兼具環保和能源利用最大化的技術─智慧電網

作者:Kang X C.Y.   |   2016 / 09 / 12

文章來源:股感知識庫   |   圖片來源:Jayroz


從茹毛飲血到現今日新月異的科技發展,我們的生活在這幾千年中已經有了飛躍性的質變。不過歷史總有驚人的相似,雖然演進的過程看似千變萬化,道理卻是一樣的:許多偉大的「創見」都是從發現問題開始-我們看見了問題,然後去解決它。此篇中介紹的智慧電網,也是為了更進一步滿足人類需求所提出的解方。因此在介紹智慧電網之前,我們要先了解現有的電力系統是怎麼運作的?而智慧電網又能解決它的哪些問題?

現有的電力系統

現有的電力輸送系統主要經過三個階段:發電、輸電、配電直到消費者的手中,而這些過程都是靠著遍佈各處的電力管線來傳輸。

目前的電力供給是使用可以變壓的交流電,因為發電廠通常在偏僻的位址,離人類聚落頗為遙遠,因此在產生電力以後,需要經過升壓轉成可以遠程運輸的超高電壓(35-500kv),以高壓鐵塔傳送給工廠、企業園區等大型用電戶,或者是在進入市區之前,經由變壓器降壓成高壓(3kv、6kv、10kv),傳送到區域型電力線路,這個過程稱為「輸電」。

區域型的電力系統是由10kv以下的「配電」線路組成,電來到這裡以後,高壓電會再一次的經歷降壓,透過變壓器、變電所轉成110/220v的低壓,再經由低壓的電力線路傳給終端消費者,這時候才適用於消費生活的電子產品。

兼具環保和能源利用最大化的新技術-智慧電網-04

傳統電網的特性是以大型發電廠主導的集中式發電、需要長程的運輸旅途。這會產生什麼問題呢?

1. 電力傳輸與使用的效率不佳

首先,大型集中的電網較難快速追蹤電力的負荷變化,應變上不夠彈性,如果一個區域電網發生故障則可能擴散從而導致整個系統癱瘓,而且因為距離長,難以快速偵測故障點,維修時間大概都要耗費半小時以上。而集中的發電來源也使得風險較為密集,發電廠容易受到攻擊、進而有國安危機的隱憂。

另外,電力的運輸過程中會產生平均10%左右的能量耗損,且在運輸了那麼長的距離、消耗那麼多能量之後,還可能送不到消費者手中。原因是有些區域的變電所設置數量不夠負荷該地區的電力需求,使得高壓電源沒辦法送到區域電網,因此產生地區性的供電瓶頸。這樣長距離、且單向式的運輸,會使得電力傳輸的效率低、且難以根據狀況進行調整。

2. 再生能源難以運用

台灣目前的電力來源主要來自台電發電廠,其中火力發電佔了96.5%、核能約佔20%,水力與其他再生能源只有3.5%。在這麼高的化石燃料比例下,我們的原料有98%都是倚靠進口,這對於一國的能源自主性非常不利。雖然在節能環保的意識下,已有部分業者從事太陽光電、風力發電等再生能源的研發,但由於再生能源的發電輸出有間歇性、不穩定的問題,因此在將這些電力併入電網時,就容易因為電力負載不穩定、高壓/低壓的轉換而產生故障,甚至系統崩潰,這使得目前的電網難以與之進行整合、並且不易推廣再生能源。

智慧電網作為一個新解方

從十八世紀至今,人類已經至少經歷了三次工業革命。第一次的工業革命主角是「機械」、第二次引入了「電力」、第三次則是「資訊」改變了世界。而智慧電網,就是將兩個對於現代化進程有根本貢獻的發明:電力網路與資通訊網路(ICT)結合在一起。資通訊可以為電網連結上「資訊」(Information)的力量,透過感測端-傳輸網-雲端資料庫的建置,利用數位技術進行監控、管理、回饋,使整個電力系統變得更加彈性、能夠互動,並可達成發電者、輸電者與終端消費者的協調與整合。

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而大家對於智慧電網的期望,不僅在於優化原有的電力系統,更希望在最小化對環境的衝擊之下,維持系統的品質與穩定度。具體來說,回應目前電力系統的問題,智慧電網的「節流」與「開源」大計如下:

節流:智慧電網使電力效率提升

我們可以將電力系統切分成發電與調度端、輸/配電、用戶端來檢視:

