推動智慧電網的未來

December 2, 2024

Christina Cardoza

陽光明媚的田野中的太陽能電池板和風力渦輪機，遠處的背景是城市景觀。

除非遇上重大天氣事件或極端氣溫，導致電網出現問題，大多數人不會特別留意當地的能源電網。然而，電網是現代社會運作的基礎。隨著可再生能源的討論的升溫以及電力需求的增加（例如電動車的普及），電網逐漸受到更多關注，並朝未來邁進，推動從傳統電網轉向智慧電網的轉型。

專家們齊聚一堂，討論 CCS Insight 近期發表的《未來電網》報告探討的智慧電網挑戰與機遇。參與討論的專家包括：Schneider Electric 歐洲電力與電網部門主管 Valerie Layan、CCS Insight 能源網路創新研究總監 Ian Fogg、全球技術服務領導者 Capgemini 的能源、公用事業與化工業務全球主管 Philippe Vié、法國配電系統營運商 Enedis 進階電力網路技術總監 Marc Delandre，以及硬體製造商研華科技（Advantech）能源與公用事業部門主管 Paul O’Shaughnessy。

討論聚焦於電網的現況以及邁向智慧電網的轉型、其他產業技術轉型的寶貴經驗，以及夥伴關係、協作與標準化對於推動電網韌性、效率、安全性與綠能永續的重要性（影片 1）。

影片 1。業界專家探討在邁向電網現代化的過程中，夥伴關係與技術的重要性。

電網的現況為何？是什麼原因推動了智慧電網的發展呢？

Valerie Layan：現在的電網還不夠智慧化，需要更多數位化來變得更有效率，而且又靈活、又可以達到去碳化。為什麼電網需要變得更智慧或更數位化？主要的原因是歐盟在可再生能源的方面給了很大的壓力，從 2022 年可再生能源在能源組合裡面佔 23 ％，到 2030 年我們得要提升到 45％。

但是我們在可再生能源上投資 1 美元或 1 歐元的時候，也要在電網上投一樣多的資金。這個轉變對電網帶來很大的壓力，我們已經沒有辦法只靠投資大量硬體和資本支出來處理這些需求。另外，資本支出的專案通常需要五年的時間。

所以我們需要透過額外的軟體來讓電網更智慧化，這樣就能更數位化，也更有效率。譬如說，如果我們實施進階配電管理系統（ADMS）軟體解決方案，技術損失至少可以降低一個百分點。這種數位化非常關鍵，我們在全力推動整個生態系統，確保也有在軟體領域上投資。

Ian Fogg：發電已經有朝可再生能源的大規模轉型。這個成長的原因是太陽能跟風能，兩種能源的發電模式非常不同。太陽能很明顯有季節性，跟時令還有和赤道遠近有關係。風能就會受到天氣變化的影響。

另一個有趣的點是，有越來越多經濟體達成去碳化，每個國家的整體能源需求裡面，電力的比例也相對變高了。這也呼應到 Valerie 說的，除了可再生能源之外，還要在電網上做投資。

太陽能板也能發電，而且還有機會帶來雙向流動。這和傳統配電網的運作方式很不一樣，那要怎麼在耗電跟發電之間找到平衡？儲存能源非常難，但是如果能去調整耗電模式，來更可以應對太陽能或風能這種不穩定的發電方式，就不用那麼多的發電量了。這個時候變電所就很重要了，因為只要變電所變得智慧化，就可以幫忙調整耗電跟發電。

但是，這就需要電網不同部分之間有又強、又快的資料通訊，這樣才能平衡需求。我們還要讓系統變的更靈活，去應對這些不同的耗電跟發電模式。同時，電網的穩定性也不能受到影響。這代表我們要在技術、變電所、計費系統和電網的各個部分上做新的投資。

Philippe Vié：我會接著 Valerie 跟 Ian 提到的觀點來做說明。電力系統目前在發電和耗電平衡上的挑戰很大。某些時段發電過剩會出現負電價的情況，影響到可再生能源企業的利潤，讓能源轉型變得更不容易。

