智慧電網國立中正大學電力品質實驗室

Report
智慧電網的發展
張文恭
國立中正大學
電機工程學系
101. 10. 25
1
國立中正大學
電力品質實驗室
背景說明
Energy
Efficiency
CO2
Emissions
80% Losses
Smart
Grid
Renewables
Source: Alstom Power
Distributed
Empowerment
國立中正大學
電力品質實驗室
背景說明
•98年全國能源會議決議,我國2020年之前,每年須節約
能源20%,再生能源發電量達18%總發電量比率,持續推動
電力供應區域化、提升需量反應誘因,以抑制尖峰負載減
緩耗能電源開發,持續提升輸配電效率,推動設置智慧電
網及電錶,落實能源使用資訊監測,提高能源使用效率,
與檢討修正時間電價制度等。
•美國於2003年開始進行智慧電網試驗,歐洲於2005年成
立智慧電網技術平台。
•傳統的電力系統結合資訊科技之網路與通訊等功能後,
逐漸演變為所謂的智慧電網。智慧電網藉由通訊與資訊技
術與輸配電網路之整合,可將蒐集到的電氣資料轉變為有
用的智能。
3
國立中正大學
電力品質實驗室
綠色能源產業旭升方案推動架構
太陽光電
綠
色
能
源
產
業
旭
升
方
案
(1) 大型太陽光電電廠 (4 MW) 建造
(2) 促成多晶矽原料廠完成建廠,健全產業價值鏈
LED照明
光電
(1) 推動LED照明標準模組大廠設立
(2) 建立白光LED自主化技術,LED 光源躍進國際前三大
風力發電
(1) 協助設立MW級風力發電系統廠
(2) 2年內完成國產2MW自主品牌風力機系統整合技術開發
氫能與燃料
電池
生質燃料
能源資通訊
電動車輛
Source: 行政院
(1) 成立燃料電池示範驗證推動辦公室
(2) 協助燃料電池廠商進駐育成中心
(1) 推動北高都會區E3酒精汽油計畫
(2) 設立生質酒精工廠
(1) 推動智慧型電錶AMI
(2) 3年內完成建築物能源管理系統
(1) 發展大幅提升電動車輛產品性能之關鍵模組
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(2) 發展具突破性動力鋰電池材料技術之電池模組
4
電力品質實驗室
政策投入
5年投入技術研發經費200億元
5年投入250億元推動綠色能源設
置及補助
發展綠能產業成為
台灣產業新的生命力
質
化
效
益
建立台灣成為能源
技術與生產大國
塑造我國節能減碳
新風貌
量
化
效
益
50,000
45,000
40,000
35,000
30,000
25,000
20,000
15,000
10,000
5,000
0
47,520
產值(億台幣)
就業人數(人)
16,030
1,603
2008
帶動投資
Source: 行政院
5
4,752
2012
2,000億元
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為何電力網路要現代化?
•目前的電網老化且過時
•可靠度低造成用戶鉅額損失
•目前的電網易受人為與天災攻擊
•目前的電網延伸之損失對安全、經濟與生活品質
影響鉅大
•目前的電網無法滿足21世紀之供電挑戰與需求
•電網現代化衍生之利益為必要的
Running today's digital society through yesterday's grid is like
running the Internet through an old telephone switchboard.
6
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Edison vs. Bell
7
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感知與量測
智能
智慧電網 =
自動化
整合之通訊
先進電表---需求面管理---配電自化---停電管理---分散式再生能源---隨插即用混合式油電車
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“電力”基礎設施
+
“智慧”基礎設施
||
智慧電網
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智慧電網之價值
智慧電網較為
•
•
•
•
•
•
可靠
供電穩定
經濟
有效
環境友善
安全
These values define the goals for grid modernization and
Suggest where metrics are needed to monitor progress.
