電氣自動化與節能技術耦合的初步探索

北京國科軍友工程咨詢有限公司 周 震

1 電氣自動化中的節能技術現狀

在全球變暖背景下，國家“雙碳”政策逐步延伸到生產生活的各個方面。國家致力于加快調整優化產業結構、能源結構，不斷加強生態文明建設，倡導綠色低碳的生產生活方式，不斷探索節能減排在方方面面的落地途徑。因此，對標節能減排，實現經濟、生態、社會的可持續發展是當前電氣化發展的必然要求。當前，電氣自動化行業在積極研究和探索節能技術的綜合應用。經濟發達地區高水平的經濟產出伴隨著高能耗和高排放，新形勢下的可持續發展要求倒逼經濟、社會的高質量發展，節約能源、降低排放的強烈需求使其節能技術得到快速發展，并積極著陸。這些地區的節能技術發展水平較高，電氣自動化中節能技術的應用已經有了一定基礎。

節能技術在電氣自動化體系中的應用主要體現在節電技術上，涉及配供電節能、電氣系統運行節能、照明系統節能和變頻啟動。具體實施上，首先，在實際的供電過程中，應該注意科學優化電力傳輸通道，減少由輸電線路的材料、長度和橫截面積等介質因素造成的電能損耗；其次，在具體的使用過程中，應該注意定時巡查所需工作設備的運行狀態和數量，及時檢測與更新節能設備；再次，在電能的使用過程中，應采用科學的方式合理使用電氣設備，要注重宣傳節能，培養節電意識，加強培訓，不斷學習先進節電方式。

電氣自動化的技能技術本質上是為了提高用電的效率，減少能源的浪費，減少不必要的碳排放。在多種電氣設備中，變壓器是一種核心設備，這個設備的工作過程中有嚴重的浪費能源現象。變壓器在制造過程中，首先就要考慮用電阻相對小的材料作為設計材料，在設計工藝上做好把關，生產的過程中嚴格按照工藝步驟去制造，提升設備本身的質量，在正常工作的過程中到達預期的設計要求。在實際的生產中，工廠也要對正在運行的用電設備的使用情況做好嚴格的控制，記錄和積累好歷史數據，優化生產和使用計劃，利用好的方法從設備的運行效率入手，減少不必要的能源損耗[1]。

電氣自動化中的節能技術的使用，就是為了提高了用電的效率。電能在生產過程與運輸過程中的損耗，根據現有的技術水平，這種情況實無法避免的。我們能做的是利用現有的科學知識和成熟技術去改善這種情況，盡量去減少這種非必要的電能浪費。電能在使用的過程中更應該注重使用效率，使用人員不能只是使用而不做好管理，應該采用有效的管理手段和成熟的技術方法去盡可能的提高用電設備的電能利用率。節能技術在電氣自動化中的運用，其目的就是為了盡可能的減少電能在生產過程與運輸過程中的損耗，努力提高電能在使用的過程中的使用效率，把資源的利用率提高，減少了碳排放，響應國家“碳達峰，碳中和”的政策。

2 電氣自動化中節能技術的具體使用

2.1 在輸電過程中的節能技術的具體使用

電能在運輸的過程中，存在著電能的損耗現象，這種情況是因為輸電線路本身的電阻造成，而且是無法避免的。要改善這種能源損耗就要從輸電線路的材料、長度、溫度和橫截面積這四個因素去入手解決。

這四個影響因素中，溫度屬于不可控制的因素，不能作為節能技術的控制改變因素。需要從輸電線路的材料、長度和橫截面積去考慮研究。在相關部門選定供電線路的過程中，應該在規劃階段進行詳細的現場調研和考察工作，盡可能的把輸電線路選取為直線，努力減少線路中的彎路，結合實際的地形和項目建設情況把輸電的線路控制到最短，以減少電能在運輸過程中的損耗。當輸電的線路為最短時，就要增加材料的橫截面積，在合適的資金預算范圍內把供電線路的橫截面積增大，達到減少運輸過程中的電能損耗。在相同的溫度下，電阻小的材料能大大減少不必要的損耗，但是由于一些電阻小的材料價格高，不適應于實際的工程建設，所以需要結合項目的資金預算與實際情況選擇電阻相對較小的材料來降低電能在實際運輸過程中的損耗[2]。