還有，以前的能源和電力都是從集中發電設施，透過輸電跟配電系統流動的。但今天的再生能源是分散在整個電網裡面。這就帶來了完全徹底的轉變。

而且我們還要應對大規模電氣化的趨勢。現在我們的電氣化程度達到能源需求的 23％，根據國際能源機構的《淨零排放展望》，這個比例可能會提升到 50％到 60％，具體要看各個地區的情況。

另外，數位技術也是一個推動轉變的因素。自動化可以用來避免能源網路的實體投資。就像 Valerie 提到的，每在可再生能源投資 1 美元，就也要在電網上投進去 1 美元。這樣投資成本會飆高，電價當然就變貴了。

配電系統營運商有哪些電網方面的壓力？

Marc Delandre：電力很大的問題就是非常難儲存。電動車主要的挑戰就是電池的容量設計。所以我們要在即時耗能跟產能之間找到平衡。這個過程要在一次和二次變電所進行，而且所有和電網相連的用電戶都要參與。

最大的問題是電網可能會分布到整個國家，像在法國就是這樣。我們在現場有非常、非常多設備。而且在投資的時候，我們要考慮到用電戶的負擔能力，因為最後投資都會反映在他們要繳的帳單上。

我們還要要面對可再生能源，因為未來每個用電戶都會變成生「產消合一者」，他們既是消費者，也是生產者。意思是每個住宅、任何建築物的屋頂，甚至是任何地方，都有可能產生可再生能源。這邊要再強調一次，能源網路的關鍵角色會是平衡產能跟耗能。這就是我們未來的核心業務，需要非常大量的投資。

轉型成智慧電網的過程裡面還有哪些其他挑戰呢？

Paul O’Shaughnessy：對我們這些硬體製造商來說，一個最大的挑戰就是挑戰本身的規模。雖然我們是硬體製造商，但也要考慮到支援各種軟體的需求。我們要能夠支援所有新的協議，像是虛擬化、安全性，還有舊版的協議。

另一個挑戰是部署資產的變異性，這就要求我們提供很多種解決方案。儲存技術、IO、冷卻系統，這些關鍵元素都會受到資產變異性的影響。不過，跟像 Intel 這樣重要的策略技術夥伴合作，能幫我們確定處理器的發展藍圖，把對的產品帶到市場上。

另一個重點是要遵守像 61850-3 和 IEEE-1613 這些協議。要在這個領域有競爭力，我們就要花不少錢去遵守這些協議。

Philippe Vié：投資批准應該是利害關係人、股東來做決定的，當然還要有政府跟監管機構參與。很可能到 2030 年，投資的金額會是 2020 年的兩倍。

另一個挑戰是人才短缺。在未來 20 年裡面，智慧電網會創造大概 500 萬個數位技術核心的工作機會。還有嬰兒潮世代會帶來退休潮，很多職位需要接替。而且，我們也沒有發展藍圖。我們需要一致的發展藍圖，然後每兩到三年就做調整，因為現在的變化實在是太快了。

最後，還有標準缺乏的問題。E4S（超大規模科學軟體堆疊）和 vPAC（虛擬保護自動化與控制）聯盟的目標是讓技術供應商和電網營運商達成共識，制定共同的標準，來開發互通的智慧資料模組。

每個限制都很多解決方案，不同國家、不同電網的情況都有不同的應對方式。

Ian Fogg：智慧電表和行動數據的能力也是另一個麻煩。這邊有兩個問題。第一，行動數據常常更新得不夠即時，大概會有 15 到 60 分鐘的延遲。而且數據通常通常很分散，在這種情況下，如果想要設計非常智慧的收費方案，這樣的更新速度就太慢了。

