智能電網發(fā)展近況
推動“智能型電表基礎建設”、“規(guī)劃智能電網”及“智能電力服務”為智能電網發(fā)展重點，很多企業(yè)已于近幾年進行智能電表的測試與示范計劃，國家近幾年亦積極協(xié)助這些企業(yè)推動智能電網發(fā)展，其中所運到的通訊技術包含3G/4G、RF Mesh(802.15.4g/e)、PLC、Wi-SUN、Wi-Fi、有線光纖等，而近年來LPWAN的技術已逐漸成熟，而電表數據傳輸屬于低數據量屬性的應用，非常適合采用LPWAN作為通訊系統(tǒng)，如LoRa、NB-IoT等技術。而5G則是近期新興科技及產業(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)、網絡切片(Network Slicing)、邊緣計算(Edge Computing)等有別于一般電信網絡的通訊架構，勢必可為多元的智能電網發(fā)展帶來更多不一樣的應用方式。
5G智能電網應用場景與通訊需求
5G系統(tǒng)定義了三大主要切片技術類型，如表1，包含eMBB(Enhanced Mobile Broadband)、URLLC(Ultra-reliable and Low Latency Communications)、mMTC(Massive Machine Type Communications)等應用，可分別滿足智能電網各種電力業(yè)務應用需求，其中5G網絡切片技術可用來承載智能電網多樣化業(yè)務，以提供電力系統(tǒng)各種不同需求的應用服務。電力網絡由傳統(tǒng)的輸/配/變電等系統(tǒng)轉化成智能電網，為了能達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，電力信息通訊網絡勢必扮演重要腳色，而整個電力系統(tǒng)有這各類型的能源服務應用，而每一種應用有其適合的網絡特性。5G的網絡切片技術可容納不同傳輸等級的應用于同一基站中實現(xiàn)，因此不管是需要大帶寬的影像監(jiān)控應用或小帶寬低延遲的配電管理等，皆可支應其各應用不同的特點與需求。以下針對幾個電力系統(tǒng)發(fā)展中的應用來探討網絡需求與5G可扮演的腳色：
表1 5G系統(tǒng)的三大切片技術類型
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：屋頂的太陽能發(fā)電、電動機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的容量預計會從2017年的132.4GW成長到2026年的528.4GW，為因應2025國內能源配比目標：燃煤30%、燃氣50%、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) 、難以準確預測性 (Difficult to predict)、難以控制性(Less Controllability)，這些高難度需求也為5G技術帶來新的機會。
為匯集多元、小型的分布式能源，電力企業(yè)需要導入虛擬電廠(Virtual Power Plant)技術，即由5G高效能低延遲網絡搭配智能、實時管理，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市場交易。為確保電網自動調度的實時性，保護訊息及監(jiān)控訊息都需要達到ms等級的低延遲，如表2所示。
過去相關低延遲的需求是通過搭建光纖網絡來達成，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，建立通訊的專網，并將VPP智慧控制建立在Edge Cloud上，來確保傳輸的穩(wěn)定及低延遲；另外通過Network slicing，可以幫助電力企業(yè)在現(xiàn)有通訊網絡上建立專網，確保電網安全，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)
早期配電網保護電路只有簡單過電流及過電壓保護電路設計，并沒有建設通訊網絡與后端計算機管理系統(tǒng)，因此很難實現(xiàn)分段隔離，每當停電時影響之區(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)是一種在配電網與設備基礎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絡、配電或饋線終端設備和后端計算機管理的配電自動化，以有線或無線通信網絡實現(xiàn)故障時的精準定位，并獲取相鄰配電終端設備之運作信息，可以實現(xiàn)對配電網的監(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備之間的自動化，包括饋線故障的自動恢復、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。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技術來實現(xiàn)基站與配電/饋線終端設備的低傳輸延遲來滿足需求，5G技術可以替代配電自動化中的現(xiàn)有光纖基礎設施，提供毫秒等級網絡傳輸延遲，可作為配電/饋線自動化電網無線通信的更佳解決方案，實現(xiàn)更快更準確的電網控制。配電自動化/饋線自動化系統(tǒng)對通訊應用需求如表2所示。
變電所站內/站外巡檢
5G技術中超高速特色在智能電網可能應用的場景，主要是高畫質視訊巡檢應用；一般可分為變電所站內與變電所站外高畫質影像與語音巡檢應用。變電所站內應用主要為變電站巡檢機器人與配電機房影音巡檢應用等；變電站內巡檢機器人可整合搭載多路高畫質攝影機及各種物聯(lián)網環(huán)境傳感器，實時回傳高畫質影像及物聯(lián)網相關檢測數據至變電所站內控制中心；變電站內配電機房影音巡檢可于配電機房重要設備搭載多路高畫質影音監(jiān)視系統(tǒng)，對配電機房重要設備運作狀態(tài)影像及設備開關狀態(tài)等相關信息回傳至變電所站內控制中心，以提升變電站內人工巡檢之自動化。變電所站外應用主要為輸電線路無人機巡檢等；輸電線路無人機巡檢主要針對高壓輸電網的線路檢查，例如輸電線路損壞或彎曲變形等檢視。變電所站內/站外巡檢系統(tǒng)對通訊應用需求如表2所示。
先進抄表系統(tǒng)(AMI)
目前各國均積極推動智能電網建設，期望能通過實時控制及需求端管理，來促進電力資源優(yōu)化配置與運行，達到節(jié)能減碳目標。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必須克服這些難題，目前國際上大部份廠商所采用的技術為RF Mesh搭配PLC進行布建，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)劃或負載用電造成信號干擾等。而以新興的5G技術來說，其屬于巨量集中型網絡架構(mMTC)，可降低通訊設備建置空間上的需求且電力獨立運作不受用戶負載用電影響，另外電力系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性及保密性上的需求，利用切片技術可虛擬出一個無線專網，進行更高強度的安全隔離，提高智能抄表所需要的安全性、穩(wěn)定性及靈活性等需求。很多科研機構或實驗室具備通訊實驗網絡及豐富的AMI，可提供廠商包含AMI網絡環(huán)境測試、抄表程序(DLMS client與serevr)測試、AMI通訊產品開發(fā)咨詢、頭端(HES)資料上傳測試等，協(xié)助投入智能電網領域的廠商測試環(huán)境與技術服務，可加速廠商產品化并及時投入市場。
表2 智慧電網應用場景對通訊應用要求
5G技術特性將加速智慧電網的實現(xiàn)
5G網絡及智能電網都是IT產業(yè)未來發(fā)展的重要趨勢，5G網絡低延遲特性在控制類的應用除了光纖網絡外，可為智能電網帶來一種新的通訊解決方式；智能電網應用需求廣泛，切片技術可同時提供eMBB、URLLC、mMTC等不同的應用場景；網絡功能虛擬化(Network-Function Virtualization, NFV)可為智能電網帶來類專網的安全隔離網絡，為電網數據的傳遞帶來更好的安全保障。因應智能電網多樣化的應用，5G網絡亦提供不同等級的網絡接入方式，提供用戶更彈性的配置，也使智能電網能加速實現(xiàn)的腳步。
