電力自動化節能設計技術與大數據分析研究

喻建軍

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100)

作為煤炭消費占有量為總量一半左右的行業，我國電力行業的一次能源消耗量、污染物排放量均在國內排到了前列[1]。電煤在供應電力的同時，還產生了大量的溫室氣體以及有毒有害氣體，對空氣以及環境造成了十分嚴重的污染。當前，在電力技術處于飛速發展的狀況之下，對于煤炭等發電能源的消耗也越來越大，因此，節能減排工作是隨著目前電力技術的發展，需要被列為工業生產工作中重要一環的工作之一。為了實現這一目標，大量相關技術人員都投身到了電力行業的節能減排工作中去。電力系統有著龐大的系統構造，其節能減排工程涉及到了發電、輸電、變電、配電、用電，有著不小的規模，其中，發電、電網和用電為電力產業鏈的主要構成部分[2]。受電能發電量和消耗量平衡特點的影響，研究電力產業的碳減排時必須從三個環節同時入手，將碳減排的途徑、措施深入到這三個環節之中。對于電力自動化節能技術的設計，應在保障電力可靠供應的前提下，對不同種類的發電機組按照其能耗水平、污染物排放水平以及經濟適用水平進行排序。改進對于電力自動化節能設計技術的改進，應以節能、經濟為根本，提高技術水平，從而實現節能降耗的目標。

1 電力自動化節能的重要意義

最近幾年，自動化的概念逐漸風靡，在此背景下，電力自動化應運而生。使得大眾在使用電能方面越來越便捷，居民們盡情享受信息技術帶來的便利的同時，能源耗費嚴重的問題逐漸進入大眾視野，引發新一輪的關注熱潮。基于此，節能這一概念在眾多場合頻頻亮相，社會各界對“自動化節能”的關注熱情也日益高漲。就目前而言，立足于國內的社會現狀，節能問題刻不容緩。隨著國內工業化進程的加速，電能作為一項重要的社會資源，不再是取之不盡、用之不竭，正在以出乎大眾意料的速度快速流失。節約電能，迫在眉睫。近些年來，人們的生活水平不斷提高，生活質量也得到了明顯的改善，對于電能的需求量較以往大幅度提升，唯有充分并且深刻地認識到電能節約的重要意義，不斷探索、尋求切實可行的解決方案緩解用電危機，方能促進社會的可持續發展，擁有更加適宜的生存環境。

2 電力自動化節能技術的原則

對于電力自動化節能技術的設計，不僅包括應在電路運行之中減少電能的損耗，還需要對電路的運行過程進行設計，尤其是處于社會電力工業發展的背景之下，重要性尤為凸顯。因此，研究電力自動化節能設計技術時，應將系統的可實施性作為研究目標，將系統的負荷能力視為衡量標準，提高對系統運行中安全性的重視，保障系統穩定運轉、容易操作。在對節能系統進行設計前，應先探究其原則與方向。在電力自動化技術節能設計中，安全是其首要前提，只有在保證安全生產的前提下，企業才可以考慮節約生產成本的問題。因此，針對電力自動化節能技術的設計，企業不能把眼光只放在對于能源耗材的節省，而不顧相關操作人員的安全問題，必須要保證電力穩定傳輸且達到相關的安全標準，才可以考慮電力自動化的節能設計。對于電力自動化進行節能設計，目的是促進企業生產的同時完成環境保護的任務。一方面，能源使用效率的提高可以使企業的生產成本降低，為企業的可持續發展提供前提。另一方面，能源消耗的降低也減小了對環境的壓力，降低了對環境的污染。因此，選用更加環保的能源與節能技術是當前企業生產與環境保護發展的大勢所趨。此外，在滿足上面兩條原則的前提下，電力自動化節能技術的設計還應考慮效益的提升，表現為降低設備的損耗、盡量減少對現有模式的改動，以減少成本的開銷。

