電網邊緣的智慧化和可見性

作者:ADI智慧電網解決方案產品線總監Dermot O'Keeffe


分析師預測,至2050年時,全球能源需求可能較目前的水準成長逾兩倍。1 要在保持此一成長態勢的同時實現電網去碳化,全球必須將可再生能源的部署規模擴大9倍,並將電網效率提升一倍。2 因此,對涵蓋能源生產、分配、儲存和消費的全流程進行即時、整體的監測和掌握,已不再是可有可無,而是不可或缺的要素。

極待彌補的可見性缺口

電網的現代化絕不僅是增加可再生能源或儲能設施,而是從根本上重塑電網對即時能源需求的感知、分析和回應能力。儘管太陽能、風能和儲能系統(ESS)等去中心化能源資產加速成長,但資產和能源流的可見性有限依然是一個核心挑戰。此一可見性缺口已成為公用事業公司的主要痛點,直接影響資本支出(CAPEX)、營運支出(OPEX)和安全規範的有效執行。

舊有系統和架構的演進

Illustration of a modern energy grid showing various energy sources and users interconnected by power lines.

電網常被稱為全球最大的機器裝置,其誕生於一個多世紀前,當時採用「中心輻射式」設計,電能主要是從大型發電站單向輸送至用戶端。這種集中式模式適合昔日較為簡單且可預測的能源環境。

然而,這種集中式電網模式已越來越不適應時代的發展。因為其既無法滿足日益成長的能源需求,也難以整合分散式能源資源(DER),同時在因應突發中斷時也顯得韌性不足。於是,去中心化電網應運而生:它將小型、分散式發電資源融入大電網中,因而輸電網絡的互聯程度更高。此一架構支援能源雙向流動,傳統消費者升級為產消者, 能夠將多餘的電力賣給電網,進而催生出全新的能源市場。

這種去中心化的電網架構雖然提升了電網的強韌性,但同時也帶來了嚴苛的可見性挑戰。數量龐大的表後資產,使得電網營運業者難以進行有效監測、準確預測和即時因應突發中斷。

可見性:改善能源管理的關鍵

可見性使洞察成為可能,進而推動智慧化。為了管理日益複雜的能源生態系統,全面的電網級智慧化必不可少。可見性對於實現以下目標非常重要:

  • 平衡能源的生產、使用和儲存:確保能源資源得到有效利用,實現營運能力最大化。
  • 監測資產健康狀況:檢測、定位、預測故障,避免停機並確保安全。
  • 整合分散式能源資源(DER): 在連接新資產的同時,維護電力品質和電網穩定。
  • 發揮產消者作用: 藉由電動車(EV)等技術,使得消費者能夠參與電網運作。

電網必須具備快速回應能力,以因應不斷變化的能源消費模式、突發中斷和異常情況。隨著電網複雜性的攀升,尤其是隨著DER連接規模的擴大,對電網的物理和電氣連接進行準確建模變得不可或缺。這要求電網管理系統必須加強各環節間的協調、實現不間斷的監測,並具備即時智慧決策能力。

集中式控制與分散式控制

Illustration of a smart energy grid connecting the physical world and cyber world through an "Intelligent Edge.

傳統智慧系統依賴於具備高頻寬連接的集中式資料中心,在處理資料密集型計算任務時能夠實現規模經濟效益。然而,面對智慧電網對超低延遲、高能效和即時性能的嚴苛要求,傳統系統便力有未逮。此外,這種集中式系統在資料隱私保護和安全性方面也存在侷限性。

在此背景下,在電網邊緣部署分散式智能將十分重要。邊緣端是類比感知與數位化融合的地方,支援多點決策,進而實現更靈敏、更高效、更安全的解決方案。讓決策能力更貼近能源源頭,有助於優化電網運行,提升系統強韌性。

要實現可靠的電網智慧化,必須識別集中式控制與分散式控制的互補優勢,發揮協同效益,透過彈性的網路架構優化處理能力。

更智慧的解決方案:實現電網邊緣智慧化

可再生能源發電機、儲能系統、電動車、居家設施、工業設施等現代能源資產的分散式特徵,推動了智慧邊緣的興起。在此一架構下,來自感測器和設備的資料可以在本地處理,進而實現更快速、更精準的決策。在變電站、電池包、工廠、資料中心等能源網路關鍵節點部署邊緣智慧,可獲取即時洞察,進而增強整個系統的強韌性、回應能力運作效率

將高效能源管理拓展到表後應用,為個人和企業參與能源轉型打開了廣闊空間。從資料中心到微電網,再到家庭能源管理系統,邊緣智慧不僅能提升能效、保障電力品質、節約成本,還能為產消者提供一套先進完善的解決方案。

能源管理已不再是單純的集中式控制,而是讓設備、感測器和系統能夠在需要的時候自主決策,進而推動電網優化邁向新的高度。

以資料驅動的方法推進電網現代化的大規模落地

電網現代化是一項龐大而複雜的系統性工程,但也蘊含著透過資料驅動決策釋放潛在價值的機遇。我們必須充分利用現有基礎設施,同時整合新技術,以推進數位化和平台化,促成多方價值共創。