10
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智慧電網特性
•促使用戶主動參與
•調和所有發電與儲能之選擇
•促成新的電力產品、服務、與市場
•提供數位經濟下之電力品質
•資產利用之最佳化與有效運轉
•預測與回應系統干擾(自癒性)
•可抗拒外來之攻擊與天然災害
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智慧電網之落差
特性
目前
未來
促成用戶參與
用電格較不透明,時間
電價(time-of-use)
完全價格資訊,不同的
來源選擇,可購售電
調和發電與儲能
主要為集中式發電,較
少的DG、DR、儲能式與
再生能源
有多種隨插即用的分散
式能源做為集中式發電
之替代源
促成新市場
有限的批發市場,不完
全整合
成熟且完全整合的批發
市場,且有新興電力市
場之成長
滿足電力品質需求
著重於停電處理,而非
電力品質
根據需求,有不同電
力品質等級與價格的
選擇
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特性
目前
未來
資產最佳化
與有效運轉
欠缺與資產
管理之整合
電網智能與
資產管理之
深入整合
自癒
事故發生後保護設備
(例:保護電驛跳脫)
避免崩潰、衝擊
最小化、快速復原
抗拒攻擊
易受天災與
外來攻擊
可制止、檢測、
緩解攻擊、
並有效快速復原
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分散式發電
發電
輸電
工業區
配電
商業區
住宅區
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智慧電網涵蓋範圍
智慧發電
系統協調與情境評估
輸電自動化
系統操作
再生能源之整合
配電自動化
能源效率
需求面參與信號與選擇
電動車與儲能裝置
分散式發電與儲能
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智慧電網元素



做為用戶感測裝置的先進智慧電表
配電、輸電、與變電所感測器
配電、輸電、與變電所自動化裝置












故障檢測器
自動電路復閉器
電壓控制
自動分段與復電裝置
同步相位儀
高壓直流輸電
智慧電驛
含智慧型調溫器之需求響應元件
居家內顯示幕
通訊網路
整合包含電表資料管理系統之IT網路
利益相關者(Stakeholder)容易取得用戶與電網之資訊
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17
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電力品質實驗室
18
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智慧電網計劃
性能
緊急事故
復電
例行操作
最佳化
系統規劃
性能
衡量指標
衡量指標
壅塞成本
大停電機率
SAIFI指標
復電時間
CAIDI指標
負載因數
容量利用率
目標
可靠性
安全性
經濟性
電力品質
效率與環境品質
安全性
關鍵技術
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主要特性
主要特性
自癒性
與用戶結合
可承受安全性之攻擊
提供21世紀之電力品質
適應多種不同發電選擇
最佳資產利用與最小維
修運轉成本
關鍵技術
整合的通訊
先進的控制方法
感測、儀表、與量測
先進電網元件
決策支援與人機介面
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電力品質實驗室
•五項關鍵技術推動了智慧電網的進展,分別為(1)整合的
通訊能力,(2)感測與量測技術,(3)先進的元件技術,
(4)先進的控制方法,以及(5)改良的介面與決策支援。
•達到智慧電網所需的設備、技術與方法,包括具電力品
質分析功能之智慧電表、廣域之電力品質量測、智慧型家
電、優質電力之計畫、增進電力品質與穩定度的不同儲能
裝置、改善電力品質信號或波形的電力電子設備,可辨識
並矯正造成電力品質問題之事故的電網監測機制,可供應
潔淨電能之分散式發電裝置,對電壓調整器、電容器排、
以及提供虛功與電壓調節之分散式發電/儲能裝置進行主
動控制、遙控隔離故障、動態饋線重組、以及配電狀態估
測等。
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電力品質實驗室
感知與量測
先進控制方法
IC
改良之人機界面與決策支援
IC
決策支援與
人機界面
IC
先進元件
先進的控制方法
IC=整合之通訊
整合的通訊
感測,電表,與量測
先進電網元件
智慧電網五項關鍵技術
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整合的通訊
有效且完全整合的通訊基礎設施為智慧電網基本要素:
•整合的通訊創造動態、互動之巨型基礎設施以提供即時資
訊與電力交換
•整合的通訊允許不同的智慧型電子裝置(智慧電表、控制
中心、電力電子控制器、保護裝置)與用戶互動而形成一整
合的系統
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電力品質實驗室
