电气工程自动化的供配电节能控制探讨

前言

电气工程自动化控制通过智能算法、实时监测与动态调节技术，可显著降低供配电系统能耗（ 10%-30% ）。其核心在于优化电力分配、减少无功损耗、提升设备效率，并结合可再生能源与储能技术实现全链条节能。

1 电气工程自动化系统的组成结

1.1 控制层（管理层）

核心功能：作为系统的“大脑”，负责数据采集、处理、决策与指令下发。实现逻辑控制、顺序控制、过程优化及故障诊断。

典型设备：可编程逻辑控制器（PLC）：工业现场的主流控制器，支持梯形图（LD）、功能块图（FBD）等编程语言，响应时间≤10ms。

分布式控制系统（DCS）：用于流程工业（如化工、电力），通过控制器网络实现分散控制、集中管理。

工业计算机（IPC）：运行上位机软件（如组态王、WinCC），提供人机界面（HMI）与数据存储功能。

软件系统

实时操作系统（RTOS）：如VxWorks、QNX，确保控制任务的确定性执行。监控与数据采集（SCADA）系统：集成数据采集、报警管理、趋势分析等功能，支持远程监控。

1.2 通信层（网络层）

核心功能：实现控制层与执行层、传感器之间的数据传输，确保实时性与可靠性。支持多种通信协议与拓扑结构，适应不同工业场景需求。

典型网络

现场总线：如 Profibus、Modbus、CAN 总线，用于设备级通信，传输速率12Mbps（ProfibusDP）。

工业以太网：如EtherCAT、Profinet，支持实时通信（周期时间 ≤100μs ），兼容 TCP/IP 协议。

无线通信：如Wi-Fi6、5G、LoRa，用于移动设备或难以布线的场景，延迟≤50ms。

网络安全

防火墙与加密：部署工业防火墙（如 NozomiNetworks），采用 AES-128 加密传输数据。

访问控制：基于角色的访问控制（RBAC），限制用户操作权限。

1.3 执行层（设备层）

核心功能

接收控制层指令，驱动执行机构完成物理动作（如电机启停、阀门开闭）。

反馈执行状态至控制层，形成闭环控制。

典型设备

变频器：调节电机转速与转矩，支持V/F 控制、矢量控制（如西门子G120系列）。

伺服驱动器：用于高精度定位（如机器人、CNC 机床），响应时间≤1ms。

智能仪表：如多功能电力仪表（施耐德PM800 系列），测量电压、电流、功率因数等参数。

传感器与执行器

传感器：温度传感器（PT100）、压力传感器（4-20mA 输出）、位移传感器（激光测距）。

执行器：电动阀门、气动执行机构、电磁继电器。

1.4 被控对象（过程层）

核心功能：系统控制的目标，包括电气设备、生产流程或能源系统。其动态特性直接影响控制策略设计。

典型对象

电机系统：异步电机、同步电机，需控制转速、转矩或位置。

电力系统：变电站、输电线路，需监测电压、频率、谐波。

工业流程：化工反应釜、锅炉燃烧系统，需控制温度、压力、流量。

2 电气工程自动化控制的供配电节能措施

2.1 技术优化措施

（1）无功功率补偿与谐波抑制

动态无功补偿装置（SVG/SVC）

原理：通过晶闸管控制电抗器（TCR）或IGBT 逆变器，实时调节无功功率输出，补偿感性负载（如电机）的无功需求。

效果：功率因数提升至 0.95 以上，线路电流降低 15%-20% ，年节电量可达5%-8% 。

有源电力滤波器（APF）

功能：动态跟踪并补偿谐波电流（如 5 次、7 次谐波），降低谐波损耗（谐波电流导致线路发热增加）。

指标：谐波补偿率 295% ，总需量畸变率（TDD） 55% 。

（2）电压优化与负载管理

有载调压变压器（OLTC）

应用：根据负荷变化自动调节变压器分接头，维持二次侧电压稳定（ tH±5% 范围内）。

节能原理：避免电压过高导致绝缘老化或过低引发电机堵转，减少额外损耗。

数据：电压每降低 1% ，铁损减少 2% ，铜损减少 1.5% 。

负载均衡控制

策略：通过自动化系统（如 PLC + SCADA）实时监测各馈线负载率，将重载线路部分负荷转移至轻载线路。

目标：避免单条线路过载（负载率 >85% ），降低线路损耗。

（3）智能控制算法

模型预测控制（MPC）

原理：建立供配电系统动态模型，预测未来 24 小时负荷需求，优化变压器分接头位置、电容器投切策略。

效果：减少调节次数（如变压器日调节次数从 12 次降至 4 次），年节电8% - 10% 。

深度强化学习（DRL）

应用：训练Agent 根据实时电价、负荷波动及设备状态，动态调整储能充放电功率，实现经济运行。

2.2 设备升级措施

（1）高效变压器与电机

非晶合金变压器

优势：空载损耗比硅钢片变压器降低 70%80% ，负载损耗降低 15%-20% 。

适用场景：轻载或间歇性负荷（如商业建筑、路灯系统）。

IE5 超高效电机

效率：比IE3 电机提升 3%-5% ，全生命周期节能收益覆盖增量成本。

配套技术：变频器调速（VFD），使电机在高效区（ 75%90% 负载率）运行。

（2）智能配电设备

智能断路器

功能：集成电流保护、电压监测、通信模块，支持远程分合闸与故障定位（如通过行波测距技术定位故障点至100 米内）。

节能场景：快速切断故障线路，减少短路电流导致的设备损坏与停电时间。

固态断路器

原理：采用IGBT 或SiC 功率器件，分断时间<1ms（传统断路器 10-20ms ），降低电弧能量损耗。

数据：分断速度提升10 倍，设备寿命延长3-5 倍。

（3）储能系统集成

电池储能系统（BESS）

应用：削峰填谷（低电价时充电，高电价时放电），降低购电成本。

经济性：投资回收期5-8 年，全生命周期度电成本（LCOE） ≤0.3 元/kWh。超级电容储能

优势：充放电次数 >100 万次，响应时间 <10ms ，适用于瞬时功率补偿（如电梯启动冲击）。

2.3 系统管理措施

（1）能效监测与数据分析

多参数监测系统

部署：在变压器、母线、馈线等关键节点安装电流互感器（CT）、电压互感器（PT）、功率分析仪。

指标：实时监测电压、电流、功率因数、谐波、线损率（目标值 55% ）。

大数据分析平台

功能：通过聚类分析识别典型运行模式（如工作日/周末、夏季/冬季），制定差异化节能策略。

（2）预防性维护与设备寿命管理

状态监测与预测性维护

技术：通过红外热像仪检测变压器、电缆接头温升（温差 >10^∘C 需关注），振动分析识别电机轴承故障。

效果：将设备故障率降低 40% ，维修成本减少 30%

备件寿命预测

模型：对电容、电池等易耗件建立寿命模型（如基于阿伦尼斯模型），提前3 个月触发更换预警。

结束语

电气工程自动化控制的供配电节能需构建“技术优化-设备升级-系统管理”三位一体体系，通过无功补偿、智能算法、高效设备及需求响应等措施，实现从局部节能到系统能效提升的转变。

参考文献：

[1]陶仁海.电气工程及其自动化供配电系统节能控制分析[J].科技创新与应用,2022,12(36):189-192.

[2]颜圭鹏.电气工程自动化节能环保技术研究[J].现代工业经济和信息化,2022,12(11):74-75.