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41 大 綱 需量預約服務控制 一、緒論 二、原理分析 三、需量預約服務控制系統設計 四、實地安裝測試 五、節能效益分析 六、結論與建議

42 一、緒論 近年來，環保意識抬頭，影響了電廠建立與相關電力輸配設施的工程進度，於是電力系統備載容量隨著負載成長而日益下降，限電的陰影籠罩著每一用戶，在開源不易下，節約電能與提高電力使用效率已成為電力事業機構一重要課題。 需求面管理的目的在於以不同負載管理策略施行於不同類型的用戶，於電力系統尖峰時段，藉由直接負載控制方式抑制尖峰負載與轉移尖峰負載至離峰時段。 用戶服務自動化為電力研究所所積極推動的一負載控制與自動讀表計畫，其中需量預約服務負載控制策略及裝置微處理機控制的需量控制器，藉由經驗規則控制方式，由用戶自行選擇與排定負載控制排程進行用戶本身的需量控制，已有效降低用戶的尖峰負載，以及避免超約受罰。

43 一、緒論(續) 鑑於用戶自主性意識日益抬頭之際以及委由台電主控的週期性負載控制方式，因用戶受控設備更新，新設備增加等因素無法有效提高設備的受控率。此外，受限於現有需量控制器（尤其是進口）高價格，裝置受控線路等相關設備，需投資額外的工程費用，降低了用戶本身裝設需量控制器的意願。 根據台電用戶類型用電，其契約容量介於80kw以上的用戶有數十萬之多，且其尖載分配佔40%~50%，再者根據各類型用電統計資料，以商業機關低壓電力綜合用電的成長率較高，故有必要針對此一群體實施需量預約服務策略。 本研究擬應用16位元結合8位元微處理機與相關的硬體電路設計技巧，研製有線型的需量控制器原型，以作為用戶實施需量監視與負載卸載策略等需求面管理之參考。此外本研究應用Visual Basic 6.0與Access資料庫軟體撰寫用戶專用的電能管理分析程式[13,14]，此軟體功能包含了資料庫存取與維護介面、耗電資料下載程式、契約容量選定分析、負載特性分析與計算等，藉由親和性的人機介面用戶可定期（一～三個月）下載控制器的耗電資料以協助用戶進行簡易的電能管理。

44 二、原理分析 需量預約服務控制依控制方式可分成兩種類型：第一類型由電力公司集中控制依電力公司本身的限電方案預先通知用戶擬卸載量，控制信號透過公共通信網路(如中華電信公司傳呼網路)傳送至用戶端的控制器執行卸載策略。 第二類型為用戶依需求自行設定的現場控制方式，用戶根據本身負載曲線變化趨勢選定目標需量控制值，配合預先設定的卸/復載優先順序執行需量控制功能，此類型需量控制方式較有彈性適合自主性高，受控負載變動性較大的用戶。

45 二、原理分析(續) 依據台電需量表的需量計算方式，其15分鐘的需量平均值的時間計算點在每小時的第0，15，30，與45分0秒，為確保需量控制的時序準確性，故以非及時儲存值作為與目標需量值進行比較的控制方法，其控制器時間儘量與台電需量表保持同步，以確保需量控制的效果。本研究為提高需量控制效果,並降低對時間同步的依賴,應用了即時實功平均值做為比較值,以隨時讀取的三分鐘平均值與目標需量值進行比對,決定採行卸載或復載的控制策略 。

46 圖1 需量控制原理

47 圖2 卸/復載策略示意圖

48 圖3 需量預約服務控制系統架構圖

49 三、需量預約服務控制系統設計 標準型需量預約服務控制器 電能管理分析軟體 電力線載波型需量預約服務控制器 無線型需量預約服務控制器

50 圖4 標準型需量控制器硬體系統方塊圖

51 標準型需量預約服務控制器軟體架構設計 需量控制器之軟體設計直接以組合語言撰寫，其功能包含了需量監控、卸載/後載控制、P，Q平均值計算與儲存、按鍵掃描與功能設定，以及資料顯示等程式的撰寫，除了89C51負責資料顯示功能外其餘功能皆由80196KC負責完成，由於80196KC內建ROM容量不足(只有16KB)故另擴充ROM記憶體28KB的容量。

