智能電網(wǎng)發(fā)展近況
推動“智能型電表基礎(chǔ)建設(shè)”、“規(guī)劃智能電網(wǎng)”及“智能電力服務(wù)”為智能電網(wǎng)發(fā)展重點(diǎn)，很多企業(yè)已于近幾年進(jìn)行智能電表的測試與示范計(jì)劃，國家近幾年亦積極協(xié)助這些企業(yè)推動智能電網(wǎng)發(fā)展，其中所運(yùn)到的通訊技術(shù)包含3G/4G、RF Mesh(802.15.4g/e)、PLC、Wi-SUN、Wi-Fi、有線光纖等，而近年來LPWAN的技術(shù)已逐漸成熟，而電表數(shù)據(jù)傳輸屬于低數(shù)據(jù)量屬性的應(yīng)用，非常適合采用LPWAN作為通訊系統(tǒng)，如LoRa、NB-IoT等技術(shù)。而5G則是近期新興科技及產(chǎn)業(yè)的熱門議題之一，除了帶來更高的傳輸速度及巨大容量外，其低延遲(Low Latency)、網(wǎng)絡(luò)切片(Network Slicing)、邊緣計(jì)算(Edge Computing)等有別于一般電信網(wǎng)絡(luò)的通訊架構(gòu)，勢必可為多元的智能電網(wǎng)發(fā)展帶來更多不一樣的應(yīng)用方式。
5G智能電網(wǎng)應(yīng)用場景與通訊需求
5G系統(tǒng)定義了三大主要切片技術(shù)類型，如表1，包含eMBB(Enhanced Mobile Broadband)、URLLC(Ultra-reliable and Low Latency Communications)、mMTC(Massive Machine Type Communications)等應(yīng)用，可分別滿足智能電網(wǎng)各種電力業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，其中5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可用來承載智能電網(wǎng)多樣化業(yè)務(wù)，以提供電力系統(tǒng)各種不同需求的應(yīng)用服務(wù)。電力網(wǎng)絡(luò)由傳統(tǒng)的輸/配/變電等系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成智能電網(wǎng)，為了能達(dá)到有效管理小型分散的能源系統(tǒng)、安全高效能的輸變電、靈活的配電、多樣的用電型態(tài)等，電力信息通訊網(wǎng)絡(luò)勢必扮演重要腳色，而整個電力系統(tǒng)有這各類型的能源服務(wù)應(yīng)用，而每一種應(yīng)用有其適合的網(wǎng)絡(luò)特性。5G的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可容納不同傳輸?shù)燃壍膽?yīng)用于同一基站中實(shí)現(xiàn)，因此不管是需要大帶寬的影像監(jiān)控應(yīng)用或小帶寬低延遲的配電管理等，皆可支應(yīng)其各應(yīng)用不同的特點(diǎn)與需求。以下針對幾個電力系統(tǒng)發(fā)展中的應(yīng)用來探討網(wǎng)絡(luò)需求與5G可扮演的腳色：
表1 5G系統(tǒng)的三大切片技術(shù)類型
分布式能源管理(Distributed Energy Resources，DER)
能源國際趨勢為再生能源比重會越來越高，而會從集中式的電廠走向分布式小型多元、小型、分散的能源系統(tǒng)，如：屋頂?shù)奶柲馨l(fā)電、電動機(jī)車及家庭能源管理系統(tǒng)等，具體來說，分布式能源的量持續(xù)增加，全球DER的容量預(yù)計(jì)會從2017年的132.4GW成長到2026年的528.4GW，為因應(yīng)2025國內(nèi)能源配比目標(biāo)：燃煤30%、燃?xì)?0%、再生能源20%，如何在分布式能源的情境下維持電力系統(tǒng)供需平衡、穩(wěn)定度與安全，是電力公司勢必面對的問題，尤其再生能源發(fā)電具不確定性(Uncertainties) 、難以準(zhǔn)確預(yù)測性 (Difficult to predict)、難以控制性(Less Controllability)，這些高難度需求也為5G技術(shù)帶來新的機(jī)會。
為匯集多元、小型的分布式能源，電力企業(yè)需要導(dǎo)入虛擬電廠(Virtual Power Plant)技術(shù)，即由5G高效能低延遲網(wǎng)絡(luò)搭配智能、實(shí)時管理，使其整體電力的可用度與可靠度等效于一座傳統(tǒng)電廠的水平，足以參與電能與輔助服務(wù)市場交易。為確保電網(wǎng)自動調(diào)度的實(shí)時性，保護(hù)訊息及監(jiān)控訊息都需要達(dá)到ms等級的低延遲，如表2所示。
過去相關(guān)低延遲的需求是通過搭建光纖網(wǎng)絡(luò)來達(dá)成，但是在分散能源情境下，自行布建光纖的解決方案成本過高，所以可以透過5G
Network Slicing及Edge Computing的技術(shù)，建立通訊的專網(wǎng)，并將VPP智慧控制建立在Edge Cloud上，來確保傳輸?shù)姆€(wěn)定及低延遲；另外通過Network slicing，可以幫助電力企業(yè)在現(xiàn)有通訊網(wǎng)絡(luò)上建立專網(wǎng)，確保電網(wǎng)安全，避免惡意攻擊發(fā)生。
配電自動化(Distributed Automation, DA)/饋線自動化(Feeder Automation, FA)
早期配電網(wǎng)保護(hù)電路只有簡單過電流及過電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)，并沒有建設(shè)通訊網(wǎng)絡(luò)與后端計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，因此很難實(shí)現(xiàn)分段隔離，每當(dāng)停電時影響之區(qū)域極為廣大，故障斷電時間需耗時幾小時以上。配電自動化(DA)是一種在配電網(wǎng)與設(shè)備基礎(chǔ)上建立的電力信息管理系統(tǒng)，主要是基于有線或無線通信網(wǎng)絡(luò)、配電或饋線終端設(shè)備和后端計(jì)算機(jī)管理的配電自動化，以有線或無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)故障時的精準(zhǔn)定位，并獲取相鄰配電終端設(shè)備之運(yùn)作信息，可以實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)的監(jiān)測及快速故障隔離與排除。
