能源的智能管理需求渐增，智能电网发展加速

【导读】微电网(Micro Grid)将使能源管理产业全速迈向智慧化(图1)。美国、欧洲、日本等先进国家，以及中国大陆、印度及沙乌地阿拉伯等新兴国家，正全力布建智慧电网 (Smart Grid)和太阳能系统，以提高能源利用和管理效率。由于电网输送的是交流电(AC)，而再生能源系统则产生直流电(DC)，为有效整合两种不同形式的电力，业界正兴起太阳能、智慧电网与储能叁大系统互相整合的新型微电网概念，激励相关系

摘要：  微电网(Micro Grid)将使能源管理产业全速迈向智慧化(图1)。美国、欧洲、日本等先进国家，以及中国大陆、印度及沙乌地阿拉伯等新兴国家，正全力布建智慧电网 (Smart Grid)和太阳能系统，以提高能源利用和管理效率。由于电网输送的是交流电(AC)，而再生能源系统则产生直流电(DC)，为有效整合两种不同形式的电力，业界正兴起太阳能、智慧电网与储能叁大系统互相整合的新型微电网概念，激励相关系统业者投入布局新一代智慧能源管理技术。

关键字：  能源管理，智慧电网，半导体元件

微电网(Micro Grid)将使能源管理产业全速迈向智慧化(图1)。美国、欧洲、日本等先进国家，以及中国大陆、印度及沙乌地阿拉伯等新兴国家，正全力布建智慧电网 (Smart Grid)和太阳能系统，以提高能源利用和管理效率。由于电网输送的是交流电(AC)，而再生能源系统则产生直流电(DC)，为有效整合两种不同形式的电力，业界正兴起太阳能、智慧电网与储能叁大系统互相整合的新型微电网概念，激励相关系统业者投入布局新一代智慧能源管理技术。

图1 智慧微电网建置概念图　图片来源：Altera

微电网系传统电网迈向智慧电网的过渡型结构，主要用途为串连分散式再生能源系统与主电网，达成区域性智慧能源管理的目的，因此须与外部电网併网运作，同时也要具备孤岛运转能力。相较于智慧电网须肩负发、输、配、用的电力传导流程，微电网规模较小，仅负责区域性的配电与用电管理，初期将应用于动态调节再生能源供应比例，避免主电网电压浮动等安全问题。

现阶段，功率元件商与系统厂正加紧改良微电网变电站(Substation)、太阳能逆变器(Inverter)电力控制与资讯运算方案，并导入电力线通讯(PLC)、无线区域网路(Wi-Fi)和ZigBee等联网模组，以扩展微电网的无线感测节点，建置更即时、有效的配电管理平台。

微电网酝酿新商机　半导体元件需求引爆

微电网已成为今年能源产业的发展重点;由于其须具备即时监控、双向功率控制、区域用电预测与协调等功能，因而也带动通讯模组、高速开关及隔离功率元件导入需求，吸引相关供应商蜂拥抢市。

核能研究所核能仪器组智网分组长张永瑞表示，再生能源系统供电量变动剧烈，且须透过直流对交流(DC-AC)转换机制才能顺利併入主电网，一旦应用比重增加，势将造成主电网电压浮动和频率稳定性不佳等问题;所以，随着再生能源渗透率持续增长，各国能源主管机关也已配合展开结合主电网、太阳能及储能系统的微电网试点计画，以确保供电品质。

目前欧美及日本皆正加快微电网布建脚步，其中，欧洲地区装设的太阳能系统瞬间总发电量已占整体电网40%以上，儘管部分系统备而不用，但平均发电量占比仍趋近10?20%;而美国再生能源发电比重亦超越10%，预计于2020年更将倍增至20%;至于日本则响应非核家园理念，积极推广再生能源建案。

张永瑞也透露，现阶段美国施行微电网政策的脚步最快，近期已发布2013?2015年的微电网研究计画，并已设置六个试点运行示範区，做为未来全面落实智慧电网的试金石。

一般而言，电网可分为发输配用四个阶段，而微电网主力负责配电与用电的中后段管理，覆盖能力大致在100kW~5MW範围，等同一个千户等级的区域电网。由于微电网结合太阳能与储能等直流电系统，以及交流电主电网，故着重于电源切换、双向控制、联网管理与电网隔离保护机制，与传统电网或一般太阳能系统的元件需求不尽相同，可望带动新的功率半导体与联网模组需求。

张永瑞指出，微电网中的电力转换与控制设备须导入耐上千伏特高压的功率半导体、支援实虚功率补偿和低电压穿越(LVRT)功能的拓扑，以及高阶脉衝宽度调变(PWM)控制元件，分别因应电力控制与开关需求，才能在大量直流电瞬间涌入主电网时，自动解除併网状态并切换至孤岛运转模式，改由太阳能或储能设备直接供电，以确保配用电机制正常运行。