2.2 在電氣設備使用方式上節能技術的具體應用

在電能的生產過程中，雖然各類電氣設備之間有著緊密的配合，但并不是所有參與生產的設備都必須在相同的時間段內一同進行工作，這些電氣設備也是按照各自的具體分工參與生產的過程。按照電能生產的實際過程，相關管理生產的人員應該制定合理的嚴密的生產計劃，把不必要的部分設備關閉，盡可能的減少這種非必要的電能損耗，真正響應國家節能減排的要求，把節能技術應用到實際的生產過程中。

管理人員應該結合實際情況，努力減少生產過程中的非必要電能損耗，一方面可以按照實際情況控制電能生產過程中的電氣設備的數量，另一方面還可以選擇合適的無功補償設備來提高電廠的經濟效益。無功補償設備可以提供必要的無功功率，提高了電網和用電設備的功率因數。合理的無功補償可以降低供電變壓器以及輸送線路中的電能損耗，但是如果選擇不當就可能會造成供電系統的電壓波動、諧波增大等問題，因此需要參照供配電設備的電壓、目標功率、電阻、實際負荷等參數選擇電容器的電容值。為了提高無功補償的效率，需要使用應用廣泛、定位準確、節點平滑的一體模糊投切的方式進行，并且還要使用無功補償的設備采用就地安裝的方式就地補償。選擇合適的無功補償設備來減少電能的消耗，采用合理的生產管理計劃優化電氣設備的使用時間，讓節能技術在實際的電能生產過程與運輸過程當中能真正地落實[3]。

2.3 在用電過程中節能技術的具體應用

在日常的生產和生活中，用電過程中的電能損耗也是十分巨大的。為了在實際使用過程中減少這種不必要的電能損耗，就應該從用電設備的數量和時間入手。目前我國已經研制出了一些專業的節能燈。辦公樓、學校、工廠的走廊燈，經常在沒有人經過的時候也在照明，這種情況是一種典型的電能浪費現象，我們可以把走廊都安裝成節能LED燈，采用智能的控制方式控制它的照明時間。

目前走廊燈最簡單的智能控制方式主要分為兩種：第一種方式是聲光紅外控制的方式，聲光控的優勢是在造價成本上價格相對要便宜一些，但感應距離的距離上相對近一些、角度也要按照要求的角度才能感應到物體，這些問題就會導致在實際的工作過程中有時會體現出靈敏度不高的現象。第二種是采購微波控制的方法。微波控制的方法的相對成本偏高一些，但優勢為感應到物體的距離較遠，靈敏度在實際的工作過程中也相對較高。以一條走廊為例，燈廊采用的微波控制方式，加大廳共計15盞面板燈，采用600cm×600cm面板節能LED燈作為照明燈，這些燈的功率正常工作功率為30W左右。在無人在走廊里走動時，這些燈具進入休眠模式，整體的休眠功率約6W左右，當有人經過時，燈具全亮，延時時間為1分鐘，如果1分鐘后，微波沒有感應到有人在走廊走動，這些節能LED燈又會進入休眠模式。這種情況就能高效的利用電能，提高了電能的利用效率，減少了不必要的能源浪費。

在日常的辦公與生產中，夏天是用電高峰，其原因就是炎熱的天氣下，人們為了有相對舒適的環境去工作和生活，都要選擇用空調去降低室內的溫度。夏季的電力使用量大，多在空調用電。其中一般制造業的廠房高度高，保溫效果差，而且人們對于這部分用電的節約意識查，空調基本上是全天開啟。夜間幾個人加班或者值班的情況下，空調也是一樣狀態的工作。這樣的電能浪費也十分普遍。管理者應該在各個車間增加的溫濕度傳感器讓現場使用者直觀看到目前的環境、溫濕度判斷是否需要開啟或者關閉部分空調，在各個車間設置顯示大屏顯示各個區域的環境溫濕度數據及各空調的運行情況，為整個車間合理使用空調提供直觀的數據參照。以科學的數據作為參照去進行現場的工作管理，而且根據監控系統一段時間的空調運行數據經過分析反過來調整各個空調系統的運行，根據環境數據判斷車間的分體空調放在什么位置最合適，設置溫度在什么區間最合適、最節能。這樣的管理方式和手段才能高效的利用電能，減少不必要的電能浪費，響應國家節能減排的號召與“碳達峰，碳中和”的政策。

