1

潔淨能源與環境

港大學者為改善環境分享專業知識

霍偉棟、李安國、楊光華、鍾金、

梁耀彰、梁國熙、鄧昀、周國榮、

鄧亦修、莫道民、黎紹佳、蔡植豪、

鄒國棠 、張梓昌、吳瀚、盧景輝、

林屏、許俊民、顏子翔 、陳定國、

何禮文、鄭建中、李慧心、張國斌

2

潔淨能源與環境

顧問：吳復立教授、李安國教授、周子京教授

主編：霍偉棟

副編：徐力

攝影：歐陽鎧恒

設計：羅錦源

翻譯：林屏、田雪琪

出版：香港大學 工程學院

香港大學 潔淨能源與環境項目

香港薄扶林道香港大學

ISBN 號：978-988-15045-2-4

3

作者

第一章：綜述

霍偉棟博士 香港大學工程學院

第二章：智能電網中的傳感傳動網絡

李安國教授 香港大學電機電子工程系

楊光華博士 香港大學電機電子工程系

第三章：可再生能源智能電網

鍾金博士 香港大學電機電子工程系

第四章：為城市環境設計之微型風力發電機系統

梁耀彰教授 香港大學機械工程系

梁國熙博士 香港城市大學能源及環境學院 Gambarota, L. Motorwave Group (Holding) Ltd.

鄧昀 香港大學機械工程系

第五章：海浪發電

周國榮教授 香港大學機械工程系

鄧亦修 香港大學機械工程系

莫道民 香港大學機械工程系

黎紹佳 香港大學機械工程系

第六章：薄膜太阳能电池

蔡植豪博士 香港大學電機電子工程系

4

第七章：電動汽車

鄒國棠教授 香港大學電機電子工程系、國際電動車研究中心

第八章：綠色資訊科技

張梓昌博士 生產力促進局

吳瀚博士 生產力促進局 盧景輝 生產力促進局

林屏 中國人民大學

第九章：環保綠建築由屋頂做起

許俊民博士 香港大學機械工程系 (屋宇設備工程)

第十章：晨曦島上的可再生能源供電系統

顏子翔 中華電力

陳定國 中華電力

何禮文 中華電力

鄭建中 中華電力

李慧心 中華電力

第十一章：回顧過去：香港五十年來的環境優化

周子京教授所著「工程人生-香港基建五十年」 本書編輯改編

第十二章：展望未來：香江永綠、百年永續

張國斌教授 香港大學建築學院

5

目錄

第一節：能源管理 1 第一章：綜述 .................................................................................................................21

1.1 人類帶來了環境問題，就讓我們研究解決方法.............................................. 21

1.2 能源管理.............................................................................................................. 21

1.3 發展新能源.......................................................................................................... 22

1.4 減少排放、優化環境.......................................................................................... 22

1.5 回顧過去，展望未來.......................................................................................... 23 2 第二章：智能電網中的傳感傳動網絡 .........................................................................28

2.1 摘要...................................................................................................................... 28

2.2 簡介...................................................................................................................... 28

2.3 傳感傳動網絡與智能電網.................................................................................. 29

2.3.1 傳感傳動網絡.......................................................................................... 29

2.3.2 SANET 設計流程 .................................................................................... 30

2.3.3 智能電網.................................................................................................. 31

2.3.4 能量流和信息流...................................................................................... 31

2.4 智能電網中的 SANET ........................................................................................ 32

2.5 SANET 在智能電網中的應用 ............................................................................ 33

2.5.1 普及可再生能源...................................................................................... 33

2.5.2 電網監測和控制...................................................................................... 33

2.5.3 發電調度和需求方管理.......................................................................... 34

2.6 智能電網中的 SANET 構件 ............................................................................... 34

2.6.1 智能電網中的傳感器.............................................................................. 35

2.6.2 智能電網中的傳動器.............................................................................. 36

2.6.3 智能電網中的控制器和控制邏輯.......................................................... 37

2.6.4 智能電網中的通訊網絡.......................................................................... 37

2.7 智能電網中 SANET 的挑戰 ............................................................................... 38

6

2.7.1 异構和分布式操作特性.......................................................................... 38

2.7.2 動態特性.................................................................................................. 38

2.7.3 可擴展性.................................................................................................. 38

2.7.4 靈活性...................................................................................................... 38

2.7.5 能源效率和成本效益.............................................................................. 38

2.8 創新的機制.......................................................................................................... 38

2.8.1 普適面向服務網絡.................................................................................. 39

2.8.2 異構網絡平台（Heterogeneous Network Platform，HNP）................ 39

2.8.3 面向服務的網絡（Service-Oriented Network，SON） ....................... 39

2.8.4 SANET 應用 ............................................................................................ 40

2.9 上下文感知智能控制.......................................................................................... 40

2.10 壓縮傳感.............................................................................................................. 40

2.11 設備技術.............................................................................................................. 42

2.11.1 低功耗設計和能量收集技術.................................................................. 42

2.11.2 模塊化和緊凑設計.................................................................................. 43

2.12 用戶側能源管理系統.......................................................................................... 43

2.13 結論...................................................................................................................... 45

2.14 參考文獻.............................................................................................................. 46 3 第三章：可再生能源智能電網 .....................................................................................47

3.1 簡介...................................................................................................................... 47

3.2 電力工業和智能電網.......................................................................................... 48

3.3 智能電網中的客戶需求響應.............................................................................. 50

3.4 可再生能源的集成問題...................................................................................... 51

3.5 未來的控制中心和信息通信技術應用.............................................................. 53

3.6 總結...................................................................................................................... 55

3.7 參考資料.............................................................................................................. 55

7

第二節:潔淨能源 4 第四章：為城市環境設計之微型風力發電機系統 .....................................................57

4.1 摘要...................................................................................................................... 57

4.2 簡介...................................................................................................................... 57

4.3 創新的微型風力發電機設計.............................................................................. 59

4.4 設計微型風力發電機的考慮因素...................................................................... 60

4.4.1 葉片尖端速度與風速比率（TSR） ...................................................... 60

4.4.2 葉片圓心角的效能.................................................................................. 61

4.4.3 葉片實積率之效果.................................................................................. 62

4.4.4 微型風力發電機系統.............................................................................. 63

4.5 結論...................................................................................................................... 65

4.6 參考文獻.............................................................................................................. 66

5 第五章：海浪發電 .........................................................................................................68

5.1 摘要...................................................................................................................... 68

5.2 引言...................................................................................................................... 68

5.3 震盪水柱.............................................................................................................. 69

5.4 震盪水柱的運作原理.......................................................................................... 70

5.5 震盪水柱的二維模擬.......................................................................................... 72

5.6 模擬結果與討論.................................................................................................. 75

5.6.1 水柱的闊度研究...................................................................................... 75

5.6.2 海床的深度研究...................................................................................... 75

5.7 結論...................................................................................................................... 77

5.8 參考文獻.............................................................................................................. 77 6 第六章：薄膜太陽能電池 .............................................................................................79

6.1 引言...................................................................................................................... 79

6.2 太陽能電池的種類.............................................................................................. 80

6.2.1 無機薄膜太陽能電池.............................................................................. 81

6.2.2 光化學薄膜太陽能電池.......................................................................... 82

8

6.2.3 有機薄膜太陽能電池.............................................................................. 83

6.2.4 機薄膜太陽能電池能量效率.................................................................. 85

6.3 參考文獻.............................................................................................................. 88 7 第七章：電動汽車 .........................................................................................................91

7.1 簡介...................................................................................................................... 91

7.2 能源效益.............................................................................................................. 95

7.3 環境效益.............................................................................................................. 98

7.4 香港大學的角色.................................................................................................. 99

7.5 研究與發展........................................................................................................ 104

7.6 未來展望............................................................................................................ 109

7.7 致謝.................................................................................................................... 109

7.8 參考書目............................................................................................................ 109

8 第八章：綠色資訊科技 Green ICT ............................................................................111

