摘要
緊急電力整合平台
Keywords / Generator14,TPC,Power rationing,Reserve capacity,Emergency power4
因全球轉單、半導體擴廠效應及台商回國投資等因素，台灣自2020年起用電需求大幅提升，據能源局公布資訊Y2021用電增幅為近10年來最高，再者配合台灣能源轉型政策，核電廠除役且再生能源比例提高，導致基載容量降低且變化幅度增大，電網不穩性亦同步提升，若台電端發生異常，全台將面臨限電、局部停電可能，各企業用電大戶亦需配合減少用電以降低電網過載風險；因tsmc廠區眾多，每次限電依靠人力彙整發電資訊效率不彰，故建置一自動化平台進行改善。
Due to the global transfer of orders, the effect of semiconductor plant expansion, and the return of Taiwanese businessmen to invest in Taiwan, Taiwan's electricity demand has increased significantly since 2020. According to the information released by the Energy Administration, the growth rate of electricity consumption in Y2021 is the highest in the past 10 years.
And follow Taiwan's energy transition policy, nuclear power plants are decommissioned and the proportion of renewable energy is increased, resulting in poor base load capacity and an increase in the range of change. Power grid instability has also increased simultaneously.
If there is any TPC abnormality, the whole country will suffer power cuts or partial power outages. The companies also need to cooperate with load reduction to reduce the risk of grid overload. Due to the large number of tsmc factories, it is inefficient to collect complicated power generation information manually for each power rationing, so an automated platform is built to improve.
1.前言
台灣自2020年以來因全球轉單、半導體擴廠效應及台商回國投資等因素，用電需求大幅提升，據能源局公布資訊Y2021較前年增118億度，漲幅高達4.3%，為近10年來最高，再者配合台灣能源轉型政策 : (圖1)
圖1：2021~2022台電用電量與尖峰備轉容量率[1]
❶核二廠1號機除役(985萬瓩，約佔備轉容量2.5%)，使供電裕度大幅降低。
❷2025年再生能源發電占比須達20%：再生能源發電成效取決於天候因素，以大宗太陽能為例，目前約占全台用電0~14%，太陽下山後產生夜尖峰用電造成供電吃緊狀況。
故自2021下半年起，台電備轉容量率變化幅度極大，若台電端發生人為或設備異常，全台將面臨限電/局部停電可能，各企業用電大戶亦需配合減少用電量以降低電網過載風險，表1為近2年公司配合台電限電啟動發電機紀錄彙整，可看出2022年夏季次數明顯提升，僅上半年區間就達去年全年度次數75%，所幸下半年供電狀況趨於穩定，限電次數無持續增加。
| Year | Q1 | Q2 | Q3 | Q4 | Total |
|---|---|---|---|---|---|
| Y2021 | 0 | 3 | 8 | 1 | 12 |
| Y2022 | 8 | 1 | 0 | 0 | 9 |
2.文獻探討
2.1 台灣用電環境現況與未來
據相關資料預估，自2022起台電備轉容量率將一路走低，如圖2為經濟部、主計處資訊彙整結果，預估台灣未來備轉容量明顯不足，尤其2025核電廠全數退役後電網裕度更是不到2%，用電環境前景堪憂，限電機率想必也會大幅增加。
圖2：據經濟部、主計處預估未來台灣備轉容量[2]
就目前台灣能源政策，再生能源比例於2025年須達20%，約27GW(2700萬瓩)，各能源占比：太陽光電20GW、離岸風力5.5GW、水力2.08GW及沼氣等。
其中最大宗太陽能屬間歇性能源，日照充足時才能供電，但在日落後短少電量需以其他發電方式快速補足，此缺口約在傍晚中間到達最高峰，故需求電量和電廠需發電量曲線之間會呈現類似鴨子的輪廓，即所謂鴨子曲線[3](圖3)，太陽占比越高則鴨肚子越大，電力調度變化也越大，此現象其他基載能源運轉調度須妥善應對，如有差錯供不應求可能造成電網過載導致斷電事故。
