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智慧電表要打通任督二脈
智慧電網的神經細胞

【作者: 鍾榮峯】   2010年07月06日 星期二

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在節能減碳的趨勢下,智慧電網(Smart Grid)正成為世界各國有效運用電力的不二法門。智慧電網就是改良傳統單向電力配送系統的雙向用電資訊溝通的數位智慧電力系統,是藉由電子數位化電錶設計結合無線或有線傳輸數據的革新方式,得以讓供電單位有效且能即時地監控用電量,並進一步調配用電效能,並大大地提高電力系統的可靠性及資訊的透明度。



智慧電表是智慧電網的神經細胞


智慧電網的架構核心便是先進智慧電表基礎建設(AMI),作為自動讀表平台角色的AMI,第一步就是換裝數位電子式且具有網路傳輸功能的智慧電表(smart meter)。AMI的重要環節還包括電子監控系統、電表資訊管理系統(Meter Database Management;MDMS)、網通設備與通訊網路骨幹、伺服器與終端運算系統、發電廠、用電管理系統(EMS)和分散式能源資源(DER)等。從整個智慧電網的架構來看,AMI是整個智慧電網的神經系統,而智慧電表就是其關鍵的神經細胞。




《圖一 工研院、士林電機與全家三方合作,共創『能源資通訊產業』新商機》 - BigPic:800x533




智慧電表規格不一但用途單純


智慧電表目前有各種不同的規格標準,包括美國的ANSI C12、IEC的IEC 6205x、歐盟的EN 50470-X、澳洲的AS 1284.x等,中國也有訂出自己的Q/GDW37x系列規格。一般而言,智慧電表架構設計可以大概分為高壓三相和低壓單相預付費設計兩種類別,由電子電表和通訊模組所構成,以控制器晶片模組為核心,多採用液晶顯示螢幕,分為單、三相預付費設計。三相式智慧電表以商用為主,主要是以需量功能和瓦時計量功能為核心:單相式則以一般家戶民用為主,台灣主要採用的是美規的單相三線。



台灣智慧電表產業鏈代表廠商一覽表<製表整理:鍾榮峯>































智慧電表產業鏈

代表廠商

計量晶片

工研院能環所、玖鼎電力資訊

智慧電表製造

士林電機、玖鼎電力資訊、大同、中興電工、齊碩科技

智慧型電動開關

亞力電機、華城、中興電工

變壓器

華城

智慧電表表頭

康舒

無線通訊模組

訊舟




注重雙向多功能遠端通訊設計


智慧電表主要功能是建立按使用時間計算電價(TOU)的智慧系統,並且支援可遠端遮斷或復歸等功能,因此智慧電表也需進一步內建電錶通訊介面(MIU),與用電管理系統EMS有效連結。不同於以往傳統的機械式電表,智慧數位電表強調使用壽命長和多功能設計架構,主要功能包括可以即時雙向量測;更為準確的量測精度;可分時段計算用電量;可量測並紀錄電力品質參數,例如諧波和無效功率等;讀表自動化的無線通訊功能;還有遠端監控斷電和復電功能;以及一表多卡等的架構設計。簡言之,「時間電價」、「通訊界面」、「電力品質量測」、「負載曲線記錄」等,是電子式智慧電表的主要特色。



電表要耐受極端環境 產業鏈穩定性高


智慧電表表體的製造技術門檻雖不高,但進入市場門檻很高。智慧電表的主要客戶就是電力公司或是公共事業單位,其高度要求電錶零組件架構設計的技術穩定性與安全性,智慧電表也需具備極端環境的耐受能力,表體和內部關鍵零組件的一致性就更為重要,才能因應各種惡劣氣候和極端溫濕度等多變環境的挑戰,繼續維持高精度的數位電子電表功能。因此智慧電表供應廠商往往青睞於長期穩定投入電表零組件的廠商,能夠提供完整智慧電表解決方案的廠商,往往也是提供智慧電表關鍵技術的廠商。



老鳥新手紛紛投入智慧電表晶片領域


國外主要開發智慧電表的廠商,也是以往在各類型電表領域的供應大廠,包括瑞士的蘭吉爾(Landis+Gyr)、美國的Itron、GE energy、Echelon、比利時的Elster 、西班牙的Circutor和ZIV、德國的Diehl Metering、英國的Entity Group、丹麥的Kamstrup和法國的Sagem Communications等。國外投入智慧電表晶片技術核心關鍵的廠商,仍以Landis+Gyr為馬首是瞻。不過越來越多晶片廠商正積極投入智慧電錶核心晶片的開發行列。像是飛思卡爾(Freescale)便已推出單相和三相電表控制器解決方案,16位 SAR ADC模組不僅可支援三相電能計量,也能驅動低成本電能計量或用於電能監控。其中的即時時鐘(RTC),便提供時間電價功能,此外,RTC具有篡改檢測機制,可檢測偷電情況,向電力公司發送觸發或錯誤通知;若產生主電源故障問題,其還能具備自有電池電源獨立運行。



美商亞德諾(ADI)也推出可針對多相位組態包括三導線與四導線所設計的電表IC,能夠以超過能源計量器Class 0.2規格、以0.1%的精確度與動態範圍,量測總體的實功與虛功電能。其產品亦能夠監測能源品質的參數,諸如SAG、峰值、週期、角度量測、與相位序列等。同時ADI的智慧電表晶片可偵測各種竊電狀況,同時又能夠維持正常運作的能力,能減少現場通話與計量器問題排除的時間。



