智能电网技术挑战与解决方向
- 陈毅斌
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一个严峻的事实：全球有40%以上的电力供给来自于燃煤，成为碳排放的最大来源。而现今电力系统的明显不效率，从一次能源到有效电力使用的能源链中，有近80%的耗损。虽说再生能源的快速成长填补了部分需求缺口，但仍是少数。特别是再生能源的间歇性与无法预测性，也为电力产业带来新挑战，例如能源储存与电网并联。种种挑战，促使电力系统从现行结构与运行方式上进行根本性的调整，而这种未来的电力系统，则称为「智能电网」。
因各国电力产业生态与发展历史的差异，「智能电网」在不同地区有不同定义。例如在美国，「智能电网」具有以下特点：
●电网具自我修复功能，可事前预警与事后回应系统扰动。
●消费者能积极参与电网的用电供需回应机制。
●当遭逢实体与网络攻击时，电网可灵活调整运作模式。
●提供满足21世纪需求的优质电力。
●可广纳各种发电和储电方案。
●可兼容新产品、新服务和新市场需求。
●可优化资产使用率和运行效率。
在欧盟地区，因电业自由化程度相对高，「智能电网」强调：因应未来需求和挑战的「弹性」；能串联可再生电力源、当地发电系统与电网用户的「可及性」；电网是安全的、可灵活应对风险与不确定因素的「可靠性」；以创新技术提供最佳解决方案的「经济性」。在大陆，电网系统的发展仍停留在相对前期阶段。因此「智能电网」意指一种新式的输配电系统，融合传统和先进的电力工程与网络监控技术，从而提供更佳电网效能与各种加值服务。
未来电力系统的4大特色
对于未来电力系统的技术挑战，主要包括四个主要部份：
容量(Capacity)：以经济可行的方案来满足未来社会的庞大电力需求。据国际能源署预测，未来20年每周将要增加1座1 GW的电厂和相关电网设施以因应不断增加的电力需求。面对如此庞大需求，未来电力系统必须以经济节约的方式妥善应对。
可靠度(Reliability)：提供高品质且可靠的电力供给。输电量越大，系统运行就越逼近稳定的极限，对于停电甚至是更小的扰动事故也就越难以承受。据美国最新研究报告显示，不可靠的电力系统每年导致的经济损失高达800亿美元。另外，稳健的电网系统意味着较低的备用电厂设置需求，同时隐含更低的碳排放。
效率(Efficiency)：提升电力价值链的整体效率。从发电、输配电端开始，到工厂与住宅商办，都可利用更换部分节能产品来提升整体使用效率。据研究，变频器的节能潜力远大于节能灯泡，而欧盟的工业马达能效规范，可望在2020年前每年节电1,350亿度，此举比淘汰全欧盟所有白炽灯所节约的电力还要高3倍以上。
永续性(Sustainability)：有效整合再生能源并入电网。再生能源并入电网的最大挑战在于如何平稳间歇性电力对电网造成的扰动。以离岸风电为例，要连接遥远的海上风场，除了完整电气系统、储电设备外，尚需高压直流电缆技术作为跨海输电的配套。
ABB的智能电网技术方案
从技术的根本来看，智能电网由4大技术层层架叠而成。底层为能源的转换、运输、储存和使用，可类比为人体的肌肉；传感器(sensor)和致动器(actuator)层可类比为感知环境和控制肌肉的感觉和运动神经；通信层类比为传输感知和控制信号的神经系统；决策智能层则相当于人脑。
ABB结合现有技术与新技术，从满足上述4大特色的角度出发，研究开发智能电网的产品组合，试举如下。
广域监测系统(Wide area monitoring system；WAMS)─实时汇集电网信息，结合相量数据并由GPS卫星提供精准时间标记，以随时掌控任何异常现象。
弹性交流输电系统(Flexible AC transmission system；FACTS)─补偿线路电感，实现最大电力传输。亦可透过动态并联补偿减少扰动，保持电网稳定。
高压直流输电系统(HVDC)─HVDC系统将电厂的交流电转为高压直流电进行传输，再转换为交流市电供用户使用。因而不同频率(50或60 Hz)的电网可相互连接，而部分电网出现不稳定状态时，也可局部区隔，使得影响范围降至最小。
故障检测和系统恢复─变电站自动化系统可执行数据撷取、线上通讯与监控、故障评估等，另外在IEC 61850通讯标准下，可确保不同品牌产品间的互通性。
(本图文由ABB提供，陈毅斌整理)