圖3：鴨子曲線
圖4為Y2022-Q3某日台電日發電曲線紀錄(依能源別區分)，可看出該日太陽能發電約於12:00達當日峰值，佔全國供電量將近15%，位居第三大(1st_燃氣: 43%、2nd_燃煤: 23.8%、核能: 9.7%)，相當然而若氣候因素不佳影響日照，短少的太陽能電力對台電調度有一定的挑戰。
圖4：台電每日發電曲線by能源別(Y2022-M10)
2.2 台電限電廠區配合模式
除前述氣候因素考驗台電調度能力，另外當台電端部分電廠機組保養/異常又遇上天候狀況不佳時，將使電網供電緊澀狀況並極可能啟動限電。故是否執行限電實務上不易計畫性執行，仍需視當日氣候狀況進行滾動式調整。
如確定限電需求，台電多於中午時段發布限電公文告知，tsmc內部公告後竹中南廠區依規畫好的分配量進行降載支援，如表2，各廠據當天的系統/人力狀況調配發電機啟動數量，流程示意如圖5。
| 竹科 | 中科 | 南科 | Total | |
|---|---|---|---|---|
| 啟動分配 ( 萬瓩 ) | 12.68 | 5.74 | 17.67 | 36.09 |
圖5：啟動限電work flow
目前台電對於各大企業開啟發電機自行供電給予每度10元補助，故每次限電皆需彙整廠區發電相關資訊，以tsmc眾多廠區的狀況此作業的繁雜性不言而喻，故期許一自動化平台可改善人力彙整效率不彰之狀況。
然而限電狀況下仍需以工廠穩定生產為優先考量，發電機啟動期間電力課同仁需現場待命並定時巡檢，確認機組運轉良好; 機械課同仁則須持續觀察廠區內AMC讀值是否有上升趨勢，如有任何異常狀況立即通報主管且進行停機，排除任何可能影響產線的不確定因素。
另外部分廠區因廠房鄰近社區住宅，發電機運轉期間多次遭居民抗議噪音問題，在公司企業形象的考量下亦須中斷支援。故每次限電可能會面臨許多突發狀況，對各廠運轉人力皆為挑戰，即時回報運轉資訊在實際執行上更是有相當程度的困難。
3.研究方法
目前tsmc竹中南至少27廠區以上，各廠供電資訊分散，無法有效掌握即時供電大盤資訊，人工整合實屬不易，隨未來用電環境日益險峻限電機率提升，急電資訊自動整合需求重要性與日俱增。(圖6)
圖6：既有資料資訊分散於各廠，人工整合效率不彰
據近年多次限電經驗，與FACDD/FDCIM合作，期許建置平台可整合各方資訊，包含：台電供電大盤、各廠發電機運轉狀態(運轉台數/輸出功率)、柴油存量、廠區空氣品質等，讓使用者可一目了然即時掌握重要資訊。(圖7)
圖7：限電平台整合多方資訊，便於使用者查詢
支援限電完畢後由系統自動彙整統計報表，其中含：各廠區總發電度數、最大總輸出功率、總耗油量、運轉成本等，將大幅提升ERM 窗口資料彙整效率。依限電執行實蹟，平台功能流程圖示意如圖8。
圖8：限電平台功能示意
4結果分析
綜合前述需求規劃為本專案Stage-1目標，已於M204完成300mm/200mm廠區系統上線，且於2022-Q2共5次台電限電期間測試平台效能，可即時呈現各廠發電機啟動狀態與庫存油量，因資訊即時性大幅改善且報表自動化，資料彙整效率提升50% (60分→30分)，可有效協助限電支援與主管調度決策。(圖9)
圖9：限電平台開發導入milestone
平台上線後各廠使用者陸續回饋需求建議，依此列為本專案Stage-2目標，包含：限電平台T-phone查詢功能、台積發電量趨勢圖、風玫瑰圖、台積總用電趨勢等，已於M209功能上線。平台四大重點功能說明如下 :
❶網頁標題增加公佈欄，可公告限電原因及執行時段等相關重要訊息，以利人員掌握最新狀況，節省mail通知時效。(圖10)
圖10：限電平台 - Dashboard
❷即時更新電力資訊(by site/phase)，可同時呈現27個以上廠區的發電量與台積總用電趨勢圖，方便使用者了解廠區電力現況大盤。(圖11)
圖11：限電平台 – 各廠急電發電曲線 (by site/phase)
❸資訊透明化，各廠區發電機運轉台數、設備清單與輸出電量，有效掌握系統運轉狀態。(圖12)
圖12：限電平台 – 各廠支援降載細部資訊
❹強化發電機調度決策依據，結合空拍圖將外氣AMC與風向等資訊圖像化，以即時追蹤發電機運轉期間是否影響廠區空氣品質。(圖13)
就近期多次測試結果，發現有部分廠區資料延遲問題使網頁無法呈現即時數據，主因為資料庫傳輸問題，已與MQSI合作改善後台資料庫架構格式，並於M209改善完成上線。
圖13：限電平台 – 各廠AMC及風向即時資訊
5.結論
近年因受到全球極端氣候影響，夏日極端高溫已漸成常態，加上能源轉型政策、高科技產業發展提高用電需求等因素，電網裕度不足狀況下如有任何中大型電力異常將可能導致全台重大停電事故。故政府提出設置風險專責單位、強化電網韌性、強化人員訓練與風險意識等改善對策，以強化電網韌性和確保供電穩定。
而tsmc為求穩定生產，不遺餘力投入大量資源提升系統可靠度，電力、水力穩定供應更是列為CSA、ERM每年定期檢討議題，並列入風險控管點追蹤。限電平台需求因而產生，在FACDD/FDCIM協助下發展建置完畢，相信隨未來各廠區對於限電平台建議會持續增加。例如: 外氣資訊整合NOx讀值、更完整的用電資訊查詢功能等，期許平台未來更為完善，為公司電力資訊完整度盡一份心力。
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