52 圖7 主程式需量控制流程圖

53 標準型需量預約服務控制器外觀

54 需量預約服務控制內視圖

55 第一代（右）、第二代控制器(左)外觀尺吋之比較

56 控制器系統電路組成方塊圖

57 顯示板實體圖

58 主機板實體圖

59 按鍵板實體圖

60 I/O輸出板實體圖

61 Stx+Machine_code+Command1+Data 1~Data 4+Etx+Xor
通訊協定 Stx+Machine_code+Command1+Data 1~Data 4+Etx+Xor 表4.9 資料格式定義 Total 9 bytes Stx 02h Macnine_code 00h Command1 3ah=>Get Daily P and Q 3bh=>Set Target Demand 3ch=>Set Contract Demand 3dh=>Set Date 3eh=>Set time 3fh=>Get Display Data Data1 Thousand Data2 Hundred Data3 Ten Data4 One Etx 03h Xor From Stx to Etx

62 PC端資料通訊流程圖

63 附加即時連線軟體 係以Visual Basic程式撰寫，其中主要係可同步顯示控制器上之內容(日期、時間、目標需量、契約容量、現在需量、目前P值及各迴路動作指示燈等)，其含有之功能如下： 連結鈕：啟動與控制器間連線，可即時取得控制器最 新資料更新於畫面上。 P.Q值切換鈕:切換畫面顯示目前為實功P或虛功Q。 資料更新鈕：將控制器內儲存之資料上傳至PC之資料庫，使PC可分析最新用電情況；更新方式，可分為：（一）自動銜接上次更新日期止，（二）設定起始及終止日之期間更新方式及（三）選擇單日更新方式。 趨勢圖鈕：將儲存於PC內用電需量資料以曲折圖或長條圖方式來繪製負載曲線，可繪製以每15分鐘需量值為一筆之日負載曲線，及以每日最高需量值為一筆之月負載曲線；供用戶可根據自己之負載曲線加以調配負載運轉；以達最佳之運轉成本。 迴路名稱鈕：係設定迴路1至迴路16之受控負載地點及名稱，當設定完成後，若滑鼠移動至螢幕上之迴路1至迴路16時，則會自動顯示所設定之受控負載之地點及名稱，即可馬上得知受控負載狀況。 排程設定鈕：可分段設定目標需量，可達成依不同時段實施不同目標需量控制之目的。 密碼設定鈕：修改密碼 資料備份鈕：可將儲存之資料庫備用。

64 需量預約服務控制器與PC連線示意圖

65 四、電能管理分析軟體設計 資料庫設計與建立 通訊程式設計 最佳契約容量設計

66 圖10 資料庫設計流程

67 圖11 通信程式設計流程

68 4.3 契約容量選擇分析 根據台電電價表規定，高壓電力用戶每月電費為基本電費與流動電費的總和，其中基本電費乃根據夏月（非夏月）經常契約容量＊夏月（非夏月）經常契約電價予以計算，但用戶尖峰負載隨著年年空調負載的增加而成長，尤其於夏月（６～９月）尖峰時段，用戶的尖峰負載（１５分鐘的平均值），往往超過契約容量，造成所謂的超約用電，其超出部分依各該不同供電季節，不同供電時間之適用電價，按下列標準計收基本電費。 1.在契約容量１０％以下部分按二倍計收基本電費。 2.超過契約容量１０％部分按三倍計收基本電費。

69 一般高壓電力（11.4 KV與22.8KV受電）用戶經年累月疏於調整契約容量致使基本電費支出遽增（因超約用電而受罰），再者有的用戶雖有調整契約容量，但往往並未根據成本最佳概念選擇一最佳契約容量，Popt值使得整個年度的基本電費支出為最小。 圖12所示為最佳契約容量選擇示意圖，Pdc,Popt與Pi(t)分為高壓電力用戶的既設契約容量，最佳契約容量與每月的尖峰負載值，就既有Pdc契約容量而言，除1、2月不被罰款外，其餘月分皆因超約用電必須罰款，基本電費負擔沈重。就另一情形而言，用戶避免超約用電而增加契約容量設定，雖不致造成超約用電受罰，但亦須因較高的契約容量而增加基本電費的支出，圖中1、2、3、4與12月中斜線面積部分表示當月尖峰負載值小於契約容量時，因須需繳足契約容量值的基本電費所產生的成本損失，再者5,6,7,8,9,10月中的斜線面積部分表示，當月尖峰負載大於契約容量值，因超約用電而受罰的成本損失。故適當的選擇Popt值當可使斜線面積為最小，亦即損失成本為最小，此為最佳契約容量的立論基礎。

70 圖12 最佳契約容量選擇示意圖 月 Pdc KW Peak Popt Pi(t)