但另一個問題來了，這是硬體解決方案，不是虛擬化或軟體定義的解決方案，代表現在會出現問題，以前的智慧電表用了舊的行動數據無線電，電信業者計畫要淘汰這些舊的網路世代。這也就反映了智慧電網一部分經濟體有不同的步調和生命週期。

這些智慧電表當然是用電模式轉變很多使用情境的基礎。如果我們要升級和換掉這些早期的智慧電表，會帶來不必要的麻煩。如果這些無線電是軟體定義的話，我們就有機會不用派人到現場或是換掉硬體，只要更新無線電軟體，就能支援新一代的技術。

可以和我們分享協助轉型的技術發展嗎？

Valerie Layan：有些可能不是新的技術，但是對電網的領域來說是新的應用。像是電信、醫療、交通運輸和其他行業一直都在用這些技術，這是好事，因為我們可以利用已經成熟的技術。所以我們結合了其他終端市場的技術，再加上自己的技術，就像我之前提到的 ADMS。

第一，我們在升級 ADMS 解決方案，讓電網更有效率、韌性更高，包括容量管理、停電管理、負載和發電控制、資產管理跟電力調度。第二個技術是可以用在訓練、模擬和遠端軟體更新的數位孿生。

第三點就是虛擬化了。邊緣資料給變電所帶來壓力，所以虛擬化就變得非常關鍵。在 ES4，我們相信虛擬化能處理二次變電所邊緣的大量資料和壓力。我們非常希望能夠在這個方面合作，一起制定開放標準的參考架構還有通用設計，推動虛擬化的發展。

產消合一者這個概念也很有意思，因為商業建築，甚至可能是個人用電戶，都能夠自己發電。太陽能板屋頂就是一個很典型的例子。但是在像港口這種更大的用電工業區域，他們其實可以用風能當作發電的來源。而且他們還有機會把多的產能回注、轉售給電網。我們現在有可以整合邊緣靈活性的解決方案，讓電網更有效率，也可以利用這個生態系統獲利。

相關產業的轉型還可以帶給我們什麼經驗呢？

Ian Fogg：我也覺得虛擬化非常關鍵，把更多功能從硬體轉到軟體上，用可以擴充的標準化硬體解決方案來升級平台，支援更高效能的工作負載。

我們在其他產業注意到的另一個趨勢是 OT 跟 IT 的結合。CCS Insight 報告裡面也有一些 OT 和 IT 的整合方式和兩個領域思維有關的例子。

Philippe Vié：我會從自動化的角度來回答這個問題。舉個例子，我們在追求一個完全無人化、完全自動化的控制室。我們還希望 AI 能夠在停電的時候自動修復，讓 99％的用戶在短短一到兩分鐘以內恢復供電。其實我們的目標是就是 AI 的所有功能真正提高電網效能，還有減少投資的成本。

AI 和邊緣 AI 在能源和公用事業領域的角色會是什麼？

Paul O’Shaughnessy：這是業務成長最快的部分，沒有之一。完完全全就是爆炸性的成長。到目前為止，邊緣 AI 的應用大多集中在視覺相關的領域，但是使用案例和應用的數量每天都在增加。

Philippe 有提到即時監控和控制，這些都是邊緣 AI 能夠大大幫忙節點、變電所決策的機會，能夠很快對電網狀況的變化做出反應、提升穩定性，還有減少停機的時間。

另一個應用是預測性維護。這項技術在製造業環境的部署非常普遍，而且對運用邊緣 AI 最佳化這些環境的效率有很大的幫助。這樣的技術同樣可以用在電網上。

但如果要說物聯網領域最夯的話題，那肯定是安全性。邊緣 AI 在強化現有安全性的方面，不管是從網路安全、人身安全，還是健康和安全的角度來看，都有非常大的潛力。邊緣 AI 的視覺應用可以保護在危險環境工作的員工，還能夠確保只有符合資格的人員才能進到某些特定環境。這對電網來說絕對是重點中的重點。

