系統(tǒng)不穩(wěn)、停電的情況。而在節(jié)能理念深入應用下，能夠減少電氣工程能耗，保證輸供電系統(tǒng)安全運行，提高經(jīng)濟效益。

（3）電氣工程自動化系統(tǒng)長期應用中，易出現(xiàn)諧波，損害電網(wǎng)，難以保護電力設(shè)備，為解決該問題，需結(jié)合實際做好節(jié)能工作，合理應用節(jié)能技術(shù)，能夠減少系統(tǒng)能耗，消除諧波，以免損害電網(wǎng)，推動設(shè)備實現(xiàn)可持續(xù)應用。

2 電氣工程自動化發(fā)展現(xiàn)狀

社會經(jīng)濟及科技的發(fā)展，使得人們生活水平逐步提高，工程自動化設(shè)計高新技術(shù)，應用推廣較為廣泛，滲透至生活各個方面，日常插排、開關(guān)均為電氣工程。而隨著時間推移，人們對電氣工程自動化要求更高，逐漸暴露更多問題，主要體現(xiàn)在以下方面。

2.1 系統(tǒng)集成不足

電氣自動化系統(tǒng)設(shè)計中，集成發(fā)展作為提高系統(tǒng)功能的重要環(huán)節(jié)，我國電氣自動化仍處于多島自動化方面，互不連接、信息獨享、功能單一，難以將電氣自動化作用充分發(fā)揮出來。

2.2 網(wǎng)絡架構(gòu)不一

電氣自動化未來發(fā)展中，以建立快捷、高效電氣自動化系統(tǒng)為主要方向。但是，部分企業(yè)由于自身網(wǎng)絡架構(gòu)不同，導致電氣工程依托于網(wǎng)絡發(fā)展受到阻礙，加上不同企業(yè)、廠家交換軟、硬件產(chǎn)品中，由于程序接口不同，對于企業(yè)信息數(shù)據(jù)交流傳輸造成影響，難以實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)共享，無法發(fā)揮自動化系統(tǒng)效用。

2.3 技術(shù)過于主觀

不同企業(yè)在開發(fā)、應用電氣自動化技術(shù)中，受限于技術(shù)人員掌握技術(shù)程度及思想理論，人員開發(fā)中遵循過往經(jīng)驗，受到主觀意識和習慣支配，開發(fā)系統(tǒng)平臺各有不同，造成電氣工程自動化的實施、設(shè)計、維護，且增加了程序成本，進而加大整體系統(tǒng)運行負擔。

2.4 能源消耗較大

在電氣工程實際生產(chǎn)中，盡管應用較為廣泛，為了能夠提高經(jīng)濟效益，部分企業(yè)對于環(huán)境污染及節(jié)能設(shè)計有所忽視，僅獲得更多經(jīng)濟效益，功能單一，也使得用電高峰階段，易出現(xiàn)電能匱乏情況，究其原因主要是用電設(shè)備、用戶多，加上電氣工程結(jié)構(gòu)復雜，設(shè)備較多，浪費情況嚴重，加大了工程控制難度，需做好節(jié)能設(shè)計工作，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

3 電氣工程自動化的節(jié)能設(shè)計措施

3.1 明確設(shè)計原則

電氣自動化工程設(shè)計中，涉及諸多專業(yè)知識，開展節(jié)能設(shè)計工作將會遇到一定困難，為保證落實節(jié)能理念，開展設(shè)計中應遵循理念，將節(jié)能技術(shù)優(yōu)勢發(fā)揮出來。具體如下：（1）先進性原則，部分節(jié)能技術(shù)與設(shè)備隨著科技進步而發(fā)展，對工程設(shè)計也提出了新的要求，人員需結(jié)合實際工作環(huán)境，完善、創(chuàng)新設(shè)備，保證使用先進節(jié)能技術(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)；（2）安全性原則，節(jié)能設(shè)計不僅需節(jié)約資源，也要保障工程系統(tǒng)安全運行，設(shè)計師在工程設(shè)計中，應當將設(shè)備節(jié)能及安全性放到首要位置，保證設(shè)備安全工作，方能提高工作效率；（3）可持續(xù)性原則，我國提出可持續(xù)發(fā)展理念，已經(jīng)深入人心，電氣自動化工程設(shè)計也應遵循該理念，人員節(jié)能設(shè)計應從多角度、長期系統(tǒng)發(fā)展考慮，秉持減少能耗、節(jié)能減排理念，推動企業(yè)可持續(xù)發(fā)展；（4）環(huán)保性原則，電氣工程節(jié)能設(shè)計目的在于節(jié)約資源、保護環(huán)境、減少能耗，人員需樹立環(huán)保理念，節(jié)能設(shè)計從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計至施工，均落實環(huán)保理念，減少污染，提高工程經(jīng)濟及生態(tài)效益。