感知與量測
•
•
•
•
•
•
智慧電表
普遍存在的系統操作參數
資產設備狀態監測
廣域量測系統(WAMS)
先進的系統保護
輸電線之動態額定
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國立中正大學
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先進的控制方法
以計算機為主之演算法的廣泛應用:
•監測主要電網元件並蒐集相關資料
•分析資料以診斷及提供可行的解決方法
•決定並自主採取適當的行動或運轉者執行
•提供運轉人員相關資訊與解法
•整合產業相關程序與技術
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國立中正大學
電力品質實驗室
先進的元件
•
•
•
•
•
•
•
•
下世代彈性輸電系統與電力品質改善裝置
先進的分散式發電與能量儲存裝置
插入即用混合式電動車(PHEV)
故障限流器
超導輸電電纜與旋轉電機
微電網
先進的開關與導体
固態變壓器
25
國立中正大學
電力品質實驗室
決策支援
•
•
•
•
•
資料減量
視覺化
理解度
決策支援
系統操作者訓練
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電力品質實驗室
27
國立中正大學
電力品質實驗室
達成智慧電網之里程碑
•先進電表基礎設施 (AMI)
•先進配電運轉 (ADO)
•先進輸電運轉 (ATO)
•先進資產管理 (AAM)
Each Milestone requires the deployment and
integration of various technologies and applications
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國立中正大學
電力品質實驗室
先進電表基礎設施相關技術
•
•
•
•
•
•
•
•
智慧電表
雙向通訊
用戶入口端
居家區域網路(HAN)
電表資料管理
需求響應
用戶服務應用
運轉匣道應用
AMI empowers the customer and supports grid operations
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國立中正大學
電力品質實驗室
先進配電運轉相關技術與應用
•具有先進感測元件之配電管理系統
•先進的停電管理系統
•分散式電源之運轉
•配電自動化
•配電地理圖資系統
•交流與並流微電網運轉
•先進的保護與控制
•配電用的先進電網元件
The functionality of ADO enables “Self Healing”
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先進輸電運轉相關技術與應用
•變電所自動化
•輸電用之地理圖資系統
•廣域量測系統
•高速資訊處理
•先進的保護與控制
•建模、模擬與視覺化工具
•先進的輸電電網元件
•先進的區域運轉應用
Deeply integrated with AMI, ADO and
AAM –ATO optimizes transmission operations
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電力品質實驗室
先進資產管理相關技術與應用
•先進的感測元件
- 系統參數
- 資產設備 “健康狀態”
•即時資訊與其他程序的整合:
-
資產利用最佳化
輸配電規劃
以運轉狀態為主之維修
工程設計與施工
用戶服務
工作與資源管理
建模與模擬
Integration of AMI, ADO, and ATO with asset management
Processes will dramatically improve grid operations and efficiency
國立中正大學
32
電力品質實驗室
里程碑演進
AMI與DR
AMI促成建立與用戶及負載間的通訊
配電 (ADO)
ADO可促成自癒
ATO進行壅塞管理
輸電 (ATO)
資產管理 (AAM)
AAM可大幅提升現行資產管理計畫之性能
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國立中正大學
電力品質實驗室
智慧電網各功能關聯圖
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國立中正大學
電力品質實驗室
需求面管理與動態價格
分散式發電與替代能源
自癒性廣域保護與隔離
資產管理與線上設備監測
即時模擬與緊急事故分析
參與能量市場
共用之資訊 – 連續之優化 – 智慧響應!
35
Source: WESCO
國立中正大學
電力品質實驗室
企業
控制中心
廣域網路
商業
近距離區域網路
私有
變電所
私有
分散式電源
資產管理
風力發電
用戶
電動車
Source: Erich Gunther
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整合的通訊與規範
國立中正大學
電力品質實驗室
需要ICT規範的各層面(Domain)
37
國立中正大學
電力品質實驗室
電業與控制中心
Name / No.
