電力系統模擬器的開發技術介紹

前言

在半導體廠房中，電力系統是廠區動力的神經中樞，如 圖一所示，電源來自台電的超高壓變電所，透過輸電線路進入廠內的主變電站，再透過層層的變電站與配電線路，將電力傳送到生產機台端。而為了全面掌控整個電力系統的各種狀況，就必須依賴所謂的電力監控系統(Supervisory Control and Data Acquisition System, Power SCADA)，其主要功能提供了保護，監視，控制，量測和通訊等功能，讓運轉人員得以在監控中心了解整個電力系統並進行各項的操作。

圖一、電力系統架構

隨著廠房的規模與產值越來越龐大，運轉人員的責任與壓力也越來越繁重，電力系統一旦發生故障而停止供應時，將造成產能與設備鉅額損失。特別是當電力系統發生多重故障且有設備失效時，值班人員難以由大量的警報訊息中，立即判斷出故障發生的關鍵位置。即使是經驗豐富的值班人員，在面臨壓力時亦可能做出錯誤的判斷與操作，引起電力二次事故，停電區域再擴大，延宕復電的時間，造成更大的損失。因此如何確保運轉人員在面臨事故發生時，仍保有熟練的應變能力，是平時電力系統人員訓練的重點。

但是也由於是如此重要的系統，平時的訓練課程常常僅限於書面模擬或影片觀賞，人員除了在例行的必要操作作業外，不輕易地進行電力監控系統操作，無法有效累積全面的系統操作經驗。因此在12吋廠務部合併成300mm廠務處後，將技能訓練視為第一優先的戰略目標，相關同仁走訪了許多專業機構的訓練中心，最後參考核電廠設置模擬訓練室的概念，計畫在有限預算內，以軟體的方式打造一個全廠規模的電力系統模擬器，讓所有人員隨時可以在不影響生產的情況下，大量且快速的累積監控系統操作經驗。

方法

為了要模擬整個電力系統，我們必須先盤點現有系統中，有什麼部分是可再利用的，而什麼部分是需要模擬的，如 圖二所示，我們可以將既有的監控系統完整的複製到訓練用電腦，再透過軟體模擬各變電站內的設備與狀態，並與監控系統進行通訊溝通，使得監控系統真的以為有各式的電力設備在運行，而各種訊息即可直接反應在人機介面上，也讓訓練人員彷彿真的在操作一個完整的電力系統。

圖二、軟體模擬的範疇

但是要模擬整個電力系統談何容易，還必須分解電力系統的各種架構與其自動動作邏輯，才有辦法。因此盤點後發現約有2,000個電力設備需要模擬，為避免拉長開發的戰線，經討論後，直接參考既有電力系統的架構，將模擬器分成以下七個模組，用個個擊破的方式逐一開發；

• 台電輸電線路模組
• 主變壓器模組
• 高壓變電站模組
• 中壓變電站模組
• 低壓變電站模組
• 發電機系統模組
• 終端負載模組

如現有的監控系統內的單線圖 圖三～五所示，我們計畫由第1個模組負責表示台電是否處於供電的狀態，第2~6模組負責模擬各變電站內的設備狀態與其操作邏輯，而其中的第7個模組將終端的負載量層層的向上傳遞累加。

圖三、電力監控系統上的系統單線圖

圖四、中壓電力系統單線圖

圖五、低壓電力系統單線圖

以最大宗的變電站為例，如 圖六，分析其內部組成，發現主要包含了斷路器(A/B)，匯流排(BusA/B)與並聯斷路器(T)等三種物件類型。斷路器設備的內部功能又分為控制與狀態回傳，控制是指對其設備下達開或關的指令，狀態回傳是指反應目前設備的狀態代碼(包含各種故障)，而斷路器的狀態又決定了下游線路是否為有電的狀態，接下來匯流排是否有電決定並聯斷路器是否應啟動定時器準備投入，將另一匯流排的電力傳送至沒有電力的匯流排，如此層層的關係錯綜複雜，要把所有的邏輯全部透過軟體完成模擬，其效能又不能延遲超過1秒，真的有一場硬戰要打。

圖六、變電站單線圖

接下來為了達到更真實的模擬，希望將整個發電機系統內部的動作細節 圖七，全部納入模擬。當系統偵測到主變壓器(MTR-01/02)下的匯流排沒電或斷路器(NH-A/B)為開啟狀態時，就要啟動發電機自動運轉程序，依序在適當的延遲時間啟動發電機組(G1~Gn)，讓監控系統的人機介面上可以看見彷彿真的有發電機在逐一啟動中，並在啟動完成後的特定時間將緊急用電斷路器投入(EH-A/B)，並將其下游輸電線路的電力狀態設定為有電，依序連動後續送電程序。

