第190期 / August 8, 2013

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智慧電網之先進讀表系統架構與發展現況

作者/林旻君

[發表日期:2013/8/5]

前言

在國際能源與氣候議題持續發酵下,各國大力推動智慧電網建設,期望能透過即時控制及需求端管理,來促進電力資源最佳化配置與運行,達到節能減碳目標。而為了達成此目的,必須仰賴電力資訊蒐集與分析,故具備雙向通訊功能的先進讀表系統(Advanced Metering Infrastructure;AMI),可使電力系統自動化與資訊化深入家庭/建築物內,被視為智慧電網的基礎骨幹。智慧電表安裝數量自2009年起,開始出現兩位數的成長,市場研究機構ABI預估2009年智慧電表安裝達7,600萬具,2015年預計將達2.12億具。未來五年歐洲與北美仍為主力市場,亞洲在中國大陸帶動下,為成長潛力最大的區域。

智慧電網與先進讀表之關聯

智慧電網 (Smart Grid,中國稱為智能電網),其目標簡單而言是「在傳統電網上建設高速通訊網路,透過感測、分析、預測、決策、控制等資訊處理技術,提供穩定高效率電力供應」,傳統電網分為發電、輸電、配電三大領域,不同國家或地區智慧化優先順序並不同,智慧電網導入策略 歐盟、美國 並不相同 ( 圖一:美國與歐盟智慧電網導入順序差異),歐盟優先導入智慧電表架構,再逐步延伸至其他智慧電網應用,美國也是在智慧電表基礎下,平行推動其他智慧電網應用,所以先進讀表系統是其他應用的基礎建設。


《圖一》美國與歐盟智慧電網導入順序差異


我國台灣電力公司二萬三千多高壓用戶AMI系統已完成建置並上線運轉中,正進行分批更換智慧電表作業,預定2011 年啟動一萬門低壓用戶先進讀表驗證系統建置,為我國1200 萬低壓用戶全面導入AMI 先進讀表系統做準備。

AMI系統架構簡介

AMI係指利用各種通訊方式,將用戶端電表資料傳送回控制中心的技術,透過雙向通訊達成各種遠端資料讀取、提供、設定及控制等多種功能之系統。AMI相較於傳統機械電表,優點在於具備雙向通訊功能,因此AMI可連結用電、發電甚至是儲電系統等多方之資訊相互流通,輔助電網朝向電力系統之高速公路發展,達到隨上隨下的功能。因此AMI主要優點在於促成節能減碳目標實現、改善供電品質以及提升經濟效率,因此在國家面、電業面、用電戶面三方面各能提供多方面的效益,如圖二。


《圖二》AMI為國家、電力業者與用戶帶來之效益


在國家面AMI可促成需求面管理,以及再生能源併網,因此有助於國家達成節能減碳政策目標。而對於電業而言,AMI可提供負載控制通訊功能,快速量測、診斷電力質量,來實現電網自癒功能(self-healing),提升供電品質;並可透過時間電價機制之搭配,實現尖離峰平滑,以減緩新建電廠的壓力;同時 更容易獲得用戶的用電資料,故可提供更多創新服務。最後在用戶面,AMI搭配顯示器可使 用電資訊透明化,使用電戶能掌握更多資訊,進行能源管理;並加強用戶與電力系統之靈活互動,使用電戶可同時扮演發電者與電力消耗者的角色,有助於健全電力市場運作。

AMI三個主要次系統

AMI系統主要由智慧電表(Smart Meter)、通訊系統與設備、電表資訊管理系統(Meter Database Management system;MDMS)所組成,如圖三所示。


《圖三》AMI系統架構


一、智慧電表:

智慧電表指可進行較複雜電力運算邏輯之電子電表,再加上雙向通訊功能。因此智慧電表內部主要關鍵元件依功能可分為通訊模組與計量模組兩大部分。

為使用戶與電力公司能有更靈活互動,智慧電表所能支援之功能,相較於一般之電子電表來的複雜的多,除了基本的多功能電力參數量測之外,尚必須有支援時間電價、需量計量、負載曲線、即時電價,以及電力品質計量等功能。

二、AMI通訊技術之選擇:

可用於AMI之通訊技術多元,技術採用需視通訊範圍以及各地區環境差異而不同,目前包括PLC(Power Line Control)、光纖(Fiber To The x;FTTx)、乙太網路(Ethernet)、ADSL、行動網路(GSM、GPRS、3G、CDMA…)或無線網路技術(Wimax、Wi-Fi、RF)等不同通訊技術。AMI依通訊範圍可分為三種通訊介面:

1.廣域區域網路(Wide Area Network;WAN):此部分需採用可長距離通訊的通訊技術,通常會以行動通訊技術為優先,如GSM、GPRS、3G…等。

2.區域網路(Local Area Network;LAN):一般會以免付費之有線無線通訊技術為優先考量,如PLC、RF、Zigbee…等。

3.家庭區域網路(Home Area Network;HAN):通常以方便性及低成本為考量,目前主要以Zigbee或PLC通訊技術為優先。

三、電表資訊管理系統(Meter Database Management System;MDMS):

