結合電力系統與資通訊技術 打造金門智慧電網示範場域

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大量再生能源併入電網後,會對傳統電網產生衝擊,為了解決這項問題,台電近年積極發展結合電力系統與資通訊技術的智慧電網,自民國106年起,由鍾炳利總經理親自督軍指揮,以「智慧調度與發電」、「電網管理」、「儲能系統」、「需求面管理」、「通信系統建設」、「資訊系統建設」等六大主題及其17項子計畫,將金門打造成為智慧電網技術的整合驗證場域,預計今(108)年底可完成一半以上,明年底完善相關軟硬體建置,並藉此驗證相關技術與應用。

金門具有發展風力和太陽能發電等再生能源的天然條件,而再生能源併網正是智慧電網的主要課題,截至今(108)年7月1日為止,金門再生能源的併網容量已經超過12MW,若計入已受理、尚未併網的部分,則逼近18MW,其中5.8MW為風電,其餘皆是太陽光電。以裝置容量來說,金門再生能源的裝置容量已經達全體發電裝置容量12%以上。

地理條件佳 綠能占比持續攀升

風力發電方面,台電於金沙后扁建置風力發電系統,裝設2部各2MW共計4MW的風力發電機組,該處已成為金門東海岸的新地標,除了紓解供電壓力外,也有助於地方觀光休閒業發展。而金門的特殊或大型太陽光電案場則有三處:

一、金湖水庫:金門縣自來水廠配合水利署執行前瞻基礎建設水環境建設計畫,於民國107年在金湖水庫建置浮力式太陽能光電板,此一裝置容量合計約2.1MW的水域型太陽能發電系統,亦為金門地區最大的太陽光電案場。

二、金門縣政府推動的「公有建物陽光屋頂計畫」,現已申設35案場約計5MW,其中29案場約計4.2MW已併入電力系統。

三、金沙光電站:此光電站為台電建置,電氣室特別採用閩式建築設計,希望能夠結合周邊金門文化園區,成為兼具教育及觀光休憩功能的光電公園,裝置容量約為0.5MW。

塔山發電廠黃志鵬課長表示,金門在某些時段的再生能源發電量占比已超過30%,未來勢必繼續增加,而金門縣政府推動的低碳島二期計畫中,將增加5MW太陽能光電系統,台電也將於金沙增設兩部各0.9MW的風電機組,但是再生能源具有間歇性的特質,例如風力發電受季節性風面影響,而太陽光電有雲遮效應,都會導致系統變動頻率震盪,成為電力調度的一大挑戰,因此需要強大的能源管理、再生能源預測及儲能系統。

結合需量反應與特殊保護系統 智慧電網建置亮點

台電綜合研究所(以下簡稱綜研所)蒲冠志副所長指出,能源管理系統是「智慧發電及調度」很重要的環節,需要一步步整合傳統發電、再生能源、儲能系統與用戶需求,推估未來24小時電力供需及運轉情況,全套系統目前正在軟硬體測試、整合階段,預計於明(109)年3月底完成相關資料介接與試運行。

塔山發電廠陳立人值班主任也提到,雖然金門與臺灣都是獨立電網,但不像臺灣本島有中央及區域調度中心可以分擔電力調度工作,從機組狀況到供電調度全都依賴電廠調度中心,加上再生能源的占比提高,但以民生用電為主的金門,尖峰負載卻是在下午五點到夜間的下班時間,離、尖峰負載差距過大,所以在能源管理系統還未能上線的現在,必須依靠智慧電網、特殊保護系統以及再生能源預測系統來輔助調度,而「特殊保護系統」正是金門智慧電網發展的一大亮點。

蒲副所長表示:「智慧電網建置為國際趨勢,各國發展的方向一致,但方法各有不同,金門首創結合需量反應與特殊保護系統,以縮短連鎖跳機事件之停電範圍,目前在國際文獻上並未看到類似的做法。」他進一步說明,當一般電力系統故障,會在0.5至2秒間自動跳脫,而特殊保護系統反應速度是0.2秒,可在發生連續跳機事件時,瞬間快速卸除負載,避免整個系統崩潰;為了更有效控制停電範圍,綜研所與配電處經初步分析後發現,可結合需量反應與特殊保護系統,未來將透過業務處與金門地區用電大戶如金門酒廠、當地免稅店溝通,加強需量反應的合作。

