能源的智能管理需求漸增，智能電網(wǎng)發(fā)展加速
摘要： 微電網(wǎng)(Micro Grid)將使能源管理產(chǎn)業(yè)全速邁向智慧化(圖1)。美國、歐洲、日本等先進(jìn)國家，以及中國大陸、印度及沙烏地阿拉伯等新興國家，正全力布建智慧電網(wǎng) (Smart Grid)和太陽能系統(tǒng)，以提高能源利用和管理效率。由于電網(wǎng)輸送的是交流電(AC)，而再生能源系統(tǒng)則產(chǎn)生直流電(DC)，為有效整合兩種不同形式的電力，業(yè)界正興起太陽能、智慧電網(wǎng)與儲能叁大系統(tǒng)互相整合的新型微電網(wǎng)概念，激勵相關(guān)系統(tǒng)業(yè)者投入布局新一代智慧能源管理技術(shù)。
關(guān)鍵字： 能源管理，智慧電網(wǎng)，半導(dǎo)體元件
微電網(wǎng)(Micro Grid)將使能源管理產(chǎn)業(yè)全速邁向智慧化(圖1)。美國、歐洲、日本等先進(jìn)國家，以及中國大陸、印度及沙烏地阿拉伯等新興國家，正全力布建智慧電網(wǎng) (Smart Grid)和太陽能系統(tǒng)，以提高能源利用和管理效率。由于電網(wǎng)輸送的是交流電(AC)，而再生能源系統(tǒng)則產(chǎn)生直流電(DC)，為有效整合兩種不同形式的電力，業(yè)界正興起太陽能、智慧電網(wǎng)與儲能叁大系統(tǒng)互相整合的新型微電網(wǎng)概念，激勵相關(guān)系統(tǒng)業(yè)者投入布局新一代智慧能源管理技術(shù)。
圖1 智慧微電網(wǎng)建置概念圖 圖片來源：Altera
微電網(wǎng)系傳統(tǒng)電網(wǎng)邁向智慧電網(wǎng)的過渡型結(jié)構(gòu)，主要用途為串連分散式再生能源系統(tǒng)與主電網(wǎng)，達(dá)成區(qū)域性智慧能源管理的目的，因此須與外部電網(wǎng)併網(wǎng)運(yùn)作，同時也要具備孤島運(yùn)轉(zhuǎn)能力。相較于智慧電網(wǎng)須肩負(fù)發(fā)、輸、配、用的電力傳導(dǎo)流程，微電網(wǎng)規(guī)模較小，僅負(fù)責(zé)區(qū)域性的配電與用電管理，初期將應(yīng)用于動態(tài)調(diào)節(jié)再生能源供應(yīng)比例，避免主電網(wǎng)電壓浮動等安全問題。
現(xiàn)階段，功率元件商與系統(tǒng)廠正加緊改良微電網(wǎng)變電站(Substation)、太陽能逆變器(Inverter)電力控制與資訊運(yùn)算方案，并導(dǎo)入電力線通訊(PLC)、無線區(qū)域網(wǎng)路(Wi-Fi)和ZigBee等聯(lián)網(wǎng)模組，以擴(kuò)展微電網(wǎng)的無線感測節(jié)點(diǎn)，建置更即時、有效的配電管理平臺。
微電網(wǎng)醞釀新商機(jī) 半導(dǎo)體元件需求引爆
微電網(wǎng)已成為今年能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點(diǎn);由于其須具備即時監(jiān)控、雙向功率控制、區(qū)域用電預(yù)測與協(xié)調(diào)等功能，因而也帶動通訊模組、高速開關(guān)及隔離功率元件導(dǎo)入需求，吸引相關(guān)供應(yīng)商蜂擁搶市。
核能研究所核能儀器組智網(wǎng)分組長張永瑞表示，再生能源系統(tǒng)供電量變動劇烈，且須透過直流對交流(DC-AC)轉(zhuǎn)換機(jī)制才能順利併入主電網(wǎng)，一旦應(yīng)用比重增加，勢將造成主電網(wǎng)電壓浮動和頻率穩(wěn)定性不佳等問題;所以，隨著再生能源滲透率持續(xù)增長，各國能源主管機(jī)關(guān)也已配合展開結(jié)合主電網(wǎng)、太陽能及儲能系統(tǒng)的微電網(wǎng)試點(diǎn)計畫，以確保供電品質(zhì)。
