借鏡歐盟/美國/中國大陸　智慧電網開創低碳經濟

台電於96年中提出公司級智慧電網里程規畫，並成立專案小組來推動。經建會召開兩次研商「新世代智慧型分散式電力系統」會議，期能凝聚建構智慧電網及整合分散型電源共識，規畫國家級智慧電網的藍圖。而整合智慧電網、通訊、安全、交通等網路，係我國創建低碳經濟新格局策略之一，鼓勵結合產、學、研的力量投入智慧電網與再生能源等能源產業的研發。本文針對上述，將分別介紹智慧電網組成、架構、考慮要素、各國發展與面臨挑戰等。  

由於輸配電網路的基礎建設隨著時間持續老化而威脅到供電的安全、可靠度與品質。同時工業發達與科技進步，對供電穩定、可靠性與電力品質更加要求。然而，溫室氣體與氣候變遷的環境等問題，以及電網基礎建設持續老化問題，智慧型網路將扮演重要的角色。  

智慧電網為整合發電、輸電、配電及用戶的先進電網系統，其兼具自動化及資訊化的優勢，具備自我監視、診斷及修復等功能，提供具高可靠度、高品質、高效率及潔淨的電力，可滿足國家能源政策發展方向與因應社會對供電可靠度與供電品質提高的要求。另外導入大量再生能源併網發電、結合智慧型電表進行需求面管理，減少二氧化碳(CO2)排放、抑制尖峰負載及節約能源。  

歐盟(EU Smart Grid)、美國(Intelligrid, GridWise, Modern Grid Initiative)、日本(Intelligent, Interactive and Integrated Power System)為因應未來的電網需求，提出了智慧電網的架構，其主要訴求為因應分散型能源大量加入，未來的電力潮流將異於傳統，更加複雜，唯有更強健與更具智慧的電網方能滿足未來電網的需求。  

我國經建會分別於2007年7月30日及10月2日召開兩次研商「新世代智慧型分散式電力系統」會議，並決議由「經濟部能源局」與「台灣電力公司」於2008年1月30日共同主辦「智慧電網國際研討會」，凝聚建構智慧電網以及整合分散型電源共識，規畫國家級智慧電網的藍圖。依據國際能源環境趨勢與我國的永續能源策略，結合能源、資通訊技術(ICT)、網路科技，整合智慧電網、通訊、安全、交通等網路，係我國創建低碳經濟新格局策略之一。  

智慧電網構成複雜  

智慧電網為整合發電、輸電、配電及用戶的先進電網系統，其兼具自動化及資訊化的優勢，具備自我監視、診斷及修復等功能，提供具高可靠度(Reliability)、高品質(Quality)、高效率(Efficiency)及潔淨(Clean)的電力。並提供用戶各種用電資訊與選擇，使得用戶能更有智慧的運用能源及降低碳足跡，同時最佳化基礎建設，確保系統多功能、強健與可靠(圖1)。

資料來源：EPRI 圖1　智慧型電網基本架構

傳統電網屬集中式發電，單方向電力潮流，並以歷史經驗來運轉，而智慧電網則包括集中與分散式(再生能源)發電，多方向電力潮流，以及需求整合於系統中。即時性運轉、融合再生能源加上ICT係未來智慧電網基本架構，也就是未來發電方式將會是多元的(圖2)。

圖2　多元性電源智慧型電網架構

目前於國外推動智慧電網建構之短程規畫，一般皆以建置先進電表基礎設施(AMI)為切入點，再逐步擴增及整合相關自動化與監控功能。  

從社會與電業角度來看，智慧電網三大驅動要素為：供電可靠度與供電品質的社會要求議題不斷提高，溫室氣體與氣候變遷的環境問題，以及營運的卓越。而廣義智慧電網的特點包括：智慧電網為整合發電、輸電、配電及用戶的先進電網系統，其兼具自動化及資訊化的優勢，具備自我監視、診斷及修復等功能，提供具高可靠度、高品質、高效率及潔淨之電力，以滿足國家能源政策發展方向。  

基於上述，智慧電網所考慮的幾個主要元素包括基於技術與作業程序解決方案的組合，可做到的觀念，目前發電、傳輸與配電系統架構的改良，適時的資訊傳達與選擇權授予消費者，降低全球碳足跡與聰明的使用能源，既存系統架構最佳化，使其更加強健，多用途化與更可靠，以及提供系統架構安全度，包含實體層與應用層。  

