智慧電網的發展 張文恭 國立中正大學　 電機工程學系 101. 10. 25

Distributed Empowerment 背景說明 Energy Efficiency 80% Losses CO2 Emissions Smart Grid Renewables Distributed Empowerment Source: Alstom Power

背景說明 98年全國能源會議決議，我國2020年之前，每年須節約能源20%，再生能源發電量達18%總發電量比率，持續推動電力供應區域化、提升需量反應誘因，以抑制尖峰負載減緩耗能電源開發，持續提升輸配電效率，推動設置智慧電網及電錶，落實能源使用資訊監測，提高能源使用效率，與檢討修正時間電價制度等。 美國於2003年開始進行智慧電網試驗，歐洲於2005年成立智慧電網技術平台。 傳統的電力系統結合資訊科技之網路與通訊等功能後，逐漸演變為所謂的智慧電網。智慧電網藉由通訊與資訊技術與輸配電網路之整合，可將蒐集到的電氣資料轉變為有用的智能。

綠色能源產業旭升方案推動架構 綠色能源產業旭升方案 太陽光電 電動車輛 LED照明 光電 風力發電 氫能與燃料電池 生質燃料 能源資通訊 (1) 大型太陽光電電廠 (4 MW) 建造 (2) 促成多晶矽原料廠完成建廠，健全產業價值鏈 推動LED照明標準模組大廠設立 建立白光LED自主化技術，LED 光源躍進國際前三大 (1) 協助設立MW級風力發電系統廠 (2) 2年內完成國產2MW自主品牌風力機系統整合技術開發 (1) 成立燃料電池示範驗證推動辦公室 (2) 協助燃料電池廠商進駐育成中心 (1) 推動北高都會區E3酒精汽油計畫 (2) 設立生質酒精工廠 (1) 推動智慧型電錶AMI (2) 3年內完成建築物能源管理系統 (1) 發展大幅提升電動車輛產品性能之關鍵模組 (2) 發展具突破性動力鋰電池材料技術之電池模組 Source: 行政院

帶動投資 2,000億元 5年投入技術研發經費200億元 5年投入250億元推動綠色能源設置及補助 發展綠能產業成為 台灣產業新的生命力 政策投入 帶動投資 2,000億元 5年投入技術研發經費200億元 5年投入250億元推動綠色能源設置及補助 量化效益 質化效益 發展綠能產業成為 台灣產業新的生命力 建立台灣成為能源 技術與生產大國 塑造我國節能減碳 新風貌 Source: 行政院

為何電力網路要現代化? 目前的電網老化且過時 可靠度低造成用戶鉅額損失 目前的電網易受人為與天災攻擊 目前的電網延伸之損失對安全、經濟與生活品質 影響鉅大 目前的電網無法滿足21世紀之供電挑戰與需求 電網現代化衍生之利益為必要的 Running today's digital society through yesterday's grid is like running the Internet through an old telephone switchboard.

Edison vs. Bell

先進電表---需求面管理---配電自化---停電管理---分散式再生能源---隨插即用混合式油電車 智慧電網 = 感知與量測 智能 自動化 整合之通訊 There are a multitude of organizations and individuals that have offered their own definition of Smart Grid and over the past few months, I think I’ve read about 80% of these definitions. So, now I’m offering up my own framework, if not necessarily a definition. Smart Grid is a matrix of technology. Sensing & Measurement implies metering. But it also implies knowledge of status… is a recloser locked out? Is a cap bank on or off? Is a disconnect open or closed? Is a transformer over-heated? Intelligence implies that devices and equipment on the grid have embedded computing power to record, maintain and manipulate data inputs. Automation implies, as the name suggests, that manual intervention is not required. The system can react to pre-programmed conditions. Communication implies that all of these brains within equipment on the grid are capable of dialogue and interaction. 先進電表---需求面管理---配電自化---停電管理---分散式再生能源---隨插即用混合式油電車 中正--電力品質實驗室

“電力”基礎設施 + “智慧”基礎設施 | | 智慧電網

智慧電網之價值 智慧電網較為 􀂃可靠 􀂃供電穩定 􀂃經濟 􀂃有效 􀂃環境友善 􀂃安全 These values define the goals for grid modernization and Suggest where metrics are needed to monitor progress.