8.1 低資省能生活型態 ICT 應用科技 ................................................................... 111

8.2 高效節能減排 ICT 產品／系統 ....................................................................... 112

8.2.1 非物質化和減少廢物排放.................................................................... 112

8.2.2 能源管理................................................................................................ 113

8.2.3 流程控制................................................................................................ 114

8.2.4 虛擬化 ICT 系統 ................................................................................... 115

8.2.5 優化 ICT 設施能源效益 ....................................................................... 116

8.2.6 採用環保 ICT 設備 ............................................................................... 118

8.2.7 ICT 廢物處理 ........................................................................................ 118

8.3 總結.................................................................................................................... 120

第三節: 優化環境

9 第九章：建築物能源效益 ...........................................................................................122

9

9.1 綠建築由屋頂做起............................................................................................ 122

9.2 可持續建築和城市環境.................................................................................... 122

9.3 全球趨勢............................................................................................................ 123

9.4 屋頂綠化的種類和設計考慮............................................................................ 124

9.5 在香港推展城市綠化........................................................................................ 125

9.6 屋頂綠化和城市農業的研究............................................................................ 127

9.7 建築節能大有可為............................................................................................ 129

9.7.1 香港建築能耗........................................................................................ 129

9.7.2 香港建築節能法規................................................................................ 131

9.7.3 如何實行建築節能................................................................................ 133

9.7.4 建築節能的未來發展............................................................................ 135

9.7.5 參考資料................................................................................................ 136 1 0 第十章：晨曦島上的可再生能源供電系統 ........................................................139

10.1 引言.................................................................................................................... 139

10.2 伙頭墳洲（晨曦島）........................................................................................ 140

10.3 可再生能源供電系統的發展過程.................................................................... 141

10.4 晨曦島可再生能源供電系統............................................................................ 142

10.4.1 可再生能源方案.................................................................................... 142

10.5 可再生能源供電系統........................................................................................ 142

10.6 項目團隊............................................................................................................ 143

10.7 項目執行............................................................................................................ 143

10.7.1 第一期.................................................................................................... 143

10.7.2 第一期.................................................................................................... 145

10.8 挑戰.................................................................................................................... 146

10.8.1 容量規劃................................................................................................ 146

10.8.2 許可證申請............................................................................................ 146

10.8.3 選擇技術................................................................................................ 147

10.8.4 其他技術................................................................................................ 148

10

10.8.5 工程設計................................................................................................ 149

10.8.6 位置偏遠................................................................................................ 149

10.9 社區價值............................................................................................................ 149

10.9.1 教育及研究............................................................................................ 149

10.9.2 關懷及支援社區.................................................................................... 150

10.10 結語................................................................................................................ 150

第四節：回顧過去 展望未來

1 1 第十一章：回顧過去-香港五十年來的環境優化 ......................................................152

11.1 回顧上世紀香港的環境保護............................................................................ 152

11.2 環境美化............................................................................................................ 153

11.3 污水處理............................................................................................................ 156

11.4 廢物處理............................................................................................................ 159

11.5 空氣污染............................................................................................................ 162

11.6 噪音滋擾............................................................................................................ 163

11.7 發展與生態保育的平衡.................................................................................... 165 12 第十二章：展望未來-香江永綠、百年永續 ...........................................................167

12.1 概要.................................................................................................................... 167

12.2 建議維港填海區基建都市學設計原則............................................................ 168

12.2.1 原則一 : 地下之城 ................................................................................ 168

12.3 原則二 :「一地綠化多功能地下城」 ............................................................. 169

12.3.1 原則三 : 綠徑系統 ................................................................................ 169

12.4 啟德發展的建議................................................................................................ 171

12.5 西九龍發展的建議............................................................................................ 174

12.5.1 西九文化區建設成本上升.................................................................... 174

12.5.2 西九文化區交通問題、西九高鐵火車站交通問題............................ 174

12.5.3 西九高鐵火車到達亞歐非三大洲........................................................ 174

11

12.5.4 地下城市的發展是世界潮流和勢頭.................................................... 175

12.5.5 需要更多優良的購物商場.................................................................... 175

12.5.6 預期的人口增長.................................................................................... 175

12.5.7 西區海底隧道和大西九龍的可持續發展............................................ 175

12.5.8 市民對綠色環境的要求增加................................................................ 176

12.5.9 市民期望西九文化區有卓越優美的景點............................................ 176

12.5.10 民意調查結果 ....................................................................................... 176

12.6 "西九地下城" 資助地面的 "西九文化公園" 新構思 ...................................... 177

12.7 建議的文化區多功能樞紐................................................................................ 177

12.8 大西九文化區多功能樞紐地下城地上公園.................................................... 178

12.8.1 多功能樞紐地下城地上公園增強設計................................................ 179

12.8.2 建議增加西九八成「文化空間」........................................................ 179

12.9 建議的「維港兩岸綠合環」............................................................................ 182

12.10 建議的「跨境交通樞紐和本地交通樞紐」................................................ 185

12.10.1 對外交通 ............................................................................................... 185

12.10.2 本地交通 ............................................................................................... 185

12.11 建議的商場和中央商務區樞紐.................................................................... 186

12.11.1 商場樞紐 ............................................................................................... 186

12.11.2 中央商務區樞紐 ................................................................................... 186

12.11.3 水上公園樞紐 ....................................................................................... 187

12.12 知識交流活動................................................................................................ 187

12.12.1 「香江永綠」第一期展覽.................................................................... 187

12.12.2 「香江永綠」第二期展覽.................................................................... 188

12.12.3 「香江永綠」第三期研究項目公開展覽及講座................................ 189

12.13 鳴謝................................................................................................................ 190

12.14 參考................................................................................................................ 190

12

圖表索引

圖 2-1 李安國教授與能源管理系統的原形設計 .................................................. 28

圖 2-2 SANET 構件和閉環控制回路 .................................................................... 29

圖 2-3 SANET 設計流程 ........................................................................................ 30

圖 2-4 智能電網的概念參考模型 .......................................................................... 31

圖 2-5 SANET 和 SG 的關係 .................................................................................. 32

圖 2-6 智能電網中的傳感器 .................................................................................. 35

圖 2-7 智能電網中的傳感器例子 .......................................................................... 35

圖 2-8 智能電網中的傳動器 .................................................................................. 36

圖 2-9 智能電網中的傳動器例子 .......................................................................... 36

圖 2-10 PERSON 的三層架構 ................................................................................ 39

圖 2-11 壓縮傳感技術在風力發電機的管理 ........................................................ 41

圖 2-12 緊凑型無綫環境傳感器 ............................................................................ 43

圖 2-13 EMS 系統架構 ........................................................................................... 44

圖 2-14 EMS 的原型 ............................................................................................... 44

圖 3-1 傳統的電力系統 .......................................................................................... 49

圖 3-2 電力由發電機通過輸配電網流向用戶 ...................................................... 49

圖 3-3 利用智能電錶來管理電池 .......................................................................... 50

圖 3-4 電網與電動車間交換能量（V2G）技術對智能電網非常重要 ............... 53

圖 3-5 中華電力的系統控制中心 .......................................................................... 54

圖 4-1 梁耀彰博士與微型風力發電系統 .............................................................. 57

圖 4-2 研究之微型風力發電機渦輪 ...................................................................... 59

圖 4-3 微型風力發電機的 Cp- λ 特性。 ............................................................... 61

圖 4-4 不同葉片數目的電機功率係數 .................................................................. 62

圖 4-5 不同數目葉片量度的發電機啟動力矩效果。 .......................................... 62

圖 4-6 若干高功率係數微型風力發電機的啟動效果。 ...................................... 63

圖 4-7 微型風力發電機系統的風洞測試 .............................................................. 64

13

圖 4-8 微型風力發電機系統測試 .......................................................................... 65

圖 5-1 周教授及其團隊一直致力於海浪發電的研發 .......................................... 68

圖 5-2 周國榮教授及其海浪發電研發團隊 .......................................................... 70

