智慧電網、感測器網路到能源資通訊架構 李達生 · 不致中斷。目前北科大已在竹南科學園區基地，示範類似的DC電網用於...

李達生 Da-Sheng Lee 國立台北科技大學 - 能源科技研究中心 主任 - 能源與冷凍空調工程系 教授 - 智慧財產權研究所 合聘教授 環保署 北部低碳家園設備節能工作招集人 教育部 儲能人才培育計畫 分項計畫主持人 資策會 能源領域詮釋資料格式 學界分包計畫主持人 資策會 物聯網與RFID技術導入課程 講師 GS1/ EPCglobal EPCIE 物聯網工程師認證委員

智慧電網、感測器網路到能源資通訊架構

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第一波 因應化石能源短缺 發展再生能源科技 第二波 節能科技當道 發展變頻電器、LED燈具 第三波 能源工程與資通訊技術整合與智慧電網

能源工程近來蔚為顯學 主要三波科技創新為:

由硬體到軟體的發展

M.S. Gu‥ney, K. Kaygusuz / Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (2010) 2996–3004

由全力擷取到妥善應用

第一波 再生能源科技創新的困境

• 所有科技創新都必須創造經濟上的支撐，過去再生能源科技因石化能源短缺，創造替代性能源經濟支撐，起始了第一波發展榮景，但也因近年來美國開發油頁岩中的天然氣，使石化能源供應又顯充足，從而造成第一波能源工程創新衍生產業，如太陽能光電板、風力發電、水力發電等產業，發展一時受到阻礙! 明顯案例可見大陸最大的無錫尚德太陽能公司 (Suntech Power Holdings)減產1/4，且遭美國紐約交易所(Nasdaq)發出下市警訊(2012/9/28公開資訊)，主要問題即在於替代性經濟取代既有能源架構，可能因為未知因素帶來局面快速的轉變，不足以穩定支撐科技創新! 參考資料: 天然氣改變能源地圖, http://www.itri.org.tw/chi/publication/pdf/219/219-Trend.pdf STP stock quote - Suntech Power Holdings Co., LTD ... - NASDAQ.com, http://www.nasdaq.com/symbol/stp

http://www.itri.org.tw/chi/publication/pdf/219/219-Trend.pdfhttp://www.itri.org.tw/chi/publication/pdf/219/219-Trend.pdfhttp://www.itri.org.tw/chi/publication/pdf/219/219-Trend.pdfhttp://www.itri.org.tw/chi/publication/pdf/219/219-Trend.pdfhttp://www.itri.org.tw/chi/publication/pdf/219/219-Trend.pdfhttp://www.nasdaq.com/symbol/stp

第二波 節能科技發展的瓶頸

• 近年來氣候異變，人們開始意識到不能無節制的使用能源，排放CO2，從而造成地球環境的破壞，因此各項節能家電，以減碳之名快速進入市場，如變頻家電、LED燈具與油電混合車等，相關產業發展迅速，目前正創造另一波高峰，但隨之而來的瓶頸可能在於 能源使用價格偏低，連帶使得節能產品獲利空間不足! 如油電混合車或LED燈具，可能需一年甚至是數年才能回收起始投資成本。 參考資料: Is a hybrid car worth the gas savings? - NBCNightlyNews | NBC News, http://http://www.msnbc.msn.com/id/8975473/ns/nbcnightlynews/t/hybrid-car-worth-gas-savings/ LED佈建於六個案例場所之應用探討與節能效益分析, http://ndltd.ncl.edu.tw/cgi-bin/gs32/gsweb.cgi/login?o=dnclcdr...

