ระบบอัตโนมัติที่อนุญาตให้สถานีย่อยสามารถทำงานได้อย่างอัตโนมัติ เมื่อมีเหตุการณ์ไม่ปกติเกิดขึ้นในสถานีย่อย รวมทั้งสามารถส่งข้อมูลให้ระบบอื่น ๆ เพื่อประกอบพิจารณาในการวางแผนจ่ายไฟฟ้าและบำรุงรักษา
ระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่ายในสถานีย่อยอัตโนมัติบน IEC61850
พิชิต จินตโกศลวิทย์
pichitor@yahoo.com
สถานีย่อยอัตโนมัติ (SA: Substation Automation) คือ ระบบอัตโนมัติที่อนุญาตให้สถานีย่อยสามารถทำงานได้อย่างอัตโนมัติ เมื่อมีเหตุการณ์ไม่ปกติเกิดขึ้นในสถานีย่อย รวมทั้งสามารถส่งข้อมูลให้ระบบอื่น ๆ เพื่อประกอบพิจารณาในการวางแผนจ่ายไฟฟ้าและบำรุงรักษา ดังนั้นการที่จะทำให้ระบบทำงานได้อย่างอัตโนมัติ และปรับปรุงข้อมูลต่าง ๆ ให้ทันสมัยที่สุดนั้น จะต้องมีการแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างระบบย่อยหรืออุปกรณ์ต่าง ๆ ที่อาจใช้วิธีการสื่อสารข้อมูลหลากหลายชนิด เช่น ระบบ SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), RTU (Remote Terminal Unit), ระบบควบคุมและป้องกัน อันอาจหมายถึงรีเลย์ป้องกัน หรือ BCU (Bay Control Unit) ทำงานร่วมกันเป็นหนึ่งโดยอาศัยเทคโนโลยีการสื่อสารเพื่อแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างกัน
การถือกำเนิดของมาตรฐาน IEC61850 เพื่อกำหนดวิธีการสื่อสารในสถานีย่อยนั้นมีแนวโน้มที่ดีเนื่องจากมีผู้ผลิตรายใหญ่ที่เกี่ยวกับระบบงานในสถานีย่อยสนับสนุน ไม่ว่าจะเป็น Siemens, ABB, Alstom Grid, GE หรือ Schneider Electric โดยเทคโนโลยีสื่อสารหลักที่ใช้ในปัจจุบันของ IEC61850 คือ การประยุกต์ใช้การสื่อสารแบบอีเทอร์เน็ต (Ethernet) และ TCP/IP (Tranmission Control Protocol/Internet Protocol) โดยเน้นไปที่ความเร็วและคุณภาพการให้บริการ (QoS: Quality of Service) แต่อันที่จริง IEC61850 สามารถทำงานกับเทคโนโลยีอื่น ๆ ได้เช่นกัน
หนึ่งในคุณสมบัติที่ IEC61850 ประยุกต์ใช้ คือ การทำให้การส่งข้อมูลเป็นเรียลไทม์ โดยการใช้วิธีการจัดระดับความสำคัญของเมสเซจข้อมูล ระบบงาน หรือ วงจรควบคุมป้องกันที่เชื่อมต่อระหว่างกันโดยใช้สายทองแดง หรือ ฮาร์ดไวร์ หรือ ใช้การสื่อสารข้อมูลโดยมีวิธีการจำเพาะ ก็สามารถเปลี่ยนมาใช้มาตรฐาน IEC61850 แทน เช่น การประยุกต์ใช้เมสเซจ GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) ที่มีความเร็วในการส่งข้อมูลสูง โดยมาตรฐานได้กำหนดไว้ว่าเมสเซจดังกล่าวควรจะถูกส่งถึงปลายทางภายในเวลา 4 มิลลิวินาที เพื่อจะสามารถรองรับกับฟังก์ชั่นสำคัญทั้งหมดในสถานีย่อยได้ ดังนั้นจึงควรตระหนักถึงการบำรุงรักษาตรวจสอบให้ระบบสถานีย่อยอัตโนมัติสามารถทำงานได้ปกติเสมอ
เพื่อปรับปรุงประสิทธิผลการจำหน่ายไฟฟ้า และลดค่าใช้จ่ายในการดำเนินการ หลายการไฟฟ้ามีความจำเป็นต้องนำหลักการสถานีย่อยที่ไม่มีเจ้าหน้าที่ประจำ หรือ อันแมนซับสเตชั่น (Unmanned Substation) และ IEC61850 มาประยุกต์ใช้ในสถานีย่อย อย่างไรก็ตาม บางสถานการณ์ในสถานีย่อย ถ้าระบบสถานีย่อยอัตโนมัติไม่มีระบบคอยตรวจสอบการทำงานของ IED (Intelligent Electronic Device) และ เครือข่าย ซึ่ง IED หมายถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิดที่สื่อสารข้อมูลได้ในระบบสถานีย่อยอัตโนมัติรวมไปถึงอีเทอร์สวิตช์ ในกรณีที่ไม่มีระบบเฝ้าระวังดังกล่าว ศูนย์ SCADA ก็อาจไม่รับทราบข้อมูลบางอย่าง เช่น เกิดมีการเสื่อมถอยของประสิทธิภาพในการสื่อสารของอุปกรณ์เครือข่าย, IED หรือ แม้กระทั้งมีการทำงานล้มเหลวเกิดขึ้น โดยเฉพาะกรณีที่ระบบสถานีย่อยอัตโนมัติลิงก์สื่อสาร หรืออุปกรณ์สำรองในระบบศูนย์ SCADA จะรู้อีกทีว่ามีเหตุการณ์เหล่านี้เกิดขึ้นก็ต่อเมื่อการทำงานผิดพลาดเกิดขึ้น หรือระบบทำงานล้มเหลวชัดเจน ไม่ว่าจะเป็นการทำงานล้มเหลวบางส่วน หรือเป็นทั้งระบบเพื่อลดผลกระทบจากเหตุการณ์ไม่ปกติดังกล่าว ระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่าย จึงได้ถูกออกแบบ และพัฒนาบนเงื่อนไขที่ใช้งบประมาณที่เหมาะสม