目前歐美及日本皆正加快微電網(wǎng)布建腳步，其中，歐洲地區(qū)裝設(shè)的太陽能系統(tǒng)瞬間總發(fā)電量已占整體電網(wǎng)40%以上，儘管部分系統(tǒng)備而不用，但平均發(fā)電量占比仍趨近10?20%;而美國再生能源發(fā)電比重亦超越10%，預(yù)計于2020年更將倍增至20%;至于日本則響應(yīng)非核家園理念，積極推廣再生能源建案。
張永瑞也透露，現(xiàn)階段美國施行微電網(wǎng)政策的腳步最快，近期已發(fā)布2013?2015年的微電網(wǎng)研究計畫，并已設(shè)置六個試點(diǎn)運(yùn)行示範(fàn)區(qū)，做為未來全面落實(shí)智慧電網(wǎng)的試金石。
一般而言，電網(wǎng)可分為發(fā)輸配用四個階段，而微電網(wǎng)主力負(fù)責(zé)配電與用電的中后段管理，覆蓋能力大致在100kW~5MW範(fàn)圍，等同一個千戶等級的區(qū)域電網(wǎng)。由于微電網(wǎng)結(jié)合太陽能與儲能等直流電系統(tǒng)，以及交流電主電網(wǎng)，故著重于電源切換、雙向控制、聯(lián)網(wǎng)管理與電網(wǎng)隔離保護(hù)機(jī)制，與傳統(tǒng)電網(wǎng)或一般太陽能系統(tǒng)的元件需求不盡相同，可望帶動新的功率半導(dǎo)體與聯(lián)網(wǎng)模組需求。
張永瑞指出，微電網(wǎng)中的電力轉(zhuǎn)換與控制設(shè)備須導(dǎo)入耐上千伏特高壓的功率半導(dǎo)體、支援實(shí)虛功率補(bǔ)償和低電壓穿越(LVRT)功能的拓?fù)?，以及高階脈衝寬度調(diào)變(PWM)控制元件，分別因應(yīng)電力控制與開關(guān)需求，才能在大量直流電瞬間涌入主電網(wǎng)時，自動解除併網(wǎng)狀態(tài)并切換至孤島運(yùn)轉(zhuǎn)模式，改由太陽能或儲能設(shè)備直接供電，以確保配用電機(jī)制正常運(yùn)行。
此外，微電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施也須透過PLC技術(shù)、ZigBee或Wi-Fi通訊模組，即時監(jiān)控并回報區(qū)域用電，以及再生能源及儲能系統(tǒng)電量資訊，以利進(jìn)行配電調(diào)度，發(fā)揮微電網(wǎng)的智慧能源管理效益。
瞄準(zhǔn)電網(wǎng)通訊需求 PLC技術(shù)陣營展開角力
意法半導(dǎo)體(ST)技術(shù)行銷經(jīng)理吳玉君表示，智慧電網(wǎng)、微電網(wǎng)須具備支援不同傳輸距離的通訊方案，才能順利與電力公司的電力管理平臺連結(jié);其中，應(yīng)用低頻段的PLC技術(shù)將是各個區(qū)域性微電網(wǎng)，以及微電網(wǎng)內(nèi)部太陽能、儲能系統(tǒng)相互連接的主要方式，因而吸引晶片商爭相卡位。
現(xiàn)階段，長距離的PLC傳輸技術(shù)大致分為G3和Prime兩種標(biāo)準(zhǔn)，在義大利、西班牙和法國等國家皆有導(dǎo)入，而美國及亞太地區(qū)也陸續(xù)展開G3或Prime智慧電網(wǎng)的實(shí)地測試，主要晶片供應(yīng)商分別為Maxim與意法半導(dǎo)體。
