電網「新」連「心」 站上智慧用電全球浪潮

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隨著各國進入低碳時代,智慧電網已成國際趨勢,其優勢在於大規模有效整合、調控、監測供電與用電情形,進而帶動節能意識與確保供需穩定平衡。在臺灣,國家擬定智慧電網政策,台電配合執行,使智慧電網的應用近年來已逐步打下穩固基礎,同時使再生能源併聯產生更大效益,迎接聰明用電的未來。

在提及智慧電網之前,必須先認識傳統電網的運作方式。傳統電網從發電開始,經由電力傳輸、配送,到用戶端,為單向式集中發電輸出,屬於「大型集中式」發電,以長久累積的用電負載分析預測資料來開發電源與運轉調度。而智慧電網則強調小型分散式電源(包括太陽光電、風力發電、小發電機、儲能系統與電動車等),能在分散式區域電力有剩餘或不足時,在配電網區域內或區域間進行電力交換,電力方向不再固定由特高壓流向高、中、低壓的單向潮流。因此智慧電網的分散式控制流程屬於由下而上的調度和控制,有別於傳統電網的由上而下集中式控制流程。

台電電力調度處中央調度監鄭有財進一步解釋:「一般人不一定瞭解,發電跟用電之間的關係就像翹翹板,要分分秒秒保持『平衡』,發電不能過多也不能太少。而傳統電網的集中式控制流程,是由台電根據過去的用電數據進行發電調配,但智慧電網不但能讓用電數據更加精準,更能有效預測、快速反應,且隨著再生能源發電占比逐漸增加,將可透過自動化的設備提高分散式電力承載容量,優化供電品質。」

但智慧電網無法一蹴可幾,許多已開發國家已推行一、二十年,累積豐富且寶貴的經驗,臺灣如何汲取其中精華,並建構出一套適合在地電力環境的智慧電網,得依靠政府扮演重要的火車頭角色。

國家訂政策 台電讓「智慧」成真

我國的電力能源有高達98%須仰賴進口,為因應未來可能的能源枯竭危機,政府多年來積極提倡「開源節流」。一是開發電力,例如鼓勵用戶自行裝設太陽能板或風力發電機;二是節電,像是智慧型電表基礎建設(Automated Metering Infrastructure,AMI)便是啟動下一階段電力建設的重要工作。

台電於民國96年6月訂定「智慧型電網專案小組」設置要點後,經過5年進一步由行政院核定「智慧電網總體規劃方案」,正式啟動智慧電網建設,分為前期布建、推廣擴散、廣泛應用3個階段。推動面則分為智慧發電與調度、智慧輸電、智慧配電、智慧用戶、智慧電網產業發展與智慧電網環境建構等6大構面策略。

6大構面中,智慧發電與調度、智慧輸電、智慧配電、智慧用戶這四個構面由台電負責召集執行,而智慧電網產業發展、智慧電網環境建構則由經濟部及科技部等負責布局。從分工內容便可看出,台電主要負責進行技術面及系統建置的推動,經濟部與科技部則負責政策、法規研擬、產業整合與推廣及整體環境的規劃,台電負責之四個構面整體展開49項執行工作,規模相當龐大,在多年努力後,已進入了「推廣擴散」階段。

台電綜合研究所洪紹平所長,同時也是台電智慧電網專案小組執行秘書及資訊與通訊(Information and Communication Technology,ICT)推動小組的召集人,他表示:「整體智慧電網的工作相當龐雜,需要跨部會、跨部門協作,業務內容亦須不斷更新檢討,且設立相關業務的即時通訊群組,透過即時的訊息溝通協作,使智慧電網的推展能更加順利。」

「智慧型電網專案小組」並將台電公司建構智慧型電網規劃成短、中、長程三階段,並訂定「電網安全與可靠」、「提升系統儲能能力」、「提升用戶參與」與「綠能穩定併網」四大目標。針對四大目標,台電致力進行以下實務內容,以期達到布建智慧電網的最佳成效。

有安全的電網 才有更友善的用電環境

首先,在「電網安全與可靠」方面,配電處陳銘樹處長說明,架構智慧電網有十分重要的兩大基礎:「饋線自動化」和「變壓器末端裝設感應設備」,近年已有顯著進展。透過偵測回報自動化及建置資通訊設備,能提升電網可靠性及系統韌性,當再生能源併網後不致對原有輸配電設備造成衝擊,且能增加原有設備運轉效率及可用率,縮短配電系統事故復電時間。

另一方面,以往變壓器超載,往往是故障燒毀時才會發現,但在變壓器末端裝設感應設備後,從遠端就能得知用電量及電力有無超載狀況。特別是這幾年電動車將急速增加,若多輛電動車同時充電,屆時變壓器可能會超載。因此若提前掌握變壓器的負載情形,就可減少變壓器故障頻率,同時也保障用電安全。

用電有感 電量盡在掌握

在「提升用戶參與」方面,重點在於提高「需量反應(Demand Response)」參與用戶數及參與量,以降低尖峰負載對電力系統之衝擊。為了鼓勵用戶在尖峰用電時段減少用電,或是以時間電價、季節電價來抑制用電量,積極布建智慧電表裝置將是發電端和用電端不可或缺的夥伴。