3.2 確定改進思路

電氣自動化工作效益及效率更為高效，提高工作可靠性，獲得市場競爭支持，需根據(jù)實際情況，改進節(jié)能設(shè)計。明確設(shè)計思路如下：（1）從科技方面出發(fā)，電氣自動化工程科技化發(fā)展是指需根據(jù)社會新的技術(shù)、產(chǎn)品、材料等合理應用，秉持自主創(chuàng)新理念，對于各種節(jié)能降耗方法、工藝等積極推廣，使用材料、技術(shù)力求創(chuàng)新，合理應用計算機技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)及網(wǎng)絡技術(shù)等；（2）從信息方面出發(fā)，電氣自動化中應用信息技術(shù)能夠優(yōu)化自動化水平，設(shè)備的制造、設(shè)計與運行合理使用仿真及計算機技術(shù)，通過人工智能分析電網(wǎng)建設(shè)情況，借助網(wǎng)絡通信技術(shù)，實現(xiàn)電力運行信息的傳遞，動態(tài)監(jiān)控電力工程運行情況。

3.3 選擇合適變壓器

電氣自動化系統(tǒng)中，變壓器具有重要作用，也是節(jié)能設(shè)計的關(guān)鍵點，變壓器能夠?qū)﹄姎庀到y(tǒng)用電功率造成影響，進而制約電壓電流的有效期換，要求選擇變壓器時，要深入考量能源節(jié)約問題，采取規(guī)定變壓器型號控制功率消耗，達到該目標。變壓器選擇需考慮以下環(huán)節(jié)：一是遵循節(jié)能原則，選用絕緣和銅片材料，銅材料對變壓器運行作用重要，考慮節(jié)能要求，需提高應用銅材料頻率，電線電柜以硅材料替代，能夠保證變壓器空載運行效率，減少運行能耗，達到節(jié)能目的；二是市場變壓器類型多樣，選擇存在難度，需秉持經(jīng)濟性、節(jié)能型原則，投入應用后做好維修保養(yǎng)，應用一段時間后更換，保證變壓器功能?？墒褂脝蜗嘧詣友a償設(shè)備，能夠利用單相補償設(shè)備保證流動三相電流平衡狀態(tài)，減少變壓器消耗，考慮用電設(shè)備與三相電源連接，以免負荷不平衡，控制變壓器能耗；三是變壓器數(shù)量、容量的科學確定，變壓器容量如果難以滿足系統(tǒng)運行要求，必定會降低設(shè)備使用壽命，影響運輸電能質(zhì)量，當容量超出系統(tǒng)運行需求，會造成資源浪費，難以達到節(jié)能目標。所以，變壓器選擇應根據(jù)實際選擇容量，控制變壓器數(shù)量，以2臺為主，并聯(lián)變壓器方式，保證自動化系統(tǒng)穩(wěn)定運行，以免能源浪費。

3.4 降低電能消耗

電能運輸中，受限于導線自身特性，決定工程運行會出現(xiàn)功率損耗問題，是客觀存在的問題，難以避免，電能在電力系統(tǒng)中只有經(jīng)過導線方能順利傳輸，為減少電能損耗，系減少導線電阻。因此，節(jié)能設(shè)計中，根據(jù)物理學可知，導線橫截面和電阻之間負向相關(guān)關(guān)系，可利用此類關(guān)系減少電氣自動化系統(tǒng)損耗，實現(xiàn)節(jié)能降耗。例如，材料選擇電導率小制作導線，避免導線傳輸中電能消耗量，也可增加導線橫截面，將導線電阻降低，避免電能損耗過多，或是適當縮短導線長度，設(shè)計中盡量布置電氣工程處于一條直線，以免彎路過多增加導線長度，電壓器布置中，則需要靠近工程負荷中心，減少供需電之間距離。

3.5 選擇無功補償設(shè)備

電氣自動化系統(tǒng)中，無功功率占據(jù)供配電設(shè)備諸多容量，傳輸電能時線路傳輸存在無功功率損耗，易引發(fā)電壓降低、電壓不穩(wěn)的情況，進而對電氣自動化運行的電能質(zhì)量、經(jīng)濟效益造成影響。以用戶而言，無功功率體現(xiàn)在功率因數(shù)較低，增加了用戶繳納費用，也提高了用戶用電成本，企業(yè)經(jīng)濟效益降低。因此，為確保電氣自動化系統(tǒng)無功功率為平衡狀態(tài)，減少能耗，系統(tǒng)內(nèi)可加設(shè)無功補償設(shè)備，提高社會及經(jīng)濟效益，增強節(jié)能效果?？蓮囊韵鲁霭l(fā)：