吳玉君強(qiáng)調(diào)，意法半導(dǎo)體同步加入G3與Prime標(biāo)準(zhǔn)推廣聯(lián)盟，對PLC技術(shù)演進(jìn)及市場需求有完整的掌握，且目前在PLC晶片市場的占有率高達(dá)80%，擁有較佳的發(fā)展優(yōu)勢;旗下最新一代PLC SoC已領(lǐng)先業(yè)界導(dǎo)入Prime實(shí)體層(PHY)和媒體存取控制層(MAC)引擎，有助簡化系統(tǒng)設(shè)計，并加速調(diào)校過程。
Maxim SP&C事業(yè)部經(jīng)理林志良則指出，由于大部分國家都有上百至上千家電力公司，因此相關(guān)業(yè)者在建設(shè)智慧電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施方面較側(cè)重相容性;為此，G3- PLC聯(lián)盟正加緊研擬下一代兼容G3和Prime的標(biāo)準(zhǔn)，Maxim亦已啟動相關(guān)晶片開發(fā)案，可望率先推出全球首款雙模PLC SoC。[!--empirenews.page--]
除兩大PLC技術(shù)陣營相互較勁外，近期HomePlug聯(lián)盟也加入戰(zhàn)局，力推支援Prime與G3雙模標(biāo)準(zhǔn)的Netricity PLC規(guī)範(fàn)。據(jù)悉，該標(biāo)準(zhǔn)主要鎖定新興國家由傳統(tǒng)電網(wǎng)升級為智慧電網(wǎng)的需求，并消弭網(wǎng)路架構(gòu)不相容的問題，協(xié)助較缺乏技術(shù)知識的新興國家電力公司和系統(tǒng)業(yè)者，加速布建智慧電網(wǎng)通訊機(jī)制。
顯而易見，智慧電網(wǎng)、微電網(wǎng)布建的重要性激增，相關(guān)通訊技術(shù)聯(lián)盟及晶片商都將跟著受惠。張永瑞更提到，隨著微電網(wǎng)技術(shù)成熟，系統(tǒng)架構(gòu)將愈趨復(fù)雜，如達(dá)成太陽能、風(fēng)力與燃料電池等多元分散式電源的并聯(lián)設(shè)計，或與智慧電網(wǎng)進(jìn)一步結(jié)合，發(fā)展智慧城市的大型能源管理方案等，屆時將需要更多新興半導(dǎo)體技術(shù)支援，引爆另一波龐大商機(jī)。
搶攻智慧能源商機(jī) MCU/FPGA廠攻勢不斷
瞄準(zhǔn)微電網(wǎng)建置需求，包括MCU、現(xiàn)場可編程閘陣列(FPGA)業(yè)者均已分頭展開布局。其中，芯科實(shí)驗(yàn)室(Silicon Labs)近期即發(fā)動購併攻勢，透過收購Energy Micro補(bǔ)強(qiáng)高效率32位元MCU產(chǎn)品陣容，并計畫以Cortex-M系列核心架構(gòu)開發(fā)兼容多重通訊協(xié)定的無線射頻(RF)解決方案，擴(kuò)張智慧能源市場版圖。
芯科實(shí)驗(yàn)室總裁暨執(zhí)行長Tyson Tuttle表示，芯科實(shí)驗(yàn)室和Energy Micro均擁有堅強(qiáng)的類比混合訊號技術(shù)，兩家公司合併后將有助發(fā)展更先進(jìn)的低功耗微控制器，以及支援多種通訊標(biāo)準(zhǔn)的無線通訊SoC方案，以滿足物聯(lián)網(wǎng) (IoT)和智慧能源產(chǎn)業(yè)對節(jié)能及通訊系統(tǒng)的部署需求。
各國持續(xù)投入建設(shè)智慧電網(wǎng)、微電網(wǎng)和太陽能系統(tǒng)，已掀動節(jié)能控制和無線連結(jié)方案的強(qiáng)勁需求。據(jù)市場研調(diào)機(jī)構(gòu)報告指出，在智慧能源管理的風(fēng)潮帶動下，2015年物聯(lián)網(wǎng)連線裝置數(shù)量將超過一百五十億個，到2020年更將上看五百億個節(jié)點(diǎn)，足見該市場極具前景。