圖 5-3 蘇格蘭艾拉島的海浪發電 .......................................................................... 70

圖 5-4 震盪水柱的能量轉換原理圖 ...................................................................... 71

圖 5-5 震盪水柱的內部運作原理 .......................................................................... 71

圖 5-6 二維的震盪水柱模型 .................................................................................. 72

圖 5-7 震盪水柱模型的模擬條件 .......................................................................... 73

圖 5-8 震盪水柱模型模擬轉化海浪能為電力 ..................................................... 73

圖 5-9 靜止狀態的水面 .......................................................................................... 74

圖 5-10 模擬波浪上下震動的變化 ........................................................................ 74

圖 5-11 震盪水柱闊度與內部波幅的變化 ............................................................ 75

圖 5-12 海床深度與震盪水柱波振幅的變化 ........................................................ 76

圖 5-13 Tapered Channel 的結構 ............................................................................ 76

圖 5-14 Wave Dragon 的結構 ................................................................................. 76

圖 5-15 Archimedes Wave Swing 的結構............................................................... 77

圖 6-1 蔡植豪博士與有機薄膜太陽能電池 .......................................................... 79

圖 6-2 各種的太陽能電池 ...................................................................................... 80

圖 6-3 有機薄膜太陽能電池的運作機理。 .......................................................... 84

圖 6-4 太陽光譜輻照度標准 .................................................................................. 85

圖 6-5 測試有機薄膜太陽能電池的效率 .............................................................. 87

圖 7-1 車輛的分類 .................................................................................................. 92

圖 7-2 混合動力電動汽車類型的分類 .................................................................. 93

圖 7-3 BEV, PHEV 及 REEV 的能源多樣化 ......................................................... 95

圖 7-4 各類汽車的能量轉換 .................................................................................. 96

圖 7-5 電動汽車和內燃機汽車的能源效率比較 .................................................. 97

圖 7-6 再生制動的能量回收 .................................................................................. 97

圖 7-7 地區性有害排放物的比較 .......................................................................... 98

圖 7-8 整體性有害排放物的比較 .......................................................................... 98

14

圖 7-9 電動汽車和內燃機汽車的噪音比較 .......................................................... 99

圖 7-10 我們的電動汽車出現在 1984 年《香港工程師》雜誌上 .................... 100

圖 7-11 我們的國際電動汽車研究中心于 1986 年成立 ..................................... 101

圖 7-12 我們的電動汽車 ...................................................................................... 102

圖 7-13 我們在電動汽車領域的著作 .................................................................. 103

圖 7-14 我們在電動汽車專著的著作 .................................................................. 104

圖 7-15 在輪電動機的比較 .................................................................................. 105

圖 7-16 電動變速傳動系統的比較 ...................................................................... 106

圖 7-17 電動汽車對電力系統的貢獻 .................................................................. 107

圖 7-18 汽車對電網的雙網式構架 ...................................................................... 108

圖 8-1 課堂上再不用紙張 .................................................................................... 113

圖 8-2 安裝更多處理機在服務器上可增加十倍能量源密度 ............................ 114

圖 8-3 利用可變速度中央冷氣可以減少能源需求達 40% ................................ 117

圖 8-4 減少、再用、再循環、復原及廢棄是減少廢物的五大策略 ................ 119

圖 9-1 綠化屋頂如何幫助可持續建築和城市環境 ............................................ 123

圖 9-2 輕型綠色屋頂的典型結構 ........................................................................ 124

圖 9-3 香港屋頂綠化的例子 ................................................................................ 125

圖 9-4 香港人口密度高的地區 ............................................................................ 126

圖 9-5 香港能源最終用途的發展趨勢 1984-2009 .............................................. 129

圖 9-6 香港商業類別 2009 年的能源最終用途 .................................................. 130

圖 9-7 香港住宅類別 2009 年的能源最終用途 ................................................... 131

圖 9-8 香港已實施了綜合熱傳值的建築物能源守則，新建的商樓須符合適當

的熱傳值........................................................................................................ 132

圖 9-9 開發和利用建築物中的可再生能源可降低常規能源的消耗量 ............ 133

圖 9-10 經改造的帝國大廈贏得了環保能源效益的名聲 .................................. 135

圖 10-1 晨曦島的位置 .......................................................................................... 139

圖 10-2 柴油發電機 ............................................................................................. 140

圖 10-3 戒毒中心 .................................................................................................. 140

15

圖 10-4 教堂 .......................................................................................................... 141

圖 10-5 廚房 .......................................................................................................... 141

圖 10-6 宿舍 .......................................................................................................... 141

圖 10-7 工地測量 .................................................................................................. 143

圖 10-8 付運物料 .................................................................................................. 144

圖 10-9 建造工程 .................................................................................................. 144

圖 10-10 安裝光伏板 ............................................................................................ 144

圖 10-11 安裝設備 ................................................................................................ 144

圖 10-12 測試 ........................................................................................................ 145

圖 10-13 系統啟用 ................................................................................................ 145

圖 10-14 系統安裝完成 ........................................................................................ 145

圖 10-15 光伏系統電池 ........................................................................................ 147

圖 10-16 電池充放電雙向逆變器 ........................................................................ 148

圖 11-1 周子京教授所著「工程人生-香港基建五十年」 ................................. 152

圖 11-2 以天橋型式飛越植物公園上空可給兒童遊樂場添加上蓋 .................. 154

圖 11-3 在斜坡上噴草種及養料混合劑令綠草盡快生根生長 .......................... 155

圖 11-4 沙田污水處理廠 ...................................................................................... 157

圖 11-5 后海灣風景優美有賴海底排污管導放 .................................................. 158

圖 11-6 屯門西部捻灣的新界西區(WENT) ........................................................ 160

圖 11-7 廢氣中的硫和二氧化碳都影響市民健康 .............................................. 162

圖 11-8 沙田城門隧道公路近美林邨路旁的隔音屏 .......................................... 163

圖 11-9 避免超越噪音界限東涌填海範圍不能再向北面伸展 .......................... 164

圖 12-1 中國工程院描繪的「地下之城」 .......................................................... 168

圖 12-2「一地綠化多功能地下城」原則 ........................................................... 169

圖 12-3「綠徑系統」將市區內的公園與郊野公園連接 ................................... 170

圖 12-4「一地多用」的啓德三結合模式 ........................................................... 171

圖 12-5 啟德填海區發展的建議 .......................................................................... 172

圖 12-6 西九文化藝術及相關設施的規範 .......................................................... 177

圖 12-7「大西九」的意思 ................................................................................... 178

16

圖 12-8 建議西九文化區的增強設計地下設施面積圖 ...................................... 180

圖 12-9 建議的「地上公園」的增強設計 .......................................................... 181

圖 12-10「維港兩岸綠合環」 ............................................................................. 182

圖 12-11 維港兩岸綠合環 .................................................................................... 183

圖 12-12「維港兩岸綠合環」 ............................................................................. 184

圖 12-13 跨境交通樞紐和本地交通樞紐 ............................................................ 186

圖 12-14 多功能樞紐的大西九 ............................................................................ 187

表索引

表 2-1 傳統電網和智能電網的比較 ...................................................................... 30

表 2-2 智能電網中不同應用對 SANET 的要求.................................................... 37

表 2-3 應對各種挑戰的機制和辦法 ..................................................................... 39

表 2-4 節能機制 ...................................................................................................... 42

表 2-5 能量收集技術 .............................................................................................. 42

表 4-1 主要國家的可再生能源目標 ...................................................................... 58

表 4-2 典型的微型風力發電機的幾何參數。 ...................................................... 60

表 4-3 微型風力發電機的葉片實積率及其最大功率係數。 .............................. 62

表 4-4 能量隨著渦輪數目增加而提高 .................................................................. 63

表 4-5 八葉片微型風力發電機在不同風速下獲得的功率 .................................. 64

表 9-1 香港天台城市農業的 SWOT 分析 [4] ...................................................... 127