รูปที่ 1 รูปแบบของระบบมอนิเตอร์ IED และ เครือข่าย
ระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่าย
ระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่าย อันที่จริงคือ ซอฟต์แวร์ที่ติดตั้งบนคอมพิวเตอร์ทั่วไป โดยที่คอมพิวเตอร์นั้นจะถูกติดตั้งที่สถานีย่อยและศูนย์บำรุงรักษาระบบไฟฟ้า ระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่าย ประยุกต์ใช้คุณสมบัติของโปรโตคอลสื่อสาร เพื่อดึงข้อมูล ตรวจสอบ และวิเคราะห์ว่าอุปกรณ์ หรือระบบเครือข่ายสื่อสารทำงานเป็นปกติหรือไม่ รูปที่ 1 แสดงรูปคอนฟิกูเรชั่นพื้นฐานของระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่าย การทำงานทั่วไปของระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่าย คือการเฝ้าระวังอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะเกี่ยวกับสถานะการทำงานของ IED และอุปกรณ์เครือข่าย รวมทั้งทำการแจ้งสัญญาณเตือนไปยังผู้ที่เกี่ยวข้องถ้าระบบประเมินสถานการณ์แล้วว่าอาจมีผลกระทบต่อการทำงานของสถานีย่อยอัตโนมัติ
อันที่จริงระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่ายนั้นประกอบด้วย 3 ส่วนหลักนั่นคือ คอมพิวเตอร์ ระบบสื่อสาร และซอฟต์แวร์ประยุกต์ที่สนับสนุนหลายโปรโตคอลสื่อสารและอุตสาหกรรม
1. คอมพิวเตอร์ ในระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่ายจะประกอบด้วยคอมพิวเตอร์อยู่สองประเภท คอมพิวเตอร์ประเภทแรกคือ คอมพิวเตอร์ที่ศูนย์บำรุงรักษาระบบไฟฟ้าซึ่งจะเป็นคอมพิวเตอร์กลางคอยเฝ้าระวังตรวจสอบอุปกรณ์เครือข่าย อุปกรณ์ IED ของทุก ๆ สถานีย่อยผ่านคอมพิวเตอร์ประจำสถานีย่อย คอมพิวเตอร์กลางจะมีการติดตั้งซอฟต์แวร์ที่เรียกว่า INMS Manager (IED and Network Monitoring System) สำหรับรวบรวมข้อมูลจากคอมพิวเตอร์ที่ประมวลผลในแต่ละสถานีย่อย โดยใช้สายใยแก้วนำแสงเป็นสื่อสัญญาณหลัก เนื่องจากโดยทั่วไปการไฟฟ้าจะมีโครงข่ายสายใยแก้วนำแสงเป็นโครงสร้างพื้นฐานขององค์กรอยู่แล้ว อย่างไรก็ตามระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่ายจะใช้จำนวนคอร์ของสายใยแก้วนำแสงให้คุ้มค่าที่สุดโดยการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีแบบอีเทอร์เน็ต และโปรโตคอล TCP/IP เพื่อให้การส่งข้อมูลในแต่ละสถานีสามารถใช้สายใยแก้วนำแสงร่วมกันได้ อีกทั้งเทคโนโลยีอีเทอร์เนต และ TCP/IP นั้นเป็นที่เทคโนโลยีที่ได้รับการพิสูจน์และใช้กันแพร่หลาย ราคาอุปกรณ์ก็ไม่แพง และยังอนุญาตให้เทคโนโลยีอื่นใช้งานร่วมกันได้ แต่ต้องมีการติดตั้งอุปกรณ์ประเภทมีเดียคอนเวอร์เตอร์ (Media Converter) สำหรับเปลี่ยนสายสัญญาณสายทองให้เป็นสายสัญญาณใยแก้วนำแสง นั่นหมายความว่าคอมพิวเตอร์สามารถใช้สาย UTP (Unshieded Twisted Pair) ได้โดยตรงโดยไม่มีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมมาก
คอมพิวเตอร์ประเภทที่สอง คือคอมพิวเตอร์สถานีย่อย อันที่จริงก็คือ คอมพิวเตอร์ทั่วไปเช่นเดียวกับคอมพิวเตอร์กลาง แต่ติดตั้งซอฟต์แวร์ที่มีชื่อว่า INMS Agent คอมพิวเตอร์สถานีย่อยจะมีความสามารถสื่อสาร และตรวจสอบ IED และอีเทอร์เน็ตสวิตช์ของระบบสถานีย่อยอัตโนมัติ ข้อมูลที่ ได้จาก IED และอีเทอร์เน็ตสวิตช์จะถูกนำมาวิเคราะห์ และส่งผลลัพธ์ไปให้คอมพิวเตอร์กลางที่ศูนย์บำรุงรักษาระบบไฟฟ้า หรือส่งผลให้สเตชั่นเซิร์ฟเวอร์ (Station Server) ของระบบสถานีย่อยอัตโนมัติ เพื่อส่งต่อให้ระบบ SCADA หรือส่งอะลาร์มโดยตรงไปให้พนักงานบำรุงรักษาโดยข้อความ SMS หรืออีเมล์ เมื่อมีเหตุการณ์ผิดปกติเกิดขึ้น
