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智慧電網發展探究(下)
整合各式通訊技術 智慧電網建置步步為營
新通訊 20108 月號 114 期《 技術前瞻 》
文.蒲冠志/楊金石
延續上一期智慧電網(Smart Grid)文章所介紹的智慧型電網的構成與各國的發展現況,本期將繼續介紹智慧電網的相關挑戰、規畫與應用,並說明台電智慧電網的規畫方向與未來發展藍圖。
挑戰接踵而來 規畫不可不慎  

智慧電網為整合發電、輸電、配電及用戶的先進電網系統。不同一般資訊網路,智慧電網兼具自動化及資訊化,影響層面非常廣泛,其在探討商業模式時主要有四大參考方向。首先是高度嚴謹步調。智慧電網由於兼具自動化及資訊化,同時影響層面非常廣,較不允許出錯,所以在規畫階段與建置執行時都必須以高度嚴謹態度視之。其次,智慧電網似乎大部分以技術導向,然而何者對電業有利益必須列為思考重點。第三,電業的經營乃長久事業,其設備使用週期通常較一般資訊或網通設備來得長久,所以在建置時須同時考慮短中長期發展,使其具有擴充性與一貫性。最後,規畫與建置智慧電網該考慮的因素計有智慧電網的應用重點、需要那些技術的整合,以及既有網路有多少剩餘系統資源可應用,避免浪費。  

雖然智慧電網為國際上各個電業積極進行的目標,然而因為它的複雜性,加上各國電業既有系統環境的不同,同時尚未有完整智慧電網的出現。目前所面臨的挑戰與困難包括不清楚智慧電網,所以很難開始;以技術為焦點,而非以效益為導向;須要發展商業行為,然後規畫發展藍圖;以整合既有系統與設備來發展;必須建立開放性標準與通訊協定。  

智慧電網的建構需要龐大的資金支持,若無法得到政府政策性的輔導或具有商業價值的支撐,將難以進行建構與維運。為了進行如此龐大的改造工程,事先嚴密的計畫不可或缺,所以建構智慧電網計畫包含方向與目標,規畫與執行,其中必須決定商業模式導向(包含定義最佳應用、定義需求、決定技術解決方案與程序的改變,以及確定花費與效益),須有嚴謹規畫來實現藍圖,並確實執行藍圖。 目前各國在建置或規畫智慧電網時,各個電業都有自己的目標與導向。但基本上,有些功能是一般電業建置智慧電網時絕對要考慮的。  

電網控制
  電網狀態確認、電壓/無功控制、電力潮流控制及損耗管理。

停電/故障資訊及管理
  包括故障偵測、故障分類、故障特性分析、故障局部化、故障隔離及快速地復電。

電表
  費率計算的電力使用量測、負載管理點及用戶區域網路閘道(Gateway)。

電力品質控管
  電力品質遠端監控,並記錄突發事件及相關參數以供後續維修、規畫以及減輕的措施(Mitigation)。

電力設備使用率量測及控制
  量測電力設備的使用狀況,以供最佳化負載潮流的處理。

電力設備良率監控及系統維護
  遙測電力設備的運轉情況(包含是否能安全運轉),量測設備負載率並計算運轉利用率所造成的影響,利用前述資訊進行電力設備的最佳化維修或汰換,以達成電力設備生命週期管理。

能源使用管理
  負載卸載控制及需量反應。

能源資源管理
  多重能源型態的適應性整合(Adaptive Integration),包含傳統的發電來源、替代能源以及分散式發電與儲能,並且能將碳足跡最小化。

孤島運轉
  當電力系統有大事故時,可局部單獨運轉,避免全系統無法運轉供電。

系統效能及可靠度控管
  遠端監控電力輸送及系統運轉效率以供後續維修、規畫以及減輕的措施。

積極打造智慧電網  

依據國際能源環境趨勢與我國的永續能源策略,建立智慧電網係我國建立低碳經濟新格局策略之一,但每個國家及各個電力公司的系統狀況都不盡相同,且智慧電網涵蓋的範圍非常廣泛,台灣必須要發展智慧電網的國家級藍圖。且須配合國家能源政策及相關產業發展,並參酌台電的智慧電網里程規畫,以達相輔相成之效果。  

因應國際趨勢,並基於優良供電品質需求不斷提升、用戶對電力資訊的渴望與參與、分散式電源逐須加以整合、針對氣候變遷之節能減碳,以及資訊、通訊與電力電子技術不斷進步及成本下降等,台電於2006年邀集相關單位研討智慧電網之建置與里程規畫,而「智慧電網專案小組」設置要點已於2007年6月訂定,該要點將台電建構智慧電網規畫成短、中、長程三階段,並以四個目標領域來進行(圖1、2)。