因應(yīng)未來上百億能源管理節(jié)點(diǎn)的通訊需求，芯科實(shí)驗(yàn)室亦將結(jié)合旗下數(shù)位訊號處理器(DSP)、浮點(diǎn)運(yùn)算技術(shù)，以及Energy Micro的32位元低功耗微控制器方案，布局多模無線通訊SoC，讓智慧能源管理系統(tǒng)內(nèi)部的無線收發(fā)器支援sub-GHz到2.4GHz頻段，全面覆蓋低功耗藍(lán)牙(Bluetooth LE)、ZigBee、802.15.4(g)、KNX和ANT+等通訊協(xié)定，協(xié)助系統(tǒng)業(yè)者實(shí)現(xiàn)更靈活的設(shè)計。
HSR/PRP協(xié)定助力 變電站落實(shí)自動化管理
無獨(dú)有偶，F(xiàn)PGA大廠--Altera也全力衝刺智慧能源市場，近期已攜手芬蘭硅智財(IP)供應(yīng)商--Flexibilis，共同發(fā)布智慧電網(wǎng)變電站自動化設(shè)備的高可用性無縫冗余(HSR)和平行冗余通訊協(xié)定(PRP)參考設(shè)計。
Altera亞太區(qū)工業(yè)業(yè)務(wù)部市場開發(fā)資深經(jīng)理江允貴表示，開發(fā)智慧電網(wǎng)的關(guān)鍵需求系達(dá)成電網(wǎng)傳輸和變電站設(shè)備的雙向通訊和即時控制功能;基于可編程且具強(qiáng)大運(yùn)算能力的SoC FPGA架構(gòu)，并搭配Flexibilis符合國際IEC 62439-3規(guī)範(fàn)HSR/PRP的IP技術(shù)，將是實(shí)現(xiàn)此一目標(biāo)的捷徑，可支援設(shè)備廠打造高性能、高可靠性和長壽命的變電站相關(guān)設(shè)備，同時降低系統(tǒng)成本。
目前變電站內(nèi)的設(shè)備大多無法互通，容易產(chǎn)生封包丟失的情形，影響電網(wǎng)可靠度及穩(wěn)定性;為此，國際電工委員會(IEC)遂制定IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，并特別針對變電站系統(tǒng)管理，細(xì)分出IEC 62439-3的設(shè)備互通規(guī)範(fàn)，將以HSR/PRP兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)零丟包(No Packet Loss)，以及資料替代傳輸通道的備援方案，全面改善智慧電網(wǎng)、微電網(wǎng)的管理機(jī)制。
江允貴補(bǔ)充，由于歐洲較早投入發(fā)展智慧電網(wǎng)，變電站相關(guān)設(shè)備難以互通的問題已開始浮現(xiàn)，因此正積極尋求穩(wěn)定、可靠的站內(nèi)設(shè)備通訊機(jī)制。其中，變電站內(nèi)的智慧電子設(shè)備(IED)系把關(guān)電網(wǎng)配電品質(zhì)的首要關(guān)鍵，目前ABB、施耐德(Schneider)和西門子(Siemens)等IED供應(yīng)商正競相投入開發(fā)符合HSR/PRP規(guī)範(fàn)的新產(chǎn)品，以構(gòu)筑冗余通訊網(wǎng)路，確保精確的設(shè)備資訊傳輸，并逐步落實(shí)自動化管理。
江允貴也指出，IEC 62439-3標(biāo)準(zhǔn)更新速度很快，唯有採用可編程的FPGA才能在最短時間內(nèi)接軌每一代標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格轉(zhuǎn)變，并滿足IED廠的客製化需求;此將有助FPGA在智慧能源系統(tǒng)領(lǐng)域崛起，并加速取代特定應(yīng)用積體電路(ASIC)和特定應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)。