2. การสื่อสารในระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่าย
ระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่าย นั้นสนับสนุนโปรโตคอลหลากหลายชนิด เพื่อที่จะสามารถมอนิเตอร์ IED และอีเทอร์เน็ตได้หลากหลายวิธีการ ดังนั้นระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่ายจึงมีความจำเป็นต้องมีจุดเชื่อมต่อเข้ากับระบบสถานีย่อยอัตโนมัติ หรือแม้กระทั่งเพื่อตรวจสอบสถานะของระบบตัวระบบเองด้วย โดยปกติแล้วสำหรับระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่ายสามารถจำแนกการสื่อสารได้สองประเภทดังต่อไปนี้
2.1 การสื่อสารภายในระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่าย
การสื่อสารภายในนั้นหมายถึง ทุก ๆ การสื่อสารภายในตัวระบบยกเว้นการสื่อสารโดยตรงกับอุปกรณ์ทุกประเภทของระบบสถานีย่อยอัตโนมัติ โดยคอมพิวเตอร์ที่ติดตั้ง INMS Agent นั้นมีความสำคัญมากในการสื่อสารประเภทนี้ อันเนื่องจากต้องมีส่วนเกี่ยวข้องทุกหน้าที่ รวมทั้งหน้าที่ในการสื่อสาร ดังนั้นคอมพิวเตอร์ของระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่ายต้องการพอร์ตในการสื่อสารภายในดังต่อไปนี้
* พอร์ตอีเทอร์เน็ต 10/100 Mbps
พอร์ตนี้ถูกใช้สำหรับสื่อสารระหว่างซอฟต์แวร์ INMS Manager และ INMS Agent เพื่อมอนิเตอร์ IED และอีเทอร์เน็ตสวิตช์ของระบบสถานีย่อยอัตโนมัติในระดับแอพพลิเคชั่นและยูสเซอร์ (Application และ User Level) สำหรับชนิดโปรโตคอลที่เลือกใช้คือ Modbus/TCP เนื่องจากผู้ออกแบบต้องการให้ระบบอื่นสามารถเข้าถึงระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่ายได้โดยง่าย อีกประการหนึ่ง ถ้าระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่ายสามารถติดต่อกับเมลเซิร์ฟเวอร์ขององค์กรโดยโปรโตคอล SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) ระบบก็จะสามารถส่งเมลแจ้งเตือนไปยังพนักงานบำรุงรักษาได้อีกด้วย
* พอร์ต RS-232
พอร์ตนี้เป็นพอร์ตสื่อสารแบบอนุกรมที่ถูกใช้สำหรับส่งเมสเซจ SMS (Short Messaging Service) เพื่อแจ้งเตือนพนักงานบำรุงรักษาผ่านโมเด็ม GSM (Global System for Mobile Communication) สำหรับ INMS Manager แล้วอะลาร์มเกี่ยวกับการทำงานล้มเหลวของแต่ละ INMS Agent จะถูกแจ้งโดยพอร์ตนี้ด้วย สำหรับ INMS Agent ข้อมูลที่วิเคราะห์และพบว่ามีความไม่ปกติจะถูกส่งโดยพอร์ตนี้เช่นกัน เพื่อป้องกันการผิดพลาดของผู้ตรวจสอบที่ศูนย์บำรุงรักษา
2.2 การสื่อสารระหว่างระบบสถานีย่อยอัตโนมัติ และระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่าย
INMS Agent นั้นมีหน้าที่หลักอย่างหนึ่งคือ ติดต่อสื่อสารกับ IED ในระบบสถานีย่อยอัตโนมัติ แต่เนื่องจากระบบสถานีย่อยอัตโนมัตินั้นใช้เทคโนโลยีอีเทอร์เน็ต และ TCP/IP ดังนั้นคอมพิวเตอร์สถานีก็ต้องการพอร์ตอีเทอร์เน็ตอย่างน้อยหนึ่งพอร์ตสำหรับเชื่อมต่อเข้ากับระบบเครือข่ายของระบบสถานีย่อยอัตโนมัติ หลังจากนั้นก็ใช้โปรโตคอลต่าง ๆ ตรวจสอบอุปกรณ์ IED และเครือข่าย
รูปที่ 2 รูปแบบ GUI ของ INMS Manager
3. ซอฟต์แวร์สำหรับระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่าย
สำหรับระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่ายจะมีโปรแกรมประยุกต์ หรือซอฟต์แวร์อยู่สองประเภทหลักนั้น คือINMS Manager และ INMS Agent ซึ่งได้ถูกพัฒนาบนระบบปฏิบัติการไมโครซอฟต์วินโดวส์ อันเนื่องจากสามารถพัฒนาได้ง่ายสุดเนื่องจากมีตัวอย่างโปรแกรมและการสนับสนุนสูงสุดบนอินเตอร์เน็ต
3.1 INMS Manager
ซอฟต์แวร์ INMS Manager จะถูกติดตั้งบนคอมพิวเตอร์ที่ศูนย์บำรุงรักษาระบบไฟฟ้าโดยจะรับข้อมูลต่าง ๆ มาจากซอฟต์แวร์ INMS Agents อีกต่อหนึ่ง INMS Manager สามารถพัฒนาได้เองด้วยโปรแกรมไมโครวิชวลสตูดิโอ และ INMS Manager สามารถสื่อสารกับหลาย INMS Agent ในเวลาเดียวกัน ผู้ใช้งานยังสามารถตั้งค่าเวลาในการส่งข้อมูล หรือโพลลิ่ง จำนวนรอบในการพิจารณาว่า INMS Agent ผิดปกติหรือไม่ รวมทั้งพารามิเตอร์ที่เกี่ยวกับ TCP/IP เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพในการทำงานดีที่สุด อีกประการหนึ่งก็คือ รูปแบบของ GUI (Graphical User Interface) นั้นได้ถูกออกแบบมาให้ใช้งานได้ง่ายดังรูปที่ 2 รูปแบบการแสดงผลหลักจะประกอบด้วยแถวสัญลักษณ์สี่เหลี่ยมที่มีรายชื่อสถานีย่อยกำกับ ผู้ใช้งานสามารถเข้าไปดูรายละเอียดเกี่ยวกับอะลาร์มในแต่ละสถานีย่อยโดยการคลิกที่สัญลักษณ์ตัวแทนสถานีย่อยที่ต้องการ ยิ่งกว่านั้นยังมีการแจ้งเตือนด้วยระบบสีต่าง ๆ พร้อมการกระพริบเตือน เสียง อีเมล SMS ถ้ามีเหตุการณ์ผิดปกติเกิดขึ้น
รูปที่ 3 รูปแบบ GUI ของ INMS Agent
3.2 INMS Agent
ซอฟต์แวร์ INMS Agent ถูกพัฒนาด้วยโปรแกรม Borland C++builder เนื่องจากภาษา C++ ง่ายในการจัดการข้อมูลระดับบิต ตัว INMS Agent นั้นสามารถเข้าถึงข้อมูลเกี่ยวกับการสื่อสารของอุปกรณ์ IED ในระบบสถานีย่อยอัตโนมัติด้วยโปรโตคอล SNMP (Simple Network Management Protocol) และยังสามารถตรวจสอบสถานะการทำงานของอุปกรณ์โดยการเปรียบเทียบค่าสถิติของเวลาการตอบสนองของแต่ละ IED ด้วยโปรโตคอล ICMP (Internet Control Message Protocol) INMS Agent ยังสามารถส่งผลการวิเคราะห์ไปยังระบบสถานีย่อยอัตโนมัติโดยใช้โปรโตคอล Modbus/TCP หรือเมสเซจ GOOSE ได้ แต่ก็ขึ้นกับความสามารถของระบบสถานีย่อยอัตโนมัติที่จัดซื้อ INMS Agent ยังมี GUI ขนาดเล็กสำหรับการทำวิเคราะห์โดยพนักงานบำรุงรักษาดังรูปที่ 3 อีกประการหนึ่ง INMS Agent สามารถส่งอะลาร์มแจ้งเตือนให้พนักงานบำรุงรักษาผ่านอีเมล์ และ SMS เมื่อมีเหตุการณ์ผิดปกติได้เช่นกัน
เทคนิคการพัฒนาระบบมอนิเตอร์ IED และ เครือข่าย
ในบทความนี้จะกล่าวเทคนิคในการพัฒนาระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่าย โดยจะมุ่งเน้นไปที่ส่วนของการสื่อสารข้อมูลเป็นหลัก ซึ่งอาจถือว่าเป็นส่วนที่ยากสำหรับวิศวกรไฟฟ้าที่ทำงานเกี่ยวกับระบบสถานีย่อยอัตโนมัติ โดยเทคนิคที่จะนำเสนอนั้นเป็นวิธีที่สามารถนำไปประยุกต์ได้โดยตนเอง ดังต่อไปนี้
1. การสื่อสารระหว่าง INMS Manager กับ INMS Agents
การสื่อสารดังกล่าวถูกออกแบบให้ใช้โปรโตคอล Modbus/TCP แต่เพื่อที่จะลดเวลาในการประมวลผลในตัว INMS Manager นั้น INMS Manager จะต้องทำหน้าที่เป็น Modbus Slave ด้วย และทำการรับข้อมูลต่าง ๆ โดยการไม่ต้องโพลลิ่งที่มีจำนวนรอบที่แคบไปยัง INMS Agent INMS Manager ยังสามารถตรวจสถานะการทำงานของ INMS Agent โดยการตรวจสอบว่ามีเมสเซจมาจาก INMS Agent ทุกช่วงเวลาที่กำหนดหรือไม่ สำหรับ INMS Agent จะใช้ฟังก์ชั่นที่ 15 และ 16 (Force Multiple Coils and Preset Multiple Registers) ของโปรโตคอล Modbus/TCP เพื่อส่งข้อมูลให้ INMS Manager โดยไม่ต้องรอการโพลลิ่งจาก INMS Manager
2. การสื่อสารระหว่าง INMS Manager/Agent และโทรศัพท์เคลื่อนที่เพื่อส่งอะลาร์ม
