智慧電網的發展張文恭國立中正大學電機程學系 101 10 25

智慧電網的發展張文恭國立中正大學　電機程學系 101. 10. 25 1 國立中正大學電力品質實驗

背景說明 Energy Efficiency CO 2 Emissions 80% Losses Smart Grid Renewables Source: Alstom Power Distributed Empowerment 國立中正大學電力品質實驗

背景說明 • 98年全國能源會議決議，我國 2020年之前，每年須節約能源 20%，生能源發電量達 18%總發電量比率，再持續推動電力供應區域化、升需量反應誘因，抑提以制尖峰負載減緩耗能電源開發，持續提升輸配電效率，推動設置智慧電網及電錶，實能源使用資訊監測，落提高能源使用效率，與檢討修正時間電價制度等。 • 美國於 2003年開始進行智慧電網試驗，歐洲於 2005年成立智慧電網技術平台。 • 傳統的電力系統結合資訊科技之網路與通訊等功能後，漸演變為所謂的智慧電網。慧電網藉由通訊逐智與資訊技術與輸配電網路之整合，將蒐集到的電氣可資料轉變為有用的智能。 3 國立中正大學電力品質實驗

綠色能源產業旭升方案推動架構 (1) 大型太陽光電電廠 (4 MW) 建造太陽光電綠色能源產業旭升方案 (2) 促成多晶矽原料廠完成建廠，健全產業價值鏈 LED照明光電 (1) 推動 LED照明標準模組大廠設立 (2) 建立白光 LED自主化技術， LED 光源躍進國際前三大風力發電 (1) 協助設立 MW級風力發電系統廠 (2) 2年內完成國產 2 MW自主品牌風力機系統整合技術開發氫能與燃料電池 (1) 成立燃料電池示範驗證推動辦公室 (2) 協助燃料電池廠商進駐育成中心生質燃料能源資通訊電動車輛 Source: 行政院 (1) 推動北高都會區 E 3酒精汽油計畫 (2) 設立生質酒精廠 (1) 推動智慧型電錶 AMI (2) 3年內完成建築物能源管理系統 (1) 發展大幅提升電動車輛產品性能之關鍵模組國立中正大學 (2) 發展具突破性動力鋰電池材料技術之電池模組 4 電力品質實驗

政策投入 Ø 5年投入技術研發經費 200億元 Ø 5年投入 250億元推動綠色能源設置及補助發展綠能產業成為台灣產業新的生命力質化效益建立台灣成為能源技術與生產大國塑造我國節能減碳新風貌量化效益帶動投資 Source: 行政院 5 2, 000億元國立中正大學電力品質實驗

為何電力網路要現代化 ? • 目前的電網老化且過時 • 可靠度低造成用戶鉅額損失 • 目前的電網易受人為與天災攻擊 • 目前的電網延伸之損失對安全、經濟與生活品質影響鉅大 • 目前的電網無法滿足 21世紀之供電挑戰與需求 • 電網現代化衍生之利益為必要的 Running today's digital society through yesterday's grid is like running the Internet through an old telephone switchboard. 6 國立中正大學電力品質實驗

Edison vs. Bell 7 國立中正大學電力品質實驗

感知與量測智能智慧電網 = 自動化整合之通訊先進電表 ---需求面管理 ---配電自化 ---停電管理 ---分散式再生能源 ---隨插即用混合式油電車 8 國立中正大學電力品質實驗

“電力 ”基礎設施 + “智慧 ”基礎設施 || 智慧電網 9 國立中正大學電力品質實驗

智慧電網之價值智慧電網較為 • • • 可靠供電穩定經濟有效環境友善安全 These values define the goals for grid modernization and Suggest where metrics are needed to monitor progress. 10 國立中正大學電力品質實驗

智慧電網特性 • 促使用戶主動參與 • 調和所有發電與儲能之選擇 • 促成新的電力產品、服務、與市場 • 提供數位經濟下之電力品質 • 資產利用之最佳化與有效運轉 • 預測與回應系統干擾 (自癒性 ) • 可抗拒外來之攻擊與天然災害 11 國立中正大學電力品質實驗