智慧電網特性 促使用戶主動參與 調和所有發電與儲能之選擇 促成新的電力產品、服務、與市場 提供數位經濟下之電力品質 資產利用之最佳化與有效運轉 預測與回應系統干擾(自癒性) 可抗拒外來之攻擊與天然災害

智慧電網之落差 特性 目前 未來 完全價格資訊，不同的 來源選擇，可購售電 促成用戶參與 用電格較不透明，時間 電價(time-of-use) 有多種隨插即用的分散式能源做為集中式發電之替代源 主要為集中式發電，較 少的DG、DR、儲能式與 再生能源 調和發電與儲能 成熟且完全整合的批發 市場，且有新興電力市 場之成長 促成新市場 有限的批發市場，不完 全整合 根據需求，有不同電 力品質等級與價格的 選擇 滿足電力品質需求 著重於停電處理，而非電力品質

特性 目前 未來 資產最佳化 與有效運轉 自癒 抗拒攻擊 欠缺與資產 管理之整合 事故發生後保護設備 (例:保護電驛跳脫) 易受天災與 外來攻擊 電網智能與 資產管理之 深入整合 避免崩潰、衝擊 最小化、快速復原 可制止、檢測、 緩解攻擊、 並有效快速復原

輸電 配電 住宅區 商業區 工業區 分散式發電 發電

智慧電網涵蓋範圍 智慧發電 系統協調與情境評估 輸電自動化 系統操作 配電自動化 再生能源之整合 能源效率 需求面參與信號與選擇 分散式發電與儲能 電動車與儲能裝置 需求面參與信號與選擇 再生能源之整合 配電自動化 智慧發電

智慧電網元素 做為用戶感測裝置的先進智慧電表 配電、輸電、與變電所感測器 配電、輸電、與變電所自動化裝置 含智慧型調溫器之需求響應元件 故障檢測器 自動電路復閉器 電壓控制 自動分段與復電裝置 同步相位儀 高壓直流輸電 智慧電驛 含智慧型調溫器之需求響應元件 居家內顯示幕 通訊網路 整合包含電表資料管理系統之IT網路 利益相關者(Stakeholder)容易取得用戶與電網之資訊

智慧電網計劃 性能 緊急事故 復電 例行操作 最佳化 系統規劃 主要特性 自癒性 與用戶結合 可承受安全性之攻擊 提供21世紀之電力品質 適應多種不同發電選擇 最佳資產利用與最小維修運轉成本 目標 可靠性 安全性 經濟性 電力品質 效率與環境品質 衡量指標 壅塞成本 大停電機率 SAIFI指標 復電時間 CAIDI指標 負載因數 容量利用率 關鍵技術 整合的通訊 先進的控制方法 感測、儀表、與量測 先進電網元件 決策支援與人機介面

五項關鍵技術推動了智慧電網的進展，分別為(1)整合的通訊能力，(2)感測與量測技術，(3)先進的元件技術，(4)先進的控制方法，以及(5)改良的介面與決策支援。 達到智慧電網所需的設備、技術與方法，包括具電力品質分析功能之智慧電表、廣域之電力品質量測、智慧型家電、優質電力之計畫、增進電力品質與穩定度的不同儲能裝置、改善電力品質信號或波形的電力電子設備，可辨識並矯正造成電力品質問題之事故的電網監測機制，可供應潔淨電能之分散式發電裝置，對電壓調整器、電容器排、以及提供虛功與電壓調節之分散式發電/儲能裝置進行主動控制、遙控隔離故障、動態饋線重組、以及配電狀態估測等。

智慧電網五項關鍵技術

整合的通訊 有效且完全整合的通訊基礎設施為智慧電網基本要素: 􀂃 整合的通訊創造動態、互動之巨型基礎設施以提供即時資訊與電力交換􀂃 整合的通訊允許不同的智慧型電子裝置(智慧電表、控制中心、電力電子控制器、保護裝置)與用戶互動而形成一整合的系統

