电力自动化节能设计技术与大数据分析研究

喻建军

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211100)

作为煤炭消费占有量为总量一半左右的行业，我国电力行业的一次能源消耗量、污染物排放量均在国内排到了前列[1]。电煤在供应电力的同时，还产生了大量的温室气体以及有毒有害气体，对空气以及环境造成了十分严重的污染。当前，在电力技术处于飞速发展的状况之下，对于煤炭等发电能源的消耗也越来越大，因此，节能减排工作是随着目前电力技术的发展，需要被列为工业生产工作中重要一环的工作之一。为了实现这一目标，大量相关技术人员都投身到了电力行业的节能减排工作中去。电力系统有着庞大的系统构造，其节能减排工程涉及到了发电、输电、变电、配电、用电，有着不小的规模，其中，发电、电网和用电为电力产业链的主要构成部分[2]。受电能发电量和消耗量平衡特点的影响，研究电力产业的碳减排时必须从三个环节同时入手，将碳减排的途径、措施深入到这三个环节之中。对于电力自动化节能技术的设计，应在保障电力可靠供应的前提下，对不同种类的发电机组按照其能耗水平、污染物排放水平以及经济适用水平进行排序。改进对于电力自动化节能设计技术的改进，应以节能、经济为根本，提高技术水平，从而实现节能降耗的目标。

1 电力自动化节能的重要意义

最近几年，自动化的概念逐渐风靡，在此背景下，电力自动化应运而生。使得大众在使用电能方面越来越便捷，居民们尽情享受信息技术带来的便利的同时，能源耗费严重的问题逐渐进入大众视野，引发新一轮的关注热潮。基于此，节能这一概念在众多场合频频亮相，社会各界对“自动化节能”的关注热情也日益高涨。就目前而言，立足于国内的社会现状，节能问题刻不容缓。随着国内工业化进程的加速，电能作为一项重要的社会资源，不再是取之不尽、用之不竭，正在以出乎大众意料的速度快速流失。节约电能，迫在眉睫。近些年来，人们的生活水平不断提高，生活质量也得到了明显的改善，对于电能的需求量较以往大幅度提升，唯有充分并且深刻地认识到电能节约的重要意义，不断探索、寻求切实可行的解决方案缓解用电危机，方能促进社会的可持续发展，拥有更加适宜的生存环境。

2 电力自动化节能技术的原则

对于电力自动化节能技术的设计，不仅包括应在电路运行之中减少电能的损耗，还需要对电路的运行过程进行设计，尤其是处于社会电力工业发展的背景之下，重要性尤为凸显。因此，研究电力自动化节能设计技术时，应将系统的可实施性作为研究目标，将系统的负荷能力视为衡量标准，提高对系统运行中安全性的重视，保障系统稳定运转、容易操作。在对节能系统进行设计前，应先探究其原则与方向。在电力自动化技术节能设计中，安全是其首要前提，只有在保证安全生产的前提下，企业才可以考虑节约生产成本的问题。因此，针对电力自动化节能技术的设计，企业不能把眼光只放在对于能源耗材的节省，而不顾相关操作人员的安全问题，必须要保证电力稳定传输且达到相关的安全标准，才可以考虑电力自动化的节能设计。对于电力自动化进行节能设计，目的是促进企业生产的同时完成环境保护的任务。一方面，能源使用效率的提高可以使企业的生产成本降低，为企业的可持续发展提供前提。另一方面，能源消耗的降低也减小了对环境的压力，降低了对环境的污染。因此，选用更加环保的能源与节能技术是当前企业生产与环境保护发展的大势所趋。此外，在满足上面两条原则的前提下，电力自动化节能技术的设计还应考虑效益的提升，表现为降低设备的损耗、尽量减少对现有模式的改动，以减少成本的开销。