http://http/www.msnbc.msn.com/id/8975473/ns/nbcnightlynews/t/hybrid-car-worth-gas-savings/http://http/www.msnbc.msn.com/id/8975473/ns/nbcnightlynews/t/hybrid-car-worth-gas-savings/http://http/www.msnbc.msn.com/id/8975473/ns/nbcnightlynews/t/hybrid-car-worth-gas-savings/http://http/www.msnbc.msn.com/id/8975473/ns/nbcnightlynews/t/hybrid-car-worth-gas-savings/http://http/www.msnbc.msn.com/id/8975473/ns/nbcnightlynews/t/hybrid-car-worth-gas-savings/http://http/www.msnbc.msn.com/id/8975473/ns/nbcnightlynews/t/hybrid-car-worth-gas-savings/http://http/www.msnbc.msn.com/id/8975473/ns/nbcnightlynews/t/hybrid-car-worth-gas-savings/http://http/www.msnbc.msn.com/id/8975473/ns/nbcnightlynews/t/hybrid-car-worth-gas-savings/http://http/www.msnbc.msn.com/id/8975473/ns/nbcnightlynews/t/hybrid-car-worth-gas-savings/http://http/www.msnbc.msn.com/id/8975473/ns/nbcnightlynews/t/hybrid-car-worth-gas-savings/http://http/www.msnbc.msn.com/id/8975473/ns/nbcnightlynews/t/hybrid-car-worth-gas-savings/http://http/www.msnbc.msn.com/id/8975473/ns/nbcnightlynews/t/hybrid-car-worth-gas-savings/http://ndltd.ncl.edu.tw/cgi-bin/gs32/gsweb.cgi/login?o=dnclcdrhttp://ndltd.ncl.edu.tw/cgi-bin/gs32/gsweb.cgi/login?o=dnclcdrhttp://ndltd.ncl.edu.tw/cgi-bin/gs32/gsweb.cgi/login?o=dnclcdrhttp://ndltd.ncl.edu.tw/cgi-bin/gs32/gsweb.cgi/login?o=dnclcdrhttp://ndltd.ncl.edu.tw/cgi-bin/gs32/gsweb.cgi/login?o=dnclcdrhttp://ndltd.ncl.edu.tw/cgi-bin/gs32/gsweb.cgi/login?o=dnclcdrhttp://ndltd.ncl.edu.tw/cgi-bin/gs32/gsweb.cgi/login?o=dnclcdrhttp://ndltd.ncl.edu.tw/cgi-bin/gs32/gsweb.cgi/login?o=dnclcdrhttp://ndltd.ncl.edu.tw/cgi-bin/gs32/gsweb.cgi/login?o=dnclcdrhttp://ndltd.ncl.edu.tw/cgi-bin/gs32/gsweb.cgi/login?o=dnclcdr

第三波 能源資通訊科技與智慧電網興起

• 科技創新的根本來自於經濟支撐，過去兩波再生能源與節能科技都與現行能源經濟衝突，即價格與景氣呈負向連結，例如能源價格若降低，就會直接影響到再生能源設備與節能裝置的投資，但若能源價格持續高檔，短期雖能刺激產業，但長期來說，能源價格直接影響民生經濟，高昂的能源價格會削弱經濟景氣，連帶影響到產業；為此，第三波能源科技創新，建議能與經濟景氣正向連結，將能源使用資訊透過網路交換，可產生新的經濟模式，將工商業乃至於民生能源使用進行全面管理，應用智慧電網實現智慧生活未來!!

能源資通訊與智慧電網科技組成

智慧電網組成包含:

• 智慧電表蒐集用電資訊構成智慧電網

能源資通訊加值:

• 感測器網路蒐集能源使用相關資訊形成智慧生活

• 所有感測器、電表等連結形成物聯網

智慧電網(Smart grid)

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• 數位電表以MCU分析所得電流與電壓值及其相位，可顯示三相電壓值(V)、三相電流值(A)、耗電量(kW)、伏安數(VA)、虛功量(VAR)及功率因數(PF)等等數值，右圖為北科大開發單晶片數位電表雛形。

• 整合居家、住商住宅與工廠安裝的數位電表，如左圖可形成智慧電網，其功用在於平抑尖離峰負載，減少發電備轉容量提升能源效益使用效益，又可藉 此 保 障 能 源 使 用 安 全 。

• 參考資料: J. Gao, et al., 2011. A survey of communication/networking in Smart Grids, Future Generation Computer Systems, doi:10.1016/j.future.2011.04.014.

Review of smart

metering & smart grid

development

8

由智慧電表到智慧電網的發展架構，參考自S.S.S.R. Depuru et al. 2011, Renewable and Sustainable Energy Reviews 15, pp. 2736– 2742

數位電表與智慧電網所提供之功能

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• 智慧電表利用數位量測電力資訊，可排除人工抄錶的交通與人事等讀取電錶成本，大幅簡化用電計費架構。

• 對大電力用戶而言，與台電訂有契約容量，當用電超過一定量，將被處以兩倍以上電費之罰款，大電力用戶使用數位電表，將可預先得知即將超約，進一步降低非必要用電，達成電費節約之目的。