71 電力線載波型需量控制器 一套電力線載波型需量預約服務控制器，是由一台標準型需量控制器、一部信號轉換器（Gateway）和四部I/O Node所組成；每個I/O Node有2個輸入端點及2個輸出端點。其Gateway是連接標準型需量控制器的序列埠RS-232，與I/O Node之LonWorks網路變數作通信協定轉換，輸入I/O Node的運轉狀態至標準型需量控制器作處理，再由標準型需量控制器發送命令，下行至I/O Node作輸出控制運轉空調負載，控制信號以電力線載波信號形式由單向110Vac的電源線傳送至遠端之I/O控制器，如此一來可免除裝配控制線路的成本。

72 圖13 電力線載波型Gateway硬體線路方塊圖

73 圖14 電力線載波型I/O控制器硬體方塊圖

74 圖15 電力線載波型需量控制流程

75 圖16 網路變數連接關係圖 nvoDSM_data Node 1 nviDSM_data Gateway Node 2 Node 3
圖16 網路變數連接關係圖 nvoDSM_data Node 1 nviDSM_data Gateway Node 2 Node 3 Node 4

76 圖17 電力線載波型控制器實體圖

77 六、無線電射頻型需量控制器設計 6.1 無線電射頻型硬體電路設計
與電力線載波型需量預約服務控制器一樣，一套無線電射頻型需量預約服務控制器，是由一台標準型需量控制器、一台信號轉換器（Gateway）和四台I/O Node所組成；控制信號以無線電射頻展頻式信號形式由S9SMX RF 收發模組經由天線傳送900 MHZ無線電波至遠端之I/O控制器，反之亦然，如此一來可免除裝配控制線路的成本。 此收發模組應用直序式展頻（direct sequence spread spectrum）技術以高斯最小移鍵（Gaussian Minimum Shift Keying, GMSK）調變解調技術傳送射頻信號，其數位通信頻寬介於902~928 MHz，資料傳輸速率為39KBPS，於此26 MHz 的頻寬中共規劃十個通道為避免與中華電信通信頻道相混使用（目前中華電信使用915 MHz 以下的通道）本計劃使用通道六至通道十即 MHz ~ MHz如此可避免干擾大哥大行動電話。其發射功率有兩位階供選擇，最高值為100 mW。

78 圖18 無線電射頻型Gateway硬體線路方塊圖

79 圖19 無線電射頻型I/O控制器硬體線路方塊圖

80 圖20 無線電射頻型控制器實體圖

81 無線電射頻型需量控制流程

82 四、實地安裝測試 第一代第二代需量預約服務控制系統性能比較 類型 標準型 電力線載波型 無線型 第一代 第二代 尺寸(cm**3)
55*42*17 33*30*17(43%) 20*20*5 15*10*5 成本 降約兩成 降約三成 P,Q轉換器 現成品 自製 及時連線軟體 無此功能 有此功能 通信距離（直線無障礙） 200 m 300 m 組裝性 較費時 較快速 抗雜訊 較差 較佳 穩定度 硬體電路 積體化佳 天線改良

83 計劃安裝受測用戶一覽表 用戶名稱 行業 類別 受控冷氣總計容量(KW) 契約容量(KW) 目標控制值(KW) 正式運轉 日期 控制器類型
中華電信長途行動通訊高雄營業處 通信業 200 800 780 91/2/27 電力線載波型 高雄市立海青工商職業學校 教育機關 400 500 480 90/9/14 標準型 高雄市立左營高級中學 450 340 320 91/3/2 高雄市立瑞豐國民中學 180 210 190 90/12/15 台灣銀行苓雅分行 金融業 130 140 91/4 無線電射頻型 私立明誠高級中學 475 600 580 本電力綜合研究所 研究機構 575 1200 890 91/2 聚亨企業股份有限公司 機械 製造業 940 1800 91/12 坤宇電子股份有限公司 電子 370 台灣肥料股份有限公司 化學 9600

84 台電系統安裝整體架構圖

85 註:(1)表中目標控制值大約固定設定在890KW (2)動作 1次的計算即包含一次的卸載及一次的復載動作
各迴路卸/ 復載動作次數統計表 迴路 月份 LOOP1 LOOP2 LOOP3 LOOP4 LOOP5 LOOP6 LOOP7 LOOP8 5月 13 8 7 6 1 6月 15 14 10 3 7月 11 9 8月 12 9月 10月 2 11月 12月 總和次數 61 57 55 52 36 34 33 32 註:(1)表中目標控制值大約固定設定在890KW (2)動作 1次的計算即包含一次的卸載及一次的復載動作 (3)表中也包含了調整目標控制值的多次測試實驗的數值