感知與量測 􀂃智慧電表 􀂃普遍存在的系統操作參數 􀂃資產設備狀態監測 􀂃廣域量測系統(WAMS) 􀂃先進的系統保護 􀂃輸電線之動態額定

先進的控制方法 以計算機為主之演算法的廣泛應用: 監測主要電網元件並蒐集相關資料 分析資料以診斷及提供可行的解決方法 決定並自主採取適當的行動或運轉者執行 提供運轉人員相關資訊與解法 整合產業相關程序與技術

先進的元件 下世代彈性輸電系統與電力品質改善裝置 先進的分散式發電與能量儲存裝置 插入即用混合式電動車(PHEV) 故障限流器 超導輸電電纜與旋轉電機 微電網 先進的開關與導体 固態變壓器

決策支援 􀂃資料減量 􀂃視覺化 􀂃理解度 􀂃決策支援 􀂃系統操作者訓練

達成智慧電網之里程碑 先進電表基礎設施 (AMI) 先進配電運轉 (ADO) 先進輸電運轉 (ATO) 先進資產管理 (AAM) Each Milestone requires the deployment and integration of various technologies and applications

先進電表基礎設施相關技術 􀂃智慧電表 􀂃雙向通訊 􀂃用戶入口端 􀂃居家區域網路(HAN) 􀂃電表資料管理 􀂃需求響應 􀂃用戶服務應用 􀂃運轉匣道應用 AMI empowers the customer and supports grid operations

先進配電運轉相關技術與應用 具有先進感測元件之配電管理系統 先進的停電管理系統 分散式電源之運轉 配電自動化 配電地理圖資系統 交流與並流微電網運轉 先進的保護與控制 配電用的先進電網元件 The functionality of ADO enables “Self Healing”

先進輸電運轉相關技術與應用 變電所自動化 輸電用之地理圖資系統 廣域量測系統 高速資訊處理 先進的保護與控制 建模、模擬與視覺化工具 先進的輸電電網元件 先進的區域運轉應用 Deeply integrated with AMI, ADO and AAM –ATO optimizes transmission operations

先進資產管理相關技術與應用 先進的感測元件 - 系統參數􀂃 - 資產設備 “健康狀態”􀂃 即時資訊與其他程序的整合:􀂃 - 資產利用最佳化􀂃 - 輸配電規劃 􀂃 - 以運轉狀態為主之維修􀂃 - 工程設計與施工 􀂃 - 用戶服務􀂃 - 工作與資源管理􀂃 - 建模與模擬 Integration of AMI, ADO, and ATO with asset management Processes will dramatically improve grid operations and efficiency

里程碑演進 AMI促成建立與用戶及負載間的通訊 AMI與DR 配電 (ADO) ADO可促成自癒 ATO進行壅塞管理 輸電 (ATO) AAM可大幅提升現行資產管理計畫之性能 AMI與DR 配電 (ADO) 輸電 (ATO) 資產管理 (AAM)

智慧電網各功能關聯圖

共用之資訊 – 連續之優化 – 智慧響應! 需求面管理與動態價格 分散式發電與替代能源 自癒性廣域保護與隔離 資產管理與線上設備監測 參與能量市場 共用之資訊 – 連續之優化 – 智慧響應! 即時模擬與緊急事故分析 Source: WESCO

整合的通訊與規範 Source: Erich Gunther

需要ICT規範的各層面(Domain)

電業與控制中心 Name / No. Description Status IEC 60870-6 Inter-Control Center Protocol Widespread IEC 62325 ebXML for Power Systems In development IEC 61970 Common Information Model / Generic Interface Definitions (CIM/GID) In use; mostly single-vendor IEC 61968 Interfaces for Distribution Management Mostly still in development Multispeak NRECA Enterprise web services In use; not flexible There is a culture of manual integration Very labour-intensive and costly Object models and services defined, but… A variety of underlying technologies: UML, XML, OWL, XSD, RDF, OPC Working on agreement on a design framework 38 中正--電力品質實驗室 38