• 當台灣地區1200多萬用戶多換裝智慧電表後，即形成智慧電網，電力供應者可以更精確分析與掌控電力使用概況，進而更有效規劃電力需求，避免過度發電與投資。

• 據非正式資料指出，智慧電網若能有效降低台電發電之備轉容量，台灣幾乎可省下一座核能發電廠。

數位電表提供用電量測與分析

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• 本案例為國立臺北科技大學實際與國內商業機構合作，安裝數位電表用於耗能解析以及設備故障診斷之用。

• 下圖最左為實際設備，中圖為即時用電量數據，可用於設備使用狀況診斷，最右圖則為逐時用電量紀錄，可解析一日、一月乃至整年之能源消耗情形。

A連鎖(b)店ㄧ天各項耗電圖

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

hr

kW

空調

冷凍

照明

其他

A連鎖(b)店ㄧ日總耗電圖

0

5

10

15

20

25

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

hr

kW 總電

微電網發展定位

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資料來源: 核研所、IEA

美國微電網示範案例

• CERTS (the Consortium for Electric Reliability Technology

Solutions) is the most well-known of U.S. microgrids.

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資料來源: T.S. Ustun et al. / Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 (2011) 4030– 4041

歐洲微電網示範案例

• The first project funded by the EU was the “Microgrids

Project”and it was undertaken by a consortium led by National

Technical University of Athens (NTUA). The demonstration site

is an ecological estate in Mannheim–Wallstadt, Germany.

• Other implementations with smaller scales include the Labein

Microgrid in Spain, Frielas Feeder in Portugal, CESI Microgrid in

Italy, Continuon Holiday Camp Microgrid in the Netherlands,

AmSteinwag Settlement in Germany.

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資料來源: T.S. Ustun et al. / Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 (2011) 4030– 4041

日本微電網示範案例 • The first project started operation in 2005 World Exposition in Aichi

although it is removed to Tokoname City near Nagoya in 2006.

• The Shimizsu Microgrid is being developed by the Shimuzu

• Corporation with the cooperation of the University of Tokyo.

• An integrated DG control through simulations and experiments at its facility

in Yokohama. Crossing boundaries,

• Mitsubishi Corporation has installed a small grid in Hsinchiang,

• China and it can be supplied by distribution network, PV systems, battery

storage and genset operation.

• Most of the projects are funded by the New Energy and Industrial

Technology Development Organization (NEDO).

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資料來源: T.S. Ustun et al. / Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 (2011) 4030– 4041

臺灣微電網示範案例

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資料來源: 核研所

臺北科技大學與台達電合建微電網示範站

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4

UPFC

Wind Solar

Generator

Comm.

LED

lighting

HVAC

Refri.