另外，饋線自動化(FA)是指從變電站線路到用戶變壓器設(shè)備之間的自動化，包括饋線故障的自動恢復(fù)、自動隔離等功能，是配電自動化的重要支線部分。電力系統(tǒng)可靠性要求非常高，事故隔離時間需要縮短至毫秒等級，以保障電力的不間斷供應(yīng)。如此配電自動化/饋線自動化控制要求非常高的場景，需要5G URLLC技術(shù)來實(shí)現(xiàn)基站與配電/饋線終端設(shè)備的低傳輸延遲來滿足需求，5G技術(shù)可以替代配電自動化中的現(xiàn)有光纖基礎(chǔ)設(shè)施，提供毫秒等級網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲，可作為配電/饋線自動化電網(wǎng)無線通信的更佳解決方案，實(shí)現(xiàn)更快更準(zhǔn)確的電網(wǎng)控制。配電自動化/饋線自動化系統(tǒng)對通訊應(yīng)用需求如表2所示。
變電所站內(nèi)/站外巡檢
5G技術(shù)中超高速特色在智能電網(wǎng)可能應(yīng)用的場景，主要是高畫質(zhì)視訊巡檢應(yīng)用；一般可分為變電所站內(nèi)與變電所站外高畫質(zhì)影像與語音巡檢應(yīng)用。變電所站內(nèi)應(yīng)用主要為變電站巡檢機(jī)器人與配電機(jī)房影音巡檢應(yīng)用等；變電站內(nèi)巡檢機(jī)器人可整合搭載多路高畫質(zhì)攝影機(jī)及各種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境傳感器，實(shí)時回傳高畫質(zhì)影像及物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)檢測數(shù)據(jù)至變電所站內(nèi)控制中心；變電站內(nèi)配電機(jī)房影音巡檢可于配電機(jī)房重要設(shè)備搭載多路高畫質(zhì)影音監(jiān)視系統(tǒng)，對配電機(jī)房重要設(shè)備運(yùn)作狀態(tài)影像及設(shè)備開關(guān)狀態(tài)等相關(guān)信息回傳至變電所站內(nèi)控制中心，以提升變電站內(nèi)人工巡檢之自動化。變電所站外應(yīng)用主要為輸電線路無人機(jī)巡檢等；輸電線路無人機(jī)巡檢主要針對高壓輸電網(wǎng)的線路檢查，例如輸電線路損壞或彎曲變形等檢視。變電所站內(nèi)/站外巡檢系統(tǒng)對通訊應(yīng)用需求如表2所示。
先進(jìn)抄表系統(tǒng)(AMI)
目前各國均積極推動智能電網(wǎng)建設(shè)，期望能通過實(shí)時控制及需求端管理，來促進(jìn)電力資源優(yōu)化配置與運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能減碳目標(biāo)。而電表大部分安裝于地下室等收訊不佳的地方且城市的電表密集度高，另外一般居民對于裝設(shè)明顯的通訊裝置會引起反對等因素，因此廠商所選擇的技術(shù)必須克服這些難題，目前國際上大部份廠商所采用的技術(shù)為RF Mesh搭配PLC進(jìn)行布建，RF Mesh必須安裝大量集中器，有較大空間上的需求，但空間上的取得不易，而PLC則可能因電路規(guī)劃或負(fù)載用電造成信號干擾等。而以新興的5G技術(shù)來說，其屬于巨量集中型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(mMTC)，可降低通訊設(shè)備建置空間上的需求且電力獨(dú)立運(yùn)作不受用戶負(fù)載用電影響，另外電力系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性及保密性上的需求，利用切片技術(shù)可虛擬出一個無線專網(wǎng)，進(jìn)行更高強(qiáng)度的安全隔離，提高智能抄表所需要的安全性、穩(wěn)定性及靈活性等需求。很多科研機(jī)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)室具備通訊實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)及豐富的AMI，可提供廠商包含AMI網(wǎng)絡(luò)環(huán)境測試、抄表程序(DLMS client與serevr)測試、AMI通訊產(chǎn)品開發(fā)咨詢、頭端(HES)資料上傳測試等，協(xié)助投入智能電網(wǎng)領(lǐng)域的廠商測試環(huán)境與技術(shù)服務(wù)，可加速廠商產(chǎn)品化并及時投入市場。
表2 智慧電網(wǎng)應(yīng)用場景對通訊應(yīng)用要求
5G技術(shù)特性將加速智慧電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)
5G網(wǎng)絡(luò)及智能電網(wǎng)都是IT產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的重要趨勢，5G網(wǎng)絡(luò)低延遲特性在控制類的應(yīng)用除了光纖網(wǎng)絡(luò)外，可為智能電網(wǎng)帶來一種新的通訊解決方式；智能電網(wǎng)應(yīng)用需求廣泛，切片技術(shù)可同時提供eMBB、URLLC、mMTC等不同的應(yīng)用場景；網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network-Function Virtualization, NFV)可為智能電網(wǎng)帶來類專網(wǎng)的安全隔離網(wǎng)絡(luò)，為電網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳遞帶來更好的安全保障。因應(yīng)智能電網(wǎng)多樣化的應(yīng)用，5G網(wǎng)絡(luò)亦提供不同等級的網(wǎng)絡(luò)接入方式，提供用戶更彈性的配置，也使智能電網(wǎng)能加速實(shí)現(xiàn)的腳步。
