透過採用智慧電表，不僅可以跟?其配電點(diǎn)的能源使用情況，而且可以跟?整個智慧工廠的各個能耗點(diǎn)。透明的能量流和數(shù)據(jù)，顯然是探索能源效率優(yōu)化的潛力關(guān)鍵，如果將這些流程也整合到基於雲(yún)端的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，就可以產(chǎn)生有價值的知識，並將其應(yīng)用在整個工廠效率和業(yè)務(wù)運(yùn)營。
根據(jù)市場的研究，預(yù)計(jì)至2025年全球電池儲能將達(dá)到110.4億美元，市場增長近50億美元。由於對氣候變化的擔(dān)憂、燃料進(jìn)口價格的波動、全球電力行業(yè)的轉(zhuǎn)型加劇競爭、成本下降，以及不斷被調(diào)整因應(yīng)產(chǎn)業(yè)變化的政策，推動了可再生能源的市場擴(kuò)大。此外，交通運(yùn)輸和建築等其他產(chǎn)業(yè)，以及減碳的壓力也推動了儲能技術(shù)的使用，以發(fā)展具有彈性和可持續(xù)性的電力網(wǎng)絡(luò)。
| 圖1 : 各產(chǎn)業(yè)對於儲能的應(yīng)用與特性需求 |
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工業(yè)製造產(chǎn)業(yè)是一個特殊的電力消費(fèi)者，大多數(shù)工廠都有大量消耗能源的機(jī)器、系統(tǒng)和設(shè)備，例如車床、生產(chǎn)線、輸送機(jī)、電機(jī)、HVAC單元、鍋爐、用發(fā)電機(jī)和照明設(shè)備等等。根據(jù)世界能源組織的報告，在2019年工業(yè)製造產(chǎn)業(yè)對於電力消耗占了全世界的41.96%。在這樣的產(chǎn)業(yè)特殊結(jié)構(gòu)下，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）對於能源管理的應(yīng)用，也就被賦予相當(dāng)高的期待性。
物聯(lián)網(wǎng)將是智慧儲能和供應(yīng)的管理者
雖然有了適當(dāng)?shù)闹腔劬W(wǎng)路技術(shù)之後，就不再需要像傳統(tǒng)能源管理系統(tǒng)那樣，以預(yù)定的時間重複記錄能源使用，來達(dá)到原始等級的資料數(shù)據(jù)後，再透過資料庫程式的分析，獲得經(jīng)驗(yàn)及報告。儘管常規(guī)系統(tǒng)有助於提供能耗的狀況，但它們對減少能耗、預(yù)測峰值模式，或建議可以提高效率的措施幾乎無濟(jì)於事。相反，智慧監(jiān)控意味著可以即時進(jìn)行分析，從而幫助能源效率的優(yōu)化。
此外，再進(jìn)一步透過採用智慧電表，不僅可以跟?其配電點(diǎn)的能源使用情況，而且可以跟?整個智慧工廠的各個能耗點(diǎn)。透明的能量流和數(shù)據(jù)，顯然是探索能源效率優(yōu)化的潛力關(guān)鍵，如果將這些流程也整合到基於雲(yún)端的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，就可以產(chǎn)生有價值的知識，並將其應(yīng)用在整個工廠效率和業(yè)務(wù)運(yùn)營。
就技術(shù)層次而言，物聯(lián)網(wǎng)是可以擔(dān)任一個智慧產(chǎn)業(yè)網(wǎng)路的管理者。整體結(jié)構(gòu)上，除了通訊和系統(tǒng)設(shè)備外，還包含了感測設(shè)備和執(zhí)行單元，這對於工業(yè)產(chǎn)線來說，可以進(jìn)行即時監(jiān)控，甚至可以深入到對能源消耗的觀察。而透過感測設(shè)備，不僅提高了電網(wǎng)的可靠性，而且還降低了工業(yè)設(shè)施的能源成本。
因此整體能源消耗管理系統(tǒng)中，感測設(shè)備就被定義成作為識別和觀察不同情況下，包括整體工業(yè)環(huán)境、個人、辦公室、製造設(shè)備、機(jī)器等運(yùn)作，都能廣泛地進(jìn)行監(jiān)測、通訊和資料處理，透過建立全面性強(qiáng)化的能源的儲存和管理系統(tǒng)。
智慧工業(yè)的能源管理主要分為兩種類型，包含了能源管理布建和儲能機(jī)制。除了一些先進(jìn)的研究專案之外，大多的安排如圖2所示。
| 圖2 : 能源供需、儲存和擷取模式。（source：Amam Hossain Bagdadee; Hohai University） |
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利用物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行節(jié)能智慧化，是一種基於低耗能的能源管理和儲存解決方案。透過能源整合的規(guī)劃，可以讓物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對傳統(tǒng)能源供應(yīng)，以及獨(dú)特再生能源進(jìn)行高效率的安排，因此環(huán)保電廠的本質(zhì)就是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的延伸。這兩種類型的能源儲存結(jié)構(gòu)包括了，接收能源儲存的計(jì)畫、能源供應(yīng)能力、絕對性的能源供應(yīng)狀況、特定能源的狀況，以及多元化的能源。
