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(guó)、歐洲、日本等先進(jìn)國(guó)家，以及中國(guó)大陸、印度及沙烏地阿拉伯等新興國(guó)家，正全力布建智慧電網(wǎng) (Smart Grid)和太陽(yáng)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(yáng)能、智慧電網(wǎng)與儲(chǔ)能叁大系統(tǒng)互相整合的新型微電網(wǎng)概念，激勵(lì)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(guó)、歐洲、日本等先進(jìn)國(guó)家，以及中國(guó)大陸、印度及沙烏地阿拉伯等新興國(guó)家，正全力布建智慧電網(wǎng) (Smart Grid)和太陽(yáng)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(yáng)能、智慧電網(wǎng)與儲(chǔ)能叁大系統(tǒng)互相整合的新型微電網(wǎng)概念，激勵(lì)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(lái)源：Altera
微電網(wǎng)系傳統(tǒng)電網(wǎng)邁向智慧電網(wǎng)的過(guò)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(shí)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(dòng)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(dòng)等安全問(wèn)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(yáng)能逆變器(Inverter)電力控制與資訊運(yùn)算方案，并導(dǎo)入電力線(xiàn)通訊(PLC)、無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)感測(cè)節(jié)點(diǎn)，建置更即時(shí)、有效的配電管理平臺(tái)。
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(shí)監(jiān)控、雙向功率控制、區(qū)域用電預(yù)測(cè)與協(xié)調(diào)等功能，因而也帶動(dòng)通訊模組、高速開(kāi)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?yè)屖小?/P>
核能研究所核能儀器組智網(wǎng)分組長(zhǎng)張永瑞表示，再生能源系統(tǒng)供電量變動(dòng)劇烈，且須透過(guò)直流對(duì)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(shì)將造成主電網(wǎng)電壓浮動(dòng)和頻率穩(wěn)定性不佳等問(wèn)題;所以，隨著再生能源滲透率持續(xù)增長(zhǎng)，各國(guó)能源主管機(jī)關(guān)也已配合展開(kāi)結(jié)合主電網(wǎng)、太陽(yáng)能及儲(chǔ)能系統(tǒng)的微電網(wǎng)試點(diǎn)計(jì)畫(huà)，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(yáng)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(guó)再生能源發(fā)電比重亦超越10%，預(yù)計(jì)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(guó)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(jì)畫(huà)，并已設(shè)置六個(gè)試點(diǎn)運(yùn)行示範(fàn)區(qū)，做為未來(lái)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(gè)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(gè)千戶(hù)等級(jí)的區(qū)域電網(wǎng)。由于微電網(wǎng)結(jié)合太陽(yáng)能與儲(chǔ)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(yáng)能系統(tǒng)的元件需求不盡相同，可望帶動(dòng)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(kāi)關(guān)需求，才能在大量直流電瞬間涌入主電網(wǎng)時(shí)，自動(dòng)解除併網(wǎng)狀態(tài)并切換至孤島運(yùn)轉(zhuǎn)模式，改由太陽(yáng)能或儲(chǔ)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(guò)PLC技術(shù)、ZigBee或Wi-Fi通訊模組，即時(shí)監(jiān)控并回報(bào)區(qū)域用電，以及再生能源及儲(chǔ)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(yíng)展開(kāi)角力
意法半導(dǎo)體(ST)技術(shù)行銷(xiāo)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(tái)連結(jié);其中，應(yīng)用低頻段的PLC技術(shù)將是各個(gè)區(qū)域性微電網(wǎng)，以及微電網(wǎng)內(nèi)部太陽(yáng)能、儲(chǔ)能系統(tǒng)相互連接的主要方式，因而吸引晶片商爭(zhēng)相卡位。
現(xiàn)階段，長(zhǎng)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(guó)等國(guó)家皆有導(dǎo)入，而美國(guó)及亞太地區(qū)也陸續(xù)展開(kāi)G3或Prime智慧電網(wǎng)的實(shí)地測(cè)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(duì)PLC技術(shù)演進(jìn)及市場(chǎng)需求有完整的掌握，且目前在PLC晶片市場(chǎng)的占有率高達(dá)80%，擁有較佳的發(fā)展優(yōu)勢(shì);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(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并加速調(diào)校過(guò)程。
Maxim SP&C事業(yè)部經(jīng)理林志良則指出，由于大部分國(guó)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(dòng)相關(guān)晶片開(kāi)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(yíng)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(guó)家由傳統(tǒng)電網(wǎng)升級(jí)為智慧電網(wǎng)的需求，并消弭網(wǎng)路架構(gòu)不相容的問(wèn)題，協(xié)助較缺乏技術(shù)知識(shí)的新興國(guó)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(jiàn)，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(yáng)能、風(fēng)力與燃料電池等多元分散式電源的并聯(lián)設(shè)計(jì)，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(shí)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(shì)不斷
瞄準(zhǔn)微電網(wǎng)建置需求，包括MCU、現(xiàn)場(chǎng)可編程閘陣列(FPGA)業(yè)者均已分頭展開(kāi)布局。其中，芯科實(shí)驗(yàn)室(Silicon Labs)近期即發(fā)動(dòng)購(gòu)併攻勢(shì)，透過(guò)收購(gòu)Energy Micro補(bǔ)強(qiáng)高效率32位元MCU產(chǎn)品陣容，并計(jì)畫(huà)以Cortex-M系列核心架構(gòu)開(kāi)發(fā)兼容多重通訊協(xié)定的無(wú)線(xiàn)射頻(RF)解決方案，擴(kuò)張智慧能源市場(chǎng)版圖。