แต่ละพนักงานบำรุงรักษานั้นมีโทรศัพท์เคลื่อนที่เป็นของตนเองอยู่แล้ว ดังนั้นระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่ายสามารถแจ้งอะลาร์มไปยังพนักงานบำรุงรักษาได้โดยตรง เพื่อให้พนักงานดังกล่าวเข้าทำการตรวจสอบและแก้ไขปัญหา ดังนั้นส่งผลให้ระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่ายต้องการคอมพิวเตอร์ที่พอร์ต RS-232 เพื่อที่จะเชื่อมต่อกับโมเด็ม GSM และทำการส่งคำสั่ง AT Commands (AT+ZSNT, AT+CMGF, AT+CMGS and AT+CMSS) ไปยังโมเด็ม GSM เพื่อส่งเมสเซจ SMS เมื่อมีอะลาร์มเกิดขึ้น แต่เนื่องจากอะลาร์มตัวเดียวกันอาจเกิดซ้ำไปมา หรือที่เรียกว่าเกิดการออสซิเลต (Oscilate) ซึ่งส่งผลให้มีการสร้างเมสเซจ SMS จำนวนมาก ดังนั้นระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่ายควรจะส่งอะลาร์มที่ถือว่าเป็นตัวเดียวกันเพียงหนึ่งครั้งเท่านั้นต่อช่วงระยะเวลาที่เหมาะสม เช่น ช่วงเวลา 12 ชั่วโมง อาจมีคำถามว่าทำไมไม่ใช้โมเด็ม GSM แบบ USB (Universal Serial Bus) คำตอบก็คือโมเด็ม GSM แบบ RS232 มีความเสถียรกว่า เนื่องจากไม่ต้องการไดรเวอร์ใด ๆ ในการทำงาน
3.การสื่อสารระหว่าง INMS Agent และ IED/อีเทอร์เน็ตสวิตช์ สำหรับรวบรวมข้อมูล
ระบบสถานีย่อยอัตโนมัติ และโปรแกรมวิเคราะห์ด้วย SNMP อาจจะแยกกัน หรือไม่ก็ไม่สามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างกันได้ ดังนั้นศูนย์สั่งการ หรือ SCADA ที่รับข้อมูลจากระบบสถานีย่อยอัตโนมัติ อาจจะไม่ทราบว่ามีเหตุการณ์สำคัญเกี่ยวกับการสื่อสารเกิดขึ้นใน IED หรือ อีเทอร์สวิตช์ ยกตัวอย่างเช่น ในกรณีที่ระบบเครือข่ายมีการทำรีดันแดนซี่ ถ้ามีลิงก์หนึ่งเกิดชำรุด หรือล้มเหลว ระบบสถานีย่อยอัตโนมัติก็ยังทำงานเสมือนเป็นปกติอันเนื่องจากมีลิงก์สำรองทำงานแทนทันที แต่อย่างไรก็ตาม ถ้าพนักงานบำรุงรักษาไม่ทราบว่ามีบางส่วนได้เกิดชำรุด และปล่อยให้ระบบสถานีย่อยอัตโนมัติทำงานไปโดยไม่มีการแก้ไขใด ๆ จนกระทั่งลิงก์สำรองที่ทำงานแทนนั้นได้เกิดการทำงานล้มเหลวเช่นกันแล้ว ปัญหาใหญ่อาจเกิดขึ้นได้ เช่น เกิดกรณีที่ฟังก์ชั่นป้องกันไม่สามารถทำงานได้สมบูรณ์ หรือ แม้กระทั่งต้องใช้เวลาในการแก้ไขปัญหายาวนานขึ้นอันเนื่องจากขาดอะไหล่ซึ่งต้องทำการจัดซื้อ ซึ่งอาจส่งผลทำให้สถานีย่อยนั้นไม่สามารถจ่ายไฟฟ้าได้ปกติ อีกอย่างโดยปกติแล้ว อีเทอร์เน็ตสวิตช์ที่มีคุณภาพรวมทั้งอุปกรณ์ IED นั้นมีเฟิร์มแวร์ประเภท SNMP Agent ภายในตัวเอง ดังนั้นระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่ายจะสามารถเข้าถึงข้อมูลที่มีประโยชน์ของแต่ละอุปกรณ์ได้โดย SNMP หลังจากจากนั้นก็จะทำการวิเคราะห์ข้อมูลและส่งผลการวิเคราะห์ให้พนักงานบำรุงรักษาหรือศูนย์ SCADA ต่อไป ถ้าจะกล่าวเกี่ยวกับมีข้อมูลใดบ้างที่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ ในทางปฏิบัติสามารถทำการเลือกข้อมูลได้จากไฟล์ MIB (Management Information Base) ของแต่ละอุปกรณ์ที่ถูกมอนิเตอร์ และในการทางปฏิบัติเพื่อพัฒนาระบบนั้นมี 2 เทคนิคที่ค่อนข้างง่ายในการดึงข้อมูลจากอุปกรณ์ที่สนับสนุน SNMP ดังต่อไปนี้
3.1 การใช้ SNMPWalk