圖1 台電建構智慧型電網的願景與目標

圖2 台電智慧電網里程規畫總表

藍圖規畫按部就班  

針對節能減碳與效率提升的作法,台電目前所提出的IGCC+CCS或核能等都是2020年以後才能實現的方案,而智慧電網可讓能源國家型計畫(NEP)與台電相呼應,成為一個短期節能減碳議題。  

台電建置智慧電網步驟是先設置「智慧電網專案小組」,成員包括發電、供電、業務、調度、系規、電信及綜研所等單位,共同探討相關議題。接著,完成台電智慧電網20年里程規畫綱要,共分短、中、長程三階段,分成電網安全與可靠、能源效率、用戶服務品質、分散型電源整合等四項,並以通訊協定整合、知識管理分享平台兩項作為支援。最後,建置先進電表基礎建設(AMI)與微電網示範系統,預計民國100年可建置完成二萬三千戶高壓用戶自動讀表(Automatic Meter Reading, AMR),並於2009年進行台電建置低壓用戶AM可行性效益分析計畫。  

台電透過智慧電網里程規畫綱要的推動歷程,首先於2006年11月建立台電的通訊協定指南(Protocol Guideline),接著在2007年6月建立台電智慧電網藍圖,2008年6月年度檢討台電智慧電網藍圖,以及在2009年3月派員前往美國參加美國能源部(DOE)/美國國家能源科技實驗室(NETL)舉辦的智慧電網研討會,而同年5月派員前往巴里島參加IERE 2009年TIS-Asia-SC/TC研討會,6月則年度檢討台電的智慧電網藍圖。  

此外,台電對於微電網示範系統,則進行了以下幾項措施:  

樹林試驗場
  掌握併聯運轉特性。

配電系統饋線
  配合風機與大型PV併聯之饋線,實測其對11.4kV配電饋線與連至該饋線用戶的影響,評估形成微電網之可行性。

離島案例
  300kWp PV+柴油機組+燃料電池或硫化鈉電池等(七美)。

重點項目環環相扣  

圖3 台電規畫智慧型電網重點
圖3為台電規畫智慧電網重點,在發電系統包括具有自由運轉(Governor Free)、自動發電控制(Automatic Generation Control, AGC)及自動性能控制(Automatic Performance Control, APC)的高效率機組、引進超臨界汽力機組、火力發電廠機組熱功性能監視系統,以及整合再生能源發電等。  

而輸電系統方面,則以相量量測單元(Phasor Measurement Unit, PMU)組成的廣域監測(Wide Area Monitoring, WAM)系統、監測結果的可視覺化(Visualization)、特殊保護系統(Special Protection System, SPS)查找表分析及更新、電驛系統全面數位化、自動電壓控制系統(SVR)的引進、建構新電能管理系統(TEMS)、彈性交流系統(FACT)與通訊技術整合。  

在配電系統上,則有微電網、變電所自動化、配電監控系統、配電管理系統、饋線自動化、電壓與虛功整合控制、饋線與變電所尖峰負載管理、電力設備狀態監測、線路故障指示器即時監測。  

而用戶端包括AMI、自動讀表系統、停限電管理、分散型電源與再生能源及電電車電池的整合管理,其中AMI僅占整個智慧電網的一部分。  

智慧電網的互通能力(System Interoperability)為整合的關鍵,包括停電管理系統與其他資訊系統整合的系統互通性需求、與大規模分散式資源和需求面資源的系統互通性需求,以及資產管理的系統互通性需求。  

高壓戶用自動讀表建置  

推動AMI為既定政策,台電預計於民國101年可建置完成二萬三千戶的高壓用戶自動讀表,並從2009年起進行建置低壓用戶先進讀表基礎建設可行性效益分析計畫,依據評估結果進行低壓用戶的自動讀表。  

台電自動讀表建置計畫分成兩部分,第一部分的自動讀表建置對象以特高壓用戶(約六百戶)為主,並納入六百戶高壓。而控制中心2008年5月21日由大同公司得標,2009年4月已完成控制中心建置,包含自動讀表系統應用軟體及讀表介面單元。2009年底,提出數位電表規範採購。2010年開始將繼續購買電表加入系統,以建置所有高壓用戶二萬三千戶,占用電量58%,期於民國101年建置完成。  