3 電力自動化節能設計研究

節能的目標并不單單局限于減少電路在運行過程中產生的損耗，在設計工作方面，也需要花時間和精力。首先，對于電力設計而言，其主要目的在于電力自動化系統的可實施性。設計電力系統時，需要充分考慮整個系統的負荷能力，其必須符合相關的標準和要求；其次，確保電力系統的安全性，也是需要關注的重點方向之一。在確保可實施性和安全性的前提和基礎下，需要著重考慮節能問題，設計出既安全又節能的電力系統，從而在根本上解決能源消耗過大的問題。

3.1 變壓器節能設計

變壓器經濟運行是電力自動化節能中較為有效的一種方法，指在輸出負荷相同的條件下，為變壓器選擇更合適的運行方式以及負載方式，是提高變壓器運行效率的手段之一。變壓器的容量、電流以及電壓等需設定為額定指標，以減少在日常運行中產生的內部功率損耗，保證變壓器的穩定運行。變壓器的內部功率損耗分兩種，一是空載損耗，二是負載損耗。在變壓器的設計上，已經有在變壓器中加入非晶材料的方式，非晶材料有著延長設備運行時間的特性，從而維持設備保持節能效果。

3.2 供配電節能設計

在電力輸送的過程中，電阻的存在會使電能產生折損，這種損耗大多源自導線自身的電阻。因此，想要提高電能的傳遞效率，降低導線自身的電阻是有效手段之一。導線的電阻與其橫截面積呈負相關，與電力輸送線路總長呈正相關，所以可通過以下幾種方式來降低導線的電阻，提高電能輸送效率。首先，在導線材質的選擇上，應當盡量使用一些電阻率較小的材質。綜合考慮電阻率以及使用價格等因素，當前用電設計中已摒棄過去的鋁芯電纜，以電阻率更小的銅芯電纜為主要使用對象。其次，導線的總長應限制在一定長度內，在進行布線時盡量縮短長度，且盡可能選擇直線型架線的方式，減少彎折，同時盡可能地在電力系統的負載中心附近安裝變壓設備。最后，可以采取增大導線的橫截面積的方式來達到減小導線電阻的目的。

3.3 無功補償節能設計

整個電力體系中，大部分功率都屬于無功功率，因此，線路壓力的增加，會導致電網的電壓變得不穩定。所以，選擇合適的無功補償裝置，對于電力系統的節能降耗來說不可或缺。

對于無功補償設備的選擇，應注意以下三點：第一，應全面考慮電壓負荷、容量等在內的電力系統參數，再對無功補償設備進行選擇使用。第二，使用過程中需要全面了解補償線路的負荷情況，根據電網的運行狀態，從靜態補償裝置和動態補償裝置中選擇，從而達到節能效果。第三，投切方式的選擇應采取使用廣泛且穩定性、準確度和靈活度較高的投切模式。此外，遵循就近原則，盡可能地縮短電路的總長，以避免功率傳輸過程中的無意義浪費。

3.4 濾波器節能設計

科學技術迅猛發展，電力自動化系統中的精密儀器日益增多。在復雜多變的電力系統網絡中，諧波電流量不斷增多，大量的諧波對電網儀器造成一定程度的負面影響，引起電壓的不穩定波動，進而消耗大量電能。所以，濾波器的采用在現代電力系統中扮演著至關重要的角色。挑選濾波器時，盡可能選擇有源濾波器，盡管有源濾波器的造價較高，然而，相較于無源濾波器，可以高效清除濾波，加之工作速度偏快，節能性能良好，可以在一定程度上預防電力系統中諧波帶來的危害和損耗。

3.5 照明設備節能設計

在國內的電能消耗中，照明設備所耗電量占比較高。實際上，不論是生活用電抑或是工業用電，照明設備的使用量非常巨大。采用節能型照明設備，可以在某種程度上減少能源消耗，并在一定程度上大幅降低能耗，提升電力系統整體的節能效率。

