配電網的智慧能力

2018.08.02 by
陳世芳
陳世芳 查看更多文章

陳世芳,麥斯管理顧問公司創辦人、佑勝光電監察人、天使投資人。2004年9月起進入創投行業,目前經營自己的管理顧問事業,幫忙新創公司打雜。專業能力包括但不限於企業發展、技術前瞻與預測、產業分析、募資。

Matej Kastelic via Shutterstock
我們比較美歐台三地的電網可以發現,台灣電網優於美國電網,但是距離歐洲電網還有一段距離。台灣的平均饋線長度大概是歐洲的1.9~7.4倍,明顯落後於歐洲。歐洲的配電用變電所輸入電壓為網狀(meshed)110KV,台灣則是69KV/22.8KV/11.4KV,可以看到歐洲的配電變電所容量普遍會高於台灣,加上設置密度又高於台灣,歐洲電網比較能應付電動車充電的龐大需求。如果我們要真正踏實做好智慧電網,我們應該增加饋線數量、增加變電所數量、縮短饋線長度、降低配電變電所服務的面積、達成100%自動化饋線的目標

我們在前面的文章提到,集中式發電與分散式發電在用電之前,都需要經過配電網路(Distribution Grid),配電網路的智慧化攸關低密度集中式發電與分散式發電的成敗,因此狹義的智慧電網,許多人認為就是配電網路的智慧化。

在IEC的架構裡,配電網路的智慧化涉及幾個層面,包括電纜與架空線、配電自動化(Distribution Automation)、現場人力、電力系統營運、企業、批發能源市場。我們今天來聊這裡面最核心的部分:配電自動化(DA)。依稀記得,十多年前,有一位電力產業的前輩告訴我,配電自動化就是智慧電網的前身,讓我印象深刻。

歐洲派與美國派電網設計的差異

全世界的電網系統架構有兩大門派,主流是歐洲派,其次是美國派。IEC說使用美國派的設計的國家,包括美國、加拿大、巴西、墨西哥、澳洲、南非、南韓、愛沙尼亞(Estonia)、拉脫維亞(Latvia)。其他國家則為歐洲派。

歐洲派與美國派電網設計的差異,並非只有交流電頻率或交流電壓的差異而已,而是更形而上的設計理念。歐洲人的眼裡,美國派的電網設計,有許多致命的缺點,包括但不限於:(1) 美規的電力線損失與電壓下降數值均偏大:因為美規的變電站到用電終端的距離較長,最長達241公里(150英里),而歐規通常在5-20公里之間。電力線的長度越長,則線電阻越大,造成線損與壓降,也就是俗稱電力不穩定的現象,末端用戶可能常常停電跳電;(2) 美規的變電站電力服務品質比較差:美規通常要服務數千個終端用戶,如果不小心停電,用戶的滿意度通常不佳,同時電力公司的營收損失也非常巨大。歐規的上限是1,000個用戶,如果不小心停電,損失可以控制在最小的範圍之內。因此,如果要提高電力品質,限制每條饋線的區域範圍以及饋線用電戶數量使其低於1,000個,是具體可行的方法。

美歐台電網之比較
陳世芳

全台灣的配電用變電所(二次變電所),總共293個(11.4KV, 22.8KV, 69KV, 21,986.5MVA, 2017),9,781條饋線(2016),配電線路364,947回線公里(2016)。台灣土地面積36,179平方公里,除以總數293個配電用變電所,平均每個變電所服務的面積為123平方公里,平均饋線長度約為37公里。2016年底自動化饋線數達7,080條,比率為72%。

台電的研究顯示,饋線自動化之後,當事故發生時,用於尋找故障與隔離處理的時間,可以從原本要1小時的人工處理時間,縮短到30秒至一分鐘之內。饋線自動化無疑是智慧電網最重要的基礎工程之一,希望早日看到100%自動化。

我們比較美歐台三地的電網可以發現,台灣電網優於美國電網,但是距離歐洲電網還有一段距離。台灣的平均饋線長度大概是歐洲的1.9~7.4倍,明顯落後於歐洲。歐洲的配電用變電所輸入電壓為網狀(meshed)110KV,台灣則是69KV/22.8KV/11.4KV,可以看到歐洲的配電變電所容量普遍會高於台灣,加上設置密度又高於台灣,歐洲電網比較能應付電動車充電的龐大需求。如果我們要真正踏實做好智慧電網,我們應該增加饋線數量、增加變電所數量、縮短饋線長度、降低配電變電所服務的面積、達成100%自動化饋線的目標。我們的電網升級,應該要假設未來有80%的車輛為電動車。

讓配電網增加智慧的設備頗多的,包括但不限於:

  1. 自動重合器(Recloser)
  2. 分段器(Sectionalizer)
  3. 自動電壓調整器(Automatic Voltage Regulator, AVR)
  4. 無功功率調整器(Reactive Power Regulator)
  5. 故障指示器(Fault Indicator)
  6. 智慧電子元件(Intelligent Electronic Devices)

當電力系統受到干擾的時候,自動重合器與分段器可以重組饋線(Feeder),維持穩定。分散式太陽能併網之後,容易造成饋線的電流變化,此時AVR扮演一個穩定電壓的角色,保證用電戶無論功率高低都可以得到穩定的電壓。

無功功率調整器通常是電容銀行(capacitor banks)與控制器,作用在於提高供電效率、降低耗損、過濾諧波、提高電網抗干擾的能力,在電力系統當中扮演一個非常重要的角色,如果配置不當,會造成電壓波動或諧波增大的壞處。無功功率調整器是許多設備的統稱,包括但不限於:

