ชุดรับส่งสัญญาณอะนาลอกเพื่อการควบคุมและเฝ้าตรวจสอบในระบบสถานีย่อยอัตโนมัติ
(Analog Input/Output of Substation Automation System for Controlling and Monitoring)

พิชิต จินตโกศลวิทย์
pichitor@yahoo.com

   จากบทความที่ผ่านมาได้กล่าวเกี่ยวกับฟังก์ชันชุดรับส่งสัญญาณดิจิตอล (Digital Input/Output: Digital I/O) ที่ใช้ในการรับค่าสถานะและควบคุมอุปกรณ์ไฟฟ้าในระบบสถานีย่อยอัตโนมัติ (SAS: Substation Automation System) แต่อย่างไรก็ตามยังมีอีกฟังก์ชันที่สามารถรับค่าสถานะและควบคุมอุปกรณ์ไฟฟ้าได้คือฟังก์ชันชุดรับส่งสัญญาณอะนาลอก (Analog Input/Output: Analog I/O) สัญญาณอะนาลอกเป็นสัญญาณในลักษณะธรรมชาติมีค่าต่อเนื่องหลายระดับค่าและสามารถถูกอธิบายในรูปสมการทั่วไปของฟูเรียร์ (Fourier Equation) เช่น แรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าเป็นต้น

การรับส่งค่าวัดโดยสัญญาณแบบอะนาลอกระหว่างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อัจฉริยะ (IED: Intelligent Electronic Device) เช่น รีเลย์ป้องกัน (Protective Relay) กับตัวอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือตัวเครื่องจักร หรือ ระหว่าง IED ด้วยกันเองมีความสำคัญมากเนื่องจากค่าที่วัดได้บางค่าเป็นข้อมูลที่ใช้ในการตัดสินใจในการควบคุมอุปกรณ์หรือเครื่องจักรเมื่อตกอยู่ในสภาพวิกฤติ เช่น แรงดันไอน้ำในหม้อต้มน้ำมีค่าสูงผิดปกติ หรือมีกระแสไฟฟ้าลัดวงจรในอุปกรณ์ไฟฟ้า สำหรับในปัจจุบันมีอุปกรณ์ไฟฟ้าประเภทอัจฉริยะ เช่น สวิตช์เกียร์ (Switchgear) ที่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เซนเซอร์ฝังอยู่ภายในสำหรับตรวจค่าวัดและส่งค่าวัดที่ได้ผ่านระบบสื่อสารข้อมูล (Data Communication)

โดยทั่วไปแล้วในระบบ SAS จะใช้สายไฟเบอร์ออปติคในการสื่อสาร การใช้ระบบสื่อสารส่งค่าวัดทำให้สามารถประหยัดค่าสายวัดทองแดงขนาดใหญ่ซึ่งในปัจจุบันราคาแพงมาก ประหยัดค่าแรงสำหรับการลากสายและพื้นที่ในการวางสาย แต่อย่างไรก็ตามอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เซนเซอร์ต้องมีความทนทานเป็นพิเศษต่ออุณหภูมิ ความชื้น ฝุ่น สนามแม่เหล็ก รวมทั้งการสั่นสะเทือน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เซนเซอร์ที่ติดตั้งในอุปกรณ์ไฟฟ้าบางครั้งอาจถูกเรียกว่า นอนคอนเวนชั่นนอลเซนเซอร์ (Non-Conventional Sensor) คือเซนเซอร์ที่มีหน่วยประมวลผล (CPU: Central Processing Unit) ในการคำนวณค่าวัดและส่งค่าวัดผ่านระบบสื่อสารข้อมูล
     

   โดยภาพรวมแล้วสัญญาณอะนาลอกที่ IED รับมาจากอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือเครื่องจักรถูกเรียกว่าสัญญาณอะนาลอกอินพุต (Analog Input: AI) และสัญญาณอะนาลอกที่ส่งจาก IED ไปยังอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือ IED ตัวอื่นถูกเรียกว่าสัญญาณอะนาลอกเอาต์พุต (Analog Output: AO)

คอนเวนชั่นนอลเซนเซอร์ สำหรับค่าวัดอะนาลอกอินพุต (Conventional Sensor for Analog Input) 