變電所是做出這些改變最好的選擇嗎？

Ian Fogg：變電所的確是關鍵，因為它是當地配電、資料收集、現場控制和保護的核心所在。那我們要怎麼建變電所呢？要怎麼升級來做長期的使用？

Valerie Layan：二次變電所未來還是有發展空間，主要是因為邊緣端會有連接和資料方面的壓力。但是二次變電所要適應新的挑戰，那虛擬化就是解決方案的一部分。

Ian Fogg：虛擬化帶來了更多功能。從其他產業的經驗來看，把功能移到軟體之後，創新的過程就會變得更簡單。對長期使用還有應對不斷變化的用電和需求模式來說，這一點真的非常重要。

Marc Delandre：我這邊想補充一點，我們需要一個遵守開放標準、不斷發展的解決方案。像 Enedis 這種大型的配電系統營運商不能依賴任何專一的解決方案，再怎麼厲害的解決方案都不行。意思是解決方案需要經過認證還要有互通性。這些標準的設定跟確定是要由 ES4 來主導的。

企業要怎麼為未來電網的發展提前做好準備？

Paul O’Shaughnessy：對 ES4、vPAC 或 450 MHz 聯盟的成員來說，有一點非常清楚，就是只有透過模組化還有可以擴展的架構，我們的生態系統才可以達成目標。意思是系統的設計需要模組化的元件，方便去做更換或替代。這樣我們就能一步一步調整系統，讓系統保持最新的狀態。標準化和互通性是未來發展的關鍵，能夠支援開放標準和協議，還有保證不同裝置和系統之間的兼容性。我在前面也有提到網路安全。

Intel 這樣的策略夥伴積極推廣他們的發展藍圖，確定我們掌握適合環境又能部署的最新技術，這一點非常關鍵，但是很常被忽略掉。

合作和協作是怎麼達成智慧電網成功的？

Paul O’Shaughnessy：對硬體製造商來說，能夠當唯一指定的供應商絕對是美夢成真。但是實際上，這個挑戰和機會的規模需要很多不同的供應商在每個環節合作，所以我們一定要用開放架構。我們完全懂這一點。

在這次的討論裡面，大家都是前面提到幾個大型聯盟的合作夥伴。各個工作團隊之間的合作，不管是軟硬體、上市策略還是網路安全方面，這些交流對我們所有人來說都非常重要。這是一個彼此學習還有了解實際需求的好機會。

Valerie Layan：我想補充一點，以前的能源管理、能源基礎架構還有電網營運都是屬於 OT 的範圍。但是現在我們談到要部署新技術的時候，就輪到 IT 上場了。

所以跟 Intel 和 Capgemini 這些有豐富 IT 專業知識的夥伴建立聯盟非常重要，我們可以把 IT 的長處融入到 OT 裡面，讓以前依賴硬體的二次變電所虛擬化，結合 IT 和 OT 的優勢。

可以和我們分享各位協助改造電網的例子嗎？

Valerie Layan：我沒辦法透露客戶的名稱，但是我們 Schneider Electric 的 EcoStruxure IoT 架構是對未來電網的理念，透過產品、邊緣控制還有 App 分析軟體服務這三個層面來連接。我們已經在一些電網營運裡面部署這套解決方案，用這種整合式的企業級解決方案來管理電力網路配置的話，交付時間可以縮短超過一半。

而且有了利用預測性維護、資產效能管理和其他技術的智慧電網，生命週期的營運和維護方面都有提升，總體擁有成本也至少降低了 15％。

另外，我們也在推動叫做低壓電網管理的新方法，這個端對端的方案涵蓋了饋線低層次的感測器、變電所的保護和控制系統，還有 ADMS 的整個過程。很多用電戶希望把自己的產能接回電網，所以低電壓問題對配電系統營運商來說就變得越來越嚴重。

