為了解決目前傳統電網系統所面臨的種種問題，本文提出一套整合配電策略的電力系 統設備規劃流程。在將目前的傳統大型電網劃分為多個小型區域電網後，此流程透過增設 風力發電機組與儲能設備，提高區域電網內的再生能源發電佔比，並降低區域電網對於大 型發電廠的依賴程度，使區域電網系統逐步朝向可獨立運作的微電網系統邁進，以達到能 源永續之最終目標。
圖3.1為區域電網示意圖。圖中區域電網外部與中央大型發電廠相連，而內部除了原有 的民生電力用戶之外，更有許多風力發電機組與分散式儲能設備用以提供部分的用電需求。
本研究期望透過整合配電策略的電網系統設備規劃，有系統地增加風力發電機組與儲能設 備的裝置容量，使區域電網系統漸趨永續。此設備規劃流程首先將針對區域電網進行再生 能源發電的效益評估與預測以及用戶用電的趨勢預測；再透過長期配電策略調整大型發電 廠的發電量，以維持電網系統供需平衡；最後藉由配電策略所提供的資訊進行電網系統的 設備規劃。
圖3.2為整合配電策略的電網系統設備規劃流程，其中包含了數據分析與模型建構、電 網系統配電策略規劃與電力系統設備規劃三個步驟，各步驟中均有許多不同的研究方法與 其相關的數學模型。為了清楚地描述此設備規劃流程的整體架構與概念，本章將著重於介 紹各步驟中所使用的方法並進行相關模型的符號定義。關於各步驟的詳細執行過程與執行 結果則會以案例探討的方式呈現於後續的章節中。
民生電力用戶 區域電網系統 中央大型發電廠
風力發電機組
分散式儲能設備
圖 3.1: 區域電網系統架構示意圖
3.1 數據分析與模型建構概述
流程圖3.2中的第一個步驟為數據分析與模型建構，其主要目的在於了解區域電網內的 再生能源發電以及用戶用電特性。因此，數據分析所需處理的數據可分為與風力發電相關 的歷年風速數據，以及與電力用戶相關的歷年發電量數據。這些數據在經過分析與處理後，
可從中統整出其中所包含的特性與趨勢並建構相對應的模型，以提供步驟二的配電策略規 劃使用。
風速數據分析的主要目的為推估風力發電於各時刻 t 的發電量。在取得歷年風速數據 後，經由一連串的分析可獲得與時間相關的風速模型 v(t)，再根據風機模型將風速轉換為 相對應的風能 pw(t)以提供步驟二的配電策略規劃使用。
發電量數據分析的主要目的為預測電力用戶於各時刻的用電量。由於目前台灣地區的 用電量數據多是由傳統電表所提供，以二個月為週期的紀錄資料並無法提供足夠的資訊給 予配電策略規劃使用。因此，本研究採用發電量數據建構用電量模型。在取得歷年發電量 數據後，藉由與風速數據分析類似的分析方法，可獲得與時間相關的發電量模型 g(t)，再 根據欲探討的區域電網範圍與用電成長等因素，建構用電模型 l(t)，提供給步驟二的配電策 略規劃使用。未來，在智慧電錶普及後，此流程可改為直接使用用電量數據進行分析，以
歷年發電量數據歷年風速數據 發電量模型 風力發電機組與分散式儲能設備裝置容量規劃
步驟三：電力系統設備規劃
步驟一：數據分析與模型建構 步驟二：配電策略規劃
用電量模型 風速模型民生電力用戶區域電網系統
中央大型發電廠 風力發電機組
分散式儲能設備 圖3.2:整合配電策略之電網系統設備規劃流程
得到更精確的用電量模型。
3.2 區域電網系統模型與配電策略規劃概述
流程圖3.2中，完成了步驟一的風能與用電模型後，第二個步驟為配電策略規劃。配電 策略規劃的任務在於調整電網系統中大型發電廠的發電量，以維持電網的供需平衡，並達 到降低發電成本或提高電網系統可靠度等目的。在介紹配電策略規劃之前，首先須瞭解電 網系統的架構以及其數學模型。
圖3.1中的電網系統由中央大型發電廠、風力發電機組、分散式儲能設備以及民生電力 用戶等四個部份所組成，其間的電力供需關係可由方程式（3.1）表示。
e(t + 1) = e(t) + pc(t) + pw(t)− l(t) (3.1)
其中，pc(t)為中央大型發電廠的發電量；pw(t)為風力發電機組的發電量；l(t) 為負載端，