智慧電網之落差特性目前促成用戶參與用電格較不透明，時間電價 (time-of-use) 調和發電與儲能促成新市場滿足電力品質需求未來完全價格資訊，不同的來源選擇，可購售電主要為集中式發電，較有多種隨插即用的分少的 DG、DR、儲能式與散式能源做為集中式發電之替代源再生能源有限的批發市場，不完全整合成熟且完全整合的批發市場，且有新興電力市場之成長著重於停電處理，而非電力品質根據需求，有不同電力品質等級與價格的選擇 12 國立中正大學電力品質實驗

特性目前未來資產最佳化與有效運轉欠缺與資產管理之整合電網智能與資產管理之深入整合自癒事故發生後保護設備 (例 : 保護電驛跳脫 ) 避免崩潰、衝擊最小化、快速復原抗拒攻擊易受天災與外來攻擊可制止、檢測、緩解攻擊、並有效快速復原 13 國立中正大學電力品質實驗

分散式發電發電輸電業區配電商業區住宅區 14 國立中正大學電力品質實驗

智慧電網涵蓋範圍智慧發電系統協調與情境評估輸電自動化再生能源之整合配電自動化系統操作能源效率需求面參與信號與選擇電動車與儲能裝置分散式發電與儲能 15 國立中正大學電力品質實驗

智慧電網元素 § § § 做為用戶感測裝置的先進智慧電表配電、輸電、與變電所感測器配電、輸電、與變電所自動化裝置故障檢測器 Ø 自動電路復閉器 Ø 電壓控制 Ø 自動分段與復電裝置 Ø 同步相位儀 Ø 高壓直流輸電 Ø 智慧電驛 Ø § § § 含智慧型調溫器之需求響應元件居家內顯示幕通訊網路整合包含電表資料管理系統之 IT網路利益相關者 (Stakeholder)容易取得用戶與電網之資訊 16 國立中正大學電力品質實驗

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智慧電網計劃性能緊急事故復電例行操作最佳化系統規劃衡量指標壅塞成本大停電機率 SAIFI指標復電時間 CAIDI指標負載因數容量利用率目標可靠性安全性經濟性電力品質效率與環境品質安全性 19 主要特性自癒性與用戶結合可承受安全性之攻擊提供 21世紀之電力品質適應多種不同發電選擇最佳資產利用與最小維修運轉成本關鍵技術整合的通訊先進的控制方法感測、儀表、與量測先進電網元件決策支援與人機介面國立中正大學電力品質實驗

• 五項關鍵技術推動了智慧電網的進展，分別為 (1)整合的通訊能力， (2)感測與量測技術， (3)先進的元件技術， (4)先進的控制方法，以及 (5)改良的介面與決策支援。 • 達到智慧電網所需的設備、技術與方法，包括具電力品質分析功能之智慧電表、廣域之電力品質量測、智慧型家電、優質電力之計畫、增進電力品質與穩定度的不同儲能裝置、改善電力品質信號或波形的電力電子設備，可辨識並矯正造成電力品質問題之事故的電網監測機制，可供應潔淨電能之分散式發電裝置，對電壓調整器、電容器排、以及提供虛功與電壓調節之分散式發電 /儲能裝置進行主動控制、遙控隔離故障、動態饋線重組、以及配電狀態估測等。 20 國立中正大學電力品質實驗

智慧電網五項關鍵技術 21 國立中正大學電力品質實驗

整合的通訊有效且完全整合的通訊基礎設施為智慧電網基本要素 : • 整合的通訊創造動態、互動之巨型基礎設施以提供即時資訊與電力交換 • 整合的通訊允許不同的智慧型電子裝置 (智慧電表、控制中心、電力電子控制器、保護裝置 )與用戶互動而形成一整合的系統 22 國立中正大學電力品質實驗

感知與量測 • 智慧電表 • 普遍存在的系統操作參數 • 資產設備狀態監測 • 廣域量測系統 (WAMS) • 先進的系統保護 • 輸電線之動態額定 23 國立中正大學電力品質實驗

先進的控制方法以計算機為主之演算法的廣泛應用 : • 監測主要電網元件並蒐集相關資料 • 分析資料以診斷及提供可行的解決方法 • 決定並自主採取適當的行動或運轉者執行 • 提供運轉人員相關資訊與解法 • 整合產業相關程序與技術 24 國立中正大學電力品質實驗