再生能源預測方面,台電已完成金沙風場未來6、48小時及金沙光電站未來48小時的發電預測,目前正全力優化,希望能擴大成為大金門地區全區太陽光電預測系統。

削峰填谷 儲能系統與再生能源互補

蒲副所長一再強調,再生能源發展需搭配儲能系統,當大量再生能源瞬間湧進,若超過負載,將造成系統不穩定,這時儲能系統可扮演負載角色,反之,若再生能源消失,儲能則可當作發電機,即儲能的功效在於系統能量轉移、使再生能源曲線平滑化、穩定系統頻率、提供熱備轉容量率等,「台電將在金門夏興發電廠導入兩套大型儲能系統,一是快充快放、一是慢充慢放,快充快放可因應再生能源瞬間的變化,穩定電力頻率,提升電力品質;慢充慢放則可當成輔助負載及發電機。」

當再生能源發電量比燃油發電機組的發電量大時,任何擾動都會影響系統穩定,因此需要儲能設備做為輔助電源。儲能系統一方面可作為再生能源的浮動負載,避免發生限制再生能源出力的狀況,同時可「削峰填谷」抑低尖峰發電量、提供離峰發電量,使燃油發電機運轉排程更加靈活。

智慧化、自動化 發揮電網管理效能最佳化

用戶端的需求面管理也影響智慧電網的發展,特別是智慧電表(Advanced Metering Infrastructure,AMI)的安裝,可說是智慧電網的基礎建設之一,蒲副所長表示,金門智慧電表安裝率目標為100%,目前已完成智慧電表裝設的高壓用戶有93戶,預計今(108)年將完成六大營業區低壓用戶4,500戶、明(109)年底完成剩餘的28,000戶。智慧電表會蒐集用戶的用電資訊,並且列於電子帳單上,供用戶查詢;未來還會結合手機App,讓用戶知道每個時段的用電量,進而改變用電行為,減少用電支出,達到節能減碳的目的;台電也能透過蒐集到的用電資訊進行大數據分析,藉此預測並即時掌握停電區域、判斷可能故障點,創造雙贏的局面。

考量到金門未來會有大量再生能源與電動車併入電力系統,勢必對傳統配電網帶來新的衝擊與挑戰,也必須導入新的電力監控方式,追求更具效能的「電網管理」,於是台電在建置金門智慧電網的過程中,藉由導入先進配電管理系統(ADMS),整合饋線自動化與再生能源管理系統(DREAMS)功能,降低饋線電壓因大量太陽光電(PV)併網造成之系統電壓變動衝擊。

首要之務便是民國107年11月完成的第一期饋線自動化系統工程,共建置10條饋線/20具自動化開關,現階段正進行第二期饋線自動化工作,預計在明(109)年第二季前,將其餘24條饋線/60具自動化開關全部納入監控,金門將正式進入配電調度自動化時代,也完成先進配電管理系統建置的最後一哩路。

當ADMS/DREAMS系統建置完成後,饋線自動化系統將發揮即時監控、蒐集線路現場運轉情形及事故資訊的功能,並整合PV案場之監控資訊及各項設有通訊功能之智慧電網終端設備,如變壓器末端設備(Transformer Terminal Unit,TTU)、故障指示器(Fault Current Indicator,FCI)、智慧電表,透過系統運算及潮流分析,即時蒐集金門所有運轉設備及再生能源發電資訊,並掌控電壓變化情形,再透過智慧型變流器來進行調控決策,提供調度人員最佳化調度的判斷依據,以減少電壓變動率,提高再生能源併網容量,並提升調度運轉靈活度。

另外透過各種智慧即時監控機制,有助於快速掌握停電事故情形,做出相應措施。過往都是用戶通報停電,台電再派維修人員前往搶修復電,現在透過自動化系統,台電就可主動出擊,提供民眾更好的電力供應品質。

舉例來說,假如某一小型區域(約50至100戶範圍)的變壓器故障,造成停電,智慧電表會主動回報停電事故,讓調度員知道停電區域。如果是規模較大的事故,例如變電所開關設備跳脫,導致整條饋線斷電,透過饋線自動化系統,將相關訊息回傳到系統中,進而自動判斷故障區間,非故障區間則快速復電,只需派人去搶修故障點即可,估計配電線路事故處理及復電時間將從約60分鐘降為約5分鐘,不只復電速度提高12倍,現場維修人力調度也將更為靈活。