此外，微电网基础设施也须透过PLC技术、ZigBee或Wi-Fi通讯模组，即时监控并回报区域用电，以及再生能源及储能系统电量资讯，以利进行配电调度，发挥微电网的智慧能源管理效益。

瞄准电网通讯需求　PLC技术阵营展开角力

意法半导体(ST)技术行销经理吴玉君表示，智慧电网、微电网须具备支援不同传输距离的通讯方案，才能顺利与电力公司的电力管理平台连结;其中，应用低频段的PLC技术将是各个区域性微电网，以及微电网内部太阳能、储能系统相互连接的主要方式，因而吸引晶片商争相卡位。

现阶段，长距离的PLC传输技术大致分为G3和Prime两种标準，在义大利、西班牙和法国等国家皆有导入，而美国及亚太地区也陆续展开G3或Prime智慧电网的实地测试，主要晶片供应商分别为Maxim与意法半导体。

吴玉君强调，意法半导体同步加入G3与Prime标準推广联盟，对PLC技术演进及市场需求有完整的掌握，且目前在PLC晶片市场的占有率高达80%，拥有较佳的发展优势;旗下最新一代PLC SoC已领先业界导入Prime实体层(PHY)和媒体存取控制层(MAC)引擎，有助简化系统设计，并加速调校过程。

Maxim SP&C事业部经理林志良则指出，由于大部分国家都有上百至上千家电力公司，因此相关业者在建设智慧电网基础设施方面较侧重相容性;为此，G3- PLC联盟正加紧研拟下一代兼容G3和Prime的标準，Maxim亦已启动相关晶片开发案，可望率先推出全球首款双模PLC SoC。[!--empirenews.page--]

除两大PLC技术阵营相互较劲外，近期HomePlug联盟也加入战局，力推支援Prime与G3双模标準的Netricity PLC规範。据悉，该标準主要锁定新兴国家由传统电网升级为智慧电网的需求，并消弭网路架构不相容的问题，协助较缺乏技术知识的新兴国家电力公司和系统业者，加速布建智慧电网通讯机制。

显而易见，智慧电网、微电网布建的重要性激增，相关通讯技术联盟及晶片商都将跟着受惠。张永瑞更提到，随着微电网技术成熟，系统架构将愈趋复杂，如达成太阳能、风力与燃料电池等多元分散式电源的并联设计，或与智慧电网进一步结合，发展智慧城市的大型能源管理方案等，届时将需要更多新兴半导体技术支援，引爆另一波庞大商机。

抢攻智慧能源商机　MCU/FPGA厂攻势不断

瞄准微电网建置需求，包括MCU、现场可编程闸阵列(FPGA)业者均已分头展开布局。其中，芯科实验室(Silicon Labs)近期即发动购併攻势，透过收购Energy Micro补强高效率32位元MCU产品阵容，并计画以Cortex-M系列核心架构开发兼容多重通讯协定的无线射频(RF)解决方案，扩张智慧能源市场版图。

芯科实验室总裁暨执行长Tyson Tuttle表示，芯科实验室和Energy Micro均拥有坚强的类比混合讯号技术，两家公司合併后将有助发展更先进的低功耗微控制器，以及支援多种通讯标準的无线通讯SoC方案，以满足物联网 (IoT)和智慧能源产业对节能及通讯系统的部署需求。

各国持续投入建设智慧电网、微电网和太阳能系统，已掀动节能控制和无线连结方案的强劲需求。据市场研调机构报告指出，在智慧能源管理的风潮带动下，2015年物联网连线装置数量将超过一百五十亿个，到2020年更将上看五百亿个节点，足见该市场极具前景。

因应未来上百亿能源管理节点的通讯需求，芯科实验室亦将结合旗下数位讯号处理器(DSP)、浮点运算技术，以及Energy Micro的32位元低功耗微控制器方案，布局多模无线通讯SoC，让智慧能源管理系统内部的无线收发器支援sub-GHz到2.4GHz频段，全面覆盖低功耗蓝牙(Bluetooth LE)、ZigBee、802.15.4(g)、KNX和ANT+等通讯协定，协助系统业者实现更灵活的设计。

HSR/PRP协定助力　变电站落实自动化管理

无独有偶，FPGA大厂--Altera也全力衝刺智慧能源市场，近期已携手芬兰硅智财(IP)供应商--Flexibilis，共同发布智慧电网变电站自动化设备的高可用性无缝冗余(HSR)和平行冗余通讯协定(PRP)参考设计。