3 电力自动化节能设计研究

节能的目标并不单单局限于减少电路在运行过程中产生的损耗，在设计工作方面，也需要花时间和精力。首先，对于电力设计而言，其主要目的在于电力自动化系统的可实施性。设计电力系统时，需要充分考虑整个系统的负荷能力，其必须符合相关的标准和要求；其次，确保电力系统的安全性，也是需要关注的重点方向之一。在确保可实施性和安全性的前提和基础下，需要着重考虑节能问题，设计出既安全又节能的电力系统，从而在根本上解决能源消耗过大的问题。

3.1 变压器节能设计

变压器经济运行是电力自动化节能中较为有效的一种方法，指在输出负荷相同的条件下，为变压器选择更合适的运行方式以及负载方式，是提高变压器运行效率的手段之一。变压器的容量、电流以及电压等需设定为额定指标，以减少在日常运行中产生的内部功率损耗，保证变压器的稳定运行。变压器的内部功率损耗分两种，一是空载损耗，二是负载损耗。在变压器的设计上，已经有在变压器中加入非晶材料的方式，非晶材料有着延长设备运行时间的特性，从而维持设备保持节能效果。

3.2 供配电节能设计

在电力输送的过程中，电阻的存在会使电能产生折损，这种损耗大多源自导线自身的电阻。因此，想要提高电能的传递效率，降低导线自身的电阻是有效手段之一。导线的电阻与其横截面积呈负相关，与电力输送线路总长呈正相关，所以可通过以下几种方式来降低导线的电阻，提高电能输送效率。首先，在导线材质的选择上，应当尽量使用一些电阻率较小的材质。综合考虑电阻率以及使用价格等因素，当前用电设计中已摒弃过去的铝芯电缆，以电阻率更小的铜芯电缆为主要使用对象。其次，导线的总长应限制在一定长度内，在进行布线时尽量缩短长度，且尽可能选择直线型架线的方式，减少弯折，同时尽可能地在电力系统的负载中心附近安装变压设备。最后，可以采取增大导线的横截面积的方式来达到减小导线电阻的目的。

3.3 无功补偿节能设计

整个电力体系中，大部分功率都属于无功功率，因此，线路压力的增加，会导致电网的电压变得不稳定。所以，选择合适的无功补偿装置，对于电力系统的节能降耗来说不可或缺。

对于无功补偿设备的选择，应注意以下三点：第一，应全面考虑电压负荷、容量等在内的电力系统参数，再对无功补偿设备进行选择使用。第二，使用过程中需要全面了解补偿线路的负荷情况，根据电网的运行状态，从静态补偿装置和动态补偿装置中选择，从而达到节能效果。第三，投切方式的选择应采取使用广泛且稳定性、准确度和灵活度较高的投切模式。此外，遵循就近原则，尽可能地缩短电路的总长，以避免功率传输过程中的无意义浪费。

3.4 滤波器节能设计

科学技术迅猛发展，电力自动化系统中的精密仪器日益增多。在复杂多变的电力系统网络中，谐波电流量不断增多，大量的谐波对电网仪器造成一定程度的负面影响，引起电压的不稳定波动，进而消耗大量电能。所以，滤波器的采用在现代电力系统中扮演着至关重要的角色。挑选滤波器时，尽可能选择有源滤波器，尽管有源滤波器的造价较高，然而，相较于无源滤波器，可以高效清除滤波，加之工作速度偏快，节能性能良好，可以在一定程度上预防电力系统中谐波带来的危害和损耗。

3.5 照明设备节能设计

在国内的电能消耗中，照明设备所耗电量占比较高。实际上，不论是生活用电抑或是工业用电，照明设备的使用量非常巨大。采用节能型照明设备，可以在某种程度上减少能源消耗，并在一定程度上大幅降低能耗，提升电力系统整体的节能效率。