Philippe Vié：Capgemini 支援好幾家輸電和配電電網營運商龍頭，從規劃發展藍圖開始，幫他們開始智慧電網的轉型。我們當然也有提供技術技能、IT 和 OT 方面的顧問服務。大型業者現在都在啟動為期 10 到 20 年的智慧電網計畫。

但這不是一個單一的計畫，是一系列大型專案的組合，譬如說更換控制室、推動自動化，還有打造智慧化和虛擬化的變電所。這些專案結合了電力網路、即時健康資產管理、數位孿生、數位工程、生命週期規劃和效能管理，包含非常多層面，而且每個層面的發展藍圖都完全不同。

Marc Delandre：每個公用事業單位都有自己的發展藍圖，但是目標都差不多。這個市場很大，但是所有公用事業都有一樣的問題，那就是電氣化、可再生能源、電動車充電站和其他部分都需要一大筆的投資。

Enedis 不是技術供應商，我們是技術使用者。但我們幾乎完全知道電網的問題，還有要怎麼管理電網。所以只要和所有合作夥伴一起努力，我們就能找到未來幾年最好的解決方案。

Paul O’Shaughnessy：我這邊想分享一個跟數位孿生有關更具體的例子。我們研華科技（Advantech）之前的一個客戶是配電營運商，他們在遠端資產連接的恢復力方面有困難。主要有三個原因：第一個是地理條件，就是地形；第二是環境因素，像天氣變化；最後就是地緣政治的影響，特別是網路安全的問題。

我們跟這家配電網路營運營運商和另一間夥伴合作，提出了一套解決方案，用我們的軟體平台進行裝置管理。這個平台用的是數位孿生模型，可以確保所有部署在資產上的裝置都有安全性，而且只能從網路作業中心做更動。我們和這個客戶花了兩年一起開發這項解決方案，最後成功部署在 5,000 個資產上。

我們談了非常多，最後有什麼想要補充的嗎？

Ian Fogg：我想補充一點，CCS Insight 報告裡面還有很多我們沒有討論到的部分，這些模組化的內容非常好理解。

但更重要的是，電網在經歷轉型，現在是變化很快的一段時期。這個轉型對整個產業來說很有策略意義，那這個產業對很多其他領域也非常關鍵。

Philippe Vié：我有幾句話想跟輸電和配電電網營運商分享，是你們帶來了改變。你們是推動能源轉型的關鍵。沒有你們，沒有電網，能源轉型就不可能完成。所以各位絕對要加快腳步。但是要做到這一點，就需要一致又可以根據需要調整的發展藍圖。另外，還要參加像 ES4 和其他聯盟的標準化組織，一起協作分享還有減少投資壓力。

Paul O’Shaughnessy：我在內部常常講到，這個過程是一場馬拉松，不是短跑。但就像是 Philippe 說的，現在是一個需要加緊腳步的階段。要能夠加速，就要有清楚的方向還有明確的優先次序。這些聯盟在努力幫我們達成目標，但如果要真正搞清楚方向還有優先次序，我們就需要更多電網執行人員和配電系統營運商來加入我們，一起推動轉型。

Valerie Layan：第一點，數位化和端對端的電網架構是最佳化資本支出、營運支出這些整個生命週期投資最好的方式。接下來是標準化，整合又開放的方式是讓現代化過程更有效率的關鍵。我們也可以從其他產業數位化的成功經驗學到很多，對轉型的過程非常有幫助。

最後一點，協作是最重要的部分。我們要把 OT 公司、IT 公司、終端用電戶和不同的經驗整合在一起。ES4 是讓我們能匯聚多元視角的知識，還有一起打造更智慧未來電網的完美平台。

Marc Delandre：電力真的很神奇。有了電力，我們幾乎無所不能。不管是暖氣、冷氣、照明還是煮飯，都能靠電力完成。電力還可以讓汽車、火車和各種交通工具發動。電力的來源可以是核電廠、太陽能板、風力發電廠和其他方式。

最後我想做個總結，我們的面前有一條漫長又充滿挑戰和驚奇的旅程。