Altera亚太区工业业务部市场开发资深经理江允贵表示，开发智慧电网的关键需求系达成电网传输和变电站设备的双向通讯和即时控制功能;基于可编程且具强大运算能力的SoC FPGA架构，并搭配Flexibilis符合国际IEC 62439-3规範HSR/PRP的IP技术，将是实现此一目标的捷径，可支援设备厂打造高性能、高可靠性和长寿命的变电站相关设备，同时降低系统成本。

目前变电站内的设备大多无法互通，容易产生封包丢失的情形，影响电网可靠度及稳定性;为此，国际电工委员会(IEC)遂制定IEC 61850标準，并特别针对变电站系统管理，细分出IEC 62439-3的设备互通规範，将以HSR/PRP两种拓扑结构，实现零丢包(No Packet Loss)，以及资料替代传输通道的备援方案，全面改善智慧电网、微电网的管理机制。

江允贵补充，由于欧洲较早投入发展智慧电网，变电站相关设备难以互通的问题已开始浮现，因此正积极寻求稳定、可靠的站内设备通讯机制。其中，变电站内的智慧电子设备(IED)系把关电网配电品质的首要关键，目前ABB、施耐德(Schneider)和西门子(Siemens)等IED供应商正竞相投入开发符合HSR/PRP规範的新产品，以构筑冗余通讯网路，确保精确的设备资讯传输，并逐步落实自动化管理。

江允贵也指出，IEC 62439-3标準更新速度很快，唯有採用可编程的FPGA才能在最短时间内接轨每一代标準规格转变，并满足IED厂的客製化需求;此将有助FPGA在智慧能源系统领域崛起，并加速取代特定应用积体电路(ASIC)和特定应用标準产品(ASSP)。

四零四科技市场开发部专案副理林恕立则指出，由于全面更换变电站内的IED设备须耗费高昂的先期投资成本，因此系统业者初期将採购支援HSR/PRP协定的冗余通讯设备(Redundancy Box)，并透过Gigabit乙太网路(Ethernet)介面串连各种IED装置，进而以较低投资成本搭建HSR/PRP通讯网路，确保变电站资料传输稳定性。

至于全球智慧电网的发展，江允贵认为，除欧洲先进国家以外，中国大陆等新兴国家将为智慧能源的发展挹注可观动能。主因系新兴国家经济快速起飞，能源将日益捉襟见肘，政府须儘早投入部署智慧电网、再生能源系统，才能满足国内所需;另外，由于先进国家已投资大量资源优化电网，因此在基础建设成本折旧摊提的考量下，新兴国家全面导入智慧电网架构的接受度将比先进国家高，也较容易施行，可望成为相关系统和半导体业者未来的迦南美地。

江允贵更透露，近期中国大陆不断有新的变电站招标案出现，足见该国政府推动智慧能源管理的决心。看好中国大陆智慧电网市场发展潜力，Altera已积极展开圈地，将透过HSR/PRP参考设计，拉拢欧系IED大厂在该地区的代工合作伙伴，或转投资系统厂。

新兴国家疯智慧能源　智慧电表需求逐渐涌现

除中国大陆正加快智慧能源发展脚步外，台湾、马来西亚、菲律宾和泰国等亚太地区国家亦积极建置智慧电网，带动先进读表系统(AMI)、智慧电表(Smart Meter)布建需求。

资策会MIC产业分析师王怡臻(图5)表示，以台湾电力公司为例，已规画完成高压及低压端智慧电表布建计画，其中，工商业的高压应用部分已于2012年完成，总共换装两万叁千户电表。低压的部分则将分成多个阶段执行，总建置量将达百万户，截至目前已由大同、康舒共同出货达成一万两千户电表更新，2014年底台电将再发包十万具，并计画于2015年布建完毕，随后再逐年扩大採购。

王怡臻更透露，义大利和西班牙的智慧电表已使用多年，因此两国政府已规画于今年陆续换装新电表，可望带动新一波商机，目前台湾已有厂商开始进行接洽。

不过，除义大利和西班牙有设备老旧的换新需求外，由于欧债问题持续发酵，其他欧洲国家推动智慧电网的脚步已有放缓的迹象，因此包括西门子、施耐德和 Honeywell等电力设备大厂正积极转战东南亚新兴国家，透过与当地的系统整合商及塬始设备製造商(OEM)合作，争取新的智慧电表标案。[!--empirenews.page--]

王怡臻认为，随着智慧电网、微电网发展重心从欧洲逐渐移往新兴国家，台湾和中国大陆系统业者将成为国际大厂争相合作的对象，可望瓜分更多智慧能源发展商机。