電氣工程自動化及其節能設計的探討

黃國凱

（福建船政交通職業學院，福建 福州 350007）

0 引言

人們生活生產中，電氣自動化技術應用較為廣泛，特別是信息技術的發展，推動電氣自動化技術也隨之更新，在自動化水平提高下，卻也出現過度挖掘能源，能源浪費打破自然平衡的問題。因此，面對能源危機，需響應國家節能減排要求，落實節能設計理念，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設備運行穩定性，減少發生故障概率。

1 電氣自動化工程節能設計意義

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

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

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

（3）電氣工程自動化系統長期應用中，易出現諧波，損害電網，難以保護電力設備，為解決該問題，需結合實際做好節能工作，合理應用節能技術，能夠減少系統能耗，消除諧波，以免損害電網，推動設備實現可持續應用。

2 電氣工程自動化發展現狀

社會經濟及科技的發展，使得人們生活水平逐步提高，工程自動化設計高新技術，應用推廣較為廣泛，滲透至生活各個方面，日常插排、開關均為電氣工程。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，主要體現在以下方面。

2.1 系統集成不足

電氣自動化系統設計中，集成發展作為提高系統功能的重要環節，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揮出來。

2.2 網絡架構不一

電氣自動化未來發展中，以建立快捷、高效電氣自動化系統為主要方向。但是，部分企業由于自身網絡架構不同，導致電氣工程依托于網絡發展受到阻礙，加上不同企業、廠家交換軟、硬件產品中，由于程序接口不同，對于企業信息數據交流傳輸造成影響，難以實現信息數據共享，無法發揮自動化系統效用。

2.3 技術過于主觀

不同企業在開發、應用電氣自動化技術中，受限于技術人員掌握技術程度及思想理論，人員開發中遵循過往經驗，受到主觀意識和習慣支配，開發系統平臺各有不同，造成電氣工程自動化的實施、設計、維護，且增加了程序成本，進而加大整體系統運行負擔。

2.4 能源消耗較大

在電氣工程實際生產中，盡管應用較為廣泛，為了能夠提高經濟效益，部分企業對于環境污染及節能設計有所忽視，僅獲得更多經濟效益，功能單一，也使得用電高峰階段，易出現電能匱乏情況，究其原因主要是用電設備、用戶多，加上電氣工程結構復雜，設備較多，浪費情況嚴重，加大了工程控制難度，需做好節能設計工作，保證系統穩定運行。

3 電氣工程自動化的節能設計措施

3.1 明確設計原則

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

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，需根據實際情況，改進節能設計。明確設計思路如下：（1）從科技方面出發，電氣自動化工程科技化發展是指需根據社會新的技術、產品、材料等合理應用，秉持自主創新理念，對于各種節能降耗方法、工藝等積極推廣，使用材料、技術力求創新，合理應用計算機技術、信息技術、自動化技術及網絡技術等；（2）從信息方面出發，電氣自動化中應用信息技術能夠優化自動化水平，設備的制造、設計與運行合理使用仿真及計算機技術，通過人工智能分析電網建設情況，借助網絡通信技術，實現電力運行信息的傳遞，動態監控電力工程運行情況。

3.3 選擇合適變壓器

電氣自動化系統中，變壓器具有重要作用，也是節能設計的關鍵點，變壓器能夠對電氣系統用電功率造成影響，進而制約電壓電流的有效期換，要求選擇變壓器時，要深入考量能源節約問題，采取規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節：一是遵循節能原則，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，達到節能目的；二是市場變壓器類型多樣，選擇存在難度，需秉持經濟性、節能型原則，投入應用后做好維修保養，應用一段時間后更換，保證變壓器功能。可使用單相自動補償設備，能夠利用單相補償設備保證流動三相電流平衡狀態，減少變壓器消耗，考慮用電設備與三相電源連接，以免負荷不平衡，控制變壓器能耗；三是變壓器數量、容量的科學確定，變壓器容量如果難以滿足系統運行要求，必定會降低設備使用壽命，影響運輸電能質量，當容量超出系統運行需求，會造成資源浪費，難以達到節能目標。所以，變壓器選擇應根據實際選擇容量，控制變壓器數量，以2臺為主，并聯變壓器方式，保證自動化系統穩定運行，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，電能在電力系統中只有經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，節能設計中，根據物理學可知，導線橫截面和電阻之間負向相關關系，可利用此類關系減少電氣自動化系統損耗，實現節能降耗。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 選擇無功補償設備

電氣自動化系統中，無功功率占據供配電設備諸多容量，傳輸電能時線路傳輸存在無功功率損耗，易引發電壓降低、電壓不穩的情況，進而對電氣自動化運行的電能質量、經濟效益造成影響。以用戶而言，無功功率體現在功率因數較低，增加了用戶繳納費用，也提高了用戶用電成本，企業經濟效益降低。因此，為確保電氣自動化系統無功功率為平衡狀態，減少能耗，系統內可加設無功補償設備，提高社會及經濟效益，增強節能效果。可從以下出發：

（1）電容器補償應用中，需結合應用參數確定電容器容量，根據計算參數結構選擇電容器。

（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，或是根據配置編碼方式完成投切，該投切模式難以達到預期節能效果。節能設計中，電氣工程運行處于高壓補償狀態，選擇真空接觸器，低壓補償狀態則使用投切負荷開關，優化節能質量。

（3）設計投切參數物理量時，應對無功倒送、投切振蕩的實際及發生概率進行綜合分析，合理選擇無功功率為參數物理量，設計無功補償設備遵循就近原則，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

電氣自動化系統結構由于較為復雜，實際運行中不可避免會產生諧波，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，其動態性能更為優越，用于工程系統中，能夠將諧波過濾，設備誤操作之前就會及時組織，以免引發更多安全問題。而節能設計中，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，優化節能效果。

4 電氣工程自動化的節能設計發展方向

4.1 提高AVC系統性能

在智能電網AVC中，是指電網自動電壓無功控制，利用自動化、智能化設備，對電網各節點數據實時采集，實現詳細計算和分析，以此調度電網系統，保證供電系統運行經濟性和穩定性。而我國AVC系統由于處于初級階段，缺陷較多，需采取人工方式對采集數據加以處理，數據易錯且效率較低，開發智能電網AVC系統，對系統界面重新改編，能夠提高可視化程度，優化AVC系統分析能力，提高輸電可靠性與效率，優化供電設備利用率，加強應用人工智能，減輕人員勞動強度。

4.2 構建合理電網結構

電網結構設計合理性，需確保負荷用電可靠性，系統性能滿足技術標準，降低技術成本的同時，提高經濟效益，將電力工程優勢發揮出來，實現網格的相互補充。但是，我國部分地方由于電網建設時間較早，設備老舊，需更換高能線路、變壓器及設備，優化電網結構。

4.3 實現新能源并網

新能源的普及使得電氣工程中，供電所占比數量逐漸增高，為確保供電穩定安全，將新能源和電網連接已經成為工程發展重要任務，特別是風力發電、太陽能發電等新能源發電，工作模式對于天氣條件依賴性較高，天氣狀況關乎發電質量。例如，用戶端電力需求迅速增加，卻受限于當地氣候條件，難以支撐較大電力消耗，必定會增加火力發電廠供應電力比例，對供應電力平衡性造成破壞，甚至導致電網產生重大事故。而用戶電力需求降低，也會產生此種情況，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，需將天氣可測量數據關聯發電需求，即可獲得規律性新能源發電曲線，反饋至調度電網人員，優化新能源實現并網運行。

5 結語

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