Description
Status
IEC 60870-6
Inter-Control Center Protocol
Widespread
IEC 62325
ebXML for Power Systems
In development
IEC 61970
Common Information Model / Generic
Interface Definitions (CIM/GID)
Interfaces for Distribution
Management
In use; mostly
single-vendor
Mostly still in
development
NRECA Enterprise web services
In use; not flexible
IEC 61968
Multispeak
•
•
•
•
•
There is a culture of manual integration
Very labour-intensive and costly
Object models and services defined, but…
A variety of underlying technologies: UML, XML, OWL, XSD, RDF,
OPC
Working on agreement on a design framework
38
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電力品質實驗室
38
輸配電廣域網路
Name
Notes
Frame Relay
Packet-switched, no reliability guarantee
SONET
Campus or city backbones
WDM
Wavelength Division Multiplexing – follows SONET
Microwave
Proprietary, used in geographically difficult areas
Satellite
Various proprietary technologies, costly
Trunked Radio
Licensed, one broadcast channel, one return
Spread-Spectrum
Unlicensed frequencies, more efficient
IP Radio
Like trunked radio but with IP addressing
•
•
Many of these are considered obsolete or aging in the general IT
world
Still in common use in the power system
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電力品質實驗室
輸配電變電所
Name / No.
Description
Status
IEC 61850
Object models, self-describing, highspeed relaying, process bus
DNP3
Distributed Network Protocol
Widespread in Europe,
beginning in other
places
Most popular in NA
Modbus
Evolved from process automation
Close second
COMTRADE
Fault Capture file format
Widespread
PQDIF
Power Quality file format
In use
IEC 62351
Security for power systems
Recently released
•
•
•
•
Automation common in transmission
Business case tough in distribution
Well-known problems and solutions
Moving to the next level
40
國立中正大學
電力品質實驗室
40
廣域網路存取
Name
Notes
PSTN
Public Switched Telephone Network – dial-up, leased lines
DSL
Digital Subscriber Line - Telco IP-based home access
Cable
DOCSIS standard for coax IP-based home access
WiMAX
WiFi with a backbone, cellular-type coverage
Cellular
Various technologies e.g. GSM/GPRS or CDMA/EVDO
FTTH
Fiber to the Home. Passive Optical Networks (PONs)
PLC
Narrowband Power Line Carrier – the “old stuff”
Access BPL
Broadband over power line to the home
Paging
Various proprietary systems, POCSAG
•
•
Used to reach the Collector or Substation
Too expensive, too unreliable or too slow for actual access to
home
41
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41
近距離區域網路—配電與自動讀錶基礎設施(AMI)
•
•
•
•
•
Offerings mostly proprietary
– Wireless mesh, licensed or unlicensed
– Power line carrier, narrowband or
broadband
– New standard activity just started in 2008
Open standards not useful yet
– Cellular, WiMAX, ADSL, Cable, FITL
– Not economical or not reliable or both
A B
Metering
Network
Network
A
Metering
Network
Network
B
– Mostly only reach the Collector level
Interop solution: common upper layer
– Network layer preferred: IP suite
– Most don’t have bandwidth
Application layer instead: ANSI C12.22
– Too flexible, not enough interoperability
– Need guidelines, profile from users
More bandwidth the main solution!
42
A
B
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電力品質實驗室
居家區域網路(HAN)
Name
Number
Notes
Ethernet
IEEE 802.3
Substation LANs, usually fiber optic
WiFi
IEEE 802.11
Access by field tool, neighborhood AMI net
ZigBee
IEEE 802.15.4
Customer premises automation network
HomePlug
1.0, AV, BPL
Powerline comms, in and outside premises
6LowPAN
IEEE 802.15.4
The “approved” IPv6 wireless interface
OpenHAN
HAN SRS v1.042008
Power Industry requirements definition!
•
•
•
ZigBee and HomePlug alliance
- Popular open specifications
LONWorks, Insteon, Z-Wave, X10 – popular proprietary
networks
Challenges coming in Electric Vehicles
43
國立中正大學
電力品質實驗室
分散式電源
Name / No.