Inverter

Battery

ICE

Storage

Coolant

DC grid for

sensitive loadings

Main

switch

UPFC

EMS 2

AC grid for

adjustable loadings &

Less sensitive loadings

Power line

Control

signal line

Protection

signal line

EMS 1

SS

微電網元件說明

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Solar 太 陽 能 板 模 組 用於提供DC電力

風力機與發電模組 用於提供AC電力

Wind

冷凍機用於醫藥 食 品 保 存 為 電網規劃敏感負載

Refri. DC電網中為避免對蓄電池充電造成能源浪費改以儲冰系統儲存冷能以支應冷凍機長時運轉

ICE

Store

EMS 1

能 源 管 理 系 統 1 用於DC電網管理敏感負載與太陽能電力分流

EMS 1

能 源 管 理 系 統 2 此為低碳管理系統用於AC電網以高能源使用效率為前提管理可調節負載與可關斷負載

Battery DC電網中仍維持少量電池蓄電以支應通訊裝置驅動同時兼顧電網維持控制

Comm. 通訊裝置為電網規劃的敏感負載除用於資通訊架構建立 另用於與其他電網擴充與分裂控制

Generator AC電網中以微型氣渦輪機或是柴油發電機作為再生能源以外的備用能源以維持電網

LED

lighting HVAC

照明與環控等可調節與可關斷負載

微電網規劃特徵一

• 以DC微電網用於敏感負載致動，對於開發中地區，規劃不能關斷之敏感負載(Sensitive loadings)是通訊設備與冷凍設備，微電網中直接以太

陽能再生能源，透過DC電網驅動，由於轉換損失之減少，可提高5%的再生能源

使用效率。

• 另一重點在於利用儲冷設備(ICE storage)，而不用蓄電電池儲存能量，可使太陽

能板發電量完全用於作功製冷，減少因蓄電、放電發熱造成的效率損失，傳統電

池充放電造成能量使用效率僅及40%，更使得整體再生能源系統能源使用效率僅

及7%，甚至更低。

• 本系統規劃太陽能板在白天吸收能量，完全用於作功製冷，在儲冷系統與冷凍設

備匹配良好的情況下(並非傳統儲冰用於空調)，能源使用效率可達80%(理論值)，

提高太陽能再生能源系統能源達12%。

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AC微電網限制

• AC電網需維持供電頻率，亦須調整個別再生能源設備間發電頻率一致，

造成實際功率下降。再生能源占比高的微電網，如本次規畫者，若純以

AC電網進行，尚需考量以風力發電機提供虛功撐持電網，避免低電壓跳

脫，此LVRT技術為AC電網必須，但造成再生能源應用效率不佳，是設計

上一大瓶頸。

19 資料來源: 核研所簡報檔

AC電網頻率控制造成實際功率下降 低電壓穿越技術需要風力發電提供虛功

DC微電網優勢

• 本次電網Topology規劃如頁4，建議以DC微電網進行敏感負載之驅動，

即在考量以最大的再生能源應用效率，維持生存必需的通訊與冷凍電力

不致中斷。目前北科大已在竹南科學園區基地，示範類似的DC電網用於

LED路燈照明，可有效提高再生能源應用效率達50%，並能長期維持穩定

供電，相關示範成果如下說明。

20 Time (hr)0 20 40 60 80 100 120

Curr

ent

(A)

0

20

40

60

80

100

120

Charging

circuits

Battery or Capacitor

Voltage regulator

System

loads

Photovoltaic

臺北科技大學設計以太陽能發電維持夜間LED照明之DC電網，透過DC充電管理與電池系統整合即可達成長期穩定供電

微電網規劃特徵二

• AC電網配合EMS低碳管理，儘管DC電網之優勢，

但對於無法集成在再生能源裝置周遭的設備，如四處散佈的照明裝置

與相關環控設施，這類可調節或可關斷負載，仍需使用AC電網進行

供電，以免饋線過長造成損失。

• 但對於再生能源應用效率不高，同時敏感度又較低的負載，規劃利用

EMS能源管理系統進行低碳管理，以節約負載所需電力，延長可調節

負載工作時間，同時盡力維持可關斷負載延長開啟，以使再生能源供

電仍有一定的生活品質。

• 目前規劃以LED照明為主，配合PWM(Pulse Width Modulation)與

人員偵測起停控制，維持再生能源供電區域有充足照明，甚至有限度

的支持HVAC設備運作，如頁4所示。

21

低碳管理實現生活品質提升

• 本規劃將EMS整合進電網中，透過有效的能源管理，可節約照明能量

達30%，空調消耗最大節約42%，讓再生能源點亮的生活也很精彩。

22

10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00

hours

22.8

23.2

23.6

24

24.4

24.8

25.2

sens

or re

spon

se te

mpe

ratu

re (o

C)

08/18

08/19

08/20

08/21

自持式微電網與低碳環境整合示範站

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臺北科技大學將以跨領域的團隊，建置特色獨具的自持式電網，以高再

生能源佔比(98%)的規劃，提供開發中國家提高生活品質的動力來源，

技術上整合AC/DC電網以提高再生能源的能源使用效率，並透過儲冰技

術減少充電能量損失。但最具特色的是將低碳觀念引入，從能源管理系

統到建築工法實現的低碳環境，能使得未來開發中地區經濟成長同時，

不帶給地球超量之負荷。

再生

能源

低碳

生態

環境

台灣電信業者提供數位電表安裝與節能服務

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• 除實驗示範性質案例，國內電信業者近來積極跨入數位電表通訊與能源管理應用，下圖為國內小學安裝數位電力看板，以及用電超約的即時警告裝置。

• 數位看板可有效告知小學機電管理人員，用電量即將超約，並由手動方式卸載，避免超約罰款。

連結區域內單位用數位電表資訊構成電網雛形

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• 國內電信業者將多處國中小之數位電表，以 google連結資訊後，構成一電網雛型。

• 透過此平台，可即時查詢區域內任一國小的即時用電量，進行區域化集成式管理。

• 利用此平台，已可達成簡單的區域用電負載管理，減少不必要的發電備轉，相關資訊尚可用於行為分析等，數位電網與人類使用行為結合，應用範圍可進一步拓展。

系統整合-連結環境感測與電量監控

• 將數位電表與環境感測器結合，形成了建築物能源管理系統 BEMS, Building Energy Management System

Data from Emerson co., ltd