电气工程自动化及其节能设计的探讨

时间：2024-05-19

黄国凯

（福建船政交通职业学院，福建福州 350007）

0 引言

人们生活生产中，电气自动化技术应用较为广泛，特别是信息技术的发展，推动电气自动化技术也随之更新，在自动化水平提高下，却也出现过度挖掘能源，能源浪费打破自然平衡的问题。因此，面对能源危机，需响应国家节能减排要求，落实节能设计理念，不仅能够减少电能浪费，缓解能源危机，还能保证电气工程系统设备运行稳定性，减少发生故障概率。

1 电气自动化工程节能设计意义

电气工程作为现代重要学科，集计算机技术、电力电子技术等于一体，工程水平一定程度能够代表国家的科技发展水平，应用较为广泛，在人们生活、工作方方面面均有体现，具有重要价值。该工程开展节能设计，意义如下：

（1）电气设备应用均会耗能，特别是电能作为常规能源，用于工作、生活各个方面，能源短缺问题愈发显著，使得节能减排成为电气工程自动化关键研究问题，将节能理念融入工程设计，可提高工作效率，减少能耗。

（2）电气工程自动化系统对运行平稳性要求较高，传统技术尽管能够提高工作效率，运行却存在稳定性、安全性不足情况，易造成输供电系统不稳、停电的情况。而在节能理念深入应用下，能够减少电气工程能耗，保证输供电系统安全运行，提高经济效益。

（3）电气工程自动化系统长期应用中，易出现谐波，损害电网，难以保护电力设备，为解决该问题，需结合实际做好节能工作，合理应用节能技术，能够减少系统能耗，消除谐波，以免损害电网，推动设备实现可持续应用。

2 电气工程自动化发展现状

社会经济及科技的发展，使得人们生活水平逐步提高，工程自动化设计高新技术，应用推广较为广泛，渗透至生活各个方面，日常插排、开关均为电气工程。而随着时间推移，人们对电气工程自动化要求更高，逐渐暴露更多问题，主要体现在以下方面。

2.1 系统集成不足

电气自动化系统设计中，集成发展作为提高系统功能的重要环节，我国电气自动化仍处于多岛自动化方面，互不连接、信息独享、功能单一，难以将电气自动化作用充分发挥出来。

2.2 网络架构不一

电气自动化未来发展中，以建立快捷、高效电气自动化系统为主要方向。但是，部分企业由于自身网络架构不同，导致电气工程依托于网络发展受到阻碍，加上不同企业、厂家交换软、硬件产品中，由于程序接口不同，对于企业信息数据交流传输造成影响，难以实现信息数据共享，无法发挥自动化系统效用。

2.3 技术过于主观

不同企业在开发、应用电气自动化技术中，受限于技术人员掌握技术程度及思想理论，人员开发中遵循过往经验，受到主观意识和习惯支配，开发系统平台各有不同，造成电气工程自动化的实施、设计、维护，且增加了程序成本，进而加大整体系统运行负担。

2.4 能源消耗较大

在电气工程实际生产中，尽管应用较为广泛，为了能够提高经济效益，部分企业对于环境污染及节能设计有所忽视，仅获得更多经济效益，功能单一，也使得用电高峰阶段，易出现电能匮乏情况，究其原因主要是用电设备、用户多，加上电气工程结构复杂，设备较多，浪费情况严重，加大了工程控制难度，需做好节能设计工作，保证系统稳定运行。

3 电气工程自动化的节能设计措施

3.1 明确设计原则

电气自动化工程设计中，涉及诸多专业知识，开展节能设计工作将会遇到一定困难，为保证落实节能理念，开展设计中应遵循理念，将节能技术优势发挥出来。具体如下：（1）先进性原则，部分节能技术与设备随着科技进步而发展，对工程设计也提出了新的要求，人员需结合实际工作环境，完善、创新设备，保证使用先进节能技术，优化系统；（2）安全性原则，节能设计不仅需节约资源，也要保障工程系统安全运行，设计师在工程设计中，应当将设备节能及安全性放到首要位置，保证设备安全工作，方能提高工作效率；（3）可持续性原则，我国提出可持续发展理念，已经深入人心，电气自动化工程设计也应遵循该理念，人员节能设计应从多角度、长期系统发展考虑，秉持减少能耗、节能减排理念，推动企业可持续发展；（4）环保性原则，电气工程节能设计目的在于节约资源、保护环境、减少能耗，人员需树立环保理念，节能设计从材料选择、结构设计至施工，均落实环保理念，减少污染，提高工程经济及生态效益。

3.2 确定改进思路

电气自动化工作效益及效率更为高效，提高工作可靠性，获得市场竞争支持，需根据实际情况，改进节能设计。明确设计思路如下：（1）从科技方面出发，电气自动化工程科技化发展是指需根据社会新的技术、产品、材料等合理应用，秉持自主创新理念，对于各种节能降耗方法、工艺等积极推广，使用材料、技术力求创新，合理应用计算机技术、信息技术、自动化技术及网络技术等；（2）从信息方面出发，电气自动化中应用信息技术能够优化自动化水平，设备的制造、设计与运行合理使用仿真及计算机技术，通过人工智能分析电网建设情况，借助网络通信技术，实现电力运行信息的传递，动态监控电力工程运行情况。