4 电力大数据分析

4.1 电力大数据及其特征

所谓电力大数据，指的是智能电网在发电、 配电、 输电、营销及管理等方面产生的大量数据。其包括各电器设备中的传感器、用户家中的智能电表以及营销系统收集整理的客户反馈等内容，这些数据最终汇总于数据中心进行统一的存储和管理。关于电力大数据，有助于促进智能电网的稳定性、节能性。通过对电力大数据的系统分析和研讨，可以在一定程度上提高智能电网的管理水平，设计更加高效科学的生产规划方案，对能源的输送以及调度进行优化整合，从而建立起更加精准的用户用电行为模型等。一般而言，电力大数据优势较多。第一，体量较大。随着社会科学技术的不断进步与发展，智能电网的建设日益深入人心，并逐渐得到广泛应用。终端数据采集设备的安装几乎进入了每家每户。采集的数据规模日益庞大，呈指数级增长趋势。以浙江为例，假设全省住户2 200万，倘若智能电表安装在每家每户，依据信息采集规则，每15min采集一条信息，那么每天的用电记录将高达21亿条。第二，类型丰富多样。在智能电网中，产生的大量数据，既包括结构化数据，又包括半结构化数据、非结构化数据。由于数据类型丰富且多样，因此，单一的数据处理模式并不适用。需要结合数据的多样性要求存储与处理技术的多样性。第三，速度很快。电力大数据在速度方面拥有得天独厚的优势，终端数量的增长对数据存储系统提出了更为严苛的要求。除此之外，电力大数据也拥有其独特的特点。首先，电力大数据中包含的信息资源丰富多样，比如，用户的用电规律、 最佳输电调度策略等内容，此类信息有助于节约电能消耗，促进资源的可持续发展，体现了数据即能量的特征；其次，数据具有交互性。电力大数据往往与其他行业的大数据产生交互，通过深刻系统的分析，其包含的信息对于决策等具有重要的意义；最后，数据具有共情性。电力大数据为国网企业更好地满足用户的使用需求提供了更多的便利和渠道。所谓共情，指的是感同身受。对于国网企业发电的各个环节，均可以通过电力大数据，为客户们提供更优更佳的电力服务，实现共同发展。

4.2 电力大数据分析处理

检索得到的电力数据中，存在断开、重复以及缺失的电力数据，因此需要进行数据清洗，并将清洗后的电力数据，进行标准化处理，得到一个或者若干个属性不同但连续、流畅的电力数据预测结果。

已知检索得到的电力数据存在断点，即数据出现缺失值，所以为了能够正常反馈电力数据的预测效果，清洗预测数据集，并对缺失值进行填补。通常来说，电力数据变化时，曲线具有平滑性特征，相邻时刻点的电力负荷变化率变动较小。根据这一特点，利用均值处理法对单个点的数据缺失值进行填补，将前一时刻点和后一时刻点的电力预测值相加，根据所得的平均值作为该时刻点的预测标准数据，公式为：

(2)

公式(2)中：t+1表示后一时刻点；t-1表示前一时刻点；ct表示t时刻的数据填补值；ct-1与ct+1分别表示不同时刻点下的预测电力值。填补数据还可能受填补位置、电力接发等因素的影响，存在尺度不一的情况。因此对这些填补值做标准化处理，统一其量纲，避免数值范围大的数据淹没数值范围小的数据。将所有数据归一化到[0,1]区间内，该过程如公式(3)所示。

(3)

在电气设备运行环节，谐波的出现会导致电压产生不稳定波动，进而会对相关的电网仪器产生损害。谐波的产生无可避免，因此，为有效地改善这一问题，减少电能过度消耗与产生的损失，工业生产中已有大量企业开始使用有源滤波器，优点是运行速度快、滤波性能更优。与无源滤波器相比，虽然有源滤波器有着相对偏高的造价，但可以更彻底地清除滤波。同时由于其有着更快的工作速度、更好的节能性能，能够在输送电能时减少谐波对电网系统的危害，保障其安全稳定运行。

5 结 语

本文以满足当前对于节能减排的要求为前提，结合当前电力自动化系统的发展情况，探究电力自动化节能技术设计的方向与具体设计技术。由于本文的研究仍存在着不足，除本文所述的几种设计技术外，还存在着更多的方式有待发掘完善。希望本文的研究能够为电力自动化节能设计技术的发展提供一定的理论依据。