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。
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：
- 自動重合器(Recloser)
- 分段器(Sectionalizer)
- 自動電壓調整器(Automatic Voltage Regulator, AVR)
- 無功功率調整器(Reactive Power Regulator)
- 故障指示器(Fault Indicator)
- 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：
- 帶AVR功能的同步發電機(Synchronous generators - with AVR)
- 同步電容器(Synchronous condensers)
- 靜態虛功補償器（Static VAR Compensators, SVC)
- 靜態同步補償器(Static synchronous compensators, STATCOM)
- 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：
- IEC, 2010, “IEC Smart Grid Standardization Roadmap”, Prepared by SMB Smart Grid Strategic Group (SG3), Edition 1.0
- IEC, 2017, Elements of the Smart Grid
- IEC, 2017,“Smart Grid Standards Map”
- 維基百科, 2017, "電抗"
- 臺灣電力公司, 2017,"台電系統介紹"
- 臺灣電力公司, 2017, "歷年用戶數明細"
- 臺灣電力公司, 2017, "2017永續報告書"
- 臺灣電力公司, 2007, "2007永續報告書"
- 維基百科, 2017, "穩壓器"
- 百度百科, 2017, "无功功率补偿"
- 百度百科, 2017, "静止无功补偿器"
- ABB, 2017, "Static Var Compensation (SVC)"
- Ahmed Faizan, 2017, "Reactive Power Support and Voltage Regulation in Power System Part 2"
- 蘇品文/吳啟瑞, 2016, "具太陽能發電之配電饋線電壓控制"
- 奧克斯集團, 2017, "聽說，故障指示器是配電網的下一個風口？"
- 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"
- ETAP, 2017, "Intelligent Load Shedding"
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