  1. 帶AVR功能的同步發電機(Synchronous generators - with AVR)
  2. 同步電容器(Synchronous condensers)
  3. 靜態虛功補償器(Static VAR Compensators, SVC)
  4. 靜態同步補償器(Static synchronous compensators, STATCOM)
  5. 有載分接頭切換器(Online load tap changer ,OLTC – for transformers)

細節我們以後再撰文說明。

故障指示器又稱為節點監測裝置、線路監測器、故障監測器、故障電路指示器,顧名思義是幫助巡線人員找出電力系統故障位置的一種裝置,徹底改變過去盲目巡線,分段合閘送電查找故障的落後做法,減少停電時間與停電範圍。量產型的故障指示器,通常具備廣域無線通訊(Wireless WAN)的功能,把偵測的訊號送回電力公司,內建衛星定位系統,精準地描述故障位置。其電力來源主要是感應取電,利用線圈感應的方式產生電力,提供故障感測器使用,不影響電網的運作,內建超級電容器,延長設備作用時間。由於通常安裝在戶外,其抗靜電(ESD)能力也比較高,一般達到30KV。如果線路故障,2秒之內線路電流恢復正常,說明自動重合器作用成功,故障點被排除,恢復正常供電狀態,故障指示器恢復正常狀態。如果停電時間超過2秒,則判定為線路故障,故障指示器持續發出警告,配電控制中心很快地找出故障點,透過手機簡訊或IEC智慧電網中現場人力系統的手機APP,把訊息發送給相關人員,讓維修人員迅速趕到現場處理。

智慧電網可以增加電力公司的收入與獲利,對於某些電力品質要求比較高的產業,例如半導體晶圓廠,國外電力公司提供比較好的電力品質,同時也收取比較高的電費。智慧電網應該是一種增加電力公司營收的武器,而不是增加成本的負擔。一點點經營哲學上想法的改變,回頭看智慧電網的角色,就會不一樣。

軟體是智慧電網的核心,智慧的來源

軟體是智慧電網的核心,智慧的來源。對於長距離的饋線(美規)來說,即使電力供應充足,饋線末端用電戶在夏天中午打開家裡的冷氣機,也可能造成熱過載(thermal overload)的危險,此時智慧自動卸載軟體(Intelligent Load Shedding, ILS),可以及時發揮作用,保護電網。此軟體可以分析需要卸除的最小負載量(Load Preservation Analysis)、回復正常的負載使用(Load Restoration Analysis)、驗證負載卸除的功能(Load Shedding Validation)。當然,你家裡必須安裝智慧電表,ILS才會發揮作用。

歐洲的電網公司覺得沒有必要做饋線自動化,因為高密度的配電變電所使用許多自動保護繼電器(MCU-based protection relay)、間隔控制器(Bay Controller)、遠端終端單元(Remote Terminal Unit),確保容易遠端控制以及降低停電時間。網狀的輸入電壓(110KV),讓配電變電所擁有多個輸入電力選擇,萬一有故障,還有備援線路可以正常供電。歐洲電網的饋線負載,都經過精密的規劃與量測。萬一電力系統故障,影響的客戶數量較少,損失也比較容易控制。歐洲先進的電網架構有許多值得我們可以學習的地方。

然而,分散式發電改變了歐洲電網。太陽能發電產生的低壓電與風力發電產生的中壓電,造成電網電壓不穩定,例如超過設計值10%的電壓變化。傳統無方向性過電流保護繼電器(non directional Overcurrent protection relays)已經無法保護歐洲電網。歐洲正在開發新的分散式能源資源系統(DER),來強化配電網,使其接納更高比例的風電與太陽能。

智慧電網是電力公司新增營運模式,提高營收與獲利的武器。我們分析比較台灣、歐洲、美國的電網架構,同時看到歐規、美規電網的優缺點,也看到台灣電網可以進步的方向。饋線自動化是建置智慧電網前重要的基本功,我們應該假設未來有80%的交通車輛是電池電動車,在這個假設之下,我們的電網架構將與現在完全不一樣。

參考資料:
1. IEC, 2010, “IEC Smart Grid Standardization Roadmap”, Prepared by SMB Smart Grid Strategic Group (SG3), Edition 1.0
2. IEC, 2017, Elements of the Smart Grid
3. IEC, 2017,“Smart Grid Standards Map”
4. 維基百科, 2017, "電抗"
5. 臺灣電力公司, 2017,"台電系統介紹"
6. 臺灣電力公司, 2017, "歷年用戶數明細"
7. 臺灣電力公司, 2017, "2017永續報告書"
8. 臺灣電力公司, 2007, "2007永續報告書"
9. 維基百科, 2017, "穩壓器"
10. 百度百科, 2017, "无功功率补偿"
11. 百度百科, 2017, "静止无功补偿器"
12. ABB, 2017, "Static Var Compensation (SVC)"
13. Ahmed Faizan, 2017, "Reactive Power Support and Voltage Regulation in Power System Part 2"
14. 蘇品文/吳啟瑞, 2016, "具太陽能發電之配電饋線電壓控制"
15. 奧克斯集團, 2017, "聽說,故障指示器是配電網的下一個風口?"
16. Swarnab Banerjee, ADI能源管理產品部門系統工程經理, EE Times Taiwan, 2017, "新世代電力線感測器:電力採集、連結與低維修量"
17. ETAP, 2017, "Intelligent Load Shedding"

《數位時代》長期徵稿,針對時事科技議題,需要您的獨特觀點,歡迎各類專業人士來稿一起交流。投稿請寄edit@bnext.com.tw,文長至少800字,請附上個人100字內簡介,文章若採用將經編輯潤飾,如需改標會與您討論。

(觀點文章呈現多元意見,不代表《數位時代》的立場。)

每日精選科技圈重要消息