電氣自動化與節(jié)能技術(shù)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(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀

在全球變暖背景下，國家“雙碳”政策逐步延伸到生產(chǎn)生活的各個方面。國家致力于加快調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)，不斷加強生態(tài)文明建設(shè)，倡導(dǎo)綠色低碳的生產(chǎn)生活方式，不斷探索節(jié)能減排在方方面面的落地途徑。因此，對標(biāo)節(jié)能減排，實現(xiàn)經(jīng)濟、生態(tài)、社會的可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前電氣化發(fā)展的必然要求。當(dāng)前，電氣自動化行業(yè)在積極研究和探索節(jié)能技術(shù)的綜合應(yīng)用。經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)高水平的經(jīng)濟產(chǎn)出伴隨著高能耗和高排放，新形勢下的可持續(xù)發(fā)展要求倒逼經(jīng)濟、社會的高質(zhì)量發(fā)展，節(jié)約能源、降低排放的強烈需求使其節(jié)能技術(shù)得到快速發(fā)展，并積極著陸。這些地區(qū)的節(jié)能技術(shù)發(fā)展水平較高，電氣自動化中節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)有了一定基礎(chǔ)。

節(jié)能技術(shù)在電氣自動化體系中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在節(jié)電技術(shù)上，涉及配供電節(jié)能、電氣系統(tǒng)運行節(jié)能、照明系統(tǒng)節(jié)能和變頻啟動。具體實施上，首先，在實際的供電過程中，應(yīng)該注意科學(xué)優(yōu)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(zhì)因素造成的電能損耗；其次，在具體的使用過程中，應(yīng)該注意定時巡查所需工作設(shè)備的運行狀態(tài)和數(shù)量，及時檢測與更新節(jié)能設(shè)備；再次，在電能的使用過程中，應(yīng)采用科學(xué)的方式合理使用電氣設(shè)備，要注重宣傳節(jié)能，培養(yǎng)節(jié)電意識，加強培訓(xùn)，不斷學(xué)習(xí)先進節(jié)電方式。

電氣自動化的技能技術(shù)本質(zhì)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(shè)備中，變壓器是一種核心設(shè)備，這個設(shè)備的工作過程中有嚴(yán)重的浪費能源現(xiàn)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(shè)計材料，在設(shè)計工藝上做好把關(guān)，生產(chǎn)的過程中嚴(yán)格按照工藝步驟去制造，提升設(shè)備本身的質(zhì)量，在正常工作的過程中到達預(yù)期的設(shè)計要求。在實際的生產(chǎn)中，工廠也要對正在運行的用電設(shè)備的使用情況做好嚴(yán)格的控制，記錄和積累好歷史數(shù)據(jù)，優(yōu)化生產(chǎn)和使用計劃，利用好的方法從設(shè)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(jié)能技術(shù)的使用，就是為了提高了用電的效率。電能在生產(chǎn)過程與運輸過程中的損耗，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)水平，這種情況實無法避免的。我們能做的是利用現(xiàn)有的科學(xué)知識和成熟技術(shù)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(yīng)該注重使用效率，使用人員不能只是使用而不做好管理，應(yīng)該采用有效的管理手段和成熟的技術(shù)方法去盡可能的提高用電設(shè)備的電能利用率。節(jié)能技術(shù)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(chǎn)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(yīng)國家“碳達峰，碳中和”的政策。

2 電氣自動化中節(jié)能技術(shù)的具體使用

2.1 在輸電過程中的節(jié)能技術(shù)的具體使用

電能在運輸?shù)倪^程中，存在著電能的損耗現(xiàn)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(jié)能技術(shù)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(guān)部門選定供電線路的過程中，應(yīng)該在規(guī)劃階段進行詳細的現(xiàn)場調(diào)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(jié)合實際的地形和項目建設(shè)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(dāng)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(yù)算范圍內(nèi)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(yīng)于實際的工程建設(shè)，所以需要結(jié)合項目的資金預(yù)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(shè)備使用方式上節(jié)能技術(shù)的具體應(yīng)用

