產業觀察

節電大作戰-智慧型電力監測系統

作者/李佳候

[發表日期：2013/6/5]前言

經濟的不景氣，加上油電雙漲，而導致目前每戶人家，甚至是各大中小企業，都開始紛紛提倡如何節省電力的消耗，所以該如何節省電力的消耗與浪費，成為我們必需要關注的一個問題。關於省電，不外乎就是想省更多在用電上的花費，很多公司行號以及工廠、學校等等這些高用電的族群當然就為第一優先的考量。 這時候我們需要的就是一個智慧型電力監測系統，我們可以簡稱為節電系統。一個優良的節電系統能帶給我們減少多少電力的浪費也是一個必須要討論的課題，他可以在哪些方面幫你節省電力，又有甚麼方法讓你不受契約容量超約的危機，其實最簡單的方式就是比較系統上線之後與之前用電花費的總額做比較，假如電費總額明顯的下降了，這當然就是個成功的節電系統。

這時候我們需要的就是一個智慧型電力監測系統，我們可以簡稱為節電系統。一個優良的節電系統能帶給我們減少多少電力的浪費也是一個必須要討論的課題，他可以在哪些方面幫你節省電力，又有甚麼方法讓你不受契約容量超約的危機，其實最簡單的方式就是比較系統上線之後與之前用電花費的總額做比較，假如電費總額明顯的下降了，這當然就是個成功的節電系統。

什麼是智慧型電力監測系統？

透過用電的需量控制、負載移轉能有效的防止用電超過契約容量，並且能將尖峰時段的用電移轉到離峰時段以節省電費。本系統並能透過事先建立的節能規則(Rule-Based)、納入環境因子(如溫溼度、耗電量等)並運用統計分析法來預測未來用電，協助業者訂定最佳契約容量。亦可監測因設備故障或管理不當而導致的異常用電。

四大節電策略：

一、需量控制：有效控制用電量，於快超越契約容量時，依順序對耗電設備進行卸載。
二、負載移轉：將用電量高、不需特定時間運轉的設備，進行負載排程移轉，避免設備同時用電。
三、用電預測：配合各類環境參數建立設備用電預測模型，可協助管理者掌控未來用電狀況。
四、異常監測：建立異常用電監測與智慧化系統分析模組，解決如設備故障、線路異常、未正常關閉導致用電偏高問題。

台電電費計價方式

用電時段可分為尖峰與非尖峰，夏季與非夏季，其計價的方式當然也會有不同以用電量的多寡 簡單可分為低壓用電與高壓用電。

一、低壓用電：通常是指家庭或是一般住宅大樓等等這些低用電族群的一般用戶，這類型的電費計價只需要考慮流動電費，在各個時段用了多少電，呈上各個時段的電價，就是你用電的費用。

二、高壓與特高壓用電：顧名思義此類是用電需求大的族群，其計費的方式就與一般用戶的不同，它包含了與台電訂定的契約需量，契約需量以15分鐘為單位計算一筆，當一個月的需量超過了訂定的契約需量，使用單位則必須支付給台電一筆罰金。


高壓用電又區分為兩段與三段式時間電價計價，三段式時間電價交兩段式多了半尖峰時間，其計算方式又更為複雜，下面表格的圖示為中華民國101年6月10日，台灣電力公司高壓、特高壓電價表，目前高壓用戶多為兩段式時間電價。


系統架構

一個完整的節電系統，不僅要能夠監視，還要能夠進行對電器的控制，那麼我們就必須要有下列硬體設備：

一、多功能智慧型電表：節電系統最基本也是最重要的設備，它提供我們系統獲得最底層的電力資訊，譬如說各個電器設備的用電度數、用電需量、電壓以及電流等等各類電力數據。

二、控制器(PLC)：假如我們要暫停或是對某些用電設備進行控制，當電器用電過度時，系統會透過控制器對某電器進行調控，譬如冷氣的降溫或是關閉冰水主機壓縮機等動作。

三、GATEWAY(固定IP、動態IP)：電表必須透過Gateway，才能正確地將後端的資訊，也就是底下智慧型電表的數據，傳遞給前台的系統，而前台也藉由Gateway向電表傳遞或是要求訊息。