意法半導體(ST)也推出可有效降低智慧電表功耗的微控制器系列,藉由130奈米製程的低功耗技術,可有效降低漏電流,提升微控制器在動靜態模式下的效能,可在作業模式下節省能源,進而達到能源之星80Plus規範,符合國際高效能電源推廣計畫及待機功耗限制。德州儀器(TI)也推出適合智慧電表的低功耗微控制器,具備優於 0.1% 的能源量測精準度和具備竄改防護功能的安全能源監測功能。類比混合訊號晶片大廠Maxim也斥資約3.15億美元現金,收購未上市公司Teridian Semiconductor進軍智慧電表晶片市場,以此取得Teridian在能源量度系統單晶片技術應用上的影響力。



台灣開發智慧電表晶片不遑多讓


台灣在開發智慧電表晶片的努力一直沒有停歇,工研院能環與環境研究所長期研發智慧電表量測晶片,與士林電機合作多年的三相電子式電錶設計技術,便協助士林電機生產自製智慧電表。工研院能環與環境研究所之前研發完成的「三相電子式電表訊號處理晶片」,內建六組「三階Σ-Δ16位元類比數位轉換器」,搭配工研院自動增益控制電路的專利,訊號雜訊對比(SNR)超過85dB,可有效增加電表電力量測範圍。應用此晶片之智慧型電表可同時顯示電流、電壓、實/虛功率、功因等資訊,並可加以儲存計算,或透過通訊網路提供遠距離遙控接斷電、遠距離遙控讀表、故障自動偵知、電力品質監控、時間電價、即時電價傳輸及負載控制等功能。工研院能環所也計畫進一步開發單相電子電錶訊號處理晶片。



亞力、士林電機和旺玖共同合資成立的玖鼎電力資訊,也在單相智慧電表晶片上有突破性的成果。玖鼎的單相智慧電表晶片強調超過IEC62053-21/ANSI C12.20標準,精度達到2000:1動態範圍內誤差值小於0.1%,將真時時鐘、快閃記憶體、LCD驅動、溫度感測器、通訊埠及能量管理,全部整合成單一晶片,可提供低成本高功能的電表解決方案。晶片內部內建之高SNR比AD轉換器配合自動增益控制(AGC)電路,信號噪音比SNR超過80dB,可在寬廣的量測範圍內達成優於0.5級的精度需求,並支援停電時電表讀取的能量管理功能。目前工研院正在開發一款高規格的插座式電表,所使用的電表晶片也將由玖鼎來提供。



國外智慧電表製造和解決方案主要代表廠商<製表整理:鍾榮峯>



















智慧電表代表製造商

Landis+Gyr(瑞士)


Elster(比利時)


Itron、GE energy、Echelon(美國)


Iskraemeco(斯洛維尼亞)


Circutor、ZIV(西班牙)


Diehl Metering(德國)


Entity Group(英國)


Kamstrup(丹麥)


Sagem Communications(法國)

計量晶片代表廠商

Landis+Gyr、飛思卡爾(Freescale)、


亞德諾(ADI)、意法半導體(ST)、


德州儀器(TI)、美信(Maxim)

智慧電表解決方案


代表供應商

ADD Grup、Echelon、Enel、ESCO


Technologies、Founter、ISA


Metrima、NURI Telecom、Policom、


Siemens、Power Distribution、Telenor


Cinclus、Xemex

智慧電表驗證架構

UL、Tektronix




台廠智慧電表產業鏈逐步成型


台灣投入參與智慧電表的廠商,也以玖鼎最受矚目,目前已成為台電家用型電錶先行案候選供應商二家之一,玖鼎科技也已切入中國青島電力供應鏈。其他主要生產智慧電表的廠商還包括大同和中興電工,齊碩科技也推出三相電子式多功能表,具有寬量程全數位電能電量測量功能,可設定為單相三線、三相三線或三相四線式電表,能夠測量實功率、虛功率、累積實功率及累積虛功率等,不但同時具有瓦時表、乏時表、需量表之計費功能外,亦能將各相電壓、電流及實功率、虛功率等資訊,一併儲存在記憶體內,可經由光學頭讀取電表資料,達到電力使用過程全程監控和紀錄的目的。



智慧電表所需的感測元件、網通模組、通訊晶片等零組件,台灣廠商也參與其中,包括訊舟生產智慧電表無線通訊模組、旺玖生產家電通訊晶片、盛達電業提供智電力線內建通訊模組、康舒開發智慧電表表頭和電力線傳輸、正文和中磊提供智慧電網傳輸設備等。



智慧電網勢在必行 智慧電表小兵立大功


根據經濟部能源局評估,國內建構智慧型電表基礎建設,預計每年投入成本62.8億元,可創造出68億元的電業效益,帶動國內產業781.9億元總產值,具有相當高的成本效益。台電近日也已經表示,為著手進行AMI智慧電表基礎建設,第一階段將針對科學園區、工業區等製造業廠商約2萬3千家高壓用戶電表,以及1萬戶低壓用戶從今年下半年開始更換智慧電表,預計在民國101年底前全數更換完畢。這代表台灣已經正式跨出建設智慧電網的第一步。要實現智慧電網,還需要引進許多新的技術,包括新的ICT技術、電力電子技術、儲能技術、自動化電力系統技術、微電網、操作性技術,以及電壓和回應性電力控制技術等。但這些技術沒有智慧電表的普及化與穩定性,智慧電網的基礎也會不夠扎實。「小兵要立大功」,可說是智慧電表最貼切的形容了。



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