基於物聯(lián)網(wǎng)的能源管理技術(shù)
能源消耗的的管理系統(tǒng)涉及到幾個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，可以在整體架構(gòu)中提供創(chuàng)造性的監(jiān)測，已經(jīng)有相當(dāng)多的業(yè)者投入相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)，如Epi-Sensor、Wi-Lem、Wattsup、SATEC、Change Electric、Energy Metering Innovation LTD、General Electricity、Mitsubishi、Siemens和Schneider等。再透過系統(tǒng)的監(jiān)測後，需要將數(shù)據(jù)資料提供給緊急能源管理（EEM）等等軟體應(yīng)用程式來進(jìn)行分析，而這方面包括，Resource Kraft，Google，eSight energy，EFT-energy等也積極地投入開發(fā)。
最後再透過被授權(quán)後的分析程式庫，就可以利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來開發(fā)設(shè)計(jì)出一個整體方案，藉由有線或無線系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的能源監(jiān)測架構(gòu)，如圖3所示。利用現(xiàn)有的機(jī)制來獲得功耗、功率因數(shù)和最大/最小電壓..等幾項(xiàng)參數(shù)數(shù)值，提供監(jiān)測和分析能源消耗，以及能源供需異常的警示。而用來監(jiān)測的智慧電表能源總成，可用於各種監(jiān)測目標(biāo)，例如所有發(fā)電廠的線路，單相設(shè)備。
| 圖3 : 利用物聯(lián)網(wǎng)所建設(shè)的能源管理無線網(wǎng)路。（source：Amam Hossain Bagdadee; Hohai University） |
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在中間層所收集到的資訊會被傳送到閘道(Gateway)，然後與本地PC或互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通訊。最後如圖3所示，資訊將被送到EEM軟體進(jìn)行能源架構(gòu)分析。而主要用於工業(yè)資源安排（IRA）中的製造執(zhí)行架構(gòu)（MEF）。智慧測量的資料也可以被納入監(jiān)督控制和資料獲取系統(tǒng)（SCADA）。
供應(yīng)管理系統(tǒng)必須透過感測器執(zhí)行器層，了解因能源轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生損耗浪費(fèi)的問題，例如進(jìn)行混合能源供應(yīng)時，控制不同發(fā)電架構(gòu)之間的能源供應(yīng)模式時，所產(chǎn)生的能源損耗，此外還必須有效的獲得例如熱能、太陽光、固體、振動、電磁波等類型發(fā)電時，所獲得臨時能源，再將這些臨時能源高效率的儲存起來，並同步進(jìn)行監(jiān)測。
智慧工廠IoT的能源管理應(yīng)用架構(gòu)
伴隨著智慧工業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的擴(kuò)展，使得能源生產(chǎn)的監(jiān)管技術(shù)也在不斷進(jìn)步，能源管理互聯(lián)網(wǎng)（IEM）被認(rèn)為是一個改變傳統(tǒng)電網(wǎng)，而基於網(wǎng)路的智慧電網(wǎng)，或基於互聯(lián)網(wǎng)的能源架構(gòu)。智慧型網(wǎng)路允許生產(chǎn)、傳輸、分配和利用。在真實(shí)的能源管理設(shè)備，和虛擬的互聯(lián)網(wǎng)部分之間，透過標(biāo)準(zhǔn)的可交互操作的互聯(lián)網(wǎng)堆疊，將它們結(jié)合起來，形成智慧化管理機(jī)制。