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

管理人員應(yīng)該結(jié)合實際情況，努力減少生產(chǎn)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(chǎn)過程中的電氣設(shè)備的數(shù)量，另一方面還可以選擇合適的無功補償設(shè)備來提高電廠的經(jīng)濟效益。無功補償設(shè)備可以提供必要的無功功率，提高了電網(wǎng)和用電設(shè)備的功率因數(shù)。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(dāng)就可能會造成供電系統(tǒng)的電壓波動、諧波增大等問題，因此需要參照供配電設(shè)備的電壓、目標(biāo)功率、電阻、實際負(fù)荷等參數(shù)選擇電容器的電容值。為了提高無功補償?shù)男?，需要使用?yīng)用廣泛、定位準(zhǔn)確、節(jié)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?shù)脑O(shè)備采用就地安裝的方式就地補償。選擇合適的無功補償設(shè)備來減少電能的消耗，采用合理的生產(chǎn)管理計劃優(yōu)化電氣設(shè)備的使用時間，讓節(jié)能技術(shù)在實際的電能生產(chǎn)過程與運輸過程當(dāng)中能真正地落實[3]。

2.3 在用電過程中節(jié)能技術(shù)的具體應(yīng)用

在日常的生產(chǎn)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(yīng)該從用電設(shè)備的數(shù)量和時間入手。目前我國已經(jīng)研制出了一些專業(yè)的節(jié)能燈。辦公樓、學(xué)校、工廠的走廊燈，經(jīng)常在沒有人經(jīng)過的時候也在照明，這種情況是一種典型的電能浪費現(xiàn)象，我們可以把走廊都安裝成節(jié)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(yōu)勢是在造價成本上價格相對要便宜一些，但感應(yīng)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(yīng)到物體，這些問題就會導(dǎo)致在實際的工作過程中有時會體現(xiàn)出靈敏度不高的現(xiàn)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(yōu)勢為感應(yīng)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(jié)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(dāng)有人經(jīng)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(yīng)到有人在走廊走動，這些節(jié)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(chǎn)中，夏天是用電高峰，其原因就是炎熱的天氣下，人們?yōu)榱擞邢鄬κ孢m的環(huán)境去工作和生活，都要選擇用空調(diào)去降低室內(nèi)的溫度。夏季的電力使用量大，多在空調(diào)用電。其中一般制造業(yè)的廠房高度高，保溫效果差，而且人們對于這部分用電的節(jié)約意識查，空調(diào)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(diào)也是一樣狀態(tài)的工作。這樣的電能浪費也十分普遍。管理者應(yīng)該在各個車間增加的溫濕度傳感器讓現(xiàn)場使用者直觀看到目前的環(huán)境、溫濕度判斷是否需要開啟或者關(guān)閉部分空調(diào)，在各個車間設(shè)置顯示大屏顯示各個區(qū)域的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)及各空調(diào)的運行情況，為整個車間合理使用空調(diào)提供直觀的數(shù)據(jù)參照。以科學(xué)的數(shù)據(jù)作為參照去進行現(xiàn)場的工作管理，而且根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)一段時間的空調(diào)運行數(shù)據(jù)經(jīng)過分析反過來調(diào)整各個空調(diào)系統(tǒng)的運行，根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)判斷車間的分體空調(diào)放在什么位置最合適，設(shè)置溫度在什么區(qū)間最合適、最節(jié)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(yīng)國家節(jié)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(chǎn)工廠中，工廠車間冷暖空調(diào)的壓縮機、設(shè)備運轉(zhuǎn)的電機等負(fù)載都屬于感性負(fù)載，這些設(shè)備在啟動的過程中，需要克服靜摩擦力和電機驅(qū)動線圈的沖擊。在負(fù)載啟動的瞬間，電機的定子和轉(zhuǎn)子之間的相對運動幾乎為零，沒有發(fā)生切割磁場的運動，因此不會在電路中產(chǎn)生反電動勢；當(dāng)供電電壓不變時，忽略設(shè)備內(nèi)部的線圈自感作用，所有的輸出電壓都加在了設(shè)備自身的電路的電阻上，因此啟動電流會很大，其數(shù)值為正常運行電流的7到8倍。這種情況下，在設(shè)備啟停過程中就會造成大量的電能浪費，同時也對設(shè)備本身的使用壽命造成一定的影響。