SNMPWalk เป็นโปรแกรมฟรีที่หาได้บนอินเตอร์เน็ต ตัวโปรแกรม SNMPWalk นั้นสนับสนุนมาตรฐาน SMNP เกือบทุกฟังก์ชั่น ดังนั้นเราสามารถใช้ SNMPWalk ดึงข้อมูลที่เกี่ยวกับการสื่อสารจากอุปกรณ์ที่สนับสนุนมาตรฐาน SNMP อันที่จริงข้อมูลที่ได้อาจจะมีมากกว่าข้อมูลที่เกี่ยวกับการสื่อสารและสถานะอุปกรณ์ ซึ่งอาจจะมีข้อมูลอื่น ๆ ขึ้นอยู่กับผู้ผลิตอุปกรณ์นั้นจะใส่อะไรลงไปในฐานข้อมูลและผู้ใช้สามารถนำมาพิจารณาใช้งานได้ สิ่งที่สำคัญที่ในการใช้ SNMPWalk นั่นคือ การรวมฟังก์ชั่น SNMPWalk เข้ากับ INMS Agent ซึ่งมีหลายวิธี แต่ในบทความนี้ใช้วิธีการ CLI (Command-line Interface) ซึ่ง SNMPWalk นั้นสนับสนุนฟังก์ชั่น CLI จะอนุญาตให้สามารถเรียกใช้ SNMPWalk ภายใน INMS Agent ได้โดยยังสามารถใส่พารามิเตอร์การทำงานที่ต้องการเพื่อกำหนดตัวอุปกรณ์ที่ต้องการดึงข้อมูลรวมทั้งช่วงของข้อมูลที่ต้องการ เนื่องจากข้อมูลที่อยู่ใน MIB นั้นบางอุปกรณ์นั้นมีขนาดใหญ่มาก ดังรูปที่ 4 หลังจากที่เรียกใช้ SNMPWalk แล้วโปรแกรม SNMPWalk จะสร้างไฟล์ที่เป็นผลจากการรันคำสั่งในรูปแบบ CSV (Comma Separated Values) ดังนั้น INMS Agent จะสามารถเลือกข้อมูลที่ต้องการจากไฟล์ดังกล่าวโดยใช้หมายเลข OID (Object Identifier) ในการแยกแยะ อย่างไรก็ตามเทคนิคนี้ต้องอาศัยการอ่าน และเขียนบนฮาร์ดดิสก์ของคอมพิวเตอร์ ดังนั้นเวลาการตอบสนองอาจจะมากกว่า 2 วินาทีขึ้นอยู่กับขนาดของไฟล์ที่ได้จาก SNMPWalk
รูปที่ 4 วิธีการรวม SNMPWalk กับ INMS Agent
3.2 การใช้ SNMPv1
ถ้าพิจารณาเรื่องความเร็วในการตอบสนอง การพัฒนาฟังก์ชั่นการสื่อสารเพื่อสนับสนุน SNMP ในตัว INMS Agent ก็เป็นทางเลือกหนึ่ง อย่างไรก็ตามเพื่อความง่ายในการพัฒนา เลือกพัฒนาเฉพาะ SNMPv1 ก็เพียงพอ ฟอร์แมตของ SNMPv1 และฟังก์ชั่นนั้นไม่ซับซ้อนต่อการพัฒนา แต่มีสองสิ่งที่ให้ผู้ที่ต้องการพัฒนาเองศึกษาก่อนพัฒนานั้น คือ มาตรฐาน ASN.1 (Abstract Systax Notation One) และ BER (Basic Encoding Rules) มิฉะนั้นอาจจะทำความเข้าใจกับเมสเซจ SNMPv1 ได้ยาก อีกอย่างหนึ่งถ้ามีงบประมาณเพียงพอการจัดซื้อ ActiveX สำเร็จรูปก็เป็นที่น่าพิจารณา และหาซื้อง่ายบนอินเตอร์เน็ต
การสื่อสารระหว่าง INMS Agent และ IED สำหรับวิเคราะห์ประสิทธิภาพการสื่อสาร
หนึ่งในวิธีการตรวจสอบประสิทธิภาพการสื่อสารก็คือ การใช้ฟังก์ชั่น ICMP (Internet Control Message Protocol) ในไฟล์ icmp.dll ซึ่งมีมาให้อยู่แล้วในระบบปฏิบัติการไมโครซอฟต์วินโดวส์ โปรโตคอล ICMP นั้นเป็นหนึ่งโปรโตคอลในชุดโปรโตคอล TCP/IP ที่มีไว้สำหรับรายงานความผิดพลาด และข้อมูลที่มีประโยชน์ในการวิเคราะห์ประสิทธิภาพและการทำงานของเครือข่าย สิ่งสำคัญคือ โปรโตคอล ICMP นั้นสามารถคำนวนค่าเวลาการตอบสนองของการสื่อสารโดยการใช้เฟรมที่มีขนาดเล็กและมีฟังก์ชั่นที่ใช้เวลาในการประมวลต่ำจึงสามารถใช้เป็นที่อ้างอิงถึงประสิทธิภาพของเวลาการตอบสนองของโปรโตคอลอื่น ๆ ได้ วิธีการคำนวน หรือวิเคราะห์นั้นก็ไม่ยากโดยจะใช้เวลาการตอบสนองของเมสเซจ ICMP ล่าสุดของแต่ละ IED มาทำการเปรียบเทียบกับค่าทางสถิติที่เก็บไว้ก่อนตอนการทำคอนมิสชั่นนิ่งแล้วพิจารณาว่าอุปกรณ์ IED นั้นยังคงทำงานเป็นปกติหรือไม่ อย่างไรก็ตามการส่งเมสเซจ ICMP มากเกินไปอาจจะไปรบกวนการทำงานปกติของระบบสถานีย่อยอัตโนมัติได้ ดังนั้นช่วงรอบในการตรวจสอบโดย ICMP ที่เหมาะสมควรนำมาพิจารณา แต่ในบทความนี้พิจารณาว่าช่วงรอบ 1 นาทีต่อหนึ่ง IED นั้นมีความเหมาะสม
การสื่อสารระหว่าง INMS Agent และ IEDs /สเตชั่นเซิร์ฟเวอร์ของสถานีย่อยอัตโนมัติเพื่อส่งอะลาร์ม
ในสถานีย่อยอันแมนที่ไม่มีช่างไฟฟ้าประจำ โดยกฏพื้นฐานแล้ว ทุก ๆ อะลาร์มต้องถูกรายงานไปยังศูนย์ SCADA ผ่านคอมมิวนิเคชั่นเกตเวย์ (Communication Gateway) ของสถานีย่อยอัตโนมัติ เพื่อสนับสนุนความต้องการนี้ ตัว INMS Agent ต้องติดต่อสื่อสารผ่านระบบสถานีย่อยอัตโนมัติเพื่อส่งอะลาร์มไปยังศูนย์ SCADA ให้ได้ ในกรณีที่สเตชั่นเซิร์ฟเวอร์ของสถานีย่อยอัตโนมัติมีโปรแกรม SMNP Manager ภายในตัวอยู่แล้ว ระบบสถานีย่อยอัตโนมัติสามารถดึงข้อมูลที่ต้องการโดยโปรโตคอล SNMP จาก IED/อีเทอร์เน็ตสวิตช์ รวมทั้งข้อมูลที่ได้จากการวิเคราะห์จาก INMS Agent หลังจากนั้นก็ส่งต่อให้ศูนย์สั่งการ อย่างไรก็ตาม ถ้าสเตชั่นเซิร์ฟเวอร์ไม่มี SMNP Manager ภายในตัวก็ยังมี 2 เทคนิคที่จะแนะนำดังต่อไปนี้