亦即民生電力用戶的用電量；而 e(t) 則為儲能設備的電能存量（state of charge, SOC）。方 程式（3.1）為基本的能量守恆方程式，其要表達的物理意義為：於任意時刻 t，中央大型 發電廠及風力發電的發電量總和 pc(t) + pw(t)與用戶用電量 l(t) 的差值會反映在儲能設備 中，使儲能設備的電能存量由 e(t) 改變為 e(t + 1)，以保持系統的電力供需平衡。實際的 電網系統在運作時，會因為電力傳輸時的線路損失率以及儲能設備的能源轉換效率等因素 而有部分的能量損失，但為了簡化模型，在本模型中並未將這兩項因素納入考量。
方程式（3.1）為電網系統模型的一般表示式，在後續的章節中會因為不確定因素的有 無而產生不同的風能模型、用電模型以及配電策略。此時，則需要依照不同的考量，將方程 式中的 pc(t)、pw(t)、l(t)、e(t) 與 e(t + 1) 替換為大寫字母用以表示模型中的不確定因素。
配電規劃是一個與時間相關的動態最佳化過程，在給定電網系統中各設備的規模與目 前的電網系統狀態後，調整中央大型發電廠的發電量，以達到降低發電成本、維持電網系 統穩定性與提升能源使用效率等目的。
本文中，配電策略規劃的目標為降低發電成本，亦即減少中央大型發電廠的發電量，
其最佳化模型可由方程組（3.2）表示。
given t, e(t) (3.2a)
min pc(t) (3.2b)
s.t. e(t + 1) = e(t) + pc(t) + pw(t)− l(t) (3.2c) emin ≤ e(t + 1) ≤ emax (3.2d)
pc,min ≤ pc(t)≤ pc,max (3.2e)
w.r.t. pc(t) (3.2f)
方程式（3.2a）表示經由系統監控所得到的儲能設備即時電能存量；方程式（3.2b）為配 電規劃之目標函數，其目的為降低中央大型發電廠的即時發電量；方程式（3.2c）為保持區 域電網系統供需平衡的限制式，其中 pw(t)與 l(t) 分別為經由風能模型與用電模型所預測 的即時風力發電量與用戶用電量；方程式（3.2d）用來限制下一時刻的儲能設備電能存量 e(t + 1)，以維持電網系統的穩定性；方程式（3.2e）是中央大型發電廠的物理限制，其中 包含了儲能設備的充放電範圍與中央大型發電廠的操作範圍；方程式（3.2f）則是配電規劃 問題的設計變數，即中央大型發電廠的即時發電量。
3.3 電力系統設備規劃概述
在完成了步驟二的配電策略規劃後，第三個步驟為電力系統設備規劃。電力系統設備 規劃的目的在於規劃風力發電機組的額定功率以及儲能設備的裝置容量，以最低的設備成 本達到期望的系統表現。圖3.2顯示，在進行設備規劃前需要透過配電策略規劃了解電網系 統的狀態才能進行合適的決策，然而配電規劃又必須在給定電網系統設備的條件下進行，
因此本研究提出整合配電策略的電網系統設備規劃，在設備規劃的初期即將未來電網系統 所執行的配電策略納入考量。
方程組（3.3）為本研究所提出之整合配電策略的電網系統設備規劃數學表示式，其與
配電策略規劃方程組（3.2）的差異在於目標函數以及所考量時間跨距。
min {pr, emax, pc(t)} (3.3a) s.t. e(t + 1) = e(t) + pc(t) + pw(t)− l(t) (3.3b) emin≤ e(t + 1) ≤ emax (3.3c)
pc,min ≤ pc(t)≤ pc,max (3.3d)
w.r.t. pr, emax, {pc(t), ∀t ∈ T} (3.3e)
方程組（3.3）中，目標函數方程式（3.3a）表示此設備規劃針對風力發電機組的額定功率 pr、儲能設備的裝置容量 emax以及中央大型發電廠發電量 pc(t)進行多目標最佳設計；方程 式（3.3b）至（3.3d）為步驟二中確保電力系統穩定的配電策略規劃限制式；方程式（3.3e）
為設計變數，其中 T 表示設備規劃所考量的時間跨距；{pc(t), ∀t ∈ T} 表示方程組（3.3）
在進行最佳化時考量了整個時間跨距，亦即此方程組（3.3）中的配電策略不再是即時的動 態最佳化，而是根據風能與用電模型所進行的長期配電規劃。
3.4 小結
本章概略地描述了整合配電策略的電力系統設備規劃流程，其中包含了各步驟的數學 模型、所欲達到的目的以及步驟間的關聯性。後續的章節將使用實際案例進行流程中各步 驟的範例演示：第四章為風速數據分析與其相關模型建構；第五章為發電量數據分析與用 電模型建構；第六章則為整合配電策略之電力系統設備規劃。