資通訊建設 建立電力共通語言

電網管理的效能和資通訊系統建設息息相關,資通訊技術更是實現智慧電網的基礎,沒有通訊就無法跨區連結資料與操作,由電力通信處負責的金門環島光纖預計在今(108)年底完成,大幅強化包括饋線自動化等線路傳輸的品質及穩定性,基於仍有許多設備及用戶端位在光纖主幹道外,台電也規劃利用無線通信技術,延伸覆蓋率,預計明(109)年底可以完成微型基地台的開發、選址、建置等作業。

另一個很重要的是資通訊系統建設必須依據國際電工委員會(International Electrotechnical Commission,IEC)制定的IEC 61850智慧電網通訊標準,金門區處楊崇和處長進一步解釋,各單位推動的不同系統,各有不同的通訊模式,為了將其整合到更高階的監控調度系統,就需透過兩種方式,一是使用標準化的通訊協定「IEC 61850」,以利進行最後的系統整合﹔再來則是使用共通資料模型(Common Information Model, CIM),讓系統可以順利讀取共享資源。

從最前端的發電廠,就提供符合IEC 61850通訊標準的發電機組資料,統一通訊協定與資料格式,到將配電端的變電所陸續汰換成IEC 61850智慧變電所的架構,讓電廠、變電所具備資通訊的互通及相互操作性,以因應再生能源大量併網後的系統運作。以金門智慧電網架構來說,目前塔山發電廠1至8號機已完成IEC 61850相關標準導入,並將發電機組資料從OPC Server轉換為符合IEC 61850資訊模型與通訊標準封包,另外包括鵲山、莒光、塔山、夏興等變電所也陸續完成IEC 61850相關設備建置。

整合與協作 串連發輸配售環節

然而智慧電網仍屬先進技術,建置過程也帶來不小挑戰,綜研所蒲副所長認為:「金門智慧電網推動至今最大的挑戰在『整合』!因為金門各項電力系統設備建置於不同時期,各有不同的技術規格,而智慧電網的資通訊則需使用統一標準,要讓各種不同系統轉換成單一標準並不是一件簡單的事。」為此綜研所特別成立「資通訊研究室」,專門為智慧電網引進適用技術。

另外智慧電網涉及多種專業,有賴台電不同單位協作,例如發電處、綜研所和資訊處等,跨部門合作則是另一項挑戰。蒲副所長說,「落實智慧電網發展,不只牽涉到電網相關單位,而是要串連整個電業的發、輸、配、售環節,因此需要整合相關部門,讓有不同工作文化、方式的各部門站在同一個思考邏輯。」而綜研所有七個研究室,涵蓋發輸配售各領域,正好透過整合這七個研究室帶動跨部門溝通與協作。

金門區處楊處長也認同各單位需以相同的邏輯出發,才能找出一致性的方向,更重要的是,須由一個最高單位來整合不同系統,解決相關問題,才能做最佳化應用。

綠能併網 實現金門低碳願景

交通工具是金門第二大排碳源,為了達到低碳島的目標,推廣低碳運輸工具有其必要,目前金門租車業者雖然推動電動車,也裝設了充電樁,但僅具單向充電功能,金門區處正嘗試驗證將電動車與充電樁轉化成儲能系統的「V2G」(Vehicle to Grid)技術。

V2G技術如果能穩定發展至成熟階段,電動車就可以變成小型移動式儲能系統,再透過充電樁進一步將電動車的電力回送到電網,民眾從此能在尖峰負載的時候,將電動車的多餘電力賣給台電,然而未來若是電動車普及,將會有大量充電樁的電流同時進入電網,對電網的穩定也是一大考驗。

「可以預見,再生能源容量愈來愈大,系統的變化也愈大,因此需要透過儲能系統,讓電廠有較好的調度運轉模式,促使電力系統供電可靠、穩定。」楊處長說,「建置自動化系統,也是為了讓電壓和頻率變化,可以在穩定、合理值內運轉,且無須一直增加機組,而是從需求面著手,所以布建智慧電表,讓用戶知道自己的用電情況、適時節電,未來還可能搭配時間電價,達到節電目的。」

金門地區106年度尖載容量約為58.4MW,107年度則約為56.6MW,換句話說,再生能源陸續併網後,系統尖載容量降低,因而可以提供更充裕的電力給民生用電,智慧電網帶來的好處,即將逐漸落實在家家戶戶之中。目前台電和金門縣政府積極配合,希望未來驗證後的成功技術與成果,也可以應用到臺灣,讓臺灣的電力系統朝著節能減碳的方向穩定前進。

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