台電月刊 - 打開電力新視野

金門之「光」 智慧先行 電力通信系統打前鋒 成就金門低碳島

700期

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採訪、文字—劉智淵、紅藍創意團隊 攝影—劉智淵 協助—電力通信處、綜合研究所、金門區營業處、塔山發電廠 審查—台電月刊編輯小組

電力通信處在金門布建的環島光纖纜線,成為金門智慧電網最迅速可靠的神經幹線,並為大量再生能源併網預做準備。透過金門智慧電網,我們可以看見通信如何綿密嚴實,將電網上所有隱微的訊息,即時穩定回傳,同時建構電力物聯網示範場域,完成「最後一哩通信服務」。

「好像一個人,感官突然敏銳起來,電網上所有細微的變化都看得到、摸得到,感覺得到。」台電塔山發電廠葉國佐廠長輕輕扭扭脖子、鬆了鬆肩膀,彷彿那種官能變敏銳的感受非得如此才得以適切地表達。

金門的電力系統有其先天侷限,過去供電表現難稱穩定。多年來,台電從發電、配電多方面改善,同時由綜合研究所主導,逐步建置智慧電網,終於,2020年一整年,未曾限電。

即時救援 儲能上場

「去(2020)年5月,儲能系統上來,系統震盪觸發儲能系統62次,就像人該感冒還是會感冒,但是沒有嚴重到要住院,沒有限電。」葉國佐舉例,金門地區的大型購物中心昇恆昌金湖廣場,每當營業時間啟動空調,金門電網頻率驟然下降,也曾觸動儲能系統。過去遇到這類情形,很有可能不明不白地引發跳機而必須執行限電。葉國佐形容,現在,就算電燈閃爍一下,都可以透過監測紀錄回溯,找到系統不穩定的原因,即早處理。

葉國佐身旁有個50吋左右的液晶螢幕,上頭顯示金門發電總功率趨勢、歷史趨勢、各機組發電現況、儲能系統工作狀態、系統電壓、頻率趨勢等等資訊。他指著發電總功率趨勢圖說明,當天清晨天一亮,塔山發電曲線隨即下彎,一方面是金門日間負載較夜間低(因金門無重工業,夜間人們回家煮飯、開冷暖氣等家庭用電量較多),另一方面,太陽光電的挹注讓塔山發電廠不需發那麼多電。

這套PMU(Power Management Unit)監控設備,是大約10年前,塔山發電廠委託綜合研究所設置,用以監測金門電網狀態,它的特性是取樣率高,可將整個電力系統的種種細微變化記錄下來,並透過這些紀錄找出問題,研擬解決方案。近年來,金門電力系統陸續加入再生能源、儲能系統,以及塔山發電廠9、10號機兩部新機組,讓忙碌擁擠的PMU發揮強大功能;加上推動經年的智慧電網,從智慧發電與調度、電網管理、儲能系統、需求面管理、通信系統、資訊系統六大構面,完整包覆金門的電力系統,讓金門不但供電趨於穩定,更將成為全臺智慧電網的示範場域。

沒有通信 什麼都免談

「臺灣智網金門先.電力不息塔山行」,葉國佐有幾分豪氣地唸出廠裡貼的一幅對聯,隨即補充:「環島光纜對金門很有貢獻,沒有通信,什麼PMU、智慧電網,穩定供電都不用談了。」

「通信是就像一個人的神經系統,沒有它,四肢出了狀況,大腦也無法因應處理。」台電張忠良副總經理表示,談到穩定供電,大家首先想到電廠、電網,但電力通信是不可或缺的基礎建設,通信暢通無阻、無遠弗屆,才能穩定供電。

「在金門推智慧電網是希望不要再有大規模停電;另外,要實現金門低碳島,增加再生能源占比。」張忠良表示,2018年,臺灣智慧電網推動工作進行大幅修改、躍進,首步便是強化通信系統,由電力通信處在金門規劃布設長約110公里的環島光纜。

2019年12月,金門環島光纜完工,連結儲能系統、再生能源案場、特殊保護系統以及智慧變電站;末端的配電饋線自動化設備、智慧電表以及多項實驗中的物聯網設備,則以無線通信連結,打造完整的電力通信網路。