   คอนเวนชั่นนอลเซนเซอร์ คือเซนเซอร์ทั่วไปที่ส่งค่าวัดอะนาลอกโดยใช้สายตัวนำทองแดงและไม่มีหน่วยประมวลผลดิจิตอล คอนเวนชั่นนอลเซนเซอร์สามารถวัดค่าหรือตรวจจับและเปลี่ยนเป็นสัญญาณอะนาลอกอินพุตที่เหมาะสมสำหรับระบบ SAS สัญญาณอะนาลอกที่สำคัญคือค่ากระแสไฟฟ้า และค่าแรงดันไฟฟ้าจากตำแหน่งต่าง ๆ ในระบบไฟฟ้า เช่น หม้อแปลงกำลังไฟฟ้า สายส่งไฟฟ้า สายป้อนไฟฟ้า โดยประเภทเซนเซอร์ทั่วไปในระบบ SAS มีดังนี้

1. หม้อแปลงกระแสไฟฟ้า (Current Transformer)

       หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าหรือในบางครั้งถูกเรียกว่า ซีที (CT: Current Transformer) โดยทั่วไปจะถูกติดตั้งและเชื่อมต่อภายในตัวอุปกรณ์ไฟฟ้าโดยหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าจะทำหน้าที่ลดทอนตามอัตราส่วน (Transfer Ratio) ต่อค่ากระแสไฟฟ้าที่ไหลในตัวอุปกรณ์ไฟฟ้า หรือ ค่ากระแสไฟฟ้าทางด้านปฐมภูมิ (Primary Current) จะถูกลดทอนป็นค่ากระแสไฟฟ้าระดับต่ำที่สามารถคำนวณได้ด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง (Power Electronic) เรียกอีกอย่างว่าค่ากระแสไฟฟ้าทางด้านทุติยภูมิ (Secondary Current) โดยทั่วไปแล้วค่าจะอยู่ในช่วง 0-1 แอมแปร์ หรือ 0-5 แอมแปร์

 เหตุผลหลักของการใช้หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าในการวัดค่าอะนาลอก นั้นคือไม่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใดสามารถรับค่ากระแสปฐมภูมิได้โดยตรง คิดง่าย ๆ กระแสไฟฟ้าทางด้านปฐมภูมิอาจจะมีค่าสูงถึง 600 แอมป์คงไม่มีวงจรอิเล็กทรอนิกส์ใดออกแบบลายวงจรไฟฟ้าให้กระแส 600 แอมแปร์ไหลผ่าน ข้อมูลเพิ่มเติมอีกอย่างของหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าคือการต่อหม้อแปลงมีทั้งแบบต่ออนุกรม หรือ แบบวงแหวน แต่โดยทั่วไปในงานระบบไฟฟ้าแรงสูงจะใช้การต่อแบบวงแหวนหรือการคล้องหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า ข้อควรระวังการใช้งานหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าคือห้ามเปิดวงจรฝั่งทุติยภูมิขณะมีกระแสไหลทางปฐมภูมิเพราะอาจทำให้หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าชำรุด รวมทั้งอาจจะเป็นอันตรายต่อผู้ปฏิบัติงานเนื่องจากมีแรงดันไฟฟ้าระดับสูงมากระหว่างขั้วที่วงจรเปิดอยู่

 รูปที่ 1 หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าแบบวงแหวน

2. หม้อแปลงแรงดันไฟฟ้า (Voltage Transformer)

      หม้อแปลงแรงดันไฟฟ้า (VT: Voltage Transformer) หรือในบางครั้งถูกเรียกว่าหม้อแปลงศักย์ไฟฟ้า (PT:  Potential Transformer) เช่นเดียวกับหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า หม้อแปลงแรงดันไฟฟ้าส่วนใหญ่ก็ถูกติดตั้งและเชื่อมต่อภายในตัวอุปกรณ์ไฟฟ้าโดยหม้อแปลงแรงดันไฟฟ้าจะทำหน้าที่ลดทอนแรงดันไฟฟ้าตามอัตราส่วนเช่นกัน ค่าแรงดันไฟฟ้าทางด้านปฐมภูมิจะถูกลดทอนเป็นค่าแรงดันทางด้านทุติยภูมิซึ่งอยู่ในช่วง 100/110/115/200 Vac เหตุผลที่ต้องใช้หม้อแปลงแรงดันไฟฟ้าในการวัดค่าก็เพราะไม่มีวงจรอิเล็กทรอนิกส์ใดมีฉนวนไฟฟ้าที่สามารถทนแรงดันทางด้านปฐมภูมิได้เช่น แรงดันไฟฟ้าระดับ 69 kV ข้อควรระวังสำหรับการติดตั้ง PT คือห้ามให้ขั้วของ PT สัมผัสกันเนื่องจากจะเกิดการลัดวงจรไฟฟ้า