第二部分則自2009年起,檢討評估低壓用戶系統建置推動方式,AMI專案小組正配合能源局及綜研所正進行低壓AMI可行性評估計畫。  

圖4為台電高壓用戶自動讀表架構,分成電表、傳輸(通訊網路)與控制中心三部分,功能包括瓦時、乏時、需量的量測,電表附加通訊模組,實施時間電價及由控制中心直接管控,用戶總負載分析,需量計算時間同步,用戶端停電偵測,與電表雙向無線傳輸,資料讀取、處理、提供,以及電表管理。

圖4 台電高壓用戶自動讀表架構

此外,於讀表介面單元中建立「台電資料交換標準」統一電表交換資料格式,可避免受某一電表廠商資料格式的限制。  

NEP規畫合作研究項目  

國家型能源計畫(NEP)智慧電網與讀表子題共規畫5年計畫,並於2009年7月2日召開產學研合作規畫會議,會中台電建議的合作研究項目包括以下四項:  

智慧型配電基礎網路規畫研究
  由現有配電架構轉變至智慧電網的策略研擬、含分散型能源的配電系統分析技術開發、先進電壓管理及配電系統主動管理技術發展、變電所自動化與數位化通訊協定測試研究、微電網示範系統發展、智慧型電能管理技術開發應用,以及多代理人分散式電能管理技術開發。

智慧型輸電骨幹系統規畫研究
  由現有輸電架構轉變至智慧型輸電網的策略研擬、系統狀態估計及即時系統安全分析技術發展、智慧型輸電設備應用研究(STATCOM、SVC等)、智慧電網運轉與分析資料庫規畫研究、自動二次電壓控制系統規畫研究、先進電力設備狀態監控及系統安全自癒技術開發,以及發展系統狀態之人機介面技術。

智慧電網管理技術開發
  電力設備機率風險資產管理方法的開發、用戶端市場及節能減碳商業模式的建立、分散型能源及需量反應支援現有輸配電系統的技術開發、資通技術推動大用戶端市場的技術建立、整合先進讀表系統、電力品質監測、停電管理及需量控制之技術開發、新電能管理系統應用研究、分散型能源系統技術及測試認證技術開發,以及需量反應及需求端管理之技術開發等。

自動讀表
  低壓用戶自動讀表可行性效益分析、智慧型電表與電網管理中心的通訊及網路規畫,以及用戶之資訊網路應用規畫等。其中微電網項目包括監控系統規畫、電力品質監測與維持、三相不平衡改善、孤島運轉穩定度,對智慧電網通訊研究如何有效運用台電既有的通訊網路如光纖、電力線通訊(PLC)、微波通訊來建構通訊基礎建設,對再生能源占比高離島電力系統如無油島,則探討包括使用儲能系統如鈉硫磺(NaS)電池、燃料電池(Fuel Cell)來改善再生能源變動發電量的穩定運轉等。

技術橫跨各領域 整合規畫最重要  

智慧電網是電力、電信、資訊及網際網路四種產業的匯流,屬於跨領域的技術。台電各單位通力合作,完成智慧電網短、中、長期的目標及任務的規畫,並與公司經營策略與中長期研究計畫結合。因應國際智慧電網日新月異發展,各項行動規畫將定期按當時發展狀況再檢討評估,並結合國內產、學、研人力與資源,發展國家級智慧電網,建立低碳經濟新格局。  

智慧電網的各項系統建置應更加考量成本效益分析,推動步伐宜謹慎務實,才不至於造成無謂的投資浪費,例如美國允許電業投資AMI的初設成本得以分年向用戶每月加收基礎建設電費中回收,所以對於AMI的推動較積極。而饋線自動化的成本較昂貴,同時無法直接由用戶端回收建置費用,所以推動步調較慢。然而台電為提供用戶較穩定、可靠用電,對於饋線自動化仍然依照規畫持續建置中,而列於國際電業上饋線自動化前幾名。  

台灣電力系統的電力設施由於不斷更新,與國外電力系統有一定程度差異,所以對於推動的智慧電網內容,不能全盤抄襲,必須自行規畫適合台灣的智慧電網。 整合通訊(Integrated Communications)技術是推動智慧電網的基本要素,其將所有關鍵技術領域聯繫在一起,須檢視現有及未來可能技術,應如何搭配才是最經濟可靠。  

鑑於國際上智慧電網也正日新月異的發展中,加上數位通訊、數位控制與電力電子技術日新月異,成本與效能上變數尚多,台電持續參考先進國家經驗,並訂定優先順序,就系統整合與成本效益等方面,定期檢討評估智慧電網之里程規畫,以其更符合需求。  

(本文作者任職於台電綜合研究所)

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