接下來,我們將循著這條環島光纜,了解這個隱微不顯的通信網絡,如何成為金門電網不可或缺的神經系統。

三大用戶入列 需量反應穩定電網

塔山發電廠儀資二課黃志鵬課長領著我們來到通信機房,機房裡立著一座座外觀相似的機箱。他隨手開啟其中一個光纖集中箱,密密麻麻的光纖線和一般電線外觀無甚差別,但是交織成綑有如一群活生生的水生物,以近乎游動的姿態,鑽入各自的洞穴。集中箱箱蓋上的清單列出所屬單位及用途名稱,包括綜研所PMU、電力通信處電力物聯網、TO莒光、TO鵲山、SCADA網路(資料採集與監控系統)等等。光是單一個集中箱,就已經有如腦神經一般複雜綿密,而這僅僅是塔山發電廠大腦的一部分。

「光纖拉好,我們才有辦法推動需量反應,分割用電大戶部分負載接受調度。」黃志鵬就身旁另一座獨立機箱說明,這是「特殊保護系統」(Special Protection System,SPS)位於電廠端的機箱。長久以來,金門電網縱深不足,只經過一座變電站就送到家戶,電網發生故障,稍不注意就會上溯到變電站甚至電廠,造成大規模停電。而塔山發電廠也曾發生機組故障,剩餘機組扛不動負載,使得保護電驛動作,將機組一部部跳脫,造成大停電。於是金門智慧電網規劃時就加入「需量反應」措施。目前金門三大用電戶:金門大學、金門酒廠以及昇恆昌都已加入需量反應行列,一旦系統需要,電廠隨即可用SPS調度卸載,平衡電網供需,避免停電範圍擴大。

黃志鵬表示,金酒和昇恆昌都是獨立饋線,光纜可達,控制不成問題。但由於金門大學並未在環島光纜骨幹上,過去曾以電力線通信,但反應速度和穩定度皆不如光纖。於是通信處與金門區處合作,另拉一條光纜支線進入金門大學配電室,才使金門大學SPS穩定納入調度,這是光纜通信讓感官更敏銳的另一例。「2020年10月裝置完成,確定運作正常,但幸好還沒機會用到。」黃志鵬笑著說。

再生能源占比近4成 即時監控是挑戰

智慧調度中,再生能源調度是一大課題。通常再生能源案場發電後,由配電等級的電網加入系統,塔山發電廠既無法確知發電量,也無法予以調度。金門再生能源發電占比逐年增加,葉國佐廠長表示,2019年以前,為了避免影響電力系統穩定,部分風機得暫停發電。2020年起,隨著儲能系統及各項智慧電網設備陸續上線,再生能源得以全力發電,最高曾達金門整體發電比例的39.4%。

2021年3月造訪時,葉國佐、黃志鵬兩人都表示,目前再生能源預測係牽涉氣象資訊,預測模式仍不成熟,電廠人員在PMU上的操作設定,只能由電廠的發電量減去負載端使用量,再配合各案場的風力、日照等氣象資料,粗估再生能源發電量,所得的數據難免有誤差。且金門電網再生能源占比越來越高,電廠調度多少受到影響。

對此,綜合研究所電力研究室簡振宇專員表示,金門的再生能源案場中,已有83處安裝監控設備,透過4G無線通信,把案場資料送回。廠長辦公室裡設置的PMU終端螢幕,假以時日就能顯示再生能源即時發電數據。另外,鵲山變電站、塔山發電廠以及金沙光電場三處規模較大的台電太陽光電案場,綜研所則嘗試以光纖連接,除了監看發電狀況,還能實驗性地進行調度控制。再過不久,塔山發電廠的末端神經將會更靈敏,引領金門電網的智慧調度與發電進入新的里程。

SCADA讓配電饋線更智慧

「金門是個小區處,我們的配電調度室和饋線調度室都在一起。」金門區營業處羅元良副處長領著我們來到位於區處一樓一間狹長的辦公室,從桌上的電腦點出鵲山變電站單線圖,說明金門饋線相對單純。螢幕上方出現「金門SCADA系統」,羅元良解釋,SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)為數據採集與監控系統,在電力系統中的應用十分廣泛,技術發展也頗為成熟。作為能源管理系統最主要的子系統,它有著資訊完整、提高效率、正確掌握系統運行狀態、加速決策、快速診斷系統故障狀態等優勢,是配電饋線調度智慧化的重要工具。