加強(qiáng)嚴(yán)格的監(jiān)測、管理和電力結(jié)構(gòu)是IEM的兩個關(guān)鍵影響變數(shù)。基本上，每個獨(dú)立的能源網(wǎng)可以利用資料和電力，建立網(wǎng)路相互連接，獲得協(xié)助和優(yōu)化能源管理。而IEM可以視為強(qiáng)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、互通性和市場發(fā)展上的一個嚴(yán)格的監(jiān)測機(jī)制。關(guān)於IEM的第二個最關(guān)鍵的部分，即增加可靠性、安全性、成本、實(shí)施、多功能性、相似性和適應(yīng)性的能源管理框架，基於供應(yīng)方、需求方和供需雙方的一般能源平衡考量。
如圖4所示。智慧工廠透過物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)結(jié)構(gòu)，來進(jìn)行能源背景分析，從供應(yīng)方、需求方和需求-供應(yīng)平衡的角度出發(fā)，以發(fā)電廠、智慧型網(wǎng)路、虛擬化、程式設(shè)計(jì)、先進(jìn)的計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施、需求反應(yīng)等，作為理性管理系統(tǒng)的特色，而非一味追求高效率和能源保護(hù)等。
| 圖4 : 透過物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)結(jié)構(gòu)來滿足智慧工廠的穩(wěn)定電力供應(yīng)。（source: ResearchGate GmbH） |
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目前智慧工廠在能源供應(yīng)方面，最主要的問題大多是來自於太陽能發(fā)電和智慧電網(wǎng)中的微電網(wǎng)。
太陽能發(fā)電已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在發(fā)電上，推動綠色能源物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。Quasi-Z交錯式逆變器的Source Course（qZS-CMI）為太陽能發(fā)電架構(gòu)提供了明確的優(yōu)勢，包括適當(dāng)?shù)闹绷鬟B接電壓和電壓協(xié)助工具。但是，qZS - CMI不能克服接入電網(wǎng)時，太陽能電力的不連續(xù)和不明波動。基於這個原因，就必須透過儲存電能用的電來當(dāng)作穩(wěn)壓的一個緩衝點(diǎn)，消除因?yàn)樘柲馨l(fā)電的隨機(jī)波動問題。
當(dāng)然，僅僅依靠電池的能力還是不足的，這對於電池的消耗過於龐大，會快速縮短電池的使用壽命，還必須藉由更智慧化的機(jī)制來完成穩(wěn)定儲電與電力輸送的目標(biāo)。因此利用MPPT演算法就是一個不錯的方式，針對太陽能發(fā)電廠利用MPPT演算法的計(jì)算可以在進(jìn)行太陽能發(fā)電時，獲得更準(zhǔn)確的執(zhí)行力，和以及快速而獨(dú)特的反應(yīng)。
但是，如果在太陽能發(fā)電過程中發(fā)生陽光被暫時遮蔽，會造成供電電壓的變化出現(xiàn)許多轉(zhuǎn)折點(diǎn)。期望讓太陽能供電的電壓和電流維持穩(wěn)定狀態(tài)下，這時就可以採用MPPT演算法與電池的搭配，利用線性週期策略來評估最大功率點(diǎn)的準(zhǔn)確性，然後在透過人工智慧的演算提供成效的解決方案，以獨(dú)立運(yùn)行的方式使太陽能發(fā)電發(fā)揮最大的效能。
智慧微電網(wǎng) 強(qiáng)化智慧工廠的能源管理
智慧微電網(wǎng)已經(jīng)逐漸被導(dǎo)入實(shí)際應(yīng)用的階段，無論是連接到電力網(wǎng)路，還是以獨(dú)立模式運(yùn)行，都已經(jīng)能發(fā)揮其效能。此外如果將分散式能源資源（DER）納入微電網(wǎng)網(wǎng)路架構(gòu)下，更可以強(qiáng)化虛擬電廠的基礎(chǔ)，提升電力的利用率。
這樣的DER透過電子功率處理器來連接到電網(wǎng)，有助於降低不穩(wěn)定現(xiàn)象和分散電壓調(diào)節(jié)。因?yàn)橛慑e誤所引發(fā)的操作，會導(dǎo)致電壓和頻率下降，造成分散資源的釋放，從而影響電力網(wǎng)路的可靠性和可傳輸性。除了連續(xù)供電外，還需要在分散式發(fā)電機(jī)中進(jìn)行電力傳輸，以便該發(fā)電機(jī)能夠像傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)一樣運(yùn)作。
微電網(wǎng)中的可再生能源發(fā)電廠，被允許功率可以參照該供電路徑上，當(dāng)?shù)仡l率的類型而調(diào)整，減少功率頻率類型的困擾，因此在智慧工廠的應(yīng)用基礎(chǔ)上，智慧微電網(wǎng)的運(yùn)行可以完全有效處理能源供應(yīng)所面臨的問題。
所以在智慧工廠的能源需求管理方面，面對經(jīng)常出現(xiàn)的電力供應(yīng)問題，都是需要透過虛擬化、網(wǎng)路軟體特性和先進(jìn)的測量基礎(chǔ)設(shè)施來排除。
