精準監測/管控電力　智慧型數位電表應用升溫

能源短缺與溫室效應被視為近代最嚴重危機，全世界都在倡導節能減碳以及綠色替代能源的「開源節流」策略，但是如今綠色替代能源的使用及發展狀況，不論是成本或是效能尚無法應付龐大的用電需求，既然在「開源」方面尚未有顯著的成果，就得針對「節流」部分進行落實。

但是要如何「節流」？如果以日常生活家庭收入支出來比喻，想要「節流」就必須先知道金錢的流向，平常一定要確實做到記帳的工作，才能了解家庭的資金流向，知道錢的去向方可針對種種開銷進行檢討，將不必要的花費節省掉，或是以其他較便宜的方式來取代。

相同地，如果是對用電進行節流，也必須做好平常用電記帳的工作，但是大部分的一般用戶卻對自己的用電一無所知，往往都是收到電費帳單後才懊悔自己怎麼用了那麼多電；而對於大電量用戶而言，若是無法確實掌握住自己用電的狀況，很難訂立出較適合的需量契約，導致於超約被罰款或是簽訂過高的需量契約，所以節流的開始就是對自己的用電進行監測記錄的工作--建置智慧型數位電表系統。

智慧電網發展刻不容緩

為了提升整體的用電效率，發展智慧電網(Smart Grid)已經是全球有效運用電力的不二法門，而智慧電網最主要核心就是先進智慧電表基礎建設(Advanced Metering Infrastructure, AMI)，其包含了智慧型數位電表、通訊系統以及電表資訊管理系統(MDMS)三部分。

圖1　AMI基本架構圖

圖1為AMI的架構圖，此架構可以分成兩部分來探討，一部分是適配器(Adapter)下方的集中器(Concentrator)與電表，另一部分是Adapter上方MDMS和資料庫(DB)部分；電表與集中器的連結主要是透過有線的電力線通訊( PLC)或是無線的ZigBee。

另外，透過電表通訊介面(MIU)與集中器相連接的主要是三相電表，由於很多商家和住宅都並存於同一區域，電表可透過電表通訊介面的電力線通訊或者ZigBee通訊介面與集中器相連結，而電表與電表通訊介面主要是透過RS-485相連結，如今已經有支援ZigBee或電力線通訊的三相電表問世，可不再透過電表通訊介面，直接可與集中器相連結。

集中器的作用主要是下命令向電表索取電表資訊的設備，集中器會定時向電表撈取電表資料，並儲存於集中器內，以提供後端系統來集中器中拿取資料，而集中器是透過各種網路途徑與Adapter相連結；Adapter下端左邊的電表為獨立大型場域所使用的三相電表，不須經由集中器直接透過廣域網路(WAN)送往Adapter。

Adapter以上的MDMS主要功能就是依照排程定時透過Adapter向集中器拿回資料，再將資料存入資料庫；中間的Adapter是當一個後端系統與前端系統之間的一個通道。

若有MDMS以外的系統要來讀取電表即時資訊，即可透過此通道向前端取得，不必透過MDMS，以免增加MDMS的負擔；或者要取得歷史資料，亦可透過此介面向MDMS取得資料庫資料。由此架構可知，種種的一切都是從智慧型數位電表開始。

智慧型數位電表有幾種不同的規格，其中的主流為美規ANSI和歐規IEC兩大陣營，目前台灣是採用美規的ANSI規格。若以種類來區分，主要使用的智慧型數位電表有則兩種，包括高壓三相電表和單相低壓電表。

高壓三相電表主要用於營業用電、工業用電或大型用電場所，採用的迴路工法為三相三線式或是三相四線式，而低壓單相電表則裝設於一般家庭，採用的迴路工法是單相三線式單相二線式。

智慧型數位電表可看成兩個主體：電子電力計與通訊模組。電子電力計具備雙向量測(購電與售電)時間電價(TOU)之分時計價功能，以及透過遠端遮斷復歸的功能。

與傳統電表相比較，智慧型電表功能明顯多出許多，且提供較完整的電力資訊，如最基本的KwH、瞬時功率、瞬時電壓、瞬時電流、功率因數、KvarH、Kvar等等各項資訊，且量測精準度與使用年限也大為提高。

又由於與通訊模組結合，因此智慧型數位電表還具有通訊傳輸能力，可透過資通訊技術傳輸電表資料，除了取代以往之人工抄表外，並可獲得即時用電資訊，而且能夠傳輸更多的電表相關資訊。對於使用者而言，可以即時掌握自己用電的狀態，並對現狀加以改善；對發電端而言，可掌握所有的用電分布情形，進而針對發電、輸配電、備載容量或是售購電等方面制定更加完善的策略。

公場域應用　彰顯智慧型電表優勢

圖2　辦公大樓電力監測系統示意圖

簡單介紹過智慧型數位電表後，接著來談談智慧型數位電表的應用。對於一般家庭而言，由於用電量並不大，很難在一般用戶的用電情形中，看出智慧型電表對於節能的效果，於本篇暫時不討論。若是將智慧型數位電表應用於大型用電戶，例如辦公大樓、學校、工廠或是大型的場域等，透過各種系統對電力加以管理及監測，就能夠輕易地彰顯出智慧型電表廣泛的應用面。