MDMS主要技術涵量在於軟體之開發。AMI系統架構下,資訊全透過通訊系統傳遞,電表所收集到的資訊透過通訊系統存入MDMS,同時必須支持多項後端應用系統,如帳務系統、缺電系統、客服系統…等。AMI系統下之MDMS主要功能簡述如下:

1.可接受來自不同AMI架構、廠商、電表型態之資料,並依據電力公司標準對讀取到的資料進行資料確認。

2.資料來源判斷與編輯處理(Validation、Estimation、and Editing;VEE)。

3.記錄讀表過程的狀態和事件,以及透過分析與歷史資料比對,找出疑似的慢速電表、停止電表和竊電行為…等。

4.支援用戶資訊系統(Customer Information System;CIS)、票務系統連接…等後端應用系統。

AMI 先進讀表系統之通訊瓶頸

AMI 先進讀表系統分為公用事業端系統與用戶端場域網路 (Field Area Network 簡稱FAN),FAN 也可稱為用戶端AMI Last Mile。FAN 通訊瓶頸是目前AMI 系統導入最大挑戰,其主要原因有三:

一、電表主要功能是供電與計費,根據標準檢驗局規定數位電表必須通過度量衡檢驗( 我國數位電錶符合CNS14607 標準) 後鉛封,不能被開啟修改,基於安全考量,智慧電表被設計成無任何外部端子,避免有被修改之可能,但也侷限了所能使用之通訊技術。

二、我國新建築均有考慮寬頻網路與有線電視之配線或預留管路,新建築要導入相對容易,老舊建築有時會採用明線直接釘在建築外牆,電表因其安裝位置沒有一定規則,或許在地下室或是騎樓或是樓梯間…等等,在沒有法規規範下,不管建商有無意願,新建築都不會預留AMI 通訊線路或管路,部分電表安裝位置也無任何無線訊號可通。

三、任何開放式通訊環境均有網路資訊安全問題, AMI 系統在無法確保安全無疑前提下,幾乎全採封閉式專屬網路,因被入侵之損失範圍不只是電力公司而已,還包含用電戶,最極端情況下可能使電網崩潰。

因此FAN必須針對不同環境,彈性選擇合適技術,而非採單一通訊技術。

國際AMI市場分析

各國推動智慧電網佈建,是AMI產業發展之關鍵,2010年開始將是智慧電網的時代,依據研究機構ABI預估2010年全球智慧電表安裝量將達9,500萬戶,相較於2009年的7,600萬戶成長13%,而2015年全球智慧電表安裝量將達2.12億戶,且預期未來五年內智慧電表主要市場仍以歐洲與北美洲為主,而亞洲國家在中國大陸帶動下將成為潛力市場(如圖四)。


《圖四》全球智慧電表市場規模


一、歐洲AMI佈建居於領先地位:歐盟在「20-20-20」協議下,於第三次EUs Energy Packages(2009/72/EC Electricity Directive)中要求在西元2020年,需滿足80%的能源用戶皆使用智慧電表的要求,促使更多歐盟國家推行汰換電表。預估在2011年以後西班牙、法國及英國…等國的智慧電表計畫正式啟動並開始大規模換裝,市場將大幅成長。

二、美國於2009年開始積極展開AMI佈建行動:在美國能源政策法案(Energy Policy Act)以及復甦與再投資法案(American Recovery and Reinvestment Act)推動下,美國各州政府協同當地電力業者,開始依據當地電力使用情況積極進行相關建設規劃。依據FERC(Federal Energy Regulatory Commission)調查,截至2008年底美國合計已安裝約670萬個智慧電表,佔總電表數約4.7%,預估5~7年內上需換裝約5,200萬個智慧電表。

三、亞洲為未來潛力市場:亞洲國家以中國大陸及日本之AMI佈建規劃輪廓較為清晰。中國大陸自2009年開始宣佈積極展開智慧電網規劃後,即由國家電網統一集中招標採購各式設備。其中以先進讀表系統(Advanced Metering Infrastructure;AMI)的招標時程最快,目前已經進行三次共約2,800萬個智慧電表招標。

參考資料

1.能源國家型科技計畫:智慧電網與讀表主軸計畫
2.智慧電網與讀表主軸專案計畫簡介
3.智慧電網之先進讀表發展與應用
4.我國先進讀表現況與智慧電網推廣策略報告
5.智慧電網產業的先鋒部隊-先進讀表系統發展概況
6.智慧電網之先進讀錶建設(AMI)介紹
7.台灣智慧電網技術研發方向
8.ETSI/Smart Grids Scoping Meeting – June 14, 2010
9.The Smart Grid in 2010: Market segments, applications and industry players (GTM RESEARCH)。