輸配電廣域網路 Name Notes Frame Relay Packet-switched, no reliability guarantee SONET Campus or city backbones WDM Wavelength Division Multiplexing – follows SONET Microwave Proprietary, used in geographically difficult areas Satellite Various proprietary technologies, costly Trunked Radio Licensed, one broadcast channel, one return Spread-Spectrum Unlicensed frequencies, more efficient IP Radio Like trunked radio but with IP addressing Many of these are considered obsolete or aging in the general IT world Still in common use in the power system 中正--電力品質實驗室 39

輸配電變電所 Name / No. Description Status IEC 61850 Object models, self-describing, high-speed relaying, process bus Widespread in Europe, beginning in other places DNP3 Distributed Network Protocol Most popular in NA Modbus Evolved from process automation Close second COMTRADE Fault Capture file format Widespread PQDIF Power Quality file format In use IEC 62351 Security for power systems Recently released Automation common in transmission Business case tough in distribution Well-known problems and solutions Moving to the next level 40 中正--電力品質實驗室 40

廣域網路存取 Name Notes PSTN Public Switched Telephone Network – dial-up, leased lines DSL Digital Subscriber Line - Telco IP-based home access Cable DOCSIS standard for coax IP-based home access WiMAX WiFi with a backbone, cellular-type coverage Cellular Various technologies e.g. GSM/GPRS or CDMA/EVDO FTTH Fiber to the Home. Passive Optical Networks (PONs) PLC Narrowband Power Line Carrier – the “old stuff” Access BPL Broadband over power line to the home Paging Various proprietary systems, POCSAG Used to reach the Collector or Substation Too expensive, too unreliable or too slow for actual access to home 41 中正--電力品質實驗室 41

近距離區域網路—配電與自動讀錶基礎設施(AMI) Offerings mostly proprietary Wireless mesh, licensed or unlicensed Power line carrier, narrowband or broadband New standard activity just started in 2008 Open standards not useful yet Cellular, WiMAX, ADSL, Cable, FITL Not economical or not reliable or both Mostly only reach the Collector level Interop solution: common upper layer Network layer preferred: IP suite Most don’t have bandwidth Application layer instead: ANSI C12.22 Too flexible, not enough interoperability Need guidelines, profile from users More bandwidth the main solution! Network A B 中正--電力品質實驗室 42

居家區域網路(HAN) Name Number Notes Ethernet IEEE 802.3 Substation LANs, usually fiber optic WiFi IEEE 802.11 Access by field tool, neighborhood AMI net ZigBee IEEE 802.15.4 Customer premises automation network HomePlug 1.0, AV, BPL Powerline comms, in and outside premises 6LowPAN The “approved” IPv6 wireless interface OpenHAN HAN SRS v1.04-2008 Power Industry requirements definition! ZigBee and HomePlug alliance - Popular open specifications LONWorks, Insteon, Z-Wave, X10 – popular proprietary networks Challenges coming in Electric Vehicles 中正--電力品質實驗室 43

分散式電源 Name / No. Description Status OPC Application interface Widespread in industry IEC 61400-25 Wind Power In use; turf war DRBizNet California initiative In development BACNet Building automation In use; many profiles OpenADR Automated Demand Response IEEE 1547 Basic principles of DER In use IEC 61850-7-420 Information models for DER Rapidly growing, but tend to be “islands of automation” Concerns over integration with power utilities Need to get people talking 44 中正--電力品質實驗室 44

智慧電網各層標準 中正--電力品質實驗室 45

摘要整理 Essential Promising Needed IP-based networks IEC 61970 CIM/GID IEC 61968 Distribution IEC 61850 Substations IEC 62351 Security DNP3 ANSI C12.19, C12.22 AMI-SEC OpenHAN WiMAX ZigBee / HomePlug OpenADR 6LowPAN BACNet OPC/UA NERC CIPs Standard Field LANs Modems for Field LANs More field bandwidth! CIM Design Framework CIM Application Security CIM/61850 Harmonization IEC 61850 Outside Sub ANSI C12 Guidelines Finish AMI-SEC Asset Mgmt, DER, PHEV 中正--電力品質實驗室 46