圖七、發電機系統供電邏輯圖

在逐一分析各模組內部結構的同時，我們亦同步嘗試小規模的模擬程式開發，找出模擬的限制與可能性，不必等到全部分析完成，才發現無法實現的窘境。

模擬器的開發

工欲善其事，必先利其器，在這麼多的開發策略與分析步驟下，我們優先評估原廠或市場上是否有專業且成熟的模擬器軟體，可大幅減少從零開發的風險與時間成本，但原廠總部回覆不僅無現有的模擬器，在全球的專案中更無類似的經驗。而在國際市場上，有許多類似的電廠模擬器，但多為進階的電力品質分析模擬的部分。因此我們只好寄望在原廠軟體技師的能力上。

為了考量模擬器與現有監控系統的連結完整性，我們打算利用原廠的監控系統來開發模擬器，如此就可以做到最高的相容性。在電力監控系統內使用一種特有的高階控制程式語言(Supervisory Control Implementation Language, SCIL)，系統內所有的人機介面，甚至各項值班管理模組都是利用此程式語言開發出來的，特別的是語法全部採直譯式的方式，可以直接瀏覽原始程式碼，參考既有的各種管理程式的語法，可縮短開發時間。

如前文所談，我們首先嘗試開發控制所有設備的開與關，並讓結果可以直接反應在監控系統的人機介面上，還好SCIL支援物件導向技術，每個設備都定義為一個物件，當接收到使用者對設備進行控制時，直接對該物件的狀態進行更新，即可做到模擬的效果，剩下的工作就是複製相同的作業到所有設備。接下來逐一判斷每一條饋線是否有電，隨機將有電饋線上的三相電流設定至額定值80%~100%的隨機區間，如 圖八程式碼第20行中，透過判斷饋線A的狀態是否為 3的方式來判別NT F是否有電(見第3行註解)，當條件成立，如程式碼第25~29行，重新設定電流值等於變動值。

圖八、電流計算程式

而變電站內較複雜的並聯斷路器邏輯，可以透過"case"指令分配各種狀態下所需要的計算( 圖九第70行)。以並聯供電的情況為例，斷路器A下游匯流排的電流等於busA電流加上busB電流，如圖十第114~117行，並聯盤的電流等於A與B的電流差值，如第122~125行。

圖九、變電站供電情況判斷程式

圖十、並聯盤電流分配程式

在發電機供電邏輯部分，如 圖十一所示，其第13行程式意指斷路器NH-A/B發生欠壓，或者其輸電線路(BusA/B)發生欠壓時，發電機開始進行啟動程序(第13~27行)。

圖十一、發電機模組啟動程式碼

後續相關啟動對應設備的程式碼就不再贅述，整個開發過程將近六個月，最後我們成功模擬了超過2,000個智慧型電力設備(如 表一所示)，並讓模擬的人機介面上呈現動態的終端設備負載量的變化，完成全廠的電力系統模擬器。

結論

線上的電力監控系統是維持工廠電力穩定供應的重要系統，但新進的電力工程師無法在短時間累積運轉知識與緊急應變的經驗，因此建立一套全廠規模的電力模擬系統，除了平時提供同仁做日常操作訓練外，對電力工程師而言，亦可透過其整廠的連鎖關係，再配合日常教育訓練，得以深刻的了解系統架構及操作邏輯，以降低操作失誤的風險，甚至在面臨事故造成系統供應中斷時，能在最短的時間正確地將故障隔離並恢復系統供電。透過軟體開發模擬器的方式，是我們評估效益最高的方法，雖然在沒有原廠全球先例的清況下，結合原廠技師與在地的系統整合開發廠商成功的逐一解開過程中錯綜複雜的控制邏輯，最後將此模擬器安裝到儀電技能中心，透過北中南種子訓練營的課程，大家好評不斷，爭相提議為各廠開發專屬的模擬器。

未來，希望能在既有的電力系統上，開發一個事件紀錄輸出模組，將事件發生的過程中各設備狀態輸出至模擬器上，讓沒有經歷該事件的同仁，在事後也能夠依據操作紀錄，完整學習做出正確的應變判斷。如此，整個運轉團隊能夠擁有一致的應變能力，能夠確保未來在面臨事故發生時，可以在最短的時間內將系統復原。