表 9-2 在香港一所小學進行的屋頂綠化和城市農業的試驗性研究 ................ 128

表 9-3 建築節能的措施 ....................................................................................... 134

表 12-1 香港特別行政區人口增長 ...................................................................... 167

17

前言

可持續發展在世界各地均受到科學家、工程師、學者、政客及廣大民眾的關注。 潔淨

能源和環境已經不再是夢想，而是一個現實的目標，它要我們為未來不斷地奮鬥下

去。

我們的世界當前有兩個主要的威脅：一個是氣候變化，另一個是能源資源日漸減少。

在能源生產方面，工程師必須要面對開發不同種類可再生能源的挑戰。工程師需要提

升現時能源生產的效率，同時亦要使碳排放減到最低。在應付氣候變化的大前題下，

作為能源的使用者，我們更應珍惜能源的應用，避免浪費。我們要選擇最有效的方法

來達到使用的效果。我們亦要尋求辦法使得剩餘能源可以再被利用。就整體而言，我

們要不斷審視使用能源的習慣，使大家以用最有效的方式使用能源。

智能電網可為再生能源及其使用提供一個良好的平台，從而激勵人們努力鑽研各種相

關技術，不斷地研究、發展和應用。本書有豐富的內容，更從感應器、遙感器、動作

網絡，乃至綠化信息、通訊技術及電動車等方面提供了好的探討和方向。它亦為工程

師和專家提供了豐富的知識，同時兼備實用例子作為參考和應用。

本書充分地展示了香港工程師和專家在對抗氣候變化上的認知及

努力。亦顯出本書的作者們一起努力的成果。最後，我極力推薦

這本書給各位，更希望它能為未來工程和科技的進步帶來更多的

啟示！

陳福祥博士、工程師

香港工程師學會會長

18

前言

清潔能源與環境——知識交流項目

在當今這個聯繫日漸緊密，國際化的世界，大家都漸漸意識到，在生活中和在利用地

球資源的時候我們應該更注重―綠色‖或者―更綠色‖。我們意識到，在 IT 科技正以前所

未有的速度發展變化的今天，我們必須找到一個能夠更有效，更具責任感並且可持續

地維持、利用我們自然資源的方式。

因此，我很欣慰地看到以―清潔能源與環境‖為主題的知識交流項目的啟動。它的目的

在於與市民大眾交流分享清潔能源和環境方面的知識，并展示香港大學在這些領域的

創新研究成果。我們的研究範疇十分廣，包括可再生能源，減碳，綠色信息通訊科技

等——這些在本書中都有介紹和探討，且之後，還會在知識交流公開會議上展開進一

步的討論和推廣。

在香港大學百年校慶之際，此類的知識交流項目讓我們意識到，IT 技術進步，國際化

程度提高在給我們帶來了巨大好處的同時，我們更有責任好好地利用它們，并將之與

更多的人分享。此項目是香港大學一直倡導的―知識，傳承，服務‖主題的一個出色案

例，具有有很大的意義和時代感。而所有對此項目作出貢獻的人們

和參與其中的人們，我都由衷地為你們感到高興。

香港大學校長

徐立之 教授

19

前言

香港作為一個國際大都會，我們在日常生活中，深深地體會到現代急速發展的貿易、

金融、進出口、旅遊、通訊等各個範疇，將我們和世界各地緊密地連繫在一起。可

是，我們偶爾遺忘了，世界面對日益嚴重的能源及環境問題，香港也無法置身事外。

我們每分每秒都在耗用能源，但卻鮮有空檔停下來思考能源消耗對氣候和環境的影

響。儘管有些人可能意識到南、北兩極的冰川正慢慢地崩塌，但覺得那些畢竟離我們

很遠；我們不時也會從新聞報導得知有關中國大陸及其他地區的洪水、乾旱、暴風雪

或是酷熱天氣的消息，科學家已經提出警告，氣候變化可能是這類災害愈趨頻繁的誘

因。在我們居住的城市裏，經常看到天空中瀰漫著煙霧，感受到我們呼吸著的空氣質

量之差。我們不難意識到，我們和世界各地一樣，正面對能源的危機和保護環境的挑

戰。

不斷增長的能源消耗量對地球有著深遠的影響，這亦已成了國與國之間爭論不休的一

個課題。在 2009 年哥本哈根氣候峰會上，仍有許多有待解決的議題，需要國際間的通

力合作；因此，發展清潔及可再生能源為我們在未來可更有效利用有限的資源並擁有

更健康的生活提供了保障。

創新科技是推動未來發展清潔能源的關鍵，大部分人可能對太陽能和風能比較熟悉，

然而這個課題還有很多其他有待探索的領域，這些創新的科技亦正以前所未有的速度

推進。

香港大學工程學院的學者及研究人員於能源及可持續發展的環境方面一直走在科研的

尖端。他們不僅為相關科學知識的創新作出了極大的貢獻，並致力與大眾分享他們的

研究成果。本書向公眾介紹了一系列不同的研究課題，包括傳感器、智能電網螺旋網

絡、風能及生物燃料，可再生智能源電網、有機太陽能電池、電動車、電子化信息及

通訊科技、智能樓宇、環保建築材料以及可再生能源遙控檢測網絡。同時，本書中的

個案展示了本校的學者及研究人員的研究成果在香港和中國大陸的影響力。

20

香港大學相信知識的力量可以提高我們的生活素質。清潔能源和可持續發展環境的研

究與我們未來的生活息息相關，比如高效能住宅、辦公室和建築物，以至車輛、交通

系統以及通訊網絡等等。通過本書分享的知識，我們希望能夠激發大眾的環保意識，

增進對清潔能源的了解。本書也為學生提供了通識教育課程的資源。事實上，爲了防

止氣候變異，也爲了人類自身的利益，國際社會、各國及各機構都要作出更大的努

力，而我們自己亦必須為未來出一分力。

香港大學副校長（研究）

譚廣亨教授

21

1 第一章：綜述

1.1 人類帶來了環境問題，就讓我們研究解決方法

自十九世紀工業革命中工程師發明了第一部發動機後，工程的專業(Engineering)也因

發動機(Engines)的出現而高速發展，世界從此改變了。

工程師發明了發動機，繼而有汽車、輪船和飛機，大大提升了交通運輸的效率，讓

國與國的經濟貿易更興旺；工程師也發明了發電機，讓黑暗變得光明，讓資訊可以通

過固網及移動通訊網絡傳送，讓互聯網可以廣泛應用。但同時也產生了許多環境問

題，這些機器的碳排放增加了大氣中的溫室氣體，加速全球暧化和氣候變化等問題，

工程發明一方面為人類帶來方便，但另一方面也為地球環境帶來了一些負面影響。作

為工程師和工程研究者，我們希望可以運用更新和更先進的研究發明來幫助解決這一

關係到全球環境及人類下一代的重要問題。本書介紹了香港大學的學者們如何從提高

能源管理效率、探索新能源與改善環境等方面來解決這一問題。

1.2 能源管理

在能源管理方面，港大電機電子工程系的李安國教授與楊光華博士一直致力於研究

在智能電網中的傳感傳動網絡，他們在本書的第二章介紹了傳感傳動網絡與智能電網

的重要性與關係，以及用戶端能源管理系統智能電網中傳感傳動網絡的案例研究和創

新機制。另外，鍾金博士也在第三章介紹了可再生能源智能電網的一些技術資料，分

析電力工業和智能電網之間的關係以及智能電網中的客戶需求響應，並討論了可再生

能源的集成問題和例舉一些未來的控制中心和信息通信技術應用。

22

1.3 發展新能源

除能源管理人員外，發展新能源也是十分重要的，香港大學機械工程系的梁耀彰教

授在第四章談論到為城市環境設計之微型風力發電機系統。這一種創新的微型風力發

電機設計可以在微風中操作，十分適合在城市中使用，而當中涉及微型風力發電機的

考慮因素，例如葉片尖端速度與風速比率、葉片圓心角的效能、葉片實積率之效果以

及整個微型風力發電機系統的整合等，也會在該章討論。另外，同系的周國榮教授在

第五章介紹了他的研究團隊在海浪發電方面的發展，他們利用震盪水柱來轉化海浪能

源至高氣壓，用來推動渦輪產生電力，這研究更運用了電腦做二維模擬，分析水柱的

