「智慧電網」是什麼？

 

智慧電網 (smart grid) 可說是最近的、複雜的且仍在不斷發展中的一種概念，它使電網許多潛在的新功能或性能成為可能。因此，它可用多種方式予以定義。

 

國際電工委員會 (International Electrotechnical Commission, IEC) 將「智慧電網」視為一種「行銷術語 (marketing term)」，而非「技術定義 (technical definition)」；再者，世界各國或區域因地理、政治、社會、經濟等各種條件的不同，對「智慧電網」的定義或闡釋亦有所別，致使其迄今仍無國際公認的一致性定義[1]。

 

一般的認知是，智慧電網係因資訊與通訊技術 (information and communications technology, ICT) 的導入，使得電網變得更具彈性、能互動，且能就要求為即時反饋。因此，智慧電網的首要觀點並非「它是什麼？」，而是「它做什麼？」，亦即如何做？使它能對電業、用戶、利益關係人、環境、社會、經濟、國家甚或全人類有利。基此，智慧電網的概念可有許多的定義與闡釋，取決於特定的人或團體及其所想要達到的成果與目標。

 

歐洲技術平台 (European Technology Platform) 把「智慧電網」定義為：「為了有效達成可永續、經濟且穩固的電力供應，可智慧的整合所有「將用戶連接到發電機及發電機連接到用戶」的所有行為的電力網路。」；而國際能源總署 (International Energy Agency, IEA) 在《Technology Roadmap: Smart Grids (IEA 2011)》報告中，對智慧電網亦作了較具體的描述：「智慧電網是一個電力網系統，使用數位技術來監控與管理所有發電源電力的輸送，滿足終端用戶的不同電力需求。智慧電網能夠協調所有發電業、電網營運者、終端用戶及電力市場利益關係人的需求與能力。以此一方式執行，可優化電網資產的利用與操作，且在其過程中，可最小化成本及對環境的衝擊，同時維持系統的可靠度、衝擊韌性與穩定度。」[2]

 

美國能源部 (United States Department of Energy, DOE) 則把「智慧電網」闡述為「可監視與控制電網中每個用戶與節點，確保電廠與用電設備及電網中所有節點間的訊息與電力的雙向流動的一種完全自動化電力輸送網路。」[3]而美國電力研究院 (Electric Power Research Institute, EPRI) 則將「智慧電網」一詞定義為「電力輸送系統的現代化，使其可監控、保護及優化其相互連接的所有元件―從集中式與分散式發電機起，經過高壓輸電與配電網路，直到工業用戶、建築自動化系統、儲能裝置、終端用戶，並進而至其內部的溫控器、電動車輛、家電及其他家用設備。」[4]

 

綜上所述可知，發展智慧電網，預期將可增進或改進電網的可靠度 (reliability)、安全性 (safety)、穩固性 (security)、能源效率 (energy efficiency)、環境衝擊 (environmental impact) 及財務效益 (financial benefit)。又透過與負載管理 (load management) 及儲能技術 (storage technologies) 的整合，則可將高滲透率的再生能源發電系統有效整合至電網，因此，對減緩氣候變遷的潛力而言，智慧電網被視為是「其他二氧化碳減排技術 (other CO2-reduction technologies) 與解決方案」的關鍵項目，該項目揭示的潛力行動方案即為「加快智慧電網技術的開發與布建」。

 

為何要推動「智慧電網」？

 

智慧電網的推動，初期主要是基於「預防」與「推廣」兩個層面－預防大規模停電及推廣再生能源發電。

 

美國因幅員廣闊，且電網設備大多已甚老舊，任何一個設備、線路或系統發生故障，皆可能因連鎖效應，造成大規模停電，包括跨區域、跨國界停電。推動智慧電網，可透過先進資通訊技術及電網監控與管理技術，將反應時間大幅縮短，使災害的影響控制在最小範圍內，除可避免事故擴大外，有部分甚至可在瞬間恢復至正常狀態。

 

美國建構智慧電網的另一個目標就是要將電網逐步建構成為一個可提供間歇性再生能源發電設備 (風力發電、太陽光電發電) 高滲透率的環境，使低碳能源發電設備得「即插即用」。因風力與太陽光電等再生能源發電設備的輸出具間歇性、不穩定性，如何經濟的、有效的將其與傳統大型集中式發電廠整合，避免系統品質低落、不穩定，甚或崩潰，至為重要，尤其是在間歇性再生能源發電設備高滲透率的情況下。因此，系統的「穩定」是美國推動智慧電網的重點目標之一。除此之外，為經濟、有效的達成前揭目標，建構一個可讓終端用戶參與電網運作的平台，俾進行需求面管理 (DSM)，亦甚關鍵。總體而言，就是要在國家層級上，建構一個獨立、創新，兼具環保、供電安全與品質的電網系統。

 

在歐洲，同樣有電網設備老舊及再生能源發電設備滲透率高的問題，尤其是在不久的將來。除此之外，如何在歐盟共同架構下，建立整合性的電力市場，來經濟、有效的利用成員國的電網與能源資源、融通電力與能源，對歐盟來說，亦是重要課題，智慧電網被視為是達成此一目標的可行方法與重要工具。

 

其他地區或國家雖因個別內外在條件有別，在智慧電網建構的大方向與目標上尚無明顯差異，但在執行方法、措施、步驟、功能、利益等的設定上則有明顯不同，尤其是在短、中期計畫與目標設定上。