四、伺服器主機：包含了與電表傳接訊息的協定以及儲存大量電表報表資料的資料庫，並且可以讓客戶端，也就是使用者操作平台可以連線進入進行監控。

五、使用者操作平台：讓使用者可以便捷的了解用電的狀況，簡單的去設定用電的排程以及需量和警報。

六、如下圖所示，將透過通訊網路連結建築物內的耗電設備，再藉由節電服務平台(智慧型節電系統)，提供各項節電措施：電力需量控制、負載排程移轉、用電預測分析、用電異常監測等節電策略應用。



節電系統運作

一、電力需量控制建置說明：

電力需量控制主要是透過建立設備用電優先策略，即時監測各類型用電量，若用電將超越總契約容量，則依系統訊號依序針對不同用電設備進行各種程度的負載卸載(一次卸載、逐步卸載、停止運作)。 大樓整體環境的電力連續監測實際即時數據（包括電流、電壓、電量、瓦特、功因、瓦時、頻率、需量，有效和無效電能計算等）可經由電力盤主控制器獲得完整的取得，因此節能系統可就此取得用戶端完善詳盡的用電數據資料，以供後續系統決策運行與分析計算評估。

用電需量的定義為在某一特定時間區段內，有效電力的平均值。而根據台電公司目前用電計價之規定，用電需量契約容量乃用戶端與台電公司雙方約定15分鐘平均之最高需量值為契約容量，並以此契約容量作為基本電費計算之依據。若是最高需量之值超出其所申請的契約容量時，則稱之為超約用電。

因此，若節能系統在15分鐘時間間隔內所量測的功率平均值趨近於契約容量的85%~90%，即可發出警報訊息；若趨近於90%~95%即可進行需量?載控制，以避免超約用電受罰。當然，此處所提及的平均時間間隔及監控臨界值是可以根據用戶端實際考量作客制設定。



二、負載排程移轉建置說明：

負載排程移轉主要是提供基礎的時序排程管控針對如照明設備、空調主機、停車場風機，裝設時序控制設備，透過遠端的能源管理系統調整各類型用電設施的運轉時程、監測運作狀況。系統並將建立進階的負載移轉策略，針對如水泵、幫浦、排風機，設定最佳負載轉移排程，避免尖峰時段同步用電量飆高。

若建築物導入智慧型用電監測系統，未來應用模式將可自動進行負載移轉(半夜排風降低CO2/水塔抽滿水…)，可讓尖峰時刻瞬間用電量/15分鐘平均用電量下降，進一步可調降契約容量、將部份用電移至離峰低電價時段達到節電效果。



三、用電預測分析建置說明：

用電預測分析建置主要是透過蒐集各類用電設備歷史用電趨勢，配合各類環境參數建立設備用電預測模型，可協助管理者掌控未來用電狀況，設訂最佳用電契約容量。

若建築物導入智慧型用電監測系統，未來應用模式將可依據歷史資料進行各因子相關迴歸分析，透過預測分析回饋管理者節電控制建議(如用電設備配置建議、冰水主機負載設定建議、停車場風機運轉台數建議、泵浦轉速設定建議…等)，透過系統提供設備端進階節電設定建議，亦可進一步設定最佳契約容量。



四、用電異常監測建置說明：

用電異常監測主要是藉由長期監測用電設備耗電狀況，透過用電曲線分析，排除異常用電。並可配合前端溫度感測，提供合理的主機空調運轉建議，避免用電浪費。

若建築物導入智慧型用電監測系統，未來應用模式將可分析用電監測報表，透過各種模組追蹤各類型用電異常，可即時通報管理人員，進行後續設備維修/替換/關閉等動作，減少設備異常用電浪費。



若建築物導入智慧型用電監測系統，未來應用模式將可進行環境取樣分析，調查空調過度供應區域與計算最佳空調供應設定，降低後端冰水主機負載，調降前端區域空調冷房供應，減少環境異常用電浪費。


預期效益

智慧型電力監測系統的估計效益說明如下，將提供大樓通路端2-3年成本回收的解決方案，詳細的EROI(能源投資回收報酬)計算說明如下所述：



若以『樓高25層以上地下5層』之商辦大樓建置標的為例-用電最高的公共用電電號進行分析推算，預計可節省下來的電費包含「減少超約受罰省下的電費」、「將部份用電由尖峰電價時段移轉到離峰電價時段，降低單位流動用電電」、「降低異常用電所導致的用電浪費」、「配合用電預測模型設定最佳化用電契約容量」：