4 電力大數據分析

4.1 電力大數據及其特征

所謂電力大數據，指的是智能電網在發電、 配電、 輸電、營銷及管理等方面產生的大量數據。其包括各電器設備中的傳感器、用戶家中的智能電表以及營銷系統收集整理的客戶反饋等內容，這些數據最終匯總于數據中心進行統一的存儲和管理。關于電力大數據，有助于促進智能電網的穩定性、節能性。通過對電力大數據的系統分析和研討，可以在一定程度上提高智能電網的管理水平，設計更加高效科學的生產規劃方案，對能源的輸送以及調度進行優化整合，從而建立起更加精準的用戶用電行為模型等。一般而言，電力大數據優勢較多。第一，體量較大。隨著社會科學技術的不斷進步與發展，智能電網的建設日益深入人心，并逐漸得到廣泛應用。終端數據采集設備的安裝幾乎進入了每家每戶。采集的數據規模日益龐大，呈指數級增長趨勢。以浙江為例，假設全省住戶2 200萬，倘若智能電表安裝在每家每戶，依據信息采集規則，每15min采集一條信息，那么每天的用電記錄將高達21億條。第二，類型豐富多樣。在智能電網中，產生的大量數據，既包括結構化數據，又包括半結構化數據、非結構化數據。由于數據類型豐富且多樣，因此，單一的數據處理模式并不適用。需要結合數據的多樣性要求存儲與處理技術的多樣性。第三，速度很快。電力大數據在速度方面擁有得天獨厚的優勢，終端數量的增長對數據存儲系統提出了更為嚴苛的要求。除此之外，電力大數據也擁有其獨特的特點。首先，電力大數據中包含的信息資源豐富多樣，比如，用戶的用電規律、 最佳輸電調度策略等內容，此類信息有助于節約電能消耗，促進資源的可持續發展，體現了數據即能量的特征；其次，數據具有交互性。電力大數據往往與其他行業的大數據產生交互，通過深刻系統的分析，其包含的信息對于決策等具有重要的意義；最后，數據具有共情性。電力大數據為國網企業更好地滿足用戶的使用需求提供了更多的便利和渠道。所謂共情，指的是感同身受。對于國網企業發電的各個環節，均可以通過電力大數據，為客戶們提供更優更佳的電力服務，實現共同發展。

4.2 電力大數據分析處理

檢索得到的電力數據中，存在斷開、重復以及缺失的電力數據，因此需要進行數據清洗，并將清洗后的電力數據，進行標準化處理，得到一個或者若干個屬性不同但連續、流暢的電力數據預測結果。

已知檢索得到的電力數據存在斷點，即數據出現缺失值，所以為了能夠正常反饋電力數據的預測效果，清洗預測數據集，并對缺失值進行填補。通常來說，電力數據變化時，曲線具有平滑性特征，相鄰時刻點的電力負荷變化率變動較小。根據這一特點，利用均值處理法對單個點的數據缺失值進行填補，將前一時刻點和后一時刻點的電力預測值相加，根據所得的平均值作為該時刻點的預測標準數據，公式為：

(2)

公式(2)中：t+1表示后一時刻點；t-1表示前一時刻點；ct表示t時刻的數據填補值；ct-1與ct+1分別表示不同時刻點下的預測電力值。填補數據還可能受填補位置、電力接發等因素的影響，存在尺度不一的情況。因此對這些填補值做標準化處理，統一其量綱，避免數值范圍大的數據淹沒數值范圍小的數據。將所有數據歸一化到[0,1]區間內，該過程如公式(3)所示。

(3)

在電氣設備運行環節，諧波的出現會導致電壓產生不穩定波動，進而會對相關的電網儀器產生損害。諧波的產生無可避免，因此，為有效地改善這一問題，減少電能過度消耗與產生的損失，工業生產中已有大量企業開始使用有源濾波器，優點是運行速度快、濾波性能更優。與無源濾波器相比，雖然有源濾波器有著相對偏高的造價，但可以更徹底地清除濾波。同時由于其有著更快的工作速度、更好的節能性能，能夠在輸送電能時減少諧波對電網系統的危害，保障其安全穩定運行。

5 結 語

本文以滿足當前對于節能減排的要求為前提，結合當前電力自動化系統的發展情況，探究電力自動化節能技術設計的方向與具體設計技術。由于本文的研究仍存在著不足，除本文所述的幾種設計技術外，還存在著更多的方式有待發掘完善。希望本文的研究能夠為電力自動化節能設計技術的發展提供一定的理論依據。