闊度和海床的深度對海浪發電效能的影響並深入討論模擬結果。此外，另一種正在高

速研究和應用的可再生能源就是太陽能電池，電機電子工程學系的蔡植豪博士在第六

章介紹了不同的薄膜太阳能电池，包括無機薄膜太阳能电池、光化学薄膜太阳能电池

以及有機薄膜太阳能电池，并分析机薄膜太阳能电池的能量效率。

1.4 減少排放、優化環境

除了開發新能源，對抗氣候轉變的另一策略就是減排，電機電子工程系的鄒國棠教

授在電動汽車方面有多年研究，早在九十年代已經參與國際電動車研究中心的項目，

對電動汽車在能源效益和環境效益方面有深入研究。這在第七章有詳細介紹，并回顧

了香港大學在電動汽車方面的研究與發展及對未來的展望。

如果說汽車是二十世紀的一項偉大發明，它可以方便人類交通運輸，讓城市連接起

來，那麼資訊科技也可算是二十一世紀的另一項偉大發明，它可以讓世界連接起來。

但推動資訊科技的耗電系統也是引至氣候轉變的一個元兇，每一次使用搜查引擎就需

要耗電 4.5 瓦特小時(wh)，單是搜索網站谷歌（Google）每天都處理超過四億個搜索查

詢，需要消耗一百八十萬個千瓦特小時（Kwh），足夠供應超過三千個加州家庭的用

電。

23

因此綠色資訊科技（Green ICT）就成為了近期的熱門研究。電機電子工程系榮譽講

師吳瀚博士與香港生產力促進局的顧問團隊在如何執行綠色資訊科技方面很有心得，

經常為業界推廣如何低資節能應用資訊科技，介紹高效節能減排資訊科技產品和系

統；此外，在非物質化和減少廢物排放方面也是幫助達成減排環保的一種方法。在本

書第八章對綠色資訊科技、能源管理、流程控制、虛擬化系統等方面，以至如何優化

ICT 設施能源效益、怎樣採用環保 ICT 設備及處理 ICT 廢物都有討論。

香港地少人多，經常被評為石屎森林，缺乏綠化環境，香港大學機械工程系的屋宇

設備工程專家許俊民博士就建議環保綠色建築可以由屋頂做起，建造一個可持續的建

築和城市環境。本書第九章就介紹了屋頂綠化的各個種類和設計考慮，也分析了香港

推行城市綠化和農業研究的優勢、劣勢、機會及威脅，并分享幾個成功個案。

時至今天，香港的發展越來越重視環境保護，有許多環保減排的設施也相繼建設起

來。港大電機工程校友顏子翔博士及其中華電力公司的工程及科研團隊，成功地在西

貢晨曦島安裝了全港第一套獨立的太陽能供電系統，利用可再生能源為晨曦島上帶來

晨曦，在第十章顏博士介紹了這套可再生能源供電系統的設計方案和項目團隊，并詳

述項目分兩期執行時的挑戰和解決方法，當中面對各種不同的問題，包括容量規劃、

許可證申請、以至選擇不同光伏、電池和其他技術，這些寶貴經驗和知識都一一在該

章節中分享。此外，顏博士也分享了他對這項目在社區價值、教育研究及關懷社區等

方面的一些感想。

1.5 回顧過去，展望未來

回顧過去，展望未來，今年是香港大學成立一百周年，在過去百年有許多工程師和

研究學者為改善香港的環境作出貢獻，其中本學院校友周子京教授出書記錄了香港過

去五十年的工程發展。本書第十一章也收錄了周子京教授所著「工程人生—香港基建

五十年」一書的部分片段，回顧上世紀香港的環境優化與保護的發展，以及在污水處

理、廢物處理、空氣污染、噪音滋擾以及生態保育方面作出的貢獻。

24

展望未來，香港的下一個一百年將何去何從？在保育和發展方面如何達到平衡？香

港大學建築學院張國斌教授在本書第十二章為我們展示了他的一項名為「香江永綠、

百年永續 」的項目，分享了他對維港填海區基建都市學設計的原則及其一地綠化多功

能地下城」的概念；并介紹他對啟德及西九龍發展區的建議新構思，目標將香港打造

成多功能樞紐地下城、地上公園，增加文化空間，讓維港兩岸更加綠化環保，並同時

建立國際跨境和本地交通、商場、中央商務區等樞紐，期望可以讓香港在下一個百年

繼續永綠。

要解決全球暖化和氣候改變問題需要多全方面的努力。學者、工程師、研究員以至

社會各界都要聯手獻出專業知識，為我們的未來與下一代出一分力。

本書編輯

香港大學工程學院

助理院長（外務關係及知識交流） 霍偉棟

25

第一節

能源管理

26

訪問港大電機電子工程系吳復立教授有關未來智能電網的工作

因氣候變化問題我們需使用可再生能源

替代傳統化石燃料發電，未來的電網跟

今天的將會截然不同。將來的電網會包

含許多風力和太陽能發電機，用戶也能

直接參與節能在家中使用智能電器，這

些設備本身帶著傳感器把搜集的數據轉

成有用的信息。在擁有這樣復雜的系統

後，我們須采用資訊和通訊領域最新技

術來監控此系統，這就是人們所說的智

能電網。

但這是一個未來的系統，我們沒有現存

的可供試驗，所以需建立一個模擬實驗

室用來做未來智能電網的實驗。智能電

網模擬實驗室的獨特性在於結合了計算

機模擬與物理模擬，在部分系統中我們

使用計算機硅仿真，其餘系統則使用實

際設備，在這模擬實驗室裡我們可模擬

各種風力發電機，不同風力、太陽能狀

況，以及各種太陽能電池組，我們可以

研究它們對電網的影響。

目前電網的儲電容量有限，我們想調整

系統，風大時多用電，風小時就少用，

盡可能地利用已存儲的能量，所以比起

目前我們使用的系統，此系統會更加復

雜。我們須實時保持電力供求的平衡，

同時我們須充分准備應付如閃電導致的

干擾及可再生能源因為光照和風吹帶來

的不確定輸出，所以我們必須做好准

備。我們佣有世界上第一個能全面自愈

的系統，我們的目標是在斷電之後系統

能迅速恢復電能供應。我們希望通過有

27

效使用電能和提高發電效能來節約能源

從而降低碳排放。

現在人們說電網不能容納 20%或 30%以

上的可再生能源，我們的目標是把盛載

率提高到 50%以上，這樣能夠減少溫室

氣體的排放。模擬系統實驗結果顯示我

們將能夠打破傳統系統運行的模式，也

就是說我們能更有效地利用電能智能電

網將改變我們的生活方式。

香港大學電機電子工程系

吳復立教授

可登入這網址觀看吳復立教授的視頻專訪 http://www.youtube.com/watch?v=gRR2_nF8OiQ

http://www.youtube.com/watch?v=gRR2_nF8OiQ

28

2 第二章：智能電網中的傳感傳動網絡

李安國 楊光華

香港大學 電機電子工程系

圖 2-1 李安國教授與能源管理系統的原形設計

2.1 摘要

在前面的章節中，我們介紹了智能電網與

傳統電網相比享有的各種優勢。爲了實現

這些優勢，傳感傳動網絡（ Sensor and

Actuator Network, SANET）發揮着關鍵作

用 。 在 這 一 章 中 ， 我 們 將 重 點 介 紹

SANET，分析 SANET 的組成和特色，指

出 SANET 在智能電網中的重要應用，特別

突出了 SANET 實施中所遇到的問題和所面

臨的主要設計挑戰，幷提出一些創新的機

制和方法來應對這些問題和挑戰；最後我

們通過一套能源管理系統來驗證和展示所

提出的新機制的有效性。

2.2 簡介

在過去幾年中，智能電網（Smart Grid，

SG）吸引了政府、電力公司、以及研究機

構等的廣泛興趣。與傳統電網相比，智能

電網通過大量採用可再生能源、先進電力

電子技術與先進信息技術等，可以實現更

高的可靠性和穩定性、更高的能源效率和

更少的溫室氣體排放。

爲了實現這些優勢，傳感傳動網絡（Sensor

and Actuator Networks, SANET）發揮著關

鍵作用。與單純的傳感器網絡（Sensor

29

Network）相比，SANET 不僅能感知環

境，更能對環境進行控制。 這一特點使得

SANET 成爲一項適用于各種監測和控制應

用的重要技術。 但是，要正確設計一個能

有效應用于智能電網的 SANET，我們必須

