浅析:台湾智能电网技术的发展与展望

稳定的电力供给是经济发展与安定民生的基石,而台湾未来电力供应的可靠性却正面临严峻的挑战。台湾核能存废议题持续延烧,据台电负荷预测与长程电源开发规划的评估,若完全摒弃核能资源,台湾于未来3年内的备用容量率可能低于10%,届时限电措施将难以避免。对于区域配电系统而言,大台北部分地区的电力负荷已触及区域供电能力的上限,换言之,即使外部系统仍具有足够的供电容量,却因电力拥塞现象而无法输送至客户端。

分布式电源并接于邻近客户端的配电系统,相比传统的集中式发电可大幅减少传输损失,且可就近舒缓区域供电拥塞的问题,而需求侧管理则直接通过妥善的负荷控制,以减少电力消耗或降低尖峰,二者异曲同工。为推动绿色能源发展,政府推出“阳光屋顶百万座、千架海陆风力机”计划,并预计2030年的前太阳能发电系统装置容量可达3100MW,并设置离岸风力机3000 MW和陆域风力机4200 MW。然而,由于可再生能源(renewable energy,RE)发电的间歇性,对电网供电稳定度可能造成的冲击不可忽视。

1台湾智能电网发展现状

近来世界各国正积极投入智能电网相关领域的研究,通过更先进的量测、通信、信息处理和电能管理技术的发展与整合,可有效增强供电可靠性、提升能源使用效率及增加可再生能源占比。台湾地狭人稠,新增电力设施的困难度较高,而且也难以解决短期内电力短缺的问题。因此,妥善进行电力需求侧管理并整合分布式能源(distributed energy resource,DER)成为当前技术开发的主要目标。自2010年起,由台湾科技部主导推出“智能电网与读表主轴项目计划(Smart Grid and Meter Main-axis Specific Project)”,并着重于关键技术开发与整合、导入相关厂商及扩大推动策略拟定,主轴项目计划又分为数个先导型计划(pilot project)。

智能电网主轴计划目前已进入第二期,预计将透过制度面与技术面的垂直整合,以结合并延伸第一期研发成果。在邻近客户端的配电系统方面,第一期已完成智能家庭(建筑)电能管理系统(Home(Building)Energy Management System,H(B)EMS)的技术开发,并成功与高级量测体系(advanced metering infrastructure,AMI)建设及自动需求响应(automatic demand response,ADR)系统整合。

第二期将进一步开发配电电能管理系统(Distribution-EMS,D-EMS)及整合分布式能源电能管理系统(DER-EMS),D-EMS可通过控制中心及符合国际标准通信技术,实时采集电力信息,进而向DER-EMS发送电能与负荷管理调度指令;DER-EMS则依据辖下分布式能源与负荷的种类及特性执行最优化演算,以有效舒缓电力拥塞问题,并提升可再生能源并网比例。D-EMS将有利于缓解负荷尖峰或RE发电过剩造成的问题,而DER-EMS技术则可通过技术转化扶植其他产业,待市场机制架构成熟后,可发展为相关能源服务商,以促进DER推广和开发,同时增加配电系统的供电可靠性。目前国际对于整合分布式能源以解决配电系统中低压侧问题的研究尚未成熟,台湾具备良好的信息通信基础,未来有极优机会可通过研发该技术取得国际市场先机。

2客户端电能管理技术:智能家庭(建筑)电能管理系统

目前HEMS相关技术与制度研究已于第一期研发完成,由前述可知研发主轴除关键技术开发外,还包含政府制度面与现有产业技术基础的整合,HEMS研究内容包括“电价费率与技术规范研究”、“家庭通信网络与通信模块”、“微型可再生能源系统”及“家庭负荷模糊逻辑调控与最优调度”等项目,以下仅针对技术面发展成果说明。

家庭通信网络与通信模块

家庭通信网络(home area network,HAN)与通信模块为HEMS的骨干技术,用以量测各种电器的耗电量,并将相关信息传送至数据库储存,而电能管理系统决策的控制指令,需通过HAN传递至对应的通信控制模块,以妥善控制受控负荷。

