2014年12月2日

日本智慧電網的發展現況

作者/曲建仲(任職美商德州儀器公司)

由於能源短缺、價格高漲,再加上燃媒或燃油產生的二氧化碳排放造成溫室效應,如何節省能源是個重要的議題。因此世界各國都在開發「智慧電網(smart grid)」,又稱為「智慧型電表基礎建設(advanced metering infrastructure, AMI)」,將傳統老舊的機械式電表與電力系統升級為「智慧型」的電力系統,從最前端計費用的電表,中間的通訊系統。到後端管理用的伺服器全面升級,主要包括下列設備:

智慧電表(smart meter):使用積體電路製作電子式電表來取代機械式電表。電子式電表除了量測電壓、電流、計算消耗功率外,還可以計算出實功(active power)、虛功(reactive power)、功率因數(power factor),等各種電力參數提供使用者與電力公司參考。也有計算分段式電價的功能,更內建電力線通訊或無線通訊模組,將各種用電資訊即時送回電力公司,因此電力公司可以立即進行電力調配,減少備用容量。

電力線通訊(power line communication, PLC):是一種直接使用電線來傳送資料封包的技術。目前使用「窄頻電力線通訊」,以5~500 KHz的電磁波經由電源線傳輸資料封包,資料傳輸率可達200 Kbps。雖然資料傳輸率很低,但是傳送用電資訊已經足夠,傳輸距離可達1~2公里,足夠由用戶電表端傳送到「資料集中器」。

無線通訊(wireless communication):考慮到不同地區電子線通訊品質不同,如果無法使用電力線通訊傳送資料,則可以使用無線通訊取代。原本世界各國大多選擇Zigbee(一種低速短距離的無線網路)通訊技術,資料傳輸率可達250 Kbps,傳輸距離可達100公尺,通訊頻率為2.4 GHz;這個頻段是供免費使用的,包括藍牙(bluetooth)、無線區域網路(Wi-Fi)等都是使用這個頻段,因此干擾嚴重。而且2.4 GHz是高頻電磁波,繞射效果差,不容易繞過障礙物,於是開始有人改用頻率低於1 GHz的無線通訊技術,繞射效果較好,例如日本「Wi-SUN聯盟」所使用的技術。

資料集中器(data concentration, DC):由前面的介紹發現窄頻電力線通訊的傳輸距離只有1~2公里,Zigbee通訊技術的傳輸距離只有100公尺,因此要將用電資訊直接由電表端傳送回電力公司是不可能的。必須先以「資料集中器」將數百戶用電資料集中起來,再轉換成乙太網路(ethernet)、纜線數據(cable modem)或光纖網路後,最後以骨幹端的網路系統送回電力公司。

家庭能源管理系統(home energy management system, HEMS):我們家裡有許多大小不同的電器,到底消耗了多少電力呢?家庭能源管理系統就是將家裡面每一個插座的用電狀況收集起來,提供給用戶參考,甚至可以與雲端資料庫相連,由雲端系統提供能源管理方式的建議,以達到省電節費的目的。......【更詳細的內容,請參閱第540期科學月刊】

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