以資料為中心的電網現代化方法,要求實現對電網全層級的可見性,從輸電網絡一直到最小的配電節點和計量點全都涵蓋在內。透過收集和分析資料,我們能夠識別低效環節,優化投資,確保更準確地評估現代化改造帶來的影響。

此外,在每個節點上部署智慧後,會形成一個回饋迴圈,進而持續推動現代化升級,並改善投資回報率(ROI)。


實現電網現代化的關鍵機遇

高效推進電網現代化,充分提升電網利用率。

  • 機遇一:促進分散式能源資源(DER)的採用和電氣化應用的普及
    利用基礎硬體平台,實現部署簡化、規模擴展和全面可見性。ADI已開發了涵蓋 電源轉換、能源管理 儲能 領域的關鍵解決方案,促進推動此一轉型。
  • 機遇二:增強邊緣處理能力
    在邊緣端對原始資料進行結構化處理和解譯,進而實現即時洞察和分散式控制。降低資料複雜性,優化網路架構,充分發揮集中式與分散式處理的互補優勢,實現高效合作。
  • 機遇三:打造電網級智能
    依託深度互聯、回應迅速的網路,優化雲端和邊緣端的特定應用處理能力,並透過聚合中繼資料,為整個電網提供全面的智慧支援。

源於現實場景的創新,引領電網邁向具有韌性和永續性的未來

能源的未來取決於我們如何利用電網邊緣的智慧技術來推動創新,以及如此創新將對世界產生什樣的影響。以下技術已被應用於實際場景:

A renewable energy landscape featuring three solar panel arrays in the foreground and four wind turbines in the background, set against a natural environment with trees. The solar panels are angled to capture sunlight, while the wind turbines are designed to harness wind energy, symbolizing sustainable power sources.

可再生能源發電

優化輸出並整合風能、太陽能等不穩定能源。

Eight battery energy storage units arranged in two rows, featuring sleek rectangular designs with vented front panels. The first unit displays a lightning bolt icon, indicating a control or power module, while the remaining units show battery symbols, representing storage modules. The setup suggests a modern energy infrastructure, likely for renewable energy or data center use.

儲能系統

確保可再生能源的高效儲存和調度。

An electrical transformer with a rectangular body, cooling fins on the sides, and three top-mounted bushings for electrical connections. A smaller adjacent unit, possibly a control module, is connected to the main transformer. A lightning bolt symbol is visible on the front, indicating high-voltage electrical power. The setup represents infrastructure used in power distribution and electrical engineering.

輸配電

監測和管理龐大網路中的能源流動。

A digital electricity meter mounted on a pedestal, displaying the unit 'kWh' and a reading of '88888.888' on its screen. A green lightning bolt symbol is visible on the side, indicating electrical power. The meter appears to be reset or inactive, with all digits showing eights. This device is typically used to measure energy consumption in residential or commercial settings.

先進計量基礎設施(AMI)和分表

向消費者和公用事業公司提供即時消費資料,並監測電能品質。

A green electric hatchback car with dark-tinted windows and stylized wheels is connected to a wall-mounted charging station via a cable plugged into its rear side. The setup indicates the car is actively charging, representing modern electric vehicle technology and sustainable transportation.

電動車充電基礎設施

將電動車充電環節納入整體電網體系。

A modular container unit with multiple open doors revealing rows of battery storage systems inside. The container is marked with a battery icon and a high-voltage warning symbol, indicating its role as a battery energy storage system (BESS). This setup is commonly used to store electricity from renewable sources like solar or wind, supporting grid stability and sustainable energy infrastructure.

資料中心

藉由更彈性的能耗管理和與電網的雙向互動,推動資料中心持續發展。

為未來能源生態系統注入動力

A residential house with a red-tiled sloped roof covered in solar panels on both sides, surrounded by trees and bushes. The house features a chimney and a small balcony with a yellow railing. The clear blue sky suggests a sunny day, ideal for solar energy generation. The image highlights the use of renewable energy technology in a home setting.

為將智慧化延伸到電網邊緣端,能源產業需要在非接觸式感測、本地處理、互動式軟體、模組化系統設計等方面實現創新。透過發掘集中式智慧與分散式智慧的協同潛力,可以加速電網數位化進程,並推動可再生能源發電、儲能、輸配電、智慧電錶、電動車充電設施、資料中心等領域的新一輪技術進步。

電網現代化已是必然趨勢,因此必須透過系統化方法加以推進。在能源電網交叉領域擁有豐富經驗的領先企業,將能夠協助加速此一轉變,將電網打造成分散式智慧中心。

產業發展的下一階段將是要求持續創新,並堅定實踐永續發展理念。能源生態系統必須更加彈性、高效、智慧,在保證電力可靠供應的同時,還能促進全球社群在快速變化的時代背景下蓬勃發展。

參考文獻

1 Global Energy Perspective 2024”, McKinsey & Company. ,2025年9月
2ADI的分析,所依據的數字出自“The economic transformation: What would we change in the net-zero transition”一文, McKinsey & Company. ,2022年1月24日。