四零四科技市場開發(fā)部專案副理林恕立則指出，由于全面更換變電站內(nèi)的IED設(shè)備須耗費(fèi)高昂的先期投資成本，因此系統(tǒng)業(yè)者初期將採購支援HSR/PRP協(xié)定的冗余通訊設(shè)備(Redundancy Box)，并透過Gigabit乙太網(wǎng)路(Ethernet)介面串連各種IED裝置，進(jìn)而以較低投資成本搭建HSR/PRP通訊網(wǎng)路，確保變電站資料傳輸穩(wěn)定性。
至于全球智慧電網(wǎng)的發(fā)展，江允貴認(rèn)為，除歐洲先進(jìn)國家以外，中國大陸等新興國家將為智慧能源的發(fā)展挹注可觀動能。主因系新興國家經(jīng)濟(jì)快速起飛，能源將日益捉襟見肘，政府須儘早投入部署智慧電網(wǎng)、再生能源系統(tǒng)，才能滿足國內(nèi)所需;另外，由于先進(jìn)國家已投資大量資源優(yōu)化電網(wǎng)，因此在基礎(chǔ)建設(shè)成本折舊攤提的考量下，新興國家全面導(dǎo)入智慧電網(wǎng)架構(gòu)的接受度將比先進(jìn)國家高，也較容易施行，可望成為相關(guān)系統(tǒng)和半導(dǎo)體業(yè)者未來的迦南美地。
江允貴更透露，近期中國大陸不斷有新的變電站招標(biāo)案出現(xiàn)，足見該國政府推動智慧能源管理的決心?？春弥袊箨懼腔垭娋W(wǎng)市場發(fā)展?jié)摿Γ珹ltera已積極展開圈地，將透過HSR/PRP參考設(shè)計，拉攏歐系IED大廠在該地區(qū)的代工合作伙伴，或轉(zhuǎn)投資系統(tǒng)廠。
新興國家瘋智慧能源 智慧電表需求逐漸涌現(xiàn)
除中國大陸正加快智慧能源發(fā)展腳步外，臺灣、馬來西亞、菲律賓和泰國等亞太地區(qū)國家亦積極建置智慧電網(wǎng)，帶動先進(jìn)讀表系統(tǒng)(AMI)、智慧電表(Smart Meter)布建需求。
資策會MIC產(chǎn)業(yè)分析師王怡臻(圖5)表示，以臺灣電力公司為例，已規(guī)畫完成高壓及低壓端智慧電表布建計畫，其中，工商業(yè)的高壓應(yīng)用部分已于2012年完成，總共換裝兩萬叁千戶電表。低壓的部分則將分成多個階段執(zhí)行，總建置量將達(dá)百萬戶，截至目前已由大同、康舒共同出貨達(dá)成一萬兩千戶電表更新，2014年底臺電將再發(fā)包十萬具，并計畫于2015年布建完畢，隨后再逐年擴(kuò)大採購。
王怡臻更透露，義大利和西班牙的智慧電表已使用多年，因此兩國政府已規(guī)畫于今年陸續(xù)換裝新電表，可望帶動新一波商機(jī)，目前臺灣已有廠商開始進(jìn)行接洽。
不過，除義大利和西班牙有設(shè)備老舊的換新需求外，由于歐債問題持續(xù)發(fā)酵，其他歐洲國家推動智慧電網(wǎng)的腳步已有放緩的跡象，因此包括西門子、施耐德和 Honeywell等電力設(shè)備大廠正積極轉(zhuǎn)戰(zhàn)東南亞新興國家，透過與當(dāng)?shù)氐南到y(tǒng)整合商及塬始設(shè)備製造商(OEM)合作，爭取新的智慧電表標(biāo)案。[!--empirenews.page--]
王怡臻認(rèn)為，隨著智慧電網(wǎng)、微電網(wǎng)發(fā)展重心從歐洲逐漸移往新興國家，臺灣和中國大陸系統(tǒng)業(yè)者將成為國際大廠爭相合作的對象，可望瓜分更多智慧能源發(fā)展商機(jī)。
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