減少超約受罰省下的電費：
‧一般超罰約3個月、超出用電罰款2-3倍。
‧大樓在夏月(6-9)經常性超約，最高可節省電費約5% (總電費996.6萬、超約電費佔50.3萬)。

將部份用電由尖峰電價時段移轉到離峰電價時段，降低單位流動用電電價：
‧尖峰用電電價每度$3.13 → 離峰用電電價每度$1.42。
‧以2%可用電移轉設備計，轉至離峰可降低55%電費，可節省總體用電約1.1%。

降低異常用電所導致的用電浪費：
‧排除設備故障與無效使用的用電浪費、調降公用區域空調負載。
‧空調用電以佔整體用電60%計，節省10%空調浪費，可節省總體用電約6%。

配合用電預測模型設定最佳化用電契約容量：
‧基本電費/總電費約16.7% ，降低5%契約容量可節省0.8%整體電費。

綜合上述節電效益分析，理想化最佳節電數據為12.9%，以達成率7成計，實際節能效果估計約9%。一年電費996萬計，約可節省90萬電費。

節電系統軟體功能面 (使用者操作平台)

當架設起一個完整的智慧型監測系統，將會提供以下介面模組供使用者操作以及查詢電表資訊的功能：

一、各電表即時與歷史資訊

顯示出各個電表目前即時的用電狀況，譬如它的用電度數(kWh)、電流、電壓、功因等等。也提供查詢過往的電力資訊，讓使用者可以清楚的知道每一天、每個月、甚至是每年的基本用電資訊。

二、需量預測與控制

企業高壓用電戶與台電簽訂契約容量，為了不超過這每十五分鐘計算一次的契約容量，所以特別拉出這重要的一塊，需量預測與控制。需量預測的方法，目前國內有兩種大項，第一種是同步式預測；另一種則是滑動式預測，在此不特別講述這兩主方法的差異，總之它是一種預測你在這十五分鐘以內會不會超過與台電簽訂的契約需量，也就是用電的功率是否過量，當達到一訂的使用量，系統會發出警報提醒使用者，而這個警報值是可以由使用者自己訂定的，所以這時就可以立刻對用電設備進行控制，或是讓它自動進行關閉以防止超過契約容量。

三、各種用電報表與圖表

如何簡單明瞭的了解整個大樓的用電狀況，一定是經過整理的資料或是產生圖表的方式，再一個智慧型監測系統當中，使用者可以看到每天每月或是每年度的用電資訊以報表以及圖表 (例如曲線圖與直條圖) 的方式呈現，也可將兩筆或多筆不同時段或是不同電表的電力資訊做比較，找出用量異常的電表。

四、電費預測分析

計算各時間的累計電費，以報表或是圖表的方式顯示，讓使用者清楚知道花費了多少的電費，也可以知道是否有節省了多少電費，並且提供做最佳契約容量的分析，我們可以藉由過去的電費資訊，也可以先假設每個月分別用了多少電量去預測每年度最佳契約容量，來推算出下一次與台電簽訂多少千瓦的契約容量才會最節省花費最符合經濟效益，

五、警報與事件

整個節電系統有任何的事件與警報，都會即時的提醒使用者，並且記錄起來，讓使用者可以清楚了解目前用電是否有任何問題，例如需量的過載、某些用電設備的異常，以及郵件發送失敗、使用者登入這些事件，都可以提醒使用者去對設備或是服務端主機去進行處理與微調。

總結

使用智慧型電力監測系統的管理用戶的客戶端，可以透過網際網路的遠端連線至服務端的主機，即可以輕鬆的對設備用電進行監測與控制，而服務端的電表用電與報表的資料儲存於服務端本身資料庫中，以便於客戶端隨時可以向服務端提取觀看歷史資料。根據上述的系統運作內容，可以清楚地了解到，如何去對一些耗電的設備做調控。藉由警報事件模組，透過服務端發出的警報提醒使用者，便可排除故障的機器，也提醒使用者免於超約的危機，而報表以及比較圖更可以看出你的用電情況，也可計算得出合適的契約需量，以壓低用電的費用。

在上述的文章裡面，我們也看到了整個系統大致上如何建置與運作，如何讓使用者去監測與控制整個系統的電力環境，以及最後所推測出的節電效益，這不僅可以讓業者真正的節省到電力，也可以節省到一些不必要的電力浪費。