先進的元件 • • 下世代彈性輸電系統與電力品質改善裝置先進的分散式發電與能量儲存裝置插入即用混合式電動車 (PHEV) 故障限流器超導輸電電纜與旋轉電機微電網先進的開關與導体固態變壓器 25 國立中正大學電力品質實驗

決策支援 • • • 資料減量視覺化理解度決策支援系統操作者訓練 26 國立中正大學電力品質實驗

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達成智慧電網之里程碑 • 先進電表基礎設施 (AMI) • 先進配電運轉 (ADO) • 先進輸電運轉 (ATO) • 先進資產管理 (AAM) Each Milestone requires the deployment and integration of various technologies and applications 28 國立中正大學電力品質實驗

先進電表基礎設施相關技術 • 智慧電表 • 雙向通訊 • 用戶入口端 • 居家區域網路 • 資料管理電表 • 需求響應 • 用戶服務應用 • 運轉匣道應用 (HAN) AMI empowers the customer and supports grid operations 29 國立中正大學電力品質實驗

先進配電運轉相關技術與應用 • 具有先進感測元件之配電管理系統 • 先進的停電管理系統 • 分散式電源之運轉 • 配電自動化 • 配電地理圖資系統 • 交流與並流微電網運轉 • 先進的保護與控制 • 配電用的先進電網元件 The functionality of ADO enables “Self Healing” 30 國立中正大學電力品質實驗

先進輸電運轉相關技術與應用 • 變電所自動化 • 輸電用之地理圖資系統 • 廣域量測系統 • 高速資訊處理 • 先進的保護與控制 • 建模、模擬與視覺化具 • 先進的輸電電網元件 • 先進的區域運轉應用 Deeply integrated with AMI, ADO and AAM –ATO optimizes transmission operations 31 國立中正大學電力品質實驗

先進資產管理相關技術與應用 • 先進的感測元件 - 系統參數 - 資產設備 “健康狀態 ” • 即時資訊與其他程序的整合 - 資產利用最佳化 - 輸配電規劃 - 以運轉狀態為主之維修 - 程設計與施 : - 用戶服務 - 作與資源管理 - 建模與模擬 Integration of AMI, ADO, and ATO with asset management Processes will dramatically improve grid operations and efficiency 國立中正大學 32 電力品質實驗

里程碑演進 AMI與DR AMI促成建立與用戶及負載間的通訊配電 (ADO) ADO可促成自癒 ATO進行壅塞管理輸電 (ATO) 資產管理 (AAM) AAM可大幅提升現行資產管理計畫之性能 33 國立中正大學電力品質實驗

智慧電網各功能關聯圖 34 國立中正大學電力品質實驗

需求面管理與動態價格分散式發電與替代能源自癒性廣域保護與隔離資產管理與線上設備監測即時模擬與緊急事故分析參與能量市場共用之資訊 – 連續之優化 – 智慧響應 ! 35 Source: WESCO 國立中正大學電力品質實驗

Source: Erich Gunther 36 整合的通訊與規範國立中正大學電力品質實驗

需要 ICT規範的各層面 (Domain) 37 國立中正大學電力品質實驗

電業與控制中心 Name / No. Description Status IEC 60870 -6 Inter-Control Center Protocol Widespread IEC 62325 eb. XML for Power Systems In development IEC 61970 Common Information Model / Generic Interface Definitions (CIM/GID) Interfaces for Distribution Management In use; mostly single-vendor Mostly still in development NRECA Enterprise web services In use; not flexible IEC 61968 Multispeak • • • There is a culture of manual integration Very labour-intensive and costly Object models and services defined, but… A variety of underlying technologies: UML, XML, OWL, XSD, RDF, OPC Working on agreement on a design framework 38 國立中正大學電力品質實驗 38

輸配電廣域網路 Name Notes Frame Relay Packet-switched, no reliability guarantee SONET Campus or city backbones WDM Wavelength Division Multiplexing – follows SONET Microwave Proprietary, used in geographically difficult areas Satellite Various proprietary technologies, costly Trunked Radio Licensed, one broadcast channel, one return Spread-Spectrum Unlicensed frequencies, more efficient IP Radio Like trunked radio but with IP addressing • • Many of these are considered obsolete or aging in the general IT world Still in common use in the power system 39 國立中正大學電力品質實驗