傳統電網演進至智慧電網之重要過程 成熟度 功能 最佳化: 電力網路性能即時最佳化之能力 依據即時資訊做決策 分析的基礎設施: 階段5 最佳化: 電力網路性能即時最佳化之能力 依據即時資訊做決策 階段4 分析的基礎設施: 新資料分析功能之發展 增進資訊顯示之功能 階段3 整合: 企業不同IT系統之整合以允許快速資料處理 易於資訊分享之開放式架構設計 階段2 成熟度 通訊基礎設施: 可快速且正確傳輸資料之企業通訊系統 光纖與寬頻網路之整合 階段 1 智慧裝置基礎設施: 智慧電表 需求響應裝置 先進之輸、配電自動化裝置 變電所智慧型電表控制器 功能 Source: IBM

Source: EPRI

固態智慧型電表 電機械式瓦時表

具有需求響應控制之日光燈安定器 指令耦合器 缷載指令 產生器 建築管理

Key Smart Grid sectors (shown in the center) and their relationship to generation and end use

EXAMPLES: Honeywell Energy Technologies Gen3 Solar Bio-Diesel Industrial Process Plants Homes & Buildings Local Poly-generation (CHP) Industrial Utilities Public Utilities Advanced Energy Solutions Energy & Carbon Dashboard CHP: Multi-objective Optimization One Wireless Sensor Networks Versatile Energy Resource Allocation (VERA) Energy Perf. Contracts Renewable Integration Grid Smart-grid solutions (Demand-Response, Energy Efficiency) Electricity, heating, cooling Steam, power Renewable Energy Building Optimization Multi-site Business Solns. Insulating Foam Carbon Capture & Sequestration

Building Energy Management Systems Buildings consume 40% of energy in the US 72% electricity, 55% natural gas Innovation in Building Controls provide Energy Efficiency (EE) HVAC, lighting, etc. Distributed resource management Generation, storage Demand prediction Buy vs. sell decisions Multi-fuel optimization Participation in energy markets Automated demand management in response to utility signals Optimal use of local storage and backup generation Building controls are the key to all forms of clean energy: EE, DR & renewable integration 中正--電力品質實驗室

Residential Vision: Home Energy Management Objective Easy to use automation providing smart grid functionality in such a way to maximize benefits to consumers, utilities & the environment Key Features Utility communicates prices, load shedding signal, etc. Easy-to-use controls automate routine tasks, remove the burden from humans, and ensure completeness, consistency and persistence / stickiness of energy (and money) savings. Outdoor Temp and Hum Sensor Water Heater Electric Meter Utility Home Energy Manager Warm Air Furnace Appliances A/C unit Solar Pool pump Geothermal PHEV 中正--電力品質實驗室

Smart House Added green power sources High-speed, networked connections Plug-in hybrid electric cars Customer interaction with utility Real-time and green pricing Signals Smart thermostats, appliances and in-home control devices Smart House

Source: Reza Iravani

Source: Reza Iravani

Source: Reza Iravani

Source: Reza Iravani

住宅區微電網範例 多用戶群組分散式微電網之架構 (單一燃料電池發電源系統) 配電系統一次側(11.4kv) 二次側(110/220V) 配電變壓器 隔離裝置 燃料電池、 電力調節器、 控制與儲能設備 配電系統一次側(11.4kv) 二次側(110/220V) 至6民宅 熱氣至住宅 電力公司 一次側 電力公司系統 介面與控制器 (同步,故障保護, 孤島隔離等) 住宅1 住宅2 住宅3 電力系統 二次側 燃料 電池 熱儲存 裝置 換流器 50kVA 直流匯流排 充電調節器 電能儲 存裝置 熱分配 住宅4 住宅5 住宅6 多用戶群組分散式微電網之架構 (單一燃料電池發電源系統)

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