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智慧電網技術進展加速
腳步雖有分歧 方向仍趨一致

【作者: 王明德】   2015年12月28日 星期一

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智慧電網的議題,在近年來成為綠能科技產業中相當火紅的概念技術,由於再生能源的推動需要更為完整的電網做為整合系統,歐巴馬以智慧電網做為經濟振興方案之一環,正是以此做為綠能整合推動的基礎建設。


預防與輔助同步發展

智慧電網的推動,主要基於預防與推廣兩個層面,全球發展智慧電網的原因不甚相同,但主要仍然脫不出「預防大規模停電」與「輔助再生能源推動」兩個部份,在歐美主要與「預防」有關,尤其在美國,其電網幅員廣,設備亦相當老舊,若在任何一個環結發生錯誤,可能造成大規模的連環效應,推動智慧電網,可以透過先進的電力管控能力,將反應時間縮短,並可將災害控制在小範圍內,避免擴大。



另一方面,目前再生能源議題正夯,包括風力、太陽能設備,在電網內都屬於變動性的能源規劃,不像傳統系統可以直接控制電力備載,一方面推動智慧電網,可修正傳統電網僅能單向管控的問題,對發展再生能源有一定的助益:此外,再生能源這類變動性能源的併網,需要更嚴格的監控,智慧電網的設置,可監控電網是否有能力併網並做出適當處分,避免系統崩潰反造成損害。


這兩個層面刺激出目前智慧電網的榮景,在全球各大國家同步發展的態勢下,智慧電網的腳步有點分歧,不過整體趨勢仍算一致,以下就從標準、基礎建設、應用、控制晶片、管理等5個面向來看為來的發展與台灣廠商可以注意的商機。


智慧電網中較具指標性的產業標準聯盟,主要包括美國國家標準與技術研究院NIST、國際電工委員會IEC、中國大陸國家電網三大陣營。

由於智慧電網算是較新興的技術,百家爭鳴之下,其研發標準的聯盟組織也相當的多,較具指標性的產業標準聯盟,主要包括美國國家標準與技術研究院NIST(National Institute of Standards and Technology)、國際電工委員會IEC(International Electrotechnical Commission),以及中國大陸國家電網三大陣營。


雖然各組織針對智慧電網均有標準訂定,但基本上仍然照著兩階段進行,第一階段主要是整合既有與智慧電網相關的標準,並以之為基礎進行後續發展,其主要的目的在讓智慧電網的標準與國際現有的規格配合,並從中改進使其更符合智慧電網的需求,以利後續發展;另外新訂定的標準,則多與配電及用戶端需求為主,尤其是資通訊居多,由於傳統電網的「智慧」程度較低,包括配電也只有40%自動化,如此發展智慧電網,勢必在這兩部分層面上著墨更多,才能因應後續發展。


雖然NIST與IEC同為全球智慧電網的主流標準,但兩者仍然有些不同的地方,NIST的標準制定相對完整,但內容較多,較無法確定中心標準為何;但IEC則是為了能讓各國政府有較大的彈性,因此制定的標準較少。


以身份識別的概念,給予每個電表一個ID,在管理上就會相對容易,資通訊上也較為安全。

相對於NIST與IEC,大陸又是另一種做法,相對於前兩組織較重視既有標準的整合,大陸以「發電」、「輸電」、「配電」三個領域分析編製《智慧電網標準體系規畫》報告,其中提出8個專業分支、26個技術領域、92個標準系列的智慧電網技術標準體系,明確指出可以直接採用、需要修訂及需要制定的技術標準,相對來說比較有系統的做法。


相較之下,台灣廠商面對新技術的發展,智慧電網的領域必須認定是一個新的技術來進行規劃,密切關注此類標準的演進及變化,是增加台灣廠商國際競爭力的重要工作。


基礎建設首重通訊與管理

從基礎建設面向來看,智慧電網宛如一個巨大的機器,從長遠的角度說,其層面相當廣泛,像用戶端與輸電端雙向溝通的能力,就是智慧電網需要具備的技術,因此電網系統的通訊能力與管理,相對來說就十分重要。