86 控制器實體卸/復載控制圖 執行卸載命令 每分鐘用電Peak值趨勢(KW) 十五分鐘最高需量趨勢 目標控制值(480KW) 474 479
488 461 469 467 473 472 471 492 476 465 455 460 470 475 480 485 490 495 14:00 14:01 14:02 14:03 14:04 14:05 14:06 14:07 14:08 14:09 14:10 14:11 14:12 14:13 14:14 14:15 14:16 分鐘 KW 每分鐘用電Peak值趨勢(KW) 十五分鐘最高需量趨勢 目標控制值(480KW) 執行卸載命令

87 電力線載波整體測試架構圖

88 電力線載波安裝受測實體照片(冷氣負載端)

89 電力線載波安裝受測實體照片(實際現場端)

90 中華電信電力線測試單線圖

91 測試結果數據一覽表 附註：總變電站位置為3F。 PLCA-21型電力線載波通訊分析儀設定項目
Operating Mode：SEND/RECV TX Level：7Vp-p TX Attenuation：0dB TX Current Limit：1A CENELEC Protocol：ON Packet Size：12 Bytes Send Packets：1K Coupling Mode：Internal coupling 緊急照明 迴 路 ERR% Vtransmit (Vp-p) Vreceive (Vp-p) 衰減 倍率(dB) 控制器 通訊 狀態 1F 3.3 7 0.188 31.42 可 2F 1.2 0.458 23.68 良好 5F 3.6 0.162 32.71 附註：總變電站位置為3F。

92 電力線載波實體測試計數結果一覽表 項目 受控迴路 變電站處計數值 (次) 現場控制器處計數值(次) 控制成功率(%) 迴路一 210 171 81.43 迴路二 207 179 86.47 迴路三 195 177 90.77 迴路四 169 140 82.84 迴路五 181 144 79.56 迴路六 201 186 92.54 迴路七 141 78.77 迴路八 183 161 87.98

93 無線電射頻安裝受測實體照片(冷氣負載端)

94 無線電射頻安裝受測實體照片(實際現場端)

95 明誠中學無線電實體測試計數結果一覽表 項目 受控迴路 變電站處計數 值(次) 現場控制器處計數值(次) 控制成功率(%) 迴路一 109　 101 92.66 迴路二 107 102 95.33 迴路三 105 103 98.10 迴路四 104 98.08 迴路五 74 70 94.60 迴路六 61 55 90.16 迴路七 51 92.73 迴路八 46 44 95.65

96 五、節能效益分析 用戶端節能效益 最適契約容量 台電有節能效益否 抑低尖峰負載 基本電費與流動電費節省 轉移部分負載至離峰時段
尖載發電成本節省???電費收入減少

97 用戶端節能效益 應用需量預約服務控制系統，同時考慮負載控制與最適契約容量，可有效降低用戶契約容量因負載成長之增加率，一般可節省基本電費5%~20% ，另當只考慮最適契約容量時，可有效提高契約容量之使用率，以降低基本電費支出。 應用需量預約服務控制系統可有效監視尖離峰用電比率之轉移，以提高離峰用電比率(尖離峰電價比為五~七比一) ，節省流動電費支出。 需量預約服務控制可視為彈性可停電力方案，可適用於大部分高壓用戶， 影響用戶用電行為最小。

98 台電有好處嗎? 好處一:有效降低尖峰需量，減少尖峰機組啟動可節省可觀之尖峰發電成本(為離峰發電成本之二~三倍) 。
好處二:可節省可觀之尖峰發電成本(為離峰發電成本之二~三倍) ，當然業務單位可能減少電費支出，但兩者相抵依然獲利。

99 受測用戶運轉結果一覽表 用戶名稱 可受控負載容量(KW) 契約容量(KW) 需量抑低值(KW) 電費節省（元） 負載管理成效 成本分析
中華電信長途行動通訊高雄營業處 200 800 20~60 (3%~8%) 80,000 主要以抑低尖峰負載減少基本電費為主 約十個月回收 高雄市立海青工商職業學校 400 500 20~30 (4%~6%) 180,000 約十四個月回收 高雄市立左營高級中學 250 340 20~40 (5%~11%) 125,000 回收年限約二年 高雄市立瑞豐國民中學 80 210 5~15 (2%~7%) 30,000 回收年限約二年半 台灣銀行苓雅分行 60 130 (4%~10%) 35,000 私立明誠高級中學 375 600 30~50 (5%~8%) 回收年限約一年 台電綜合研究所 575 1200 420,000 在不超約情形下調降契約容量15%以上 回收年限約八個月 聚亨企業股份有限公司 430 1800 50~100 (2%~5%) 以抑低尖峰需量、拉大尖離峰用電比為主 坤宇電子股份有限公司 140 370 25,000 台灣肥料股份有限公司 9600 以需量警示、轉移尖峰負載、拉大尖離峰用電比為主 回收年限約一年半

