2014年3月27日

節能監控系統應用

作者/曾憲威(任教於德霖技術學院電腦與通訊工程系)、李揚漢、顏良祐(以上兩位任教於淡江大學電機工程學系)

能源議題從1973 年開始發酵,各國政府無不極力找尋新能源或節能政策,並已啟動相關規畫,其中節能監控系統將成為重要的推動方向。

自工業革命以來,人類對於地球能源的使用,從森林伐木與動物油脂的取用,到石油、天然氣、煤炭的開採,以及核子能源的應用。根據國際能源署所出版的《世界能源展望2011》估計,全球在2008 到2035 年之能源使用需求狀況,全球一次性能源需求量以每年1.3%的速度增長,而上述所提到的石油、天然氣、煤炭,甚至是核子能源,都是一次性能源的範疇。這代表著全球對於能源的使用與依賴度越來越高,背後所隱藏的能源危機雖然一直被討論著,但工業型國家為了求經濟的發展,只好犧牲能源與環保議題。

根據英國石油(BP)2009年的統計數字,全球石油、天然氣與煤炭三種能源可使用年限分別為43.5、61.3與122年,相信消耗的速度會比所預估的更快,原因無它,由於巴西、俄國、印度與中國此金磚四國,加上印尼的經濟崛起,大量的人口增加將會造成地球資源更快的減少。也因此再生能源與生質能源的議題也不斷的被討論,希望能找到新的能源來補足。其實,除了開源之外,我們更應該考慮的是節流。如何有效的減少能源使用量,延長地球有限資源的使用年限,應該才是全球人民所應注重的議題。

近年來節能不再只是強調「隨手關燈」,而是發展出智慧節能監控系統,有效的利用與管控能源。以下介紹幾個節能監控系統的發展,及其實際應用在建築或產業的成效。

EMS 能源管理系統
什麼是EMS ? EMS為能源管理系統(energy management system) 之簡稱, 可用於監控賣場、工廠、花園、溫室等各種環境之電器設備,包含空調、電燈、電力傳輸、灑水器與節能管理設備等,用於實施集中監控與能源管理。

EMS 可解決控制、管理、維護和能耗等問題,有助於工廠及農場之所有電器設備之保養與維修。它可隨時監控設備之運行狀況與提高整體管理水準,良好的管理方式可延長電器設備之使用壽命、節省開支。在設備故障與各種監視狀況發生時,系統可即時發出警報,方便管理人員監控與維護,使得損失降至最低點。並且針對於老化而開始變成高能耗的設備,也可通知管理人員進行更換。

由於各個國家的都市化發展越來越快,住家與商用建築之能源消耗比例上升,這雖反映出了一個國家或地區的經濟發展水準上升和生活品質提高,但其所消耗的能源也相對的占了整體能源的30~40%。為了節約能源,國際能源署(International Energy Agency, IEA)將能源管理系統之相關技術與應用發展,列為21 世紀最具發展潛力的節能應用之一。其主要應用分為建築能源管理(building energy management system, BEMS) 與居家能源管理(home energy management system, HEMS)兩大範圍。

智慧電網
智慧電網(Smart Grid)是我們透過資訊、通信與自動化科技,來建置具有智慧化之發電、輸電、配電與用戶之整合性電力網路。此系統強調自動化、安全性,以及用戶和發電廠密切配合,以提升電力系統之運轉效率、供電品質與電網之可靠度,促進再生能源擴大利用與達成節能減碳之政策目標。

智慧電網的概念於2001年由美國電力研究中心(Electric Power Research Institute, ERPI)提出,2004年歐盟也提出智慧電網的定義,接著在2006 年,美國建立第一個智慧電網示範城市,2007年歐盟提出Smart Grid 技術示範平台,2009年日本與韓國也各自提出次世代電力網與智慧電網計畫,該年美國也公布了IEEE P2030智慧電網標準,2010年日本建立了四個智慧電網示範城市,韓國也在2010~2011 年於濟州島建立智慧電網示範。在臺灣智慧電網的規畫部分,臺灣電力公司分成六個階層來進行:新發電技術、智慧輸電網路、智慧配電網路、智慧整合、智慧能源管理,以及智慧用戶。根據專注於全球綠色市場研究與分析的美國派克研究中心(Pike Research)的估計,在2015年全球智慧電網的產值大約會超過300億美金。