2.4 變頻啟動

在一些大型生產工廠中，工廠車間冷暖空調的壓縮機、設備運轉的電機等負載都屬于感性負載，這些設備在啟動的過程中，需要克服靜摩擦力和電機驅動線圈的沖擊。在負載啟動的瞬間，電機的定子和轉子之間的相對運動幾乎為零，沒有發生切割磁場的運動，因此不會在電路中產生反電動勢；當供電電壓不變時，忽略設備內部的線圈自感作用，所有的輸出電壓都加在了設備自身的電路的電阻上，因此啟動電流會很大，其數值為正常運行電流的7到8倍。這種情況下，在設備啟停過程中就會造成大量的電能浪費，同時也對設備本身的使用壽命造成一定的影響。

在用設備之間串聯一個工頻變壓器，當感性負載啟動產生超大啟動電流時，工頻變壓器會使輸出電壓下降，但是輸出頻率保持不變。雖然在相對穩態電壓下的超大啟動電流會有減小，但并未改變電機性負載的轉速，因而超大啟動電流仍然較大。這種通過緩啟動的方法實現限制超大啟動電流的現象，使輸出滿足負載啟動要求的同時，可以達到有效限制負載電動機的超大啟動電流的目的。利用變頻啟動方法和裝置可以使控制逆變系統所帶負載電流緩慢、小幅上升，直至達到負載平穩運行時的額定電壓和額定頻率，將啟動時的負載電流增幅限制在安全范圍內，保護電路中的功率器件。變頻啟動保證了控制逆變系統的穩定運行，減少了啟動時的電能損耗，這樣不僅對企業來說也是良好的經濟價值，同時在一定的程度上極大減少了電能的浪費，減少了碳的排放[4]。

2.5 建立電氣監測系統

通過給用電大戶的生產制造企業建立電氣監測系統，實現創新高效的電氣管理模式，為生產制造企業的科研和生產提供高品質、高可靠的電力保障。建設一個“集中管理、分散控制”的電氣監測系統，通過數據自動采集和電力設備設施的自動監測，實現的電氣系統運行數據的分析預測、電氣設備設施的管理調度等，為實現制造企業的節能減排，降本增效等目標創造條件。

工廠的運維人員可以通過電氣監測系統對供配電系統設備狀態、電能潮流、電能平衡的動態趨勢進行全面監視，快速獲得企業各車間設備的用電情況和故障信息，能夠有效地通知監控人員及時進行處理。電氣監測系統對全廠的電氣化現場數據進行采集存儲并實時顯示，使運維人員可以及時了解生產用電情況，幫助調度人員進行科學合理的調度，根據電力調度和優化需求，補充完善電力供應系統的設備設施及管網結構。實現集中監控，綜合提升電力監控的管理水平，通過實時數據的采集和管理，真實了解電氣設備的耗能情況，為節能降耗提供真實的數據和依據，通過分析積累的歷史數據，分析出哪些設備是大的耗能設備，哪些時段是用電的高峰時段，哪些地方還能提高生產效率，節省電量的空間，從而通過相應的管理、技術手段來達到提高設備效率和電能利用率，真正把企業生產過程中使用的電能漏洞堵住，為企業未來的健康發展提高競爭力，真實的響應國家“碳達峰，碳中和”的政策[5]。

3 結語

當前電氣自動化系統節能的節電技術，通過研究電氣自動化系統內電力的控制、傳輸、優化，使節電減排初見成效，但在新的資源環境形勢和“碳中和”政策背景下，針對電氣自動化系統的節能減排技術如何推陳出新、廣泛落地亟需破題。未來，電氣自動化體系中的節能問題仍需通過出臺優惠政策、探索技術革新、培育優質技術、拓寬應用渠道、加強有效宣傳與優質培訓等措施，持續提高節能減排水平，致力于“碳中和”與可持續發展。