100 八、結論及建議 結論 推動需求面(Demand-Side)負載管理策略為台電公司目前積極推動的營運策略，為求有效率利用現有發電設備及緩和電源開發不易之壓力。而負載管理措施係為提昇電力使用效率，及對用戶調節其用電負載結構的手段，而經由需求面管理層面中的需量監視功能與負載控制行為可有效抑低夏日尖峰時段部份負載，以達到彈性調節饋線容量的目的。

101 六、結論(續) 依據實際安裝成效分析，透過結合電能量測、需量監視與負載控制技術及後端管理分析軟體的需量預約服務（Demand Subscription Service，DSS）控制系統，可讓用戶自主性依據事先設定的需量目標值，進行負載卸/復載控制，不僅可有效降低部份的尖峰負載避免超約情勢發生，亦可依照用戶實際需求，執行多種卸載/復歸的運轉模式去彈性調節每日用電的實功需量。而根據每日下載的用電資料，則可藉由後端管理分析軟體進行契約容量合理性評估及基本負載特性分析，以協助用戶選定較佳的電能管理策略。

102 六、結論(續) 結論 整體控制系統於測試運轉期間相當穩定，其控制器主機並無當機的情事發生。就學校受測用戶而言，相較下，受控迴路較多且配合度較高之受測用戶其尖峰抑低效果及電費節省成效較佳；就機關受測用戶而言，則由於商業營運之考量與控制群時常更動之緣故，控制效果則較差，而在工業測試用戶方面，除了尖峰負載抑低成效不彰外（因可控負載容量不足），在符合生產製程之需求為前提下，可藉由控制器的安裝，協助調整其負載曲線之尖離峰比或轉移尖峰負載至離峰時段。

103 建議 1.研製多功能智慧型模組化之工業型電能控制器
已完成之需量預約服務控制系統其功能以需量監視與控制為主，如欲有效節省其流動電費（如空調與空壓機等大型負載）需增加空調負載控制模組、照明控制模組等。就控制功能而言需增加週期控制、時鐘控制等策略。此外為有效降低研發時效、增加產品之銷售率與接受度，控制系統可朝向模組化之設計形式。因應此電能控制器大量應用至不同類型之工業用戶，有必要針對典型工業之負載特性，研製不同模式之負載控制策略，以契合工業用戶之需求並提高其用電效率。最後將擴充P、Q電力轉換器功能，將以SOC技術配合高速中央處理器研製電力品質分析模組，以協助有電力污染之工廠解決諧波、電壓突降等電力品質問題。

104 2.建立電能管理系統技術平台 就中大型電能管理系統市場而言，現有高壓用戶之電能管理系統皆以工作站或個人電腦為主之中大型系統為主，系統軟硬體建製成本動輒數百萬元以上，費用之高並非一般中小型企業或財力較拮据之公司行號所能負擔。再者，現有之一般電能管理系統其應用軟體功能以監視管理為主，以控制為輔，並未提供較為進階之功能，如用戶最適契約容量之評估、空調負載最適控制（包含考量舒適度與電費成本）、智慧型負載模式控制等。研發低成本且具中大型電能管理系統基本與前述功能之微處理機型電能管理系統當可有效取代現有之系統，故極具市場潛力。

105 3.因應民營化及自由化後能源服務公司的新型態
下圖所示為綜合研究所負載室因應民營化及自由化後，成立能源服務公司及其與用戶間之新關係與未來可行的方向。就能源服務公司與用戶的關係而言，此為能源服務公司利基所在亦為其最大的利潤來源，故建立與用戶的長期服務關係及增加用戶的服務的廣度為當務之急，欲達成前述之目的建議就電能管理服務技術平台的功能予以擴充。就功能廣度而言，可應用SOC技術建立自動讀表系統，藉以傳遞更多數位資訊與執行及時電價與電價競標之功能；就深度而言，發展智慧型最佳省電模式軟體，以支援與強化電能管理服務技術平台。

106 電力自由化 電 業 電業民營化 用 戶 能 源 服 務 公 司 配電公司 綜合電業 表燈用戶 低壓需量用戶 高壓需量用戶 發電公司 電 力
增加利潤、擴大利基 用 戶 低壓需量用戶 能 源 服 務 公 司 電能服務技術平台 高壓需量用戶 負 載 室 用戶服務自動化 增強雙向溝通 配電公司 改善電價與用電成本 電 業 建立良性互動關係 發電公司 建立互信互利合作關係 綜合電業 電業民營化

107 問題討論