另外，從智慧電網架構中可以了解，建置智慧電網的關鍵技術包括以下五個項目：  

綜合以上說明，智慧電網能夠成功的要素為：電網中擁有各式智慧型感測設備的加入、擁有強健的通訊網路、完整的資訊整合，以及法規與政策的支持。而目前世界各地的電力公司為因應未來的挑戰，部分正採用以下的策略強化電網，提升電網安全與可靠度和能源效率，這些議題提供思考本國智慧電網研發的參考。  

歐盟面臨解制/技術挑戰  

目前供應歐洲用戶的電力網路已經有超過一百年的歷史，但是電力市場的解制與新技術的突破，均帶來新的挑戰。目前電力網路雖然可以正常運作，但並不足以應付未來的挑戰，未來電網必須能夠確保安全且維持一定供電水準、新技術獲得及依循新的政策且改變商業模式。歐盟電力事業面對的未來挑戰與機會經廣泛的討論，結論包括：  

總歸來說，歐盟智慧電網的特徵是主動式配電網路(Active Distribution Network)技術的實現，允許微型電網(Micro-grids)與虛擬電業(Virtual Utilities)新系統架構觀念的推行，滿足用戶所需、用戶與自生能源發電業或地區發電業可得到所需資訊、安全與高品質的電力需求，以及經由創新能源管理等提供經濟電能。  

美國以創新技術部署全國性智慧電網  

美國目前正在進行的智慧電力網計畫為GridWise Alliance、Modern Grid及Intelligrid等，前兩者由美國能源部負責指揮協調，其目標在針對創新的智慧電力網技術作全國性發展及部署。Intelligrid則由美國電力研究院(EPRI)主導，其目標在發展智慧電力網的軟體主架構。另有許多電力公司利用先進技術進行智慧電力網相關研究。  

美國一些研究認為智慧電力網係指數位科技在電業的輸電及配電部門的應用，是一個演化的創新技術，並且是電力、電信、資訊及網際網路四種產業的匯流。GridWise Alliance認為，資訊科技是新能源技術的催化劑與促成者，因而促使電力系統轉型，將現行僵硬、多階層的系統轉成合作、分散及商業導向的元件社會，可以使昂貴的電業資產使用率增加，並同時增加可靠度和安全性。  

美國Grid 2030的智慧電網係一個完全自動化的網路，可確保電力系統間電力及資訊的雙向交流。它是分散型的智慧，伴隨寬頻通訊及自動化控制系統，不僅可促成即時交易，並可在民眾、建築物、企業、工廠、發電設備及電力網路間無障礙的互動。  

而美國國家能源科技實驗室(NETL)認為智慧電網具有五個關鍵特徵，下列分別進行說明：  

至於Modern Grid小組所設定的智慧電網，則具有以下幾項功能。首先是在發生緊急事故時，電網能在事故影響供電服務前，偵測及定址(Address)事故發生位址；其次，保護電驛(Protective Relaying)只為保護系統最後一道防線，而非如現今大部分電力公司多靠保護電驛來保護供電系統。此外，還包括電網能針對區域及全系統輸入進行回應，同時蒐集更多系統端問題；電網整合廣域量測、高速通訊、進階診斷及回饋控制等技術，在停電或系統發生擾動後，迅速恢復到穩定狀態；而配合系統負載情況，電網能自動調整保護設備；電網可重新規畫電力潮流、改變負載型態、改善輸電線路電壓分布(Voltage Profile)，同時在偵測到事故的極短時間內，提供運維人員解決方案。最後兩項功能則是，允許負載及配電端參與系統運轉，以及提供運維人員更先進的視覺化操作模組。  

Modern Grid小組所設定的智慧電網，可帶來不少的利益，例如電網本身具有可自動運轉、估算維修時程、自我復原(Self-healing)、減低事故並增加資產運用等功能，因此在撙節成本上有很大助益；可降低停電次數和區域性電力擾動，當擾動發生時，也可減少恢復時間；電網可提供系統操作人員更即時監控資訊。此外，對供電品質敏感的企業及其設備，提供高品質的電力供應；在管理日常用電及電費控管方面，可提供用戶更多的新選擇；並利用隨插即用技術，整合控制系統、電力設備和各種分散式電源。  

在美國，建置智慧電網則含括了目標選定、現狀評估、未來發展等幾個程序，以下分別進行說明：  

圖3　智慧電網成本/效益示意

日本推展TIPS研究計畫  

日本的太陽光發電(PV Generation)占比將於2030年達53GW，亦即總裝置容量的20%，因此在配電系統、電力調度與電力系統運轉均面臨頗大的挑戰。  

日本面臨的問題包括更多的電氣化設施、電力設備的老化、能源安全需求的提升、全球溫室效應等環境議題、網路化的社會型態，以及高齡化的社會，因此其對次世代電網的需求日殷，包括最小化大區域停電風險(彈性與自癒系統)、整合需求與共映兩側(節能與能源有效運用)、加入占比高之分散型能源並有效使用、高度的資產管理及使用符合社會需求的進步型電力設備。  