智慧電表可讓用戶瞭解用電情形外,電力公司也能有效掌握電力運用情況,配電處於今年已在國內安裝20萬戶低壓智慧電表裝置,明年讓用戶上網就可知道自己的用電情形。用電能掌握,進而有助於改變用電行為,陳銘樹處長指出:「我們預計在113年設置超過300萬戶智慧電表,屆時全國81%的用電量就會掌握得非常清楚。透過智慧電表每15分鐘記錄的用電訊息,在用電尖峰時段可請高用量的用戶減少用電,抑制尖峰負載,鼓勵離峰用電,使一日的用電量平均分攤。」

電力調度處高雄運轉組陳化乙組長補充說明智慧電表在調度上的重要性:「智慧電表是雙向裝置,經由資料庫可得知用戶端用(發)電詳細數據,當全臺裝設智慧電表用戶越多,越能瞭解全臺各戶用(發)電模式,惟目前法規僅規定大於1,000kW再生能源即時發電資訊須回傳至台電,且智慧電表裝設尚未普及,待未來相關法規降低回傳門檻通過及智慧電表大量裝設下,公司即可整和多方資訊應用,使各級調度中心在電源、電網調度更安全有效率。」

綠能穩定併網 人工指令與智能系統靈活應用

要節流、當然也要開源,國內的再生能源正蓬勃發展,對於大量湧進的再生能源,如何執行智慧電網規劃的「綠能穩定併網」目標呢?電力調度處周芳正組長說明現今再生能源涵蓋太陽能、風能、水力、生質能、地熱能等能源,政府預計規劃114年再生能源占比達總電量的20%。而106年底裝置容量,風機達692.6MW,太陽光電為1405.2MW,再生能源(含水力)總占比為4.9%;另截至107年10月底,風機達695MW,太陽能為2180.7MW,再生能源總占比為12.4%,有大幅成長。他也指出:「再生能源屬於間歇性電力,例如太陽能、風能會因天候而隨時影響發電量,為了因應日後再生能源大量併網,必須做好相關調度規劃,掌握即時發電量預測,做好事先準備相關因應措施,例如掌握再生能源即時發電量與發電預測,推動自動需量反應、儲能系統及改變抽蓄電廠運轉模式,以因應未來大量再生能源併網時的系統穩定。」

鄭中央調度監進一步說明智慧電網的設置重點在於「智慧調控」,讓電力更有彈性應用效率,避免浪費,使取自天然的再生能源得以充足利用,讓用戶使用電力成本更低,降低污染環境的機會成本。那麼如何進一步調度再生能源併網呢?鄭中央調度監指出:「世界各國的智慧電網仍需要以人為指令進行電力併聯排程,無法全面仰賴智能系統。例如有的大型火力機組解聯後,需長達12小時才有辦法重新併聯,所以當太陽光電充裕時,火力機組發電如何調降,而當陽光被遮擋時又要如何讓火力發電等基載即時補位,都要依賴人的智慧與系統相互協作。未來若電網發展得更完整,公民電廠若有餘電,將可以透過電能管理系統分析來進行微調,使電力自動升降。」

以用電曲線顯著改變而著名的鴨子曲線(Duck Curve)為例,便可說明調度情形,曲線橫軸代表當天的24小時,縱軸則是電網的負載量。由於太陽能是一種間歇性能源,在中午時段因太陽光電充足而傳統機組淨負載降低,形狀就像是鴨子的肚子;在日落時段負載升高,就像是鴨子的脖子,當太陽光電占比越高,鴨肚子會越大,帶來的電力調度挑戰就越大。為了消化大量湧入電網的再生能源,對於其他的基載能源,例如火力、水力電能等,就要做大幅調整運轉排程。

一同前進2020 迎接智慧電力生活

民國109年後,臺灣的智慧電網將從「推廣擴散」走向「廣泛應用」,在最後衝刺的這一年中,台電將在以下各項智慧電網建設的基礎上,大步邁進,並邀請更多人加入智慧電力新生活。

智慧發電與調度

主要加強再生能源併網的穩定供電能力,制定方案並架設發電監測平台,對再生能源不同情境占比來規劃因應對策。例如以需量反應控制、儲能系統,或具快速升降載能力的燃氣機組等提供調度彈性,確保供需平衡與穩定供電。

智慧輸電與配電

強化輸配電的網路數位化與自動化的操控能力。例如推動變電所電力數位化有利於電力調控,配電網裝設立配電自動化開關及控制系統等,並在2020、2030年規劃各階段裝置數位化的目標。

智慧用戶

最具代表性的是智慧電表的應用與布建。布建從用電占比最高的高壓用戶開始,由於低壓用戶數較為龐大,則是逐年推動,向社會大眾展示智慧電網成效。

在2025再生能源發電量占比達20%的前提下,未來,台電將結合人工智慧與大數據分析,與氣象局及業者建立電力氣象圖,提升預測再生能源發電量的準確度,讓調度員能預作準備進而穩定供電。電力調度處在台電總管理處展示場更進一步打造視覺化電力調度平台,讓參觀民眾能清楚地了解電力調度過程。在民眾、台電和政府攜手下,智慧電網才能夠智慧的平衡調控電力,使再生能源得以有效利用,在電力供需面上有效連結整合,建構更友善用電環境,達到智慧應用能源的未來!

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