發電與調度端:需量反應、時間電價

需量反應(Demand Response)機制是從需求面來進行能源管理,電力公司提供誘因讓用戶改變原有的消費習慣,於系統需要時配合減少用電,以削減用電尖峰的負載量、改善離峰時段發電過剩的問題,可以舒緩用電壓力並達成節能的效果。需量反應如果靠人工操控,容易產生判斷誤差或者時間誤差,甚至可能因連鎖反應發生更嚴重問題。現在引進了資訊技術後,可透過建置一套整合系統,動態、即時的進行雙向溝通,讓控制端有效搜集數據、進行分析、並做出最佳決策,以自動化設備調度電力,讓電力的使用更有效率、更精準。

而「時間電價」就是電廠得以實行需量反應機制的其中一項制度誘因。電力公司訂定隨著時段變動的費率標準,尖峰時刻費率高、離鋒時刻費率較低,誘使用戶根據不同時段的差別計價,調整用電行為,達成省電效果。

輸/配電端:配電自動化、區域電網、儲能裝置

配電自動化是指在輸送電力的這個過程也進行自動化的管理,透過資通訊技術與自動化設備,搜集末端訊息以進行資料傳輸、分析與控制。在這個架構下,變電所、電力線路上都安裝監控、感測的設備,可以將使用電量、現場設備情況進行紀錄,在意外事故發生時,也能將異狀回傳控制中樞,並啟動斷路器隔離故障區域,避免造成更大的系統停擺。此外,配電自動化的系統也具有地理圖資能力,可以提供完整的調度資訊與操作介面,讓操作員能夠以最快的速度完成電力的調配與緊急應變措施。

區域電網的概念是以分散式的電力系統取代集中式、單向傳輸的電力系統,使區域自給自足、區域與區域之間可互相交換訊息、多向流動,集發電、輸電、用電與儲電的所有功能。這樣的好處是當發生故障時可以切斷與母電網的聯繫、並以其他區域的電力做為支援。以美國加州的實驗型社區為例,該社區家家戶戶屋頂上安裝太陽能板、戶外水井可用來發電,並合力建了集電器作為儲能裝置,除了可以收集多餘的電力以外,在政府電力不夠需要支援時還能賣電給政府,以此來看,儲能裝置的未來發展也大有前景。

這樣的區域電網除了資訊流通、省電節能之外,還具備防災意識,日本仙台市的微電網在福島核災發生時,因為能依據電力需求進行調度配送,在電力公司斷電時,依然能將儲備的電力持續供應至不能斷電的地方(如醫院),甚至維持數月之久,可見區域型的電網對於災難應對可以發揮很大的效用。

用戶端:智慧電表、能源管理系統、智慧家電

智慧電表(Advanced Metering Infrastructure, AMI)取代現有傳統電表,含有感測、紀錄、通訊與控制等功能,除了記錄使用者的用電電量,用戶可以APP裝置來檢視電力消耗的狀況、連結電力公司的時間計價做電費估算,電力公司也可即時收到用電狀況、並直接透過網路回傳用戶的電量資訊,減省人力抄錶的負擔。

智慧電表本身並不能幫助節能,但卻可以使用戶透過更清晰的資料紀錄來改變用電習慣。而能源管理系統(Energy Management System)則是整合用戶端的控制系統,包括家庭能源管理系統(HEMS)、大樓能源管理系統(BEMS)及企業能源管理系統(EEMS)。它除了連結家電、電動車與家用網路閘道和電表以外,還能偵測每項電子產品的用電量、搜集數據分析狀況,進行調度,將些不必要的耗電裝置切斷、或者在發電量有所剩餘時導引至某些裝置上。除了管理家戶本身的能源消耗,更可以連結至電力公司網路,搭配蓄電池等儲能裝置、開放的通訊網路,進行雙向或者多向的電力輸送,以更有效率的方式使用電力,達成節能效果。

開源:智慧電網併入再生能源

如前所述,台灣再生能源利用比例極低,其中一個關鍵原因是難以將再生能源電廠的發電併入現有的電網中。智慧電網在各節點裝設變壓裝置,並更新目前的電力線路設施,使再生能源(尤其是風力發電與太陽光電)順利併入電網中。在未來,線路不再是封閉的單向流動,而是一個開放的系統,可以兼容大型發電廠與小型發電裝置,讓家家戶戶也能進行微型發電、並且共享,並同時達成供電系統的品質與穩定度。在這樣的目標下,提升再生能源的使用率,並逐漸取代現有的石化能源並非不可能的夢想。

智慧電網以環境永續、能源利用最大化作為兩大引路明燈,除了在電力使用上獲得供電品質、用電安全的進一步提升以外,還因此可促進許多新應用、新產品的開發,對於綠能產業的發展有莫大的幫助。因此智慧電網的建置,不僅是基於環境的考量,更能兼顧到社會、經濟與生活層面的效益,可說是牽連甚廣的重大課題,值得我們持續關注。

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Kang
喜歡觀察思考,喜歡充滿挑戰並且有趣的事,實踐的過程常感到很幸福。
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