微型可再生能源系统

随着可再生能源及分布式电源技术的发展,家庭或商办大楼装设太阳能或风力发电系统的比例逐渐升高。H(B)EMS可依据当地的电价费率及可再生能源系统接入市电的收购价格,决策最优的充/放电功率及接入市电功率。微型可再生能源系统的技术研发主轴包括电力电子电能转换系统与通信控制接口。另外传统电能转换系统的常见功能,如太阳能发电最大功率追踪、风力发电机功率因子修正、充放电控制、逆变器市电并联控制,未来朝芯片化发展,量产时可大幅降低成本。

家庭负荷模糊逻辑调控与最优调度

客户端的负荷可分为可控与不可控,可控负荷又可进一步分为可调节负荷(空调)及可变更使用时间的负荷。HEMS的控制策略中以模糊调节系统控制空调或冷气的温度设定,其他可变更使用时间的负荷则通过最优调度系统决策其使用时间。

3OpenADR 2.0接口

分布式能源整合与配电系统电能管理技术的总架构规划见图1,其中配电电能管理系统可依据实时量测数据与日前负荷数据进行系统状态估计及系统相关分析,以计算出各馈线所属的DER-EMS所需的电能调度量,并借由通信接口将命令送至各个DER-EMS,DER-EMS将依据其辖下各种类DER的成本求出最优电能调度组合,以协助D-EMS提升配电系统稳定度,并从中获得最佳效益。为避免许多DG并联于配电系统所可能引发的冲击,由DER-EMS来管理其辖下若干的DER,并配合D-EMS调度指令动作,以维持配电网络稳定与可靠。随着目前台湾电力自由化的进程,D-EMS技术预计可协助台电公司维持配电系统可靠性,而另一方面,相关能源服务商可扮演 DER-EMS的角色,以拓展未来相关领域的产业发展。在通信协议标准方面,采用美国DNP 3.0与欧盟IEC 61850规范,为有效整合现有DER,在终端控制侧也需转换多种现有常见规范,如Modbus、CAN、RS485与RS232。此外,H(B)EMS的需求响应可通过自动需求响应ADR服务器整合,并采用OpenADR 2.0 的通信规范。为验证分布式能源整合技术并分析其有效性,智能电网主轴计划第二期规划于台电综合研究所(Taiwan Power Research Institute,TPRI)建构示范系统。其包含中央服务端及客户端接口,服务端可接收配电系统调度中心命令,并据以召集需求响应事件,同时通过网络通信远程发送控制指令至客户端。BEMS系统已取得OpenADR 2.0a的客户端系统国际认证。

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图1 分布式能源整合与配电系统电能管理技术的总架构规划4示范系统运转测试与产业布局

为验证分布式能源整合技术并分析其有效性,TPRI的示范系统包含2种形式的DER-EMS,即整合BEMS的自动需求响应ADR和微电网试验场的DER群(ESS 250kW/750kWh、风力发电10kW、柴油发电机50kW以及太阳能发电系统10kW)。目前已完成ADR服务端与客户端的OpenADR 2.0接口开发,此外智能读表、BEMS以及ADR服务站都将于2014年底完成建置与功能测试,整体分布式能源整合技术将于2015年完成建置及运转测试。

示范系统中包含智能会议室,可依据情境模式自动调节相关设备的设定,情境模式说明见图2。

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图2 台电综合研究所智能会议室情境说明

图3所示为智能会议室的传感器与通信控制模块分布位置,此外为方便使用者分析并使用电信息及控制负荷,BEMS还包含一套人机监控接口,见图4。

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图3 台电综合研究所智能会议室传感器与通信控制模块分布位置

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图4 台电综合研究所BEMS人机监控接口5结语

本文介绍了台湾智能用户电能管理与DER整合技术发展演进,包含相关信息通信技术、电能管理控制策略及规范标准。关键技术的整合与示范系统运转测试预计于2015年完成,2016年起将着手进行台电系统电力拥塞区(power congestion zone)的DER-EMS实体建置规划。未来将进一步研究国际现有虚拟电厂商业模式与运转机制,以促进相关技术、产业的发展,并有效增强配电系统可靠性。通过示范系统技术验证,未来可有效降低尖峰负荷,以减轻输电压力并维持供电稳定,此外更能提升系统容纳可再生能源的能力,以落实台湾节能减碳政策目标。

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