（1）電容器補償應用中，需結(jié)合應用參數(shù)確定電容器容量，根據(jù)計算參數(shù)結(jié)構(gòu)選擇電容器。

（2）采取定位準確、適應范圍廣泛的一體化模糊投切模式增加補償效果，以往補償電容器通常選用分擔投切模式，或是根據(jù)配置編碼方式完成投切，該投切模式難以達到預期節(jié)能效果。節(jié)能設(shè)計中，電氣工程運行處于高壓補償狀態(tài)，選擇真空接觸器，低壓補償狀態(tài)則使用投切負荷開關(guān)，優(yōu)化節(jié)能質(zhì)量。

（3）設(shè)計投切參數(shù)物理量時，應對無功倒送、投切振蕩的實際及發(fā)生概率進行綜合分析，合理選擇無功功率為參數(shù)物理量，設(shè)計無功補償設(shè)備遵循就近原則，便于能夠直接補償，減少線路傳輸無用功。

3.6 選擇有源濾波器

電氣自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由于較為復雜，實際運行中不可避免會產(chǎn)生諧波，對于電氣自動化工程運行將會造成較大影響，需使用有源濾波器，而相較于無源濾波器，其動態(tài)性能更為優(yōu)越，用于工程系統(tǒng)中，能夠?qū)⒅C波過濾，設(shè)備誤操作之前就會及時組織，以免引發(fā)更多安全問題。而節(jié)能設(shè)計中，條件允許還可使用多源有源濾波器，增加電氣工程功率運行范圍，提高運行效率，優(yōu)化節(jié)能效果。

4 電氣工程自動化的節(jié)能設(shè)計發(fā)展方向

4.1 提高AVC系統(tǒng)性能

在智能電網(wǎng)AVC中，是指電網(wǎng)自動電壓無功控制，利用自動化、智能化設(shè)備，對電網(wǎng)各節(jié)點數(shù)據(jù)實時采集，實現(xiàn)詳細計算和分析，以此調(diào)度電網(wǎng)系統(tǒng)，保證供電系統(tǒng)運行經(jīng)濟性和穩(wěn)定性。而我國AVC系統(tǒng)由于處于初級階段，缺陷較多，需采取人工方式對采集數(shù)據(jù)加以處理，數(shù)據(jù)易錯且效率較低，開發(fā)智能電網(wǎng)AVC系統(tǒng)，對系統(tǒng)界面重新改編，能夠提高可視化程度，優(yōu)化AVC系統(tǒng)分析能力，提高輸電可靠性與效率，優(yōu)化供電設(shè)備利用率，加強應用人工智能，減輕人員勞動強度。

4.2 構(gòu)建合理電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性，需確保負荷用電可靠性，系統(tǒng)性能滿足技術(shù)標準，降低技術(shù)成本的同時，提高經(jīng)濟效益，將電力工程優(yōu)勢發(fā)揮出來，實現(xiàn)網(wǎng)格的相互補充。但是，我國部分地方由于電網(wǎng)建設(shè)時間較早，設(shè)備老舊，需更換高能線路、變壓器及設(shè)備，優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

4.3 實現(xiàn)新能源并網(wǎng)

新能源的普及使得電氣工程中，供電所占比數(shù)量逐漸增高，為確保供電穩(wěn)定安全，將新能源和電網(wǎng)連接已經(jīng)成為工程發(fā)展重要任務，特別是風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等新能源發(fā)電，工作模式對于天氣條件依賴性較高，天氣狀況關(guān)乎發(fā)電質(zhì)量。例如，用戶端電力需求迅速增加，卻受限于當?shù)貧夂驐l件，難以支撐較大電力消耗，必定會增加火力發(fā)電廠供應電力比例，對供應電力平衡性造成破壞，甚至導致電網(wǎng)產(chǎn)生重大事故。而用戶電力需求降低，也會產(chǎn)生此種情況，如果未能制定對應措施，會以其他方式釋放過剩的新能源電能，浪費嚴重，此類不確定性均與天氣有關(guān)，需將天氣可測量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)發(fā)電需求，即可獲得規(guī)律性新能源發(fā)電曲線，反饋至調(diào)度電網(wǎng)人員，優(yōu)化新能源實現(xiàn)并網(wǎng)運行。

5 結(jié)語

綜上所述，電氣工程自動化節(jié)能設(shè)計中，應當遵循先進性、安全性、可持續(xù)性、環(huán)保性原則，明確節(jié)能設(shè)計應從科技、信息方面出發(fā)，通過選擇合適變壓器、無功補償設(shè)備、有源濾波器的方式，減少電能消耗，提高電力工程運行效率。