日本電力中央研究所(CRIEPI)提出TIPS(Triple I Power System)為智慧電網的特性，TIPS中的三個「I」，分別代表智慧(Intelligent)、相互影響的(Interactive)、統合的(Integrated)。日本TIPS研究計畫的里程規畫，分成短、中、長程三階段，短期開發自發性需求配電系統，中期包括需量反應、ICT基礎建設、資產管理、先進設備引進與系統穩定度研究等，長期則為次世代電網ICT整合、需求/供給之整合與系統停電風險的最小化等研究。  

日本對於次世代電網研究含括了強健與安全的基礎建設以減少大規模停電，使用優質與智慧系統的先進資產管理，利用整合需求端與供電側，使得能源之使用效率高與節能，以及結合商用ICT系統強化事業內外關係。表1為該研究的項目與分項。例如強健與安全之基礎建設項包括：廣域監視保護與控制、可防呆之ICT系統，以及災害復原支援系統等。

圖4為次世代電力系統與ICT 基礎施設(TIPS and ICT Infrastructure)，發電端為高效率低CO₂排放的集中式發電廠，輸電網路則包含廣域與高速控制與設施維護運轉用感測器等網路，配電系統使用自我管理需求端配電系統(ADAPS)，其可納入分散型能源、電動車等。

圖4　次世代電力系統與ICT基礎建設

而ADAPS基本測試架構，計有故障感測器的分斷開關、通訊網路、運轉控制子系統、運轉中控系統、迴路控制器(LPC)、供需介面(SDI)等，用戶側能以自發性方式偵測並移除故障。  

現場感測器網路(Field Sensor Network)可達到即插即用與無線寬頻網路存取功能(圖5)，包括門禁管制、噪音偵測與定位、環境偵測、高壓危險警示、器具規範與記錄等。此外，電業整合ICT可最大化事業的效率、客戶滿意度及永續發展，而電業ICT整合是永遠的ICT創新，目前則優先專注於與用戶關聯之智慧電網的運轉、維護。

圖5　現場感測器網路

中國大陸先進行AMR再執行AMI  

有關中國大陸於智慧電網的推動背景與國內外其他國家大同小異，包括負載的快速成長、供電可靠度要求、節能與效率提升、與環境共榮、電力品質可靠與資源最佳配置等。相較於其他國家，中國大陸於智慧電網的技術則有，以相量量測單元(Phasor Measurement Unit, PMU)為基礎的廣域監測系統，結合先進預警與三維視覺化技術的動態、即時監控與調度系統、再生能源整合技術、需量反應與需求面管理(DSM)、分散型電源(DG)與微電網、AMI，以及能源儲存(蓄電池或電動車)。  

以PMU為基礎的廣域監測系統，包含衛星定位，可改善系統穩定度，中國大陸的廣域監測系統目前總共裝設約七百套，PMU裝置於500kV變電所與發電廠內以監視500kV輸電系統，每秒傳回三十筆的相量資料。  

輸電系統智慧電網的推動，分成高階調度中心之建置、統一的資料平台與通訊協定建立、全數位變電所的建置，以及光纖通訊網路建置四大項。而配電網技術則包含配電網路更新以改善配電自動化(DA)與配電管理系統(DMS)，降低線路損失與改善可靠度，開發自動讀表系統(Automatic Meter Reading, AMR)，進行分散型發電應用，目前總裝置容量小於1%，發展儲能技術如硫化鈉電池與Redox Flow蓄電池，以及負載管理。  

中國大陸加強輸電系統的智慧電網，PV裝置於沙漠地區，蓄電池儲能裝置於變電所而非電動車上。先進行AMR，其次再執行AMI，此與美國推動方式不同。  

中國大陸智慧電網調度的主要功能，包括結合整體資訊做整體協調控制、最佳化自動調整精緻的調度排成高效率程序管理與預警等功能。而智慧電網調度關鍵應用項目，含括即時控制、經濟調度等。在關鍵技術上，則包括感測技術、通訊網路基礎建設、電力系統分析技術電腦與人工智慧技術。  

限於篇幅，下一期將延續本期內容，繼續介紹有關於智慧電網商業的探討、挑戰、規畫與應用，並說明台電公司智慧電網的設計與未來的歸畫藍圖，請讀者續看以獲致本議題一個完整的概念。  

(本文作者任職於台電綜合研究所)