 

「智慧電網」的概念架構

 

智慧電網概念架構如圖一所示，按屬性可概分基礎層、通訊層、資訊層、功能層、商業層，共5大層級 [5]，各層級間具互通互運性 (interoperability)。基礎層除原傳統電網之發電、輸電、配電、用戶4大系統外，尚須包括分散型電源、儲能系統、智慧電表、智慧電動車、感測與計量系統等之基礎建設。透過通訊層與資訊層之先進技術及功能層之規劃，可使基礎層各子系統間、各設備間、各裝置間之橫向運作具協調性，能互補、互運；在縱向運作上則具階層式管理架構，可獲全系統(全域)、區域、當地 (local) 之最適化功能與效益，包括供電安全、品質、資產利用、環境永續在內，此外，亦將會有甚多新應用、新產品、新服務產生。故智慧電網之建構確能獲得商業上之極大效益，包括財務、經濟、社會、環境等效益。

智慧電網技術範圍

智慧電網技術範圍涵蓋甚廣，摘要如下：智慧能源資源、智慧變電所、智慧輸電系統、智慧配電系統、計量與感測系統、資訊與通訊系統、地理空間資訊系統、電力監測與診斷、能源管理與控制、用戶需量管理、資產管理、跨領域技術匯合、企業間業務整合、高效能計算、雲端運算、網路安全、標準化作業等不一而足，屬跨領域、跨系統、跨企業技術。

以一個較高階的智慧電網系統而言，智慧電網被認為至少包含下列組件：(1) 智慧感測與讀表：對用戶的選擇，如遠距監控、時間電價 (TOU）、需求側管理 (DSM)等，可提供更快速、更準確的響應；(2) 整合的、標準的及雙向的通信基礎設施：提供一個開放式架構給電網的每一終端用戶，使其可獲取即時資訊及賦予其一定之參與及控制權限；(3) 先進的調控技術：可監控關鍵組件，實現快速診斷與準確反應，對事件的發生有自瘉 (self-healing) 能力；(4) 改良的界面、決策支援、分析與先進可視的軟體系統架構：可增強有權人的決策能力，及可有效轉變電網的操作者與管理者成為知識工作者。

目標與展望

美國能源部 (DOE) 揭示智慧電網的七個目標為：(1) 促使消費者積極參與需量反應；(2) 兼容所有的發電與儲能選項；(3) 促成新產品、新服務與新市場；(4) 提供符合二十一世紀需求的電力品質；(5) 資產與高效運行的最佳化；(6) 電力擾動事件後的自我恢復能力；(7) 抵抗實體與網路攻擊的彈性操作。由此可知，智慧電網具有：富智慧 (intelligent)、高效率 (efficient)、重品質 (quality focused)、兼容並蓄 (accommodating)、富彈性 (resilient)、具激勵性 (motivating)、具綠色 (green) 理念及充滿機會 (opportunistic) 七大特色或優勢。

是故，智慧電網對未來世界的繁榮與永續發展至為關鍵，所有的利益關係人必須同心並力在一個共同的願景上―現今電網的完全現代化與智慧化。智慧電網將不僅是單一或少數國家或區域欲追求的利益或實現的目標，亦是全人類應努力實踐的理念。全球已有甚多智慧電網活動在進行，包括國家、區域及非政府組織，以聯盟 (alliances)、工作小組 (working groups)、委員會 (committees) 及獨立組織 (independent organizations) 等各種方式推動。因智慧電網涉及層面廣、投資金額大，且有龐大利益分配問題，是故欲將「智慧」帶入電網的任何努力，都必須與監管機構的立場與行動，以及政府的政策、行動方案與法令緊密結合，始有成功的可能。因此，智慧電網推動者常以誘因 (incentive)、辯護理由 (justification) 及指令 (mandates) 等提供給電網業者、監管機構及政府，俾促其進行智慧電網的初期與後續投資。此外，也已制訂出甚多智慧電網相關的標準，未來獲致建構智慧電網的極大效益甚為可期。

我國雖亦積極投入研究、試辦，但性質上大都屬技術與研究層次，與建構智慧電網重在政策與實踐，容有甚大差距。我國應借鏡國際能源先進國家作法，在經濟競爭力、能源的可靠與安全、活化用戶 (給予更大的權限)、環境永續等面向上，為深入分析與評估，找出我國推動智慧電網動力、理由與優先順序，配合政策與立法推動，成功亦甚可期，冀望各界齊心並力在智慧電網的建構上，共創未來榮景。

 

 

參考文獻

1. Tania Zgajewski, EGMONT (Royal Institute for International Relations) Paper 7, Smart Electricity Grids: A Very Slow Development in the EU, Feb. 2015, Academia Press. 

2. International Energy Agency; Press release: Technology Roadmap: Smart Grids, OECD/IEA, Paris, 2011. http://www.iea.org/Papers/2011/SmartGrids_roadmap.pdf

3. GRID 2030; A National Vision for Electricity’s Second 100 Years, United States Department of Energy, Office of Electric Transmission and Distribution, 2003.

4. Report to NIST on the Smart Grids Interoperability Standards Roadmap, EPRI, 2009.

5. https://www.siemens.com/press/en/pressrelease/?press=/en/pressrelease/2012/infrastructure-cities/smart-grid/icsg201205018.htm

 

 

 

(本文內容為作者個人觀點，不代表本部立場)