應對和克服許多挑戰。

在這一章中，我們將介紹 SANET 的組成和

特色，指出 SANET 在 SG 中的主要應用，

重點突出 SANET 設計和實施中所面臨的問

題和主要挑戰，幷提出了一些創新的機制

和辦法來應對這些挑戰。 這些新機制的有

效 性 將 通 過 能 源 管 理 系 統 （ Energy

Management System, EMS）的案例來進行

展示和驗證。

本章的其他部分安排如下：第三節介紹

SANET 和 SG；第四節討論 SANET 在 SG

中的主要應用，重點討論 SANET 設計所面

臨的主要挑戰；第五節提出一些創新的機

制用以應對設計挑戰；第六節介紹能源管

理系統的案例；第七節將總結整個一章。

2.3 傳感傳動網絡與智能電網

2.3.1 傳感傳動網絡

傳感傳動網絡是用以感知環境和控制環境

的網絡。相對于傳統的側重于感知環境的

傳感器網絡，SANET 可以同時用于監測和

控制，實現閉環的控制回路以支持更强大

的應用。

圖 2-2 SANET 構件和閉環控制回路

SANET 的主要構件包括傳感器、傳動器、

控制器和通信網絡。傳感器是用來測量物

理特性幷將其轉換成電子信號或數據的器

件或設備。控制器對傳感數據進行計算幷

做出控制决策。傳動器執行控制器的控制

决策，將電子信號轉換成物理現象（如顯

示）或控制動作（如開關）。SANET 中不

同的構件可能位于單一設備中，也可能是

物理上分離的。SANET 中各個構件通過基

于多樣化的協議和媒介的通訊網絡彼此溝

通，以實現節點間的相互協作以及節點與

周圍環境的互動。 SANET 的主要構件和閉

環控制回路如圖 2.2 所示 。

30

2.3.2 SANET 設計流程

圖 2-3 SANET 設計流程

表 2-1 傳統電網和智能電網的比較

傳統電網 智能電網

系統可靠性 低: 被動、後攝控制；響應和恢復

緩慢

高: 主動、前攝控制；響應快速有效，自

動恢復快速

能源 集中式: 化石能源 集中式 + 分布式 : 化石能源 + 可再生能源

能量流 單向:電網到客戶 雙向: 電網 戶

信息流 無或很有限 普及、雙向、寬帶

溫室氣體排放 高 低: 大量應用可再生能源

能源效率 低 高:取得更好供需平衡

絡安全性 無 可以抵禦網絡攻擊

用戶參與 無 更好的用戶認知與參與

31

SANET 的設計以應用爲中心，這意味著主

要設計要求是由具體應用决定。 當給定應

用需求時，SANET 的設計需要考慮和回答

以下問題：

爲了實現應用需求，所需要的主要功能是

什麽？

需要確定 SANET 所要檢測的物理特性，需

要控制的物理現象或産生的行爲，以及所

需的控制邏輯和通訊網絡。

要實現所需要的功能，需要哪些構件？

具體來說，需要哪些傳感器、傳動器、控

制器和通訊媒介、標準和協議。

圖 2-3 顯示了簡化的設計流程，用以確定所

需的構件以實現 SANET 的特定應用需求。

2.3.3 智能電網

在前面的章節中，我們介紹了智能電網相

比于傳統電網享有的各種優勢（傳統電網

與智能電網的比較見表 2-1）。發展智能電

網的三種重要推動力量包括：

改善電網的安全性和可靠性；

提高能源的利用效率；

减少溫室氣體排放量，實現可持續

發展。

可再生能源、現代電力電子技術和先進信

息技術是實現這些目標的重要依托。

2.3.4 能量流和信息流

圖 2-4 智能電網的概念參考模型

32

如圖 2-4 所示 ， NIST [1]提出的參考模型

將智能電網分爲七個領域：用戶 、市場 、

服務提供商、運營、大容量發電廠、輸電

和配電。不同領域之間通過 能量流和信息

流聯通。

2.3.4.1 能量流

智能電網中的主能量流是源于大容量發電

廠 ，流經輸電網和配電網，幷最終在用戶

側使用。這一主能量流已存在于傳統電網

中達數十年。在智能電網中，除了主能量

流之外，還有一種反方向的能量流，源自

用戶側的分布式發電設備幷流向配電網

絡。能量流可通過功率表、功率計等能量

測量設備來測量；同時，可以通過如開

關、斷路器等傳動器來控制。

從能量流的流動、監測和控制角度來說，

電網是一種同構網絡；但是從能量流的數

量和質量來說，電網的動態變化特性相當

明顯。 這種動態性源于能量供給和需求的

動態變化、用戶行爲以及環境的不斷變

化。 在智能電網中，不斷增加的可再生能

源將會使得動態變化特性更加顯著。

2.3.4.2 信息流

傳統電網中的信息流十分有限。相對于傳

統電網，智能電網最顯著的變化是構建了

一個全面的 SANET 基礎設施以承載智能電

網中所有信息。這些信息包括實時測量數

據、歷史數據、外部事件、控制决策等。

信息流通過多種通訊渠道在位于相同或不

同領域中的分布式構件之間進行傳遞。 通

訊渠道形成一個异構和分布式的通訊網

絡。分布式特性源于構件的非集中特性；

而异構則源于不同構件可能具備不同的通

信能力、遵循不同的通信協議幷使用不同

的媒介（有綫或者無綫）。

2.4 智能電網中的 SANET

圖 2-5 SANET 和 SG 的關係

從能量流和信息流的角度來看，智能電網

的本質可以被看作是利用信息流來實現對

能量流的管理和優化。這一過程需要綜合

利用 SANET 的多種能力，如對物理參數的

33

感知能力、感知數據的傳輸能力、計算决

策能力與對物理設備的控制能力。

圖 2-5 描述了 SANET 與智能電網的關係。

通過在智能電網中使用 SANET，能量流及

其配套基礎設施可以被分布式傳感器所感

知；傳感數據通過信息流傳送到控制器用

于决策；控制器做出控制决定幷通過信息

流發送控制命令；傳動器在收到的控制命

令後, 執行控制指令、完成控制任務。

2.5 SANET 在智能電網中的應用

前面我們介紹了發展智能電網的三大目標

是提高安全性和可靠性，提高能源利用效

率和减少溫室氣體排放。下面，我們將詳

細闡述智能電網的三個重要應用及 SANET

在其中的重要作用，以此來說明 SANET 如

何幫助實現智能電網的三大目標。

2.5.1 普及可再生能源

可再生能源被認爲可以降低溫室氣體和其

他污染物的排放。可再生能源可分爲非波

動性能源的和波動性能源。非波動性可再

生能源，如水電，已被廣泛應用于傳統電

網達幾十年。而波動性可再生能源包括風

能和太陽能等。由于其波動性，大量使用

波動性可再生能源會嚴重影響電網的穩定

性。

得益於 SANET 的採用，我們可以獲得準確

及時的環境信息，如風速、太陽照度等;基

于這些數據，我們可以預測可再生能源的

發電量，幷合理應用其他補償機制以應對

可再生能源的波動問題。相關的補償機制

包括：備用發電機及其自適應調度機制、

先進的能量儲存裝置、用戶側用電控制

等。更多關于傳感器網絡用于可再生能源

的信息可以參考本書的其他章節。

2.5.2 電網監測和控制

從電力網絡誕生至今，可靠性一直是最關

鍵的考量。2003 年美國大停電事故表明傳

統電網仍然是不可靠的。最近一份研究報

告更加顯示美國的電網正變得越來越不可

靠 [2] 。

電 網 監 測 和 控 制 Grid Monitoring and

Control, GMC 對于實現可靠、安全和高品

質的電力服務來說是必不可少的。由于

SANET 可以實現持續監測和有效控制，

SANET 在 GMC 中發揮着關鍵作用。

在 GMC 中，SANET 的核心職責包括預防

和糾正功能。具體來說，SANET 監察設備

的健康情况，預測和監測各種干擾，預防

潜在的故障，對能源生産和使用的波動和

灾難性事件做出迅速反應，幷在事故發生

後完成快速自動恢復以實現自愈。