在用設(shè)備之間串聯(lián)一個工頻變壓器，當(dāng)感性負(fù)載啟動產(chǎn)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(wěn)態(tài)電壓下的超大啟動電流會有減小，但并未改變電機性負(fù)載的轉(zhuǎn)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(xiàn)限制超大啟動電流的現(xiàn)象，使輸出滿足負(fù)載啟動要求的同時，可以達到有效限制負(fù)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(tǒng)所帶負(fù)載電流緩慢、小幅上升，直至達到負(fù)載平穩(wěn)運行時的額定電壓和額定頻率，將啟動時的負(fù)載電流增幅限制在安全范圍內(nèi)，保護電路中的功率器件。變頻啟動保證了控制逆變系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，減少了啟動時的電能損耗，這樣不僅對企業(yè)來說也是良好的經(jīng)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(jiān)測系統(tǒng)

通過給用電大戶的生產(chǎn)制造企業(yè)建立電氣監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)創(chuàng)新高效的電氣管理模式，為生產(chǎn)制造企業(yè)的科研和生產(chǎn)提供高品質(zhì)、高可靠的電力保障。建設(shè)一個“集中管理、分散控制”的電氣監(jiān)測系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)自動采集和電力設(shè)備設(shè)施的自動監(jiān)測，實現(xiàn)的電氣系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的分析預(yù)測、電氣設(shè)備設(shè)施的管理調(diào)度等，為實現(xiàn)制造企業(yè)的節(jié)能減排，降本增效等目標(biāo)創(chuàng)造條件。

工廠的運維人員可以通過電氣監(jiān)測系統(tǒng)對供配電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)、電能潮流、電能平衡的動態(tài)趨勢進行全面監(jiān)視，快速獲得企業(yè)各車間設(shè)備的用電情況和故障信息，能夠有效地通知監(jiān)控人員及時進行處理。電氣監(jiān)測系統(tǒng)對全廠的電氣化現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集存儲并實時顯示，使運維人員可以及時了解生產(chǎn)用電情況，幫助調(diào)度人員進行科學(xué)合理的調(diào)度，根據(jù)電力調(diào)度和優(yōu)化需求，補充完善電力供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)備設(shè)施及管網(wǎng)結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)集中監(jiān)控，綜合提升電力監(jiān)控的管理水平，通過實時數(shù)據(jù)的采集和管理，真實了解電氣設(shè)備的耗能情況，為節(jié)能降耗提供真實的數(shù)據(jù)和依據(jù)，通過分析積累的歷史數(shù)據(jù)，分析出哪些設(shè)備是大的耗能設(shè)備，哪些時段是用電的高峰時段，哪些地方還能提高生產(chǎn)效率，節(jié)省電量的空間，從而通過相應(yīng)的管理、技術(shù)手段來達到提高設(shè)備效率和電能利用率，真正把企業(yè)生產(chǎn)過程中使用的電能漏洞堵住，為企業(yè)未來的健康發(fā)展提高競爭力，真實的響應(yīng)國家“碳達峰，碳中和”的政策[5]。

3 結(jié)語

當(dāng)前電氣自動化系統(tǒng)節(jié)能的節(jié)電技術(shù)，通過研究電氣自動化系統(tǒng)內(nèi)電力的控制、傳輸、優(yōu)化，使節(jié)電減排初見成效，但在新的資源環(huán)境形勢和“碳中和”政策背景下，針對電氣自動化系統(tǒng)的節(jié)能減排技術(shù)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(jié)能問題仍需通過出臺優(yōu)惠政策、探索技術(shù)革新、培育優(yōu)質(zhì)技術(shù)、拓寬應(yīng)用渠道、加強有效宣傳與優(yōu)質(zhì)培訓(xùn)等措施，持續(xù)提高節(jié)能減排水平，致力于“碳中和”與可持續(xù)發(fā)展。