以辦公大樓為例(圖2)，通常一棟大樓只有一具對台電的計費高壓電表，若用戶端想了解本身用電，可另外安裝高壓表後表，在此建議安裝與台電相同等級智慧型數位電表(Class 0.5，意指誤差值於0.5%以內)做為此大樓的電力總表，可用以與台電計費電表對照。

另外，可以於其他分路，如照明盤、動力盤與空調盤等欲監測的迴路上，加裝智慧型數位電表。若有成本上的考量，建議使用精準度在Class 1.0級的數位電表(坊間已經有許多通過檢測的電表廠)，但是最重要的是要確認這些智慧型數位電表所提供的資料是否包含所有需要的資訊，以及通訊功能是否能與Adapter相接。

透過加裝的智慧型數位電表，能夠完整取得此棟大樓的用電情況，若想要參考更細部用電資訊，就必須於更細微的分路上安裝數位電表。電表安裝後，並確認Adapter、MDMS和DB與電表之間溝通無誤後，可另外建立各種需求電力相關系統，並與Adapter整合介接，即可取得大樓的各種用電資訊，例如計費系統可應用於各部門電費拆帳，讓電費拆帳更為合理化，進而可使各部門自發性的檢討用電方式。

設備控制系統透過當下用電資訊警覺即將超約時，能夠針對大樓一些可卸載且大用電量之設備進行卸載動作，避免超約罰款的情況發生。在卸載過程中，可以採用輪流卸載的方式，以免一旦超約危機解除後設備同時啟動，造成另一個超約危機。監測系統則是最基本的一套系統，智慧型數位電表配合此系統，方能使其發揮效益。

數位電表提供的資訊相當多，利用這些數據的監測，可達到電力監測之外的其他功能，例如，從用電是否異常或是後端附載設備是否虛工太多，針對有問題的設備進行檢查修復或汰換，也可以為使用者省掉一筆隱形的浪費。除此之外，電力監測系統又可與其他系統整合，延伸成各式各樣的能源管理系統。

電表建置/除錯步步為營

智慧型數位電表布建的過程，說起來簡單，但是實行起來卻不是那麼容易，有許多細節部分須要注意，因為電表建置的正確與否，關係到整體系統的成敗，若是有個完美的後端系統，但是電表並未量測到正確的值或正確的位置，所得到的結果一定是不堪使用，但建置過程卻最常被忽略，因為理論上不複雜，而實際現場卻藏著包羅萬象的問題。

建置流程主要包括以下四點：現場勘查、規畫與採購、施工以及智慧型數位電表驗證與除錯。

首先是現場勘查，現勘這個步驟是決定一切成敗最大的關鍵，首先必須取得單線圖，單線圖會清楚地描繪出建築物所有的電路圖，由此可得知各個電盤的從屬關係，但是由於單線圖的年紀大多與建築物相仿，故很容易遇到因線路修改而與現實狀況不符合的情況，這時候必須與此建築物的電力管理人員確認單線圖的正確性，以及是否有新增或是修改的電路，這點必須注意。場勘除了了解單線圖外，還必須找出欲量測迴路，並依照迴路的重要性選擇合適精度的電表，並至各個迴路所在位置進行勘查，表1為現場勘查所須注意的資料。

第二步驟為規畫書製作與各式採購。設計規畫書時，必須包含電纜線顏色規則、色套標示規則、結線及配線規則與施工流程制定，這些細節會影響建置工程品質與事後驗證除錯的效率。第三步驟的施工與第四步驟的驗證除錯即按照第二步驟的規畫書上進行，驗收時必須檢驗電表數值是否有異常，而檢驗電表數值時每個相位都必須檢視，不能只根據總Kw來判斷是否異常。

驗收時常遇到問題可以分為兩種，一種是電表量測問題，另一種則是通訊問題；而下列三項是最常見的電表量測問題：1.比流器安裝時反向、2.量測電壓與量測電流匹配錯誤、3.缺相。

1、2點其中一點發生都會造成Kw為負值的情況(除非該迴路為售電)，所以當Kw呈現負值時可朝這兩個方向進行驗證，但Kw不為負值並不代表此電表的接線一定正確。若1、2點同時發生時，也有可以能會使Kw呈現正值，但並非正確數值，須特別注意。

通訊部分的問題就可能出現在很多環節，例如RS-485通訊線腳位接線錯誤、通訊線或是網路線過長、電表通訊介面或是轉換器(Converter)異常、集線器(Hub)或是交換器(Switch)異常、電表端到伺服器端網路異常、主機設備異常等等各種不同的問題須釐清。

以上各種問題發生，多半是人為因素居多，而現場勘查越仔細越可以避免此問題，方能排除花費過多的時間在電表建置的修正與檢查上。

節能減碳風吹起　電力監測趁勢起飛

各界正積極朝節能減碳的方向前進，簡而言之，就是要完成電力監控工作，「監」的部分就是電力量測工作，「控」也就是電力卸載復載的行為，而其中最基本的工作就是電力監測，亦即最基礎的智慧型數位電表建置，利用這些智慧電表所取得的資訊，透過已發展的資通訊技術送往後端系統，監測人員就能夠根據這些電力資訊數據透過各式不同的管理系統達成控制、分析或計算等工作。

目前歐美正積極建置智慧型數位電表，甚至某些國家已全部換裝完成；至於台灣也開始更換電表，許多公家及學校機關因電費漸由中央支出轉向各單位自行負責，故逐漸重視用電狀況，並配合簡單的節能措施管控電力，顯見已日益重視節能概念。

(本文作者任職於資策會智通所)