智慧型電表基礎建設
智慧型電表基礎建設(advanced metering infrastructure, AMI) 是由智慧電表、通訊系統、電表資料管理與相關應用程式等軟硬體建置與開發所集合而成之建設。可藉由國外建置經驗與先進的電表基礎建設提供許多優點,例如:量測及蒐集用戶能源使用資訊,並支援緊急尖峰電價計畫之用戶計費,提供用戶了解能源使用狀態並進行節能;支援傳送信號進行用戶負載控制,以因應電價改變之自動響應;支援故障偵測、故障圖資及復電等停電管理,進行變壓器及饋線等配電設備資產管理;改善負載預測、用路用電管理,提升線路損失計算精確度;減少區域線路壅塞與降低不平衡率等。

在美國加州,AMI 已被公共電業委員會(CPUC)列為重點方向,在加州先進電表基礎建設所需達到最基本的功能需求準則有五項:(1) 支援各種不同價格反映的費率;(2) 紀錄使用效率,並提供用戶每小時用電型態及能源成本相關資訊;(3) 相容於用戶教育及能源管理資訊,開製電費單與申訴解決之相關應用;(4) 提升系統運轉效率及改進供電可靠度;(5) 提供負載控制通訊技術介面功能。加州能源委員會所執行的示範計畫中,選定了約2500 戶作為智慧型電表裝設與搭配需求量反映計畫之示範。平均每戶採用智慧電表的用戶,其尖峰時間用電量減少達13%。

此外,在世界各國中有展開全國性智慧型電表計畫的國家包含義大利(2006 年完成)、瑞典(2009 年完成)、荷蘭(2013年完成)與英國(預計2017 年完成),其他國家也有一些區域性的實行計畫。

我國行政院於2010年6月核定經濟部研擬之「智慧型電表基礎建設推動方案」,正式啟動臺灣AMI 建置,由經濟部底下能源局、工業局、標準檢驗局、技術處與臺灣電力公司共同堆動AMI 之相關工作。該計畫案的短期目標為:遠端自動讀表、節約用電、帶動國內能源資通訊產業、加速停電偵測與修復、降低竊電損失,長期目標為:結合家庭自動化網路、建構智慧電網、節約用電。

在高電壓AMI的推動規畫中,在臺灣特高壓(69 kV以上)與高壓(11~69 kV)的用戶約有23 萬戶使用電子式電表(可適用於時間電價),這些用戶的用電量約占全系統的58%。而現行的用電量計算方式採用每個月人工抄表一次,臺電公司與用戶均無法即時獲得用電資訊,不利於電力調度與用電尖峰時刻的負載控制。目前臺電公司已經規畫進行高電壓AMI 建構,逐步將電表系統改換成具有通訊功能之智慧電表,並透過GPRS 無線傳輸系統連接至控制中心,並且預定於2012 年完成建置。......【更詳細的內容,請參閱第532期科學月刊】
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延伸閱讀
1. 〈AMI 計畫上路臺灣智慧電網規劃啟動〉,DigiTimes 電子時報,2011 年8 月1 日。
2. 黃怡碩、李東璟,〈臺灣智慧電網推動現況〉,經濟部能源報導,2010 年12 月。
3. 黃怡碩,〈智慧電表基礎建設之簡介〉,工業技術研究院綠能所,2011 年12 月22 日。
4. 林苑卿,〈各國AMI建置相繼啟動智慧電網供應鏈商機引爆〉,《新電子科技雜誌》,2012年11月。
5. 〈智慧電網(AMI)之發展應用—趨勢篇〉,《 FGT-線上技術月刊》,2010年11月6日。
6. 〈Matrix太陽能監控應用〉,聯力達科技,2011年4月20日。

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