Description
Status
OPC
Application interface
Widespread in industry
IEC 61400-25
Wind Power
In use; turf war
DRBizNet
California initiative
In development
BACNet
Building automation
In use; many profiles
OpenADR
Automated Demand Response
In development
IEEE 1547
Basic principles of DER
In use
IEC 61850-7-420
Information models for DER
In use
•
Rapidly growing, but tend to be
“islands of automation”
•
Concerns over integration with power
utilities
•
Need to get people talking
44
國立中正大學
電力品質實驗室
44
智慧電網各層標準
External
Portal
Enterprise
Metering System
WAN
Collector
Field
LAN
Meter / Gateway
$
!
HAN
Normal
Current
Temp
03/03/2007
8:48am
Stat
us
Example
Technologies
Retailers
Aggregators
Regulators
Customers
Providers
Internet Protocols
World-Wide Web
ebXML
IEC 60870-6 ICCP
MDMS
CIS/Billing
OMS
WMS
EMS/DMS
IEC 61970
IEC 61968
Web Services
Multispeak
Message Buses
Routers
Towers
Ground Stations
Repeaters
Rings
SONET, WDM, ATM
MPLS
Frame Relay
Satellite
Microwave
IEC 61850
DNP3
Relays
Modems
Bridges
Access Points
Insertion Points
WiMAX
BPL / PLC
Wireless Mesh
ADSL
Cellular
Cable (DOCSIS)
Thermostats
In-Home Displays
Smart Appliances
Field Tools
PCs
Building Automation
NOR
PEND
ACTI
MAL
Critical
Emergency
Program OV
RID
ING
Emergency
Event VE
Peak
Stage 1 ER
E
Stage 2
Example
Members
Progr
AW
am:
AY
45
ZigBee
WiFi
LonWorks
BACnet
HomePlug
OpenHAN
國立中正大學
電力品質實驗室
摘要整理
Essential
Promising
Needed
IP-based networks
IEC 61970 CIM/GID
IEC 61968 Distribution
IEC 61850 Substations
IEC 62351 Security
DNP3
ANSI C12.19, C12.22
AMI-SEC
OpenHAN
WiMAX
ZigBee / HomePlug
OpenADR
6LowPAN
BACNet
OPC/UA
NERC CIPs
Standard Field LANs
Modems for Field LANs
More field bandwidth!
CIM Design Framework
CIM Application Security
CIM/61850 Harmonization
IEC 61850 Outside Sub
ANSI C12 Guidelines
Finish AMI-SEC
Asset Mgmt, DER, PHEV
46
國立中正大學
電力品質實驗室
傳統電網演進至智慧電網之重要過程
•階段5
•階段4
成熟度
•階段3
整合:
– 企業不同IT系
•階段2
統之整合以允
許快速資料處
通訊基礎設施:
理
– 可快速且正確傳
•階段 1
輸資料之企業通 – 易於資訊分享
之開放式架構
智慧裝置基礎設施:
訊系統
設計
– 智慧電表
– 光纖與寬頻網路
之整合
– 需求響應裝置
– 先進之輸、配
電自動化裝置
– 變電所智慧型
電表控制器
分析的基礎設施:
– 新資料分析功
能之發展
– 增進資訊顯示
之功能
最佳化:
– 電力網路性能即
時最佳化之能力
– 依據即時資訊做
決策
功能
Source: IBM
47
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電力品質實驗室
智慧電網觀念模型
服務
提供者
系統操作者
市場
發電
輸電
用戶
配電
安全之通訊界面
電力界面
領域
Source: EPRI
Figure 3 - Smart Grid Conceptual Model – Top Level
48
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電力品質實驗室
49
國立中正大學
電力品質實驗室
50
國立中正大學
電力品質實驗室
51
國立中正大學
電力品質實驗室
52
國立中正大學
電力品質實驗室
控制儀表板
分析功能
技術分析
地理圖資系統
波形分析
資訊入口
PQ指標
故障型態與地點
故障檢測
工作單
停電智能
使用之資料
人員最佳化與調派
停電事件型態與地點
自動帳單與電表資
料管理系統
電網狀態
元件狀態
故障與失效
電力品質資料
電表資料
用戶入口
停電管理系統
用戶服務系統
快速故障隔
離與復電
遙控開關
電表
電網
資
訊
資料傳
輸網路
開關
正確之人員位置,資
訊與器材
決
策
線路感測器
與智慧型
RTU
變電所
智慧型復閉器
智慧電容器排
53
國立中正大學
電力品質實驗室
54
國立中正大學
電力品質實驗室
55
國立中正大學
電力品質實驗室
固態智慧型電表
電機械式瓦時表
56
國立中正大學
電力品質實驗室
具有需求響應控制之日光燈安定器
指令耦合器
缷載指令
產生器
建築管理
57
國立中正大學
電力品質實驗室
58
國立中正大學
電力品質實驗室
Key Smart Grid sectors (shown in the center) and their relationship to generation and end use
