電工儀器儀表在節能減排中的作用

摘要：電工儀器儀表廣泛應用于電能量采集與管理、電能質量測量與分析、諧波測量、無功功率測量與補償以及自動抄表系統中。節約電能和控制電能質量是節能減排的一個重要方面，而電量及電能質量的測量技術是這些工作的基礎。通過對電量及電能質量的測量、分析和管理，為能源的準確計量、公平交易和質量控制提供可靠的技術支撐。本文著重論述有關電能量測量、電能質量測量分析、諧波測量、無功功率測量和自動抄表系統等技術進展及其在節能減排工作中的作用。
一、引言：
隨著世界各國對能源和環境問題的高度重視，特別是我國提出建設“資源節約型、環境友好型”社會，明確節能減排的要求，更加需要研究高效利用能源、節約能源的技術方法和措施。要實現這些目的，就必須對能源的主要組成部分——電力能源進行精確的測量、細致的分析，并提出相應有效的管理方法。電工儀器儀表技術領域重點研究開發電力系統及工業自動化測控系統的電磁參量測量,技術方法、儀器儀表和測試系統。為了達到節能減排的目的, 在電工儀器儀表的設計階段,就應充分考慮其節能特性;另外,節約電能和控制電能質量是節能減排的一個重要方面,而在電力系統中,電能的損耗主要是由無功功率引起,電能質量則主要取決于諧波的含量, 因此開發諧波抑制和無功補償裝置對于節能減排具有重要意義。總之,在節能減排的工作中,電工儀器儀表正在發揮著非常重要的作用。在風能、太陽能等可再生資源的利用中,風力發電和光伏發電的工業化和并網緊密依靠著電工儀器儀表和測控技術。
二、電工儀器儀表的節能設計：電工儀器儀表設計中, 充分利用新技術、新理論、新器件、新電路、新材料,綜合考慮產品的結構、工藝、功能，使產品在使用過程中消耗能量最少。電工儀器儀表的節能設計應遵循以下原則。
1.選用低功耗傳感器：近年來,因為傳感器發展,新型低功耗傳感器不斷問世。在選用傳感器敏感元件時,應選擇價格、性能符合使用設計要求的微功耗、低功耗傳感器。
2.簡化儀器功能：多功能勢必增加儀器硬、軟件的復雜性, 增加電流消耗，降低產品的可靠性，所以不能片面追求多功能模式。在滿足儀器必要功能的基礎上, 盡量利用軟件實現儀器的功能,簡化硬件電路設計,是降低儀器功耗的有效方法。
3.設計低功耗電路,采用低功耗器件：降低儀器功耗的主要設計原則是采用低功耗器件。設計中模擬數字電路可采用CMOS 器件,放大電路采用低(微)功耗運算放大器;并采用可編程器件FPGA從而取代分立元件,實現數字電路功能,降低電路功耗;顯示可采用IXTD 顯示器。
4.單電源、低電壓供電：單電源供電能夠降低功耗，提升電源的使用效率。在單電源供電狀態下, 應降低供電電壓。大部分模擬電路電路正常工作的動態范圍較廣, 在允許犧牲電路增益時,降低電源電壓可降低降低功耗。低電壓供電對于減低器件電流消耗的作用十分明顯。以低功耗集成運算放大器LM324 為例, 功耗約為15mW;當電源電壓為15V 時,功耗約為220mW；其單電源電壓工作范圍為5-30V,當電源電壓為5V 時,。
5.降低信息處理單元的時鐘頻率：在權衡信息處理單元的運算速度后,選用較低的時鐘頻率可以降低電流消耗。因為儀器中的信息處理單元的功耗與振蕩頻率有關。此外, 睡眠方式可以減少儀器的工作時間,從而降低功耗。
三、電能量采集及電能質量測量分析：電能量采集和電能質量測量與分析是電工儀器儀表的一個重要構成部分，也是電力工業中發電、輸電、配電環節電能交易計量和貿易結算的基礎，同時還是電力需求側管理的基本數據來源。目前電能量計量技術發展很快，技術水平主要表現在高準確度（0.1級）、高穩定性、高可靠性、長壽命（10 年-30 年）、寬量程（5A-120A）、低功耗。通過不斷采用新技術和新器件，電能表的種類也日益增加，從電磁感應式電能表逐漸發展到電子式電能表，一直到采用 DSP 數字信號處理的多功能電能表。針對一些竊電現象，在電能表設計上考慮了各種反竊電措施和方法，最大限度地降低因技術手段進行竊電而造成的損失。
電能質量測量與分析是解決電力系統中各種諧波污染，提高供電電能質量的重要基礎，其核心是諧波測量。電力系統中各種擾動引起的電能質量問題分為穩態和暫態兩大類：穩態電能質量問題以波形畸變為特征，主要包括諧波、間諧波、波形下陷及噪聲等；暫態電能質量問題則以頻譜和持續時間為特征，包括脈沖暫態和振蕩暫態，表現為瞬時電壓上升或下降，出現瞬時諧波、振蕩。
目前國內外電能質量測量技術主要有 FFT 算法、基于 MALLAT 算法、小波包變換、連續小波變換、復小波變換、自適應小波和基于神經網絡測量方法等。應用小波變換等快速、準確的測量方法和可靠的測量儀器對電能質量進行長期的監測，對檢測出的擾動數據進行分類和分析，應用模糊-神經網絡方法確定有效信息的傳輸、存儲，找到影響電能質量的原因，采取相應的解決辦法，消除諧波污染并提高功率因數。
影響電能質量的主要因素是各種非線性用電設備、變壓器和各類鐵心電抗器，可分為以下幾類：
1.電力電子裝置，特別是變頻器，這是最嚴重的諧波源，一般用于電動機的變頻調速，如電力機車、水泵、風機、中央空調、鍋爐等，這些裝置在整流、逆變、調壓及變頻可程中產生大量的諧波；
2.電弧爐，如煉鋼用的交流電弧爐；
3.家用電器，如日光燈、電視機、空調、電冰箱等；4.有開關電源的設備，如計算機等。必須對這些設備進行電磁兼容性設計和檢測，以符合國家標準的要求，減少和消除對電網的污染。
4. 上海茂育科教設備有限公司生產的維修電工實訓設備是根據實訓線路進行元器件的合理布局，安裝、接線全部由學生自行完成，接近工業現場。能完成機床線路，電機控制線路，照明配電的模擬操作、安裝調試的綜合實訓，訓練學生動手能力和實操技能。該設備已符合國家標準的要求，減少和消除對電網的污染。
四、結束語：
電工儀器儀表在工業和民用領域的應用都非常廣泛,涉及工業生產、人身健康、財產安全、節約能源、環境保護等諸多方面。電工儀器儀表的技術進步為電力能源管理提供了至關重要的基礎,不斷發展和提高電工儀器儀表技術對提倡節能減排,建設資源節約型、環境友好型社會具有重要意義。

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