芯科實(shí)驗(yàn)室總裁暨執(zhí)行長(zhǎng)Tyson Tuttle表示，芯科實(shí)驗(yàn)室和Energy Micro均擁有堅(jiān)強(qiáng)的類(lèi)比混合訊號(hào)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(wú)線(xiàn)通訊SoC方案，以滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng) (IoT)和智慧能源產(chǎn)業(yè)對(duì)節(jié)能及通訊系統(tǒng)的部署需求。
各國(guó)持續(xù)投入建設(shè)智慧電網(wǎng)、微電網(wǎng)和太陽(yáng)能系統(tǒng)，已掀動(dòng)節(jié)能控制和無(wú)線(xiàn)連結(jié)方案的強(qiáng)勁需求。據(jù)市場(chǎng)研調(diào)機(jī)構(gòu)報(bào)告指出，在智慧能源管理的風(fēng)潮帶動(dòng)下，2015年物聯(lián)網(wǎng)連線(xiàn)裝置數(shù)量將超過(guò)一百五十億個(gè)，到2020年更將上看五百億個(gè)節(jié)點(diǎn)，足見(jiàn)該市場(chǎng)極具前景。
因應(yīng)未來(lái)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(hào)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(wú)線(xiàn)通訊SoC，讓智慧能源管理系統(tǒng)內(nèi)部的無(wú)線(xiàn)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(jì)。
HSR/PRP協(xié)定助力 變電站落實(shí)自動(dòng)化管理
無(wú)獨(dú)有偶，F(xiàn)PGA大廠--Altera也全力衝刺智慧能源市場(chǎng)，近期已攜手芬蘭硅智財(cái)(IP)供應(yīng)商--Flexibilis，共同發(fā)布智慧電網(wǎng)變電站自動(dòng)化設(shè)備的高可用性無(wú)縫冗余(HSR)和平行冗余通訊協(xié)定(PRP)參考設(shè)計(jì)。
Altera亞太區(qū)工業(yè)業(yè)務(wù)部市場(chǎng)開(kāi)發(fā)資深經(jīng)理江允貴表示，開(kāi)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(shí)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(guó)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(zhǎng)壽命的變電站相關(guān)設(shè)備，同時(shí)降低系統(tǒng)成本。
目前變電站內(nèi)的設(shè)備大多無(wú)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(guó)際電工委員會(huì)(IEC)遂制定IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，并特別針對(duì)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(wèn)題已開(kāi)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(mén)子(Siemens)等IED供應(yīng)商正競(jìng)相投入開(kāi)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(dòng)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(cǎi)用可編程的FPGA才能在最短時(shí)間內(nèi)接軌每一代標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格轉(zhuǎn)變，并滿(mǎn)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(chǎng)開(kāi)發(fā)部專(zhuān)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(cǎi)購(gòu)支援HSR/PRP協(xié)定的冗余通訊設(shè)備(Redundancy Box)，并透過(guò)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(guó)家以外，中國(guó)大陸等新興國(guó)家將為智慧能源的發(fā)展挹注可觀動(dòng)能。主因系新興國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速起飛，能源將日益捉襟見(jiàn)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(mǎn)足國(guó)內(nèi)所需;另外，由于先進(jìn)國(guó)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(guó)家全面導(dǎo)入智慧電網(wǎng)架構(gòu)的接受度將比先進(jìn)國(guó)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(lái)的迦南美地。
江允貴更透露，近期中國(guó)大陸不斷有新的變電站招標(biāo)案出現(xiàn)，足見(jiàn)該國(guó)政府推動(dòng)智慧能源管理的決心。看好中國(guó)大陸智慧電網(wǎng)市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?，Altera已積極展開(kāi)圈地，將透過(guò)HSR/PRP參考設(shè)計(jì)，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(guó)家瘋智慧能源 智慧電表需求逐漸涌現(xiàn)
除中國(guó)大陸正加快智慧能源發(fā)展腳步外，臺(tái)灣、馬來(lái)西亞、菲律賓和泰國(guó)等亞太地區(qū)國(guó)家亦積極建置智慧電網(wǎng)，帶動(dòng)先進(jìn)讀表系統(tǒng)(AMI)、智慧電表(Smart Meter)布建需求。
資策會(huì)MIC產(chǎn)業(yè)分析師王怡臻(圖5)表示，以臺(tái)灣電力公司為例，已規(guī)畫(huà)完成高壓及低壓端智慧電表布建計(jì)畫(huà)，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(wàn)叁千戶(hù)電表。低壓的部分則將分成多個(gè)階段執(zhí)行，總建置量將達(dá)百萬(wàn)戶(hù)，截至目前已由大同、康舒共同出貨達(dá)成一萬(wàn)兩千戶(hù)電表更新，2014年底臺(tái)電將再發(fā)包十萬(wàn)具，并計(jì)畫(huà)于2015年布建完畢，隨后再逐年擴(kuò)大採(cǎi)購(gòu)。
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(guó)政府已規(guī)畫(huà)于今年陸續(xù)換裝新電表，可望帶動(dòng)新一波商機(jī)，目前臺(tái)灣已有廠商開(kāi)始進(jìn)行接洽。
不過(guò)，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(wèn)題持續(xù)發(fā)酵，其他歐洲國(guó)家推動(dòng)智慧電網(wǎng)的腳步已有放緩的跡象，因此包括西門(mén)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(guó)家，透過(guò)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(zhēng)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(guó)家，臺(tái)灣和中國(guó)大陸系統(tǒng)業(yè)者將成為國(guó)際大廠爭(zhēng)相合作的對(duì)象，可望瓜分更多智慧能源發(fā)展商機(jī)。
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