3.3 选择合适变压器

电气自动化系统中，变压器具有重要作用，也是节能设计的关键点，变压器能够对电气系统用电功率造成影响，进而制约电压电流的有效期换，要求选择变压器时，要深入考量能源节约问题，采取规定变压器型号控制功率消耗，达到该目标。变压器选择需考虑以下环节：一是遵循节能原则，选用绝缘和铜片材料，铜材料对变压器运行作用重要，考虑节能要求，需提高应用铜材料频率，电线电柜以硅材料替代，能够保证变压器空载运行效率，减少运行能耗，达到节能目的；二是市场变压器类型多样，选择存在难度，需秉持经济性、节能型原则，投入应用后做好维修保养，应用一段时间后更换，保证变压器功能。可使用单相自动补偿设备，能够利用单相补偿设备保证流动三相电流平衡状态，减少变压器消耗，考虑用电设备与三相电源连接，以免负荷不平衡，控制变压器能耗；三是变压器数量、容量的科学确定，变压器容量如果难以满足系统运行要求，必定会降低设备使用寿命，影响运输电能质量，当容量超出系统运行需求，会造成资源浪费，难以达到节能目标。所以，变压器选择应根据实际选择容量，控制变压器数量，以2台为主，并联变压器方式，保证自动化系统稳定运行，以免能源浪费。

3.4 降低电能消耗

电能运输中，受限于导线自身特性，决定工程运行会出现功率损耗问题，是客观存在的问题，难以避免，电能在电力系统中只有经过导线方能顺利传输，为减少电能损耗，系减少导线电阻。因此，节能设计中，根据物理学可知，导线横截面和电阻之间负向相关关系，可利用此类关系减少电气自动化系统损耗，实现节能降耗。例如，材料选择电导率小制作导线，避免导线传输中电能消耗量，也可增加导线横截面，将导线电阻降低，避免电能损耗过多，或是适当缩短导线长度，设计中尽量布置电气工程处于一条直线，以免弯路过多增加导线长度，电压器布置中，则需要靠近工程负荷中心，减少供需电之间距离。

3.5 选择无功补偿设备

电气自动化系统中，无功功率占据供配电设备诸多容量，传输电能时线路传输存在无功功率损耗，易引发电压降低、电压不稳的情况，进而对电气自动化运行的电能质量、经济效益造成影响。以用户而言，无功功率体现在功率因数较低，增加了用户缴纳费用，也提高了用户用电成本，企业经济效益降低。因此，为确保电气自动化系统无功功率为平衡状态，减少能耗，系统内可加设无功补偿设备，提高社会及经济效益，增强节能效果。可从以下出发：

（1）电容器补偿应用中，需结合应用参数确定电容器容量，根据计算参数结构选择电容器。

（2）采取定位准确、适应范围广泛的一体化模糊投切模式增加补偿效果，以往补偿电容器通常选用分担投切模式，或是根据配置编码方式完成投切，该投切模式难以达到预期节能效果。节能设计中，电气工程运行处于高压补偿状态，选择真空接触器，低压补偿状态则使用投切负荷开关，优化节能质量。

（3）设计投切参数物理量时，应对无功倒送、投切振荡的实际及发生概率进行综合分析，合理选择无功功率为参数物理量，设计无功补偿设备遵循就近原则，便于能够直接补偿，减少线路传输无用功。

3.6 选择有源滤波器

电气自动化系统结构由于较为复杂，实际运行中不可避免会产生谐波，对于电气自动化工程运行将会造成较大影响，需使用有源滤波器，而相较于无源滤波器，其动态性能更为优越，用于工程系统中，能够将谐波过滤，设备误操作之前就会及时组织，以免引发更多安全问题。而节能设计中，条件允许还可使用多源有源滤波器，增加电气工程功率运行范围，提高运行效率，优化节能效果。

4 电气工程自动化的节能设计发展方向

4.1 提高AVC系统性能

在智能电网AVC中，是指电网自动电压无功控制，利用自动化、智能化设备，对电网各节点数据实时采集，实现详细计算和分析，以此调度电网系统，保证供电系统运行经济性和稳定性。而我国AVC系统由于处于初级阶段，缺陷较多，需采取人工方式对采集数据加以处理，数据易错且效率较低，开发智能电网AVC系统，对系统界面重新改编，能够提高可视化程度，优化AVC系统分析能力，提高输电可靠性与效率，优化供电设备利用率，加强应用人工智能，减轻人员劳动强度。

4.2 构建合理电网结构

电网结构设计合理性，需确保负荷用电可靠性，系统性能满足技术标准，降低技术成本的同时，提高经济效益，将电力工程优势发挥出来，实现网格的相互补充。但是，我国部分地方由于电网建设时间较早，设备老旧，需更换高能线路、变压器及设备，优化电网结构。

4.3 实现新能源并网

新能源的普及使得电气工程中，供电所占比数量逐渐增高，为确保供电稳定安全，将新能源和电网连接已经成为工程发展重要任务，特别是风力发电、太阳能发电等新能源发电，工作模式对于天气条件依赖性较高，天气状况关乎发电质量。例如，用户端电力需求迅速增加，却受限于当地气候条件，难以支撑较大电力消耗，必定会增加火力发电厂供应电力比例，对供应电力平衡性造成破坏，甚至导致电网产生重大事故。而用户电力需求降低，也会产生此种情况，如果未能制定对应措施，会以其他方式释放过剩的新能源电能，浪费严重，此类不确定性均与天气有关，需将天气可测量数据关联发电需求，即可获得规律性新能源发电曲线，反馈至调度电网人员，优化新能源实现并网运行。