รูปที่ 5 กลไกการส่งข้อมูลของ IEC61850
1. การใช้เมสเซจ GOOSE
เมสเซจ GOOSE เป็นหนึ่งในกลไกการส่งข้อมูลของ IEC61850 อันที่จริงแล้วเมสเซจ GOOSE เป็นวิธีการส่งข้อมูลที่ง่ายมีทิศทางเดียว เน้นไปที่ความเร็วในการส่งข้อมูลเป็นหลัก เราสามารถสร้างเมสเซจ GOOSE โดยใช้ไดรเวอร์ NDIS (Network Driver Interface Specification) ซึ่งหาได้ฟรีบนอินเตอร์เน็ต การใช้ไดรเวอร์ NDIS มีจุดประสงค์เพื่อตัดชั้นโปรโตคอล TCP/IP ออก หลีกหนีกการเติมหมายเลข MAC อัตโนมัติโดยระบบปฏิบัติการ และด้วยไดรเวอร์ NDIS ทำให้ IMNS Agent สามารถส่งอะลาร์มด้วยเมสเซจ GOOSE ไปยัง IED หลังจากนั้นก็ให้สเตชั่นเซิร์ฟเวอร์ของระบบสถานีย่อยอัตโนมัติทำการดึงอะลาร์มจาก IED ตัวดังกล่าวด้วยเมสเซจ MMS (Manufacturing Message Specification) อีกทีหนึ่ง ซึ่งเมสเซจ MMS เป็นอีกกลไกการส่งข้อมูลของ IEC61850 สิ่งที่ยากของการใช้เมสเซจ GOOSE ก็คือ การพัฒนา INMS Agent ให้สามารถสนับสนุน ภาษา SCL (Substation Configuration Language) ซึ่งเป็นภาษาในการทำคอนฟิกูเรชั่นของ IEC61850 อย่างไรก็ตาม ยังมีสองเทคนิคที่สนับสนุนการใช้เมสเซจ GOOSE โดยไม่จำเป็นต้องพัฒนาฟังก์ชั่นสนับสนุน SCL ในตัว INMS Agent ดังต่อไปนี้
รูปที่ 6 ตัวอย่างภาษา SCL
1.1 การแก้ไขไฟล์ SCD ของสถานีย่อยอัตโนมัติโดยตรง
ไฟล์ SCD (Substation Configuration Description) คือไฟล์สุดท้ายที่ได้จากการทำคอนฟิกูเรชั่นทั้งสถานีย่อยของระบบสถานีย่อยอัตโนมัติ ดังนั้นเนื้อหาบางส่วนของไฟล์ SCD จะอธิบายคุณสมบัติอุปกรณ์ และการแมปปิ้ง (Mapping) ข้อมูลระหว่างอุปกรณ์ ดังนั้นด้วยเทคนิคนี้จำเป็นต้องมีพนักงานที่มีความชำนาญเกี่ยวภาษา SCL เพื่อเข้าไปเพิ่มฟังก์ชั่น และแมปปิ้งข้อมูลของ INMS Agent หลังจากการทำการแก้ไขไฟล์ SCD เรียบร้อย ไฟล์ SCD จะถูกอัปโหลดไปยังสเตชั่นเซิร์ฟเวอร์ และ IED ที่รับจะเมสเซจ GOOSE จาก INMS Agent
1.2 การจำลองด้วย IED
เทคนิคนี้สามารถใช้โปรแกรมมาตรฐานที่เรียกว่า IEC61850 คอนฟิกูเรเตอร์ และ IED ที่สนับสนุนภาษา SCL มาทำการแมปปิ้งข้อมูลให้อีก IED อีกตัวหนึ่งที่ต้องรับข้อมูลจาก INMS Agent และส่งข้อมูลให้สเตชั่นเซิร์ฟเวอร์ ในทางปฏิบัตินั้นสามารถดักจับเมสเซจของ IED ที่จำลองเป็น INMS Agent ด้วยโปรแกรม WireShark หรือ Ethereal ในระหว่างการทดสอบ ซึ่งจะเป็นประโยชน์อย่างมาก ดังแสดงในรูปที่ 7 หลังจากนี้ก็สามารถใช้เมสเซจดักจะมาทำการคัดลอกพารามิเตอร์ และโครงสร้างนำไปตั้งค่าใน INMS Agent เช่น พารามิเตอร์ GoCBRef เป็นต้น สุดท้ายก็นำ INMS Agent เข้ามาใช้งานแทน IED ที่ทำหน้าที่จำลอง INMS Agent เพื่อทำคอนฟิกูเรชั่น
รูปที่ 7 เมสเซจ GOOSE
2. การใช้โปรโตคอล Modbus/TCP
บทความนี้นั้นแนะนำให้เพิ่มโปรโตคอล Modbus/TCP ซึ่งเป็นหนึ่งในโปรโตคอลที่ใช้กันแพร่หลายมากที่สุดในงานอุตสาหกรรมเข้าไปในข้อกำหนดคุณสมบัติเพื่อการจัดซื้อจัดหา หรือไม่แล้วถ้ามีระบบสถานีย่อยอัตโนมัติติดตั้งเรียบร้อยแล้วแต่ไม่สนับสนุนโปรโตคอล Modbus/TCP ก็สามารถจัดซื้อไลเซนส์เพิ่มได้ทันทีเพราะปกติทุกระบบอัตโนมัติสนับสนุนโปรโตคอล Modbus/TCP อยู่แล้ว ทำไมระบบสถานีย่อยอัตโนมัติสมควรสนับสนุนโปรโตคอล Modbus/TCP ก็เพราะว่าโปรโตคอล Modbus/TCP สามารถกำจัดอุปสรรคที่เกิดจากการแลกเปลี่ยนข้อมูลสามารถทำได้ด้วยเมสเซจ GOOSE และ MMS เท่านั้น ลักษณะเช่นนี้ทำให้ปิดกั้นอุปกรณ์ในท้องตลาดที่มีราคาต่ำกว่า และจัดหาได้ง่ายกว่า เช่น ดิจิตอลมิเตอร์ หรือ PLC ที่สามารถถูกใช้เป็นทางเลือกในการขยายระบบ หรือปรับปรุงระบบเล็ก ๆ น้อย ๆ ในอนาคต ยิ่งกว่านั้น ปัจจุบันมีผู้ผลิตอีเทอร์เน็ตสวิตช์หลายรายที่สนับสนุนโปรโตคอล Modbus/TCP สำหรับจัดการตัวอีเทอร์เน็ตสวิตช์ ดังนั้นแล้วระบบสถานีย่อยอัตโนมัติที่สนับสนุน Modbus/TCP ก็สามารถเข้าถึงข้อมูลบนตัวอีเทอร์สวิตช์ได้โดยตรง อีกอย่างถ้าระบบสถานีย่อยอัตโนมัติสนับสนุน Modbus/TCP แล้ว INMS Agent สามารถส่งอะลาร์มให้สเตชั่นเซิร์ฟเวอร์ด้วย Modbus/TCP ซึ่งเป็นอีกทางเลือกหนึ่งได้
สรุป
ระบบสถานีย่อยอัตโนมัติปัจจุบันใช้มาตรฐาน IEC61850 (IEC61850 SA) ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในวงการอุตสาหกรรมไฟฟ้า โครงสร้างของการสื่อสารที่ใช้ปัจจุบันนั้น คือ เทคโนโลยีอีเทอร์เน็ต และ TCP/IP ดังนั้นระบบสถานีย่อยอัตโนมัติจะประกอบไปด้วยคอมพิวเตอร์ อีเทอร์เน็ตสวิตช์ และ IED หลากหลายชนิด เช่น รีเลย์ป้องกัน เบย์คอนโทรลยูนิต การทำงานของสถานีย่อยอัตโนมัตินั้นมีการทำงานบนระบบสื่อสารข้อมูลซึ่งมีความเกี่ยวเนื่องกับระยะเวลาในการส่งข้อมูลระหว่าง IED
เช่น การส่งคำสั่งปลด หรือการสั่งคำสั่งบล็อก (Blocking) ดังนั้นถ้ามีฟังก์ชั่นที่สำคัญไม่สามารถทำงานได้บนเวลาที่แน่นอน ผลลัพธ์ที่ได้นั้นอาจจะเกิดไฟฟ้าดับบริเวณกว้างมากกว่าที่ควรจะเป็น บทความนี้จึงนำเสนอระบบมอนิเตอร์ IED และเครือข่ายเพื่อตรวจสอบสถานะการสื่อสารของ IED รวมไปถึงอุปกรณ์สื่อสาร และยังสามารถรายงานอะลาร์ม ข้อมูลที่มีประโยชน์ไปยังพนักงานบำรุงรักษา และศูนย์ SCADA เพื่อตรวจสอบและแก้ไขอุปกรณ์ที่น่าสงสัย ก่อนที่ฟังก์ชั่นที่สำคัญจะทำงาน
เอกสารอ้างอิง
1. IEC TC-57 Communication Networks and Systems in Substation—Part 7-2: Basic Communication Structure for Substation and Feeder Equipment—Abstract Communication Service Interface (ACSI), Int. Std. IEC 61850-7-2, Int. Electrotech. Comm., 2003,Geneva,Switzerland.
2. IEC TC-57 Communication Networks and Systems in Substation—Part 8-1: Specific Communication Service Mapping (SCSM)—Mapping to MMS (ISO 9506-1 and ISO 9506-2) and to ISO/IEC 8802-3, Int. Std. IEC 61850-8-2, Int. Electrotech. Comm., 2004,Geneva,Switzerland.
3. Communication Delivery Time Performance Requirements for Electric Power Substation Automation, Std. 1646-2004,IEEE Power Eng. Soc. (Power Eng. Soc.),Feb.2005,IEEE Std.,NY,USA
4. D. Bruey, “SNMP:Simple? Network Management Protocol”, in Rane Note 161. Available:http://www.rane.com.
5. A.Swales,“OPEN MODBUS/TCP SPECIFICATION”, Available:http:// www2.schneider-electric.com.
6. S. Lesrel, “AT commands for GPRS”, Available: http://www.wavecom. com.
7. S. Mackay, E. Wright, D. Reynders and .J Park, Practical Industrial Data Network: Design, Installation and Troubleshooting. IDC Technologies, Perth,2004
8. P.Jintagosonwit, “Implementation Techniques of the IED and Network Monitoring System in IEC61850 SA ”, 2012 IEEE Power & Energy Society Transmission and Distribution Conference and Exposition, Orlando,Fl, USA
สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.
ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด
Thailandindustrycom_official