34

幾十年來， SANET 已經被廣泛應用于

GMC，如已被廣泛採用的數據采集與監控

系 統 （ Supervisory Control And Data

Acquisition, SCADA），以及近來被提出的

相量測量單元（Phasor Measurement Unit，

PMU ） 和 廣 域 測 量 系 統 （ Wide-Area

Measurement System, WAMS）。PMU 和

WAMS 可以實現電能質量實時監測，幷在

某些情况下實現區域級或者更高級別的突

發事件自動響應。

2.5.3 發電調度和需求方管理

一個有效的電力網絡，要求在能源的供、

需之間實現很好的平衡。GD 和 DSM 分別

作爲管理供電和用電的有效機制，在實現

供需平衡中發揮重要作用。

發電調度（Generation dispatch，GD)是一種

監督和控制機制。它通過主動發電量管理

使總發電功率盡可能滿足總需求。 GD 已

經在傳統電網中廣泛採用幷扮演了重要角

色。然而，在智能電網中，由於大量分布

式能源、特別是用戶側的可再生能源的採

用，GD 必須應對額外的挑戰。可再生能源

預測（Renewable Forecasting, RF）和實時

電網頻率調整（Real-time Grid Frequency

Regulation , GFR)是可以有效應對智能電網

中可再生能源使用的機制。而這兩項機制

均需要 SANET 的參與。RF [3]需要實時采

集 分 布 式 能 源 （ Distributed Energy

Resources，DER）的相關信息幷匯集于控

制中心；控制中心經過快速分析後計算生

成發電調度决策以控制分布式發電設備。

GFR [4] 可以實現對頻率變化和電壓變化的

實時監測，以此優化發電調度。而這一功

能的實現是基于非常靈敏和反應迅速的硬

件設備以及高速的數據傳輸能力。

需求方管理（Demand Side Management,

DSM ） , 也 被 稱 爲 需 求 響 應 (Demand

Response, DR)，主要工作于用戶域，幷與

服務供應商、市場和運營域相交互 。 DSM

管理能源使用需求以應對能源供應的限

制。 通過自動負載管理，减少用電高峰的

電力負荷或將能源消耗從高峰時間轉移到

非高峰時間來减輕高峰期的電網壓力。

DSM 是 SANET 的一個重要應用，同時

DSM 對 SANET 提出了一些特殊的功能要

求，如實時負荷監測、電網與用戶間的雙

向數據交換、數據處理、以及需求方的負

載控制等。

2.6 智能電網中的 SANET 構件

正如在前面章節中所介紹的，SANET 由傳

感器、傳動器、控制器和通訊網絡構成。

下面，我們介紹在智能電網中常用到的

SANET 構件，並指出不同的智能電網應用

對控制器和通訊網絡提出的不同需求。

35

2.6.1 智能電網中的傳感器

圖 2-6 列出了在智能電網中常用的傳感器。

基于所測量物理參數的類型，傳感器可以

分爲三大類。圖 2-7 顯示了一些傳感器的例

子。

圖 2-6 智能電網中的傳感器

圖 2-7 智能電網中的傳感器例子

36

2.6.2 智能電網中的傳動器

圖 2-8 智能電網中的傳動器

圖 2-9 智能電網中的傳動器例子

37

圖 2-8 列出了智能電網中常用的傳動器。傳

動器也基于對應的物理參數或物理動作類

型分爲三大類。 圖 2-9 顯示了幾個傳動器

的例子。

2.6.3 智能電網中的控制器和控制邏輯

根據不同的應用需求，控制器可能是集

中、複雜、功能强大的控制中心；也可能

是簡單的分布式微控制器。通常情况下，

這兩種類型的控制器在單一的 SANET 應用

中協同工作以實現監測和控制功能。

爲了應對能源産生和使用的巨大波動，智

能電網中的 SANET 需要支持計算密集型的

控制邏輯，如模糊控制和人工智能（AI）

控制等。進行這類控制通常需要更强大的

控制器。

此外，智能電網中的 SANET 應用可能需要

大量控制器的協同工作，如 DSM 就需要大

量用戶的參與。這就要求盡可能降低每個

控制器的成本以便大規模部署。

2.6.4 智能電網中的通訊網絡

表 2-2 智能電網中不同應用對 SANET 的要求

SANET 應用

SANET 構件

普及可再生能源 GMC GD & DSM

傳感器 能量流

環境

能量流

環境

工作條件

能量流

工作條件

傳動器 能量流 能量流

工作條件

能量流

工作條件

用戶接口

控制器 分散和集中

動態水平：高

費用：中至高

分散和集中

動態水平：高

費用：中至高

分散和集中

動態水平：高

成本：低至中

通訊網絡 帶寬：中

延遲：中

帶寬：高

延遲：苛刻

帶寬：低

延遲：中

38

爲了支持智能電網的先進特性，與傳統電

網相比，SANET 不同構件之間的交互數據

不可避免地大幅增加。同時，不同的

SANET 應用通常對帶寬，傳輸延遲等有不

同的需求。在表 2-2 中，我們總結了三大智

能電網應用對 SANET 構件的不同需求。

2.7 智能電網中 SANET 的挑戰

接下來我們總結智能電網中 SANET 的主要

設計挑戰。

2.7.1 异構和分布式操作特性

正如在第二節所指出的，異構和分布式特

性是智能電網中信息流的兩個主要特性。

由于 SANET 依賴于信息流，而异構和分布

式特性會阻礙一個全互聯的高效信息流的

形成。因此，這兩個特性成爲智能電網中

SANET 的主要設計挑戰。

2.7.2 動態特性

動態性産生的原因包括：能源供應和需求

的變化、用戶行爲模式的變化、環境的變

化和其他隨機事件等。在智能電網中，可

再生能源，如風能和太陽能的使用，使得

這一問題變得更加棘手。

2.7.3 可擴展性

一個典型的智能電網應用可能覆蓋數百公

里，涉及監測和控制成百上千的裝置和設

備，可擴展性成爲 SANET 設計中的一個重

大挑戰。應對這一挑戰要求使用低複雜度

的協議和綫性複雜性的算法。

2.7.4 靈活性

智能電網仍在不斷發展中 [5]。新技術、新

政策和新用戶需求不斷涌現。SANET 必須

具有足夠的靈活性以適應不斷變化的需求

和各種影響因素。

2.7.5 能源效率和成本效益

智能電網的其中一個驅動力量是提高電網

效率，因此 SANET 本身必須是節能的。此

外，爲降低部署的難度 SANET 必須具有成

本優勢。

2.8 創新的機制

在第三節中，我們明確了智能電網中

SANET 所面臨的主要挑戰。在本節中，我

們提出一些機制來應對這些挑戰。所提出

的機制和所應對的挑戰列于表 2-3。

39

表 2-3 應對各種挑戰的機制和辦法

機制 挑戰 普適面向服務網絡 上下文感知智能控制 壓縮傳感 設備技術

異構和分布式操作特性 X

動態性 X

可擴展性 X X

靈活性 X X X

能源效率和成本效益 X X

2.8.1 普適面向服務網絡

圖 2-10 PERSON 的三層架構

普適面向服務網絡（ Pervasive Service-

Oriented Network, PERSON）是一個通用的

框架以無縫集成不同的構件和網絡，使其

成爲一個以面向服務的普適網絡。PERSON

用于應對异構性和分布式操作帶來的挑

戰，幷爲開發各種 SANET 應用提供極大的

便利。

PERSON 具有如圖 2-10 所示的三層結構。

PERSON 的基本原則是將大系統的複雜性

分解到不同層，並降低不同層之間的耦合

度。下面我們逐個介紹三個層。

2.8.2 異構網絡平台（Heterogeneous

Network Platform，HNP）

異 構 網 絡 平 台 （ HeterogeneousNetwork

Platform, HNP）的目標是建立一個統一的

信息流基礎設施。HNP對上層提供簡單的

API用以進行信息交換。上層幷不需要關心

信息如何傳遞；底層的通訊協議和媒介對

于上層是透明的。HNP的具體實現可以參

考[6]。

2.8.3 面向服務的網絡（Service-Oriented

Network，SON）

面向服務的網絡（Service-OrientedNetwork,

SON）通過將構件功能抽象爲服務來實現

40

互操作性、模塊化和可重用性。爲了實現

SON，用于服務創建、注册、發現和使用

的機制是必需的；同時需要定義一套

SANET應用所需的通用服務。

2.8.4 SANET 應用

在這一層，由 SON 所提供的服務被用來實

現特定的 SANET 應用。由 SON 提供的互

操作性和服務可重用性爲實現不同類型的

應用帶來了很大便利。

2.9 上下文感知智能控制

基于上下文感知的智能控制(Context-Aware

Intelligent Control)是針對動態特性的挑戰而

提出的。其基本思路是開發前攝式的基于

環境感知的控制邏輯來優化動態環境下的

系統性能。這裏的所提到的環境有非常廣

泛的含義，它包括但不僅限于：

o 環境參數，如溫度和濕度;

o 能量流參數，如電力供應和需求水平;

o 用戶行爲，如位置、環境偏好;

o 經濟誘因，如分時電價;

o 控制方法，如 DSM 等。

一個簡單的環境感知的例子是基于運動檢

測的燈光控制，這裏的環境即爲房間裡是

否有人活動。這一環境感知的結果將用來

决定燈光的開關。

基于上下文感知的智能控制算法將利用

PERSON 提供的服務，來優化 SANET 的整

體性能。更多的關于 PERSON 和上下文感

知智能控制的細節可以在[7]中找到。

2.10 壓縮傳感

壓縮傳感(Compressive Sensing, CS)的提出

是爲了增强可擴展性，提高能源效率和降

低成本。CS 的基本思想是利用數據在時間

域和空間域的相關性，盡可能降低硬件和

通信成本。

41

圖 2-11 壓縮傳感技術在風力發電機的管理

圖 2-11 描述了一個由多個位于用戶側的

風力發電設備組成的分布式風力發電系

統。風力發電機所産生的能量多少高度

依賴于風速。爲了獲得準確的分布式發

電設備信息以實現更好的發電調度，風

速需要被實時測量並將測量結果及時上

報給控制中心。實現此功能，一種方法

是在所有的風力發電設備上安裝風速測

量裝置，但這不僅在硬件上比較昂貴，

同時也需要進行大量的數據傳遞，增加

了運行負擔。考慮到鄰近地區的風力條

件是相似的，我們可以利用壓縮傳感這

一技術减少傳感器的數量，以此减少硬

件安裝和數據傳輸上的開銷。

在 CS 中采用的主要方法包括

1) 連續采樣，以確保數據可靠性幷保

證對相關性的完整理解;

2) 選擇性傳輸，以降低延遲和相關的

傳輸成本;

3) 基于稀疏數據實現完整重建

CS 的更多細節，可以參考[8]。

42

2.11 設備技術

先進的設備技術可以幫助提高能源效率

和成本效益，可以增强在智能電網上使

用 SANET 的擴展性和靈活性。

2.11.1 低功耗設計和能量收集技術

SANET 本身不可避免地要消耗能量。

爲了降低能耗低功耗設計是必需的。此

外，能量收集技術也要盡可能被采用。

功能 節能機制

傳感 壓縮傳感，利用時間域和空間

域的相關性減少冗餘

基于需求的傳感，避免不必要

的傳感

控制 基于事件的控制算法，避免控

制器空耗

計算 低複雜度算法

數據

傳輸

壓縮傳感

用分布式數據處理和控制替代

集中控制

數據壓縮和數據匯總

低功耗數據傳輸技術

表 2-4 節能機制

SANET 中所有的主要功能，如傳感、

控制、計算和傳輸都消耗能量。在表 2-

4 中，我們列出了用以降低功耗的可能

手段。針對某個功能的低功耗機制可能

會給其他功能帶來影響。例如，數據壓

縮和數據匯總可以减少數據的傳輸功

耗，但是同時增加數據重建的功耗。因

此，節能降耗需要從系統的角度出發進

行整體優化。

能量收集是一個從外部獲取能量幷加以

存儲、利用的過程。可用于智能電網中

SANET 的主要能量收集機制列于表 2-

5。

能源類型 能量收集設備（能量源）

環境輻射 太陽能電池板（太陽能）

天綫和變換器（射頻能

量）

動能 壓電裝置（機械應力、運

動、振動、噪音）

微型風力渦輪（風能）

熱能 熱電發電機（熱梯度）

表 2-5 能量收集技術

43

2.11.2 模塊化和緊凑設計

模塊化設計可以提高模塊的可重用性，减

少了硬件的設計成本和開發成本。緊凑型

設計可以降低 SANET 構件的生產成本，提

高其靈活性以應用于不同的應用。圖 2-12

顯示了一個適用于多種 SANET 應用的緊凑

型無綫環境傳感器。

圖 2-12 緊凑型無綫環境傳感器

2.12 用戶側能源管理系統

智能電網中 SANET 的案例研究

在這一節中，我們將介紹用戶側能源管理

系 統 ， 幷 以 此 爲 案 例 證 明 所 提 出 的

PERSON 框架和其他機制的有效性。

EMS 用于對發電、輸電、配電和用電的監

視、控制和優化。EMS 在智能電網中扮演

重要的角色。圖 2-13 中給出了 EMS 的系統

架構。它是由一個位于用戶側的异構家庭

局 域 網 絡 （ Heterogeneous Home Area

Network，HHAN）和位于服務提供商一側

的數據和服務中心（Data and Service Center,

DSC）組成。

44

圖 2-13 EMS 系統架構

圖 2-14 EMS 的原型

45

作為 EMS 的構件，我們開發了基于 ZigBee

協議的家庭傳感器網絡（ Home Sensor

Network，HSN）和 ZigBee-Internet 家庭網

關和控制中心（Home Gateway and Control

Center，HGCC）。HSN 和 HGCC 一起組成

了 HHAN。圖 2-14 顯示了相關設備原型。

整個 EMS 是基于 PERSON 架構和其他先進

的設備技術；同時，上下文感知智能控制

算法和 CS 機制在 HGCC 上實現。整個系

統的有效性已經在 DSM 應用中得以驗證，

更多細節可以參考 [7] 。

楊光華博士於香港電子展（2010 秋季）展示

“能源管理系統‖

2.13 結論

在這一章中，我們研究了智能電網中的傳

感傳動網絡。通過分析和討論，我們說明

了爲什麽 SANET 對于智能電網是不可或缺

的，以及 SANET 如何服務于智能電網。我

們重點突出了 SANET 的設計挑戰，幷提出

了一些創新的機制來應對這些挑戰。這些

所提出的新機制和新方法代表了我們在推

動智能電網研究和發展上所做出的貢獻。

46

2.14 參考文獻

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and Roadmap for Smart Grid

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2009.

7. G.-H. Yang, V. O.K. Li, Energy Management System and Pervasive

Service-Oriented Networks, 1st IEEE

International Conference on Smart

Grid Communication