5G智慧電網應用機會與趨勢

工研院資通所 張瑞彥 張仕穎 李進農 徐彬海

近幾年各先進國家紛紛進行現行電網之升級計畫,我國為推動節能減碳政策,將智慧電網-先進讀表系統(Automated Metering Infrastructure, AMI)列入「國家節能減碳總計畫」[1]標竿計畫之一,而4G/5G等通訊產業亦是我國重要產業發展方向之一,因此本文將探討智慧電網應用場景與5G通訊技術,相互結合發展的可能機會與趨勢。

 

智慧電網發展近況

推動「智慧型電表基礎建設」、「規劃智慧電網」及「智慧電力服務」為智慧電網發展重點,行政院已於近幾年進行智慧型電表的測試與示範計畫,工研院近幾年亦積極協助台電推動智慧電網發展,相關計畫包含「新型模組化AMI電表及通訊模組」、「1000戶AMI與用戶端整合示範案」[2]、「低壓AMI通訊介面單元評鑑作業」、「智慧電錶加值應用技術」、「AMI金鑰管理技術」、「滲透測試技術 」等,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,而電表資料傳輸屬於低資料量屬性的應用,非常適合採用LPWAN作為通訊系統,如LoRa、NB-IoT等技術。而5G則是近期新興科技及產業的熱門議題之一,除了帶來更高的傳輸速度及巨大容量外,其低延遲(Low Latency)、網路切片(Network Slicing) [3] [4]、邊緣計算(Edge Computing)等有別於一般電信網路之通訊架構,勢必可為多元的智慧電網發展帶來更多不一樣的應用方式。

 

5G智慧電網應用場景與通訊需求

5G系統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,可分別滿足智慧電網各種電力業務應用需求,其中5G網路切片技術可用來承載智慧電網多樣化業務,以提供電力系統各種不同需求的應用服務。電力網路由傳統的輸/配/變電等系統轉化成智慧電網,為了能達到有效管理小型分散的能源系统、安全高效能的輸變電、靈活的配電、多樣的用電型態等,電力資訊通訊網路勢必扮演重要腳色,而整個電力系統有這各類型的能源服務應用,而每一種應用有其適合的網路特性。5G的網路切片技術可容納不同傳輸等級的應用於同一基站中實現,因此不管是需要大頻寬的影像監控應用或小頻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發展中的應用來探討網路需求與5G可扮演的腳色:


5G系統的三大切片技術類型
表1:5G系統的三大切片技術類型

 

分散式能源管理(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散式小型多元、小型、分散的能源系统,如:屋頂的太陽能發電、電動機車及家庭能源管理系統等,具體來說,分散式能源的量持續增加,全球DER的容量預計會從2017年的132.4 GW成長到2026年的528.4 GW[5],為因應2025國內能源配比目標:燃煤30%、燃氣50%、再生能源20%,如何在分散式能源的情境下維持電力系統供需平衡、穩定度與安全,是電力公司勢必面對的問題,尤其再生能源發電具不確定性(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[6]。

為匯集多元、小型的分散式能源,台電需要導入虛擬電廠(Virtual Power Plant)技術,藉由5G高效能低延遲網路搭配智慧、即時管理,使其整體電力的可用度與可靠度等效於一座傳統電廠的水準,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即時性,保護訊息及監控訊息都需要達到ms等級的低延遲[7],如表2所示。

過去相關低延遲的需求是台電視透過自建光纖網路來達成,但是在分散能源情境下,自行佈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,並將VPP智慧控制建立在Edge Cloud上,來確保傳輸的穩定及低延遲;另外透過Network slicing,可以幫助台電在現有通訊網路上建立專網,確保電網安全,避免惡意攻擊發生。

 

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,並沒有建設通訊網路與後端電腦管理系統,因此很難實現分段隔離,每當停電時影響之區域極為廣大,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資訊管理系統,主要是基於有線或無線通訊網路、配電或饋線終端設備和後端電腦管理的配電自動化,以有線或無線通訊網路實現故障時的精準定位,並獲取相鄰配電終端設備之運作資訊,可以實現對配電網的監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有光纖基礎設施,提供毫秒等級網路傳輸延遲,可作為配電/饋線自動化電網無線通訊的更佳解決方案,實現更快更準確的電網控制。配電自動化/饋線自動化系統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慧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網環境感測器,即時回傳高畫質影像及物聯網相關檢測資料至變電所站內控制中心;變電站內配電機房影音巡檢可於配電機房重要設備搭載多路高畫質影音監視系統,對配電機房重要設備運作狀態影像及設備開關狀態等相關資訊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/站外巡檢系統對通訊應用需求如表2所示。

 

先進讀表系統(AMI)

目前各國均積極推動智慧電網建設,期望能透過即時控制及需求端管理,來促進電力資源最佳化配置與運行,達到節能減碳目標,根據行政院規劃,預計113年達成300萬戶智慧電表安裝運作的目標。而電表大部分安裝於地下室等收訊不佳的地方且都會區的電表密集度高,另外一般民眾對於裝設明顯的通訊裝置會引起反彈等因素,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採用的技術為RF Mesh搭配PLC進行佈建,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則可能因電路規劃或負載用電造成訊號干擾等。而以新興的5G技術來說,其屬於巨量集中型網路架構(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,另外電力系統有較高的穩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,提高智慧讀表所需要的安全性、穩定性及靈活性等需求。工研院具備通訊實驗網路及豐富的AMI相關計畫參與,可提供廠商包含AMI網路環境測試、讀表程式(DLMS client與serevr)測試、AMI通訊產品開發諮詢、頭端(HES)資料上傳測試等,協助投入本領域的廠商測試環境與技術服務,可加速廠商產品化並及時投入市場。

智慧電網應用場景對通訊應用需求
表2:智慧電網應用場景對通訊應用需求

 

5G技術特性 將加速智慧電網的實現

5G網路及智慧電網都是IT產業未來發展的重要趨勢,5G網路低延遲特性在控制類的應用除了光纖網路外,可為智慧電網帶來一種新的通訊解決方式;智慧電網應用需求廣泛,切片技術可同時提供eMBB、URLLC、mMTC等不同的應用場景;網路功能虛擬化(Network-Function Virtualization, NFV)可為智慧電網帶來類專網的安全隔離網路,為電網資料的傳遞帶來更好的安全保障。因應智慧電網多樣化的應用場景,5G網路亦提供不同等級的網路接入方式,提供使用者更彈性的配置,也使智慧電網能加速實現的腳步。

 

參考文獻

[1] 行政院節能減碳推動會秘書處(經濟部)(2010)國家節能減碳總計畫(核定本)。

[2] https://energymagazine.tier.org.tw/Cont.aspx?CatID=16&ContID=1960

[3] Foukas, X., Patounas, G., Elmokashfi, A., et al. (2017) Network Slicing in 5G: Survey and Challenges. IEEE Communications Magazine, 55, 94-100.

[4] 5G Network Slicing Enabling the Smart Grid ; HUAWEI/CHINA TELECOM/STATE GRID

[5] Navigant Research, Global DER Deployment Forecast Database, 2017 4Q.

[6] G. Bag, L. Thrybom, Linus and P. Hovila,Challenges and opportunities of 5G in power grids, CIRED-Open Access Proceedings Journal, pp. 2145-2148, 2017, IET.

[7] IEEE 1646: Communication Delivery Time Performance Requirements for Electric Power Substation Automation.

 

文章轉載自工業技術研究院電腦與通訊月刊