輸配電變電所 Name / No. Description Status IEC 61850 DNP 3 Object models, self-describing, highspeed relaying, process bus Distributed Network Protocol Widespread in Europe, beginning in other places Most popular in NA Modbus Evolved from process automation Close second COMTRADE Fault Capture file format Widespread PQDIF Power Quality file format In use IEC 62351 Security for power systems Recently released • • Automation common in transmission Business case tough in distribution Well-known problems and solutions Moving to the next level 40 國立中正大學電力品質實驗 40

廣域網路存取 Name Notes PSTN Public Switched Telephone Network – dial-up, leased lines DSL Digital Subscriber Line - Telco IP-based home access Cable DOCSIS standard for coax IP-based home access Wi. MAX Wi. Fi with a backbone, cellular-type coverage Cellular Various technologies e. g. GSM/GPRS or CDMA/EVDO FTTH Fiber to the Home. Passive Optical Networks (PONs) PLC Narrowband Power Line Carrier – the “old stuff” Access BPL Broadband over power line to the home Paging Various proprietary systems, POCSAG • • Used to reach the Collector or Substation Too expensive, too unreliable or too slow for actual access to home 41 國立中正大學電力品質實驗 41

近距離區域網路 —配電與自動讀錶基礎設施 (AMI) • • • Offerings mostly proprietary – Wireless mesh, licensed or unlicensed – Power line carrier, narrowband or broadband – New standard activity just started in 2008 Open standards not useful yet – Cellular, Wi. MAX, ADSL, Cable, FITL – Not economical or not reliable or both – Mostly only reach the Collector level Interop solution: common upper layer – Network layer preferred: IP suite – Most don’t have bandwidth Application layer instead: ANSI C 12. 22 – Too flexible, not enough interoperability – Need guidelines, profile from users More bandwidth the main solution! 42 A B Network A A Network B B 國立中正大學電力品質實驗

居家區域網路 (HAN) Name Number Notes Ethernet IEEE 802. 3 Substation LANs, usually fiber optic Wi. Fi IEEE 802. 11 Access by field tool, neighborhood AMI net Zig. Bee IEEE 802. 15. 4 Customer premises automation network Home. Plug 1. 0, AV, BPL Powerline comms, in and outside premises 6 Low. PAN IEEE 802. 15. 4 The “approved” IPv 6 wireless interface Open. HAN SRS v 1. 042008 Power Industry requirements definition! • • • Zig. Bee and Home. Plug alliance - Popular open specifications LONWorks, Insteon, Z-Wave, X 10 – popular proprietary networks Challenges coming in Electric Vehicles 43 國立中正大學電力品質實驗

分散式電源 Name / No. Description Status OPC Application interface Widespread in industry IEC 61400 -25 Wind Power In use; turf war DRBiz. Net California initiative In development BACNet Building automation In use; many profiles Open. ADR Automated Demand Response In development IEEE 1547 Basic principles of DER In use IEC 61850 -7 -420 Information models for DER In use • Rapidly growing, but tend to be “islands of automation” • Concerns over integration with power utilities • Need to get people talking 44 國立中正大學電力品質實驗 44

智慧電網各層標準 45 國立中正大學電力品質實驗

摘要整理 Essential Promising Needed IP-based networks IEC 61970 CIM/GID IEC 61968 Distribution IEC 61850 Substations IEC 62351 Security DNP 3 ANSI C 12. 19, C 12. 22 AMI-SEC Open. HAN Wi. MAX Zig. Bee / Home. Plug Open. ADR 6 Low. PAN BACNet OPC/UA NERC CIPs Standard Field LANs Modems for Field LANs More field bandwidth! CIM Design Framework CIM Application Security CIM/61850 Harmonization IEC 61850 Outside Sub ANSI C 12 Guidelines Finish AMI-SEC Asset Mgmt, DER, PHEV 46 國立中正大學電力品質實驗