59
國立中正大學
電力品質實驗室
EXAMPLES: Honeywell Energy Technologies
Public Utilities
Industrial Utilities
Carbon
Capture &
Sequestration
Advanced Energy
Solutions
Industrial Process Plants
Steam, power
Renewable
Energy
Energy & Carbon Dashboard
CHP: Multi-objective Optimization
One Wireless Sensor Networks
Grid
Smart-grid solutions
(Demand-Response, Energy
Efficiency)
Gen3 Solar
Bio-Diesel
Homes & Buildings
Local
Poly-generation
(CHP)
Versatile Energy Resource
Allocation (VERA)
Energy Perf. Contracts
Building Optimization
Renewable Integration
Electricity,
heating,
cooling
Multi-site Business Solns.
Insulating Foam
60
國立中正大學
電力品質實驗室
Building Energy Management Systems
•
•
Buildings consume 40% of energy in the US
– 72% electricity, 55% natural gas
Innovation in Building Controls provide
– Energy Efficiency (EE)
 HVAC, lighting, etc.
– Distributed resource management
 Generation, storage
 Demand prediction
 Buy vs. sell decisions
 Multi-fuel optimization
– Participation in energy markets
 Automated demand management in
response to utility signals
 Optimal use of local storage and
backup generation
Building controls are the key to all forms of clean energy:
EE, DR & renewable integration
61
國立中正大學
電力品質實驗室
Residential Vision: Home Energy Management
Objective
Easy to use automation providing smart grid functionality in such a way to
maximize benefits to consumers, utilities & the environment
Key Features
Utility communicates prices, load shedding signal, etc.
Easy-to-use controls automate routine tasks, remove the burden from humans,
and ensure completeness, consistency and persistence / stickiness of energy
(and money) savings.
Outdoor
Temp and
Hum Sensor
Utility
Electric
Meter
Home Energy Manager
Warm Air
Furnace
PHEV
Water Heater
Appliances
A/C unit
Solar
Geothermal
Pool pump
62
國立中正大學
電力品質實驗室
Added green
power sources
High-speed,
networked
connections
Plug-in hybrid
electric cars
Customer interaction
with utility
Real-time and green
pricing Signals
Smart thermostats,
appliances and in-home
control devices
Smart House
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國立中正大學
電力品質實驗室
Source: Reza Iravani
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電力品質實驗室
Source: Reza Iravani
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電力品質實驗室
Source: Reza Iravani
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電力品質實驗室
Source: Reza Iravani
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電力品質實驗室
住宅區微電網範例
配電系統一次側(11.4kv)
配電變壓器
二次側(110/220V)
至6民宅
隔離裝置
燃料電池、
電力調節器、
控制與儲能設備
住宅2
住宅1
住宅3
配電變壓器
熱氣至住宅
電力系統
二次側
隔離裝置
電力公司
一次側
電力公司系統
介面與控制器
(同步,故障保護,
孤島隔離等)
50kVA
換流器
熱儲存
裝置
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住宅5
住宅6
直流匯流排
燃料
電池
多用戶群組分散式微電網之架構
(單一燃料電池發電源系統)
住宅4
充電調節器
電能儲
存裝置
熱分配
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電力品質實驗室
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