金門區處變電課盧揚禮課長在一旁補充,過去變電站的設備狀態無法遠端監控,難以即時掌握現場實況,操作時還得以人力到現場開關,耗時費力,也增加工安風險。SCADA系統建置後,即時監控之外,還可以遠端投切,快速反應,對同仁來說方便安全,對用戶而言,則能縮短停電時間,電力品質更佳。

連繫電網的脈脈伏流

金門環島光纖鋪設對於智慧電網的打造至關重要,說起一年多前環島光纖鋪設過程,金門區處陳鑫宸、楊昇曄兩位課長都印象深刻。當年金門縣政府大力推動路平專案,金門道路上幾乎所有的人孔都因此埋入地下,電力通信處委請金門區處與縣府交涉,特別以智慧電網能夠穩定金門供電,也能促進縣府推動低碳島的目標,請求縣府協助。由於交涉得法,縣府不僅同意協助,還當作施政亮點專案配合。於是,金門區處同仁帶著圖資和偵測設備,標出一百多個人孔位置,並在通信處設計組同仁現勘、繪圖之後,將人孔升起,交由通信處委託的施工廠商布線,完工後再將道路復原。

如今車輛在金門的道路上行進,人孔已經逐漸減少,更看不見光纖纜線,這條環島光纜有如一股脈脈伏流,默默連繫起電網上各種設備,只在有需要的時候,這道伏流才會露出地面,例如金門大學的配電室。

金門大學配電室裡的設備,只有兩條光纖纜線、牆上兩具小機箱以及兩具體積頗大的綠色機箱。陳、楊兩位課長表示,這是典型的一組饋線自動化四路開關,大機箱是四路開關,小機箱則是饋線資訊末端設備(Feeder Terminal Unit,FTU),主要有監控、類比量測、電源設備以及一套通信單元,一旦饋線出現異常,FTU可以即時檢出、回傳反映。主要饋線上的FTU,還會加上復電決策系統(Fault Detection Isolation and Restoration,FDIR),能迅速檢出線路故障以進行隔離,並可由系統提供負載轉供方案,儘速將未故障區段復電。

物聯網應用 打通資通基礎建設任督二脈

為了建構智慧電網通信服務的最後一哩路,通信處近年也在金門建置電力物聯網示範場域。所謂物聯網(Internet of Things,IoT)是一種將計算裝置、機械、數位機器相互關聯的系統。按此定義,無論有線、無線的物物相聯,都屬物聯網範疇,但位置分散或具移動性的物體,有線連結較不可行,遂以無線通信接上「最後一哩路」。

金門的饋線自動化於近幾年建置完成,全網有81具FTU,其中80具從光纜骨幹拉分歧線以光纜通信,1具則是採用4G無線通訊方式。

為了具體說明,陳鑫宸、楊昇曄打開路旁一具配電變壓器,藏身其中的小機箱,上頭有TTU字樣,變壓器機箱外貼附著的另一個小機箱,上頭字樣則為DCU。

TTU(Transformer TerminalUnit)為變壓器末端單元,可監測變壓器負載、用電量等訊息,同時帶有射頻元件,透過LoRa通訊技術傳送資料至DCU。

DCU(Data Concentrator Unit)則是資料蒐集設備,同時具有射頻元件,蒐集多個TTU 的資料,再藉由業者4G傳回控制中心。透過這套設備,可長期監測配電變壓器狀態,累積大量訊息,有助變壓器運轉維護;同時也藉由電量資訊,搭配用戶端的智慧電表,更精確掌握線損、用電量等訊息。電力末端設備的資料收集應用,使用各式通信技術達成物聯網的目標。

來到鵲山變電站,這裡是金門智慧電網另一個神經中樞,變電課同仁張梓祥帶我們來到通信機房,只見一座座機箱裡頭塞滿各式設備,外露的則有黃色光纖線、灰色乙太網路線盤。「PV GATEWAY、PMU、SPS、物聯網、饋線自動化,所有訊號都進來,東西越來越多,機箱都滿啦。」張梓祥表示,鵲山變電站已經陸續換裝智慧型保護電驛,這些電驛和相關周邊設備都必需符合標準化通訊協定IEC 61850,設備與設備間從此有了共同的語言,可以橫向溝通,整體評估故障原因和處理方式,避免各自為政,還可以協助調度員於事故發生時更精準調度,降低用戶停電範圍及縮短停復電時間。

