高级电表架构:智能电网产业的先锋

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       IEK观点,在国际能源与气候议题持续发酵下,各国大力推动智能电网建设,期望能透过实时控制及需求端管理,来促进电力资源最佳化配置与运行,达到节能减碳目标。而为了达成此目的,必须仰赖电力信息搜集与分析,因此具备双向通讯功能的高级电表架构(Advanced Metering Infrastructure;AMI),可使电力系统自动化与信息化深入家庭/建筑物内,被视为智能电网的基础骨干。

  在政策主导下国际AMI市场由欧洲、美国等地区萌芽,并开始在全球蔓延开来,目前包含日本、韩国、中国大陆、澳洲及纽西兰等地,均有相关布建或试点计划正在进行。

  电表市场数量庞大,若全面换装智能电表,则市场规模将相当可观。智能电表安装数量自2009年起,开始出现两位数的成长,市场研究机构ABI预估2009年智能电表安装达7,600万具,2015年预计将达2.12亿具。未来五年欧洲与北美仍为主力市场,亚洲在中国大陆带动下,为成长潜力最大的区域。

  AMI系统架构简介

  AMI 系指利用各种通讯方式,将客户端电表资料传送回控制中心的技术,透过双向通讯达成各种远程资料读取、提供、设定及控制等多种功能之系统。AMI除了改善传统人工抄表不经济、不精确与不实时之缺点外,尚具备多功能,例如:支持各种不同电价费率、提供用户能源使用信息并引导自发性节能、支持传送信号进行用户负载控制,以因应电价改变的自动响应、支持故障侦测与远程开/关管理、改善负载预测、用户用电品质管理等。

  (一)AMI为国家、电力业者与用户带来多方面效益

  AMI 相较于传统机械电表,优点在于具备双向通讯功能,因此AMI可连结用电、发电甚至是储电系统等多方信息相互流通,辅助电网朝向电力系统之高速公路发展,达到随上随下的功能。因此AMI主要优点在于促成节能减碳目标实现、改善供电品质以及提升经济效率,因此在国家、电业、用电户三方面各能提供多方面的效益,如图一。

 

图一 AMI为国家、电力业者与用户带来之效益

  在国家面AMI可促成需求面管理,以及再生能源并网,因此有助于国家达成节能减碳政策目标。而对于电业而言,AMI 可提供负载控制通讯功能,快速量测、诊断电力质量,来实现电网自愈功能(self-healing),提升供电品质;并可透过时间电价机制之搭配,实现尖离峰平滑,以减缓新建电厂的压力;同时 更容易获得用户的用电资料,故可提供更多创新服务。最后在用户面,AMI搭配显示器可使 用电信息透明化,使用电户能掌握更多信息,进行能源管理;并加强用户与电力系统之灵活互动,使用电户可同时扮演发电者与电力消耗者的角色 (Prosumer = Producer + consumer),有助于健全电力市场运作。

  (二)AMI三个主要次系统

  AMI系统主要由智能电表(Smart Meter)、通讯系统与设备、电表信息管理系统(Meter Database Management system;MDMS)所组成,如图二所示。

  1. 智能电表智能电表指可进行较复杂电力运算,再加上双向通讯功能

  因此智能电表内部主要关键组件依功能可分为通讯模块与计量模块两大部分。智能电表中牵涉计量部分之关键组件有:高精度的模拟数字转换器(Analog to Digital Converter;ADC)、MCU、高精度比流器(Current Transformer;CT)、实时时钟(Real Time Clock;RTC)。由于智能电表需执行较复杂且精密的电力运算与量测,因此电力计量芯片的开发是影响智能电表菜单现之关键,其中MCU更是影响智能电表运作之关键组件。

 

图二 AMI系统架构

  MCU就如同智能电表的心脏,MCU功能之多寡与稳定度,直接关系到智能电表的表现。为使用户与电力公司能有更灵活互动,智能电表所能支持之功能,相较于一般之电子电表复杂的多,除了基本的多功能电力参数量测外,尚必须有支持时间电价、需量计量、负载曲线、实时电价,以及电力品质计量等功能。另外,低功耗与加密防止骇客之设计,也是开发智能电表用MCU时需纳入考量的重点,以符合省电与安全性考量。

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