傳統電網演進至智慧電網之重要過程 • 階段 5 成熟度 • 階段 4 • 階段 2 通訊基礎設施 : – 可快速且正確 • 階段 1 傳輸資料之企智慧裝置基礎設施 : 業通訊系統 – 智慧電表 – 光纖與寬頻網路之整合 – 需求響應裝置 – 先進之輸、配電自動化裝置 – 變電所智慧型電表控制器 Source: IBM 分析的基礎設施 : – 新資料分析功 • 階段 3 能之發展整合 : – 增進資訊顯示之功能 – 企業不同 IT系統之整合以允許快速資料處理 – 易於資訊分享之開放式架構設計最佳化 : – 電力網路性能即時最佳化之能力 – 依據即時資訊做決策功能 47 國立中正大學電力品質實驗

Source: EPRI 48 國立中正大學電力品質實驗

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固態智慧型電表電機械式瓦時表 56 國立中正大學電力品質實驗

具有需求響應控制之日光燈安定器指令耦合器缷載指令產生器建築管理 57 國立中正大學電力品質實驗

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Key Smart Grid sectors (shown in the center) and their relationship to generation and end use 國立中正大學 59 電力品質實驗

EXAMPLES: Honeywell Energy Technologies Public Utilities Industrial Utilities Carbon Capture & Sequestration Advanced Energy Solutions Industrial Process Plants Steam, power Renewable Energy & Carbon Dashboard CHP: Multi-objective Optimization One Wireless Sensor Networks Grid Smart-grid solutions (Demand -Response, Energy Efficiency) Gen 3 Solar Bio-Diesel Local Poly-generation (CHP) Versatile Energy Resource Allocation (VERA) Homes & Buildings Energy Perf. Contracts Building Optimization Renewable Integration Electricity, heating, cooling Multi-site Business Solns. Insulating Foam 60 國立中正大學電力品質實驗

Building Energy Management Systems • • Buildings consume 40% of energy in the US – 72% electricity, 55% natural gas Innovation in Building Controls provide – Energy Efficiency (EE) n HVAC, lighting, etc. – Distributed resource management n Generation, storage n Demand prediction n Buy vs. sell decisions n Multi-fuel optimization – Participation in energy markets n Automated demand management in response to utility signals n Optimal use of local storage and backup generation Building controls are the key to all forms of clean energy: EE, DR & renewable integration 61 國立中正大學電力品質實驗

Residential Vision: Home Energy Management Objective §Easy to use automation providing smart grid functionality in such a way to maximize benefits to consumers, utilities & the environment Key Features §Utility communicates prices, load shedding signal, etc. §Easy-to-use controls automate routine tasks, remove the burden from humans, and ensure completeness, consistency and persistence / stickiness of energy (and money) savings. Outdoor Temp and Hum Sensor Electric Meter Utility Home Energy Manager Warm Air Furnace PHEV Water Heater Appliances A/C unit Solar Geothermal Pool pump 62 國立中正大學電力品質實驗

Added green power sources High-speed, networked connections Plug-in hybrid electric cars Customer interaction with utility Real-time and green pricing Signals Smart thermostats, appliances and in-home control devices Smart House 63 國立中正大學電力品質實驗

Source: Reza Iravani 64 國立中正大學電力品質實驗

Source: Reza Iravani 65 國立中正大學電力品質實驗

Source: Reza Iravani 66 國立中正大學電力品質實驗

Source: Reza Iravani 67 國立中正大學電力品質實驗

住宅區微電網範例配電系統一次側(11. 4 kv) 配電變壓器二次側(110/220 V) 至 6民宅隔離裝置燃料電池、電力調節器、控制與儲能設備住宅2 住宅1 住宅3 配電變壓器熱氣至住宅電力系統二次側隔離裝置電力公司一次側 50 k. VA 換流器電力公司系統介面與控制器 (同步, 故障保護, 孤島隔離等) 熱儲存裝置 68 住宅5 住宅6 直流匯流排燃料電池多用戶群組分散式微電網之架構 (單一燃料電池發電源系統 ) 住宅4 充電調節器電能儲存裝置熱分配國立中正大學電力品質實驗

Thank You! wchang@ee. ccu. edu. tw http: //140. 123. 111. 49/teacher/main 33. htm 國立中正大學電力品質實驗

智慧電網的發展 張文恭 國立中正大學 電機 程學系 101 10 25

智慧電網的發展張文恭國立中正大學電機程學系 101 10 25