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2014-12-01日本智慧電網的發展現況
540 期
Author 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5~500KHz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。
世界各國都在開發智慧電網，但是目前進度最快的是日本。由於311大地震造成的福島核災，讓日本政府一度關閉所有核能電廠，電力吃緊讓日本意識到能源管理的重要。在2011年通過「能源供需安定行動計畫」，規劃5年內完成70萬戶高壓用戶與6000萬戶低壓用戶（約佔80％）的智慧電表建置，並於2020年全面導入。日本智慧電網主要由智慧電表傳送用電資訊到集中器，最後傳送回電力網讓電力公司進行發電、輸電、配電的參考，同時傳送到情報網提供各種電力管理的加值服務；另外也可以由智慧電表傳送用電資訊到室內的「家庭能源管理系統」，同時連結到屋頂的太陽能發電系統、室內的儲能電池以及所有的插座，進行全面的能源管理與監控。為了要推動智慧電網發展，日本智慧社區聯盟（Japan Smart Community Alliance, JSCA） 設立國際標準化工作組。在2011年經濟產業省公開推薦「ECHONET Lite」作為「家庭網路的通訊標準標準」，在家庭裡是以家庭能源管理系統為中心控制所有電力系統，目前以太陽能與儲能電池為主，未來將會擴展到電動汽車，提供充電管理使用。
日本智慧電網概念圖
以日本最大型，也是福島核災受傷最重的「東京電力公司」為例。於2012年3月啟動智慧電網計劃，2012年7月完成並公告規格書，接下來就是公開招標由各家廠商依照規格書開發產品，開發時程大約2年。2014年上半年開始建置智慧電網系統，其中東京電力公司的用戶大約2700萬戶。在他們所使用的智慧電網架構裡，其中家庭區域網路（home area network, HAN）位於室內，現場區域網路（field area network, FAN）是各地區現場的網路系統，目前規劃使用電力線通訊或Wi-SUN無線通訊技術；資料集中器負責收集所有附近用戶的用電資訊，再傳送到廣域網路（wide area network, WAN），最後交由電力公司的網路設備與電表資料管理系統（meter data management system, MDMS）。整個系統的主要目的就是將用戶端的用電資訊即時傳送回電力公司。此外，室內的能源管理則是以家庭能源管理系統為中心，負責各電腦、手機、電動車充電系統、太陽能發電系統等結合，以達到管理能源、節省能源的目的。
能源是驅動這個世界最重要的動力，我們每天都需要使用。由於能源短缺、價格高漲，再加上溫室效應、地球暖化，已經不允許我們再像以前那般浪費能源；日本智慧電網的規劃與建置進度較其他國家快速，再加上日本的能源結構與臺灣相似，都必須依賴能源進口，的確值得我們觀摩與學習。