先進電表系統AMI是智慧電網的最基礎建設,AMI主要由智慧電表、雙向通訊網路及自動讀表控制中心組成,最主要的功能,在於與家庭網路自動化結合,主動提供用戶用電資料,協助用戶進行負載控制及節約用電的規畫,推動智慧電網,將可透過資通訊技術讓發電用電取得平衡,使電網系統更加穩定。


現階段建構智慧電網,其轉換過程中由於將影響每一個用戶,其面臨的挑戰更是全面性,智慧電網等於一部複雜的機器,電網間需要更良好的溝通能力;但宥於目前電腦安全技術,仍不足以支應智慧電網的需求,這是需要再加以研究改善的重要面向。



圖1 : 居家電源管理設計若透過系統來進行控制,不但可以節省人力成本,也能省下大筆電費。(Source:GIZMODO)
圖1 : 居家電源管理設計若透過系統來進行控制,不但可以節省人力成本,也能省下大筆電費。(Source:GIZMODO)

在應用層面,以居家電源管理設計來看,人力管理電網控制雖然簡單,但相對沒有效率,反而造成許多不必要能源損耗,若透過系統來進行控制,不但可以節省人力成本,也能省下大筆電費,透過物聯網M2M技術與後端伺服器連結,整合建築物內各種設施的運作及分享資訊,將可以提升改善能源運作效率,在全球能源的消耗比重上,建築物的比例高達37%,建築物在智慧電網的架構中,扮演相對重要的角色,目前全球的綠能建築標準,都有一定程度的智慧用電要求,而從供給面來看,居家環境也被智慧電網業者視為最重要的市場,不過住宅領域的數量多、設備老舊,要全面汰換需要時間,因此目前各國都先將商業大樓作為先行目標,家庭應用則被視為第二波應用。


控制晶片需兼顧成本與生命週期


圖2 : 智慧電網層面相當廣泛,像用戶端與輸電端雙向溝通的能力,就是智慧電網需要具備的技術。(Source: ECO Librium Energy)
圖2 : 智慧電網層面相當廣泛,像用戶端與輸電端雙向溝通的能力,就是智慧電網需要具備的技術。(Source: ECO Librium Energy)

就智慧電網控制晶片的角度,智慧電網是屬於電力與資訊互相傳輸的網路,相對而言整體網路架構較為複雜,不論何種智慧電表系統,大致上必須具備運算單元、通訊技術與週邊控制三大功能,就系統設計上,MCU(微控制器)的選擇就相對來的重要,必須兼顧低成本、產品生命週期長等條件,就進入門檻上,有一定的困難存在。


MCU能否發揮其功能,端視第三方軟體業者能否提供完整的技術支援,在開發工具套件的設計上,晶片本身必須盡量挪出空間,以第三方軟體業者或是工程師利用,盡可能在軟硬體的整合上達到最佳化,當然這也需要業界能有愈來愈多的軟體業者能提供更為多元的軟體開發工具,以協助系統業者進行系統設計。



圖3 : 智慧電網是屬於電力與資訊互相傳輸的網路,相對而言整體網路架構較為複雜。(Source:DNV.GL)
圖3 : 智慧電網是屬於電力與資訊互相傳輸的網路,相對而言整體網路架構較為複雜。(Source:DNV.GL)

基於此前提資訊安全上的保密,絕對是智慧電網系統設計上的一大挑戰;尤其是在電表龐大的數量來說,更是隱憂,但若以身份識別的概念,給予每個電表一個ID,在管理上就會相對容易,資通訊上也較為安全。


最後在管理的面向上,業界人士多認為,智慧電網的標準化必須加速推動標準大致底定後,半導體業者就有辦法針對業界標準,整合所需要的功能,只要晶片能夠被大量生產,自然建置成本就會壓低,目前智慧電網建制最大的難題,在於龐大的電網系統中,每一裝置都可雙向溝通,這會使得動態管理層面複雜化,再加上即時性的電網系統傳輸,無疑提高了管理上的難度,最可行的辦法,是透過歷史用電資訊的完整建檔,以提供系統在不同的時空環境下的評估,能在前一步作好不時之需的準備,避免緊急電力的急迫需求問題。


**刊頭圖片來源(Source: Gronkalender)


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