智慧電網技術挑戰與解決方向

ABB智慧電網願景示意展示。

一個嚴峻的事實：全球有40%以上的電力供給來自於燃煤，成為碳排放的最大來源。而現今電力系統的明顯不效率，從一次能源到有效電力使用的能源鏈中，有近80%的耗損。雖說再生能源的快速成長填補了部分需求缺口，但仍是少數。特別是再生能源的間歇性與無法預測性，也為電力產業帶來新挑戰，例如能源儲存與電網併聯。種種挑戰，促使電力系統從現行結構與運行方式上進行根本性的調整，而這種未來的電力系統，則稱為「智慧電網」。

因各國電力產業生態與發展歷史的差異，「智慧電網」在不同地區有不同定義。例如在美國，「智慧電網」具有以下特點：

●電網具自我修復功能，可事前預警與事後回應系統擾動。
●消費者能積極參與電網的用電供需回應機制。
●當遭逢實體與網路攻擊時，電網可靈活調整運作模式。
●提供滿足21世紀需求的優質電力。
●可廣納各種發電和儲電方案。
●可兼容新產品、新服務和新市場需求。
●可優化資產使用率和運行效率。

在歐盟地區，因電業自由化程度相對高，「智慧電網」強調：因應未來需求和挑戰的「彈性」；能串聯可再生電力源、當地發電系統與電網用戶的「可及性」；電網是安全的、可靈活應對風險與不確定因素的「可靠性」；以創新技術提供最佳解決方案的「經濟性」。在大陸，電網系統的發展仍停留在相對前期階段。因此「智慧電網」意指一種新式的輸配電系統，融合傳統和先進的電力工程與網路監控技術，從而提供更佳電網效能與各種加值服務。

未來電力系統的4大特色

對於未來電力系統的技術挑戰，主要包括四個主要部份：

容量(Capacity)：以經濟可行的方案來滿足未來社會的龐大電力需求。據國際能源署預測，未來20年每週將要增加1座1 GW的電廠和相關電網設施以因應不斷增加的電力需求。面對如此龐大需求，未來電力系統必須以經濟節約的方式妥善應對。

可靠度(Reliability)：提供高品質且可靠的電力供給。輸電量越大，系統運行就越逼近穩定的極限，對於停電甚至是更小的擾動事故也就越難以承受。據美國最新研究報告顯示，不可靠的電力系統每年導致的經濟損失高達800億美元。另外，穩健的電網系統意味著較低的備用電廠設置需求，同時隱含更低的碳排放。

效率(Efficiency)：提升電力價值鏈的整體效率。從發電、輸配電端開始，到工廠與住宅商辦，都可利用更換部分節能產品來提升整體使用效率。據研究，變頻器的節能潛力遠大於節能燈泡，而歐盟的工業馬達能效規範，可望在2020年前每年節電1,350億度，此舉比淘汰全歐盟所有白熾燈所節約的電力還要高3倍以上。

永續性(Sustainability)：有效整合再生能源併入電網。再生能源併入電網的最大挑戰在於如何平穩間歇性電力對電網造成的擾動。以離岸風電為例，要連接遙遠的海上風場，除了完整電氣系統、儲電設備外，尚需高壓直流電纜技術作為跨海輸電的配套。

ABB的智慧電網技術方案

從技術的根本來看，智慧電網由4大技術層層架疊而成。底層為能源的轉換、運輸、儲存和使用，可類比為人體的肌肉；感測器(sensor)和致動器(actuator)層可類比為感知環境和控制肌肉的感覺和運動神經；通信層類比為傳輸感知和控制信號的神經系統；決策智慧層則相當於人腦。

ABB結合現有技術與新技術，從滿足上述4大特色的角度出發，研究開發智慧電網的產品組合，試舉如下。

廣域監測系統(Wide area monitoring system；WAMS)─即時匯集電網資訊，結合相量資料並由GPS衛星提供精準時間標記，以隨時掌控任何異常現象。

彈性交流輸電系統(Flexible AC transmission system；FACTS)─補償線路電感，實現最大電力傳輸。亦可透過動態併聯補償減少擾動，保持電網穩定。

高壓直流輸電系統(HVDC)─HVDC系統將電廠的交流電轉為高壓直流電進行傳輸，再轉換為交流市電供用戶使用。因而不同頻率(50或60 Hz)的電網可相互連接，而部分電網出現不穩定狀態時，也可局部區隔，使得影響範圍降至最小。

故障檢測和系統恢復─變電站自動化系統可執行資料擷取、遠端通訊與監控、故障評估等，另外在IEC 61850通訊標準下，可確保不同品牌產品間的互通性。

(本圖文由ABB提供，陳毅斌整理)