配電電網管理系統之大成

陳鑫宸、楊昇曄繼續帶著我們來到金沙光電場,這座案場自2010年完工運轉以來,每年可產生66.3萬度的電,約可供應173家戶1年的用電量,是金門的綠能先鋒。兩位課長表示,台電已採用配電級再生能源管理系統(Distributed Renewable Energy Advanced Management System,DREAMS ),利用再生能源監控設備蒐集再生能源發電案場即時發電資訊,彙整後上傳,供調度人員進行發電量預估與調度決策。此外,太陽光電場採用的智慧變流器會偵測線路電壓,維持線路穩定,如果電壓超過智慧變流器調控能力,台電的先進配電管理系統(Advanced Distribution Management System,ADMS)可啟動線路結構調整機制,增加太陽光電的挹注空間。

ADMS可說是集其大成的配電級電網管理系統,在金門一路走來所見的配電饋線自動化、再生能源、變壓器末端設備,以及智慧電表、故障指示器、充電樁等等電網末端設備的管理都納入其中。透過資通訊設備蒐集資訊,評估負載、分析配電級電力潮流,能提供調度人員進行最佳化調度,減緩再生能源併網產生衝擊,提升調度運轉靈活度。

邀請用戶下載通往幸福的密碼

「我們是賣幸福的企業啊!」金門區處黃甘杏處長表示,供電穩定,社會才會發展、住家才有舒適的生活,使用的人才會幸福。身為金門區處第一位女性處長,看待業務、行銷台電,果然有著不一樣的著眼。縣府推動「金門低碳島、幸福又美好」,她就以「台灣電力」APP就是通往幸福的密碼,邀請鄉親踴躍下載。特別是金門地區接近100%用戶已使用智慧電表,透過APP可以分析家裡用電情況、繳交電費、拍照報修,未來還會傳遞優惠訊息、時間電價,比臺灣更早、更充分享有智慧用電的優勢。至於金門智慧電表的通信技術,則是藉由民營電信公司以4G頻段的窄頻物聯網(NB-IoT)技術連接。

黃甘杏努力宣傳智慧電網以及智慧電表能提高用電效率、促進減碳效果,並積極向各界推廣「台灣電力」APP,最讓她感心的是,到縣府推廣時,環保局同仁十分認同,紛紛踴躍下載,還承諾協助推廣。2020年11月起至今(2021)年3月,已經有5千多位金門鄉親下載。當民眾都擁有智慧電表、運用「台灣電力」APP,每一位用戶都將與電網連結,雙向交流,通信無礙,進而成為電網的一部分,智慧電網的可能性將無限寬廣。由於智慧電表普及後,無需再由人工抄表,金門區處貼心地輔導委外抄表員轉業,未來可望轉行維修電表,充分展現企業暖心的一面。

推動數位轉型 資通系統打前鋒

「我們的智慧電網已經打下基礎。」張忠良副總指出,新加坡能源集團(SP Group)設計出一套全球智慧電網校準評估架構,評估項目包括:資料分析、分散式能源整合、綠色能源、電網安全、監測和控制、供應可靠性以及客戶自主性與滿意度等7項。2018年,台電的表現在後段班;2019年,躍升到中段班。2020年成績突飛猛進,在全球85個電力事業體中取得第10名。其中電網安全和客戶自主性及滿意度這兩項最受肯定。

「智慧電網只是首部曲,」張忠良強調,智慧電網只是能源轉型的第一步,包括智慧電網在內的能源轉型,有太多資通、數位科技的議題。「數位轉型要成功,資通系統要打前鋒,要從無名英雄變成領頭羊。」張忠良加重了語氣。

經過多年努力,金門的智慧電網已臻完善,而智慧電網的基礎正是光纖通信。金門智慧電網的運維經驗以及電力物聯網的實驗成果,具體而微投射出臺灣智慧電網的前景。

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