รูปที่ 2 หม้อแปลงแรงดันไฟฟ้า

3. ทรานสดิวเซอร์ (Transducer) 

      ทรานสดิวเซอร์เป็นเซนเซอร์ประเภทอิเล็กทรอนิกส์ที่จะรับค่าที่จะวัดจากอุปกรณ์ไฟฟ้าโดยตรงถ้าค่านั้นอยู่ในช่วงที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รับได้ หรือรับค่าที่จะวัดจากหม้อแปลงวัดค่า เช่น CT หรือ PT ทรานสดิวเซอร์จะทำการประมวลผลค่าวัดตามวงจรอิเล็กทรอนิกส์และสร้างค่าสัญญาณอะนาลอกเอาต์พุตออกเป็นค่ากระแสไฟฟ้ากระแสตรงต่ำ ๆ อยู่ในช่วง 0-20 mA และถ้าสร้างสัญญาณอะนาลอกเอาต์พุตเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 10 Vdc ทรานสดิวเซอร์ไม่ได้ทำการแปลงระดับค่าวัดทางด้านปฐมภูมิมาเป็นค่าวัดทางทุติยภูมิเพียงอย่างเดียว

ทรานสดิวเซอร์ยังสามารถคำนวณค่าวัดได้ เช่น ทรานสดิวเซอร์กำลังไฟฟ้าจริง (Watt Transducer) สามารถคำนวณค่ากำลังไฟฟ้าจากสัญญาณอะนาลอกอินพุต (Analog Input) ที่เป็นกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าที่มาจาก CT และ PT ตามลำดับ และให้ผลหรือเอาต์พุต (Output) เป็นอัตราส่วนตามค่ากำลังไฟฟ้าที่คำนวณได้ทางปฐมภูมิ อีกรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับเอาต์พุตของทรานสดิวเซอร์นั้นคือโดยส่วนใหญ่เอาต์พุตของทรานสดิวเซอร์ที่ถูกเลือกใช้จะเป็นค่ากระไฟฟ้ากระแสตรงอยู่ช่วงเริ่มที่ 4 mA ถึง 20 mA ซึ่งเอาต์พุตช่วงนี้มีคุณสมบัติพิเศษเรียกว่าไลฟ์ซีโร่ (Live Zero) หรือ เฟลเซฟ (Fail-Safe) ซึ่งคุณสมบัตินี้สัญญาณเอาต์พุตของทรานสดิวเซอร์สามารถถูกแยกแยะว่าเป็นสภาพปกติของค่าวัดหรือมีความผิดปกติในสายส่งค่าวัดรวมแม้กระทั้งมีความผิดปกติในตัวทรานสดิวเซอร์หรือไม่

 เพราะว่าถ้าทรานสดิวเซอร์หรือสายส่งค่าวัดมีปัญหาค่าเอาต์พุตที่ได้ของทรานสดิวเซอร์จะน้อยกว่า 4 mA หรือแม้กระทั้งเป็นค่าศูนย์ ถ้าทุกอย่างปกติค่าต่ำสุดของเอาต์พุตจะอยู่ที่ 4 mA เทียบกับค่าที่วัดอุปกรณ์ไฟฟ้าจริงอยู่ที่ศูนย์หรืออยู่ที่ค่าต่ำสุด ส่วนค่า 20 mA จะเทียบกับค่าที่วัดที่อุปกรณ์ไฟฟ้าจริงที่ค่าสูงสุด หรือ ค่าพิกัด (Rated Value) เช่น ตัวอย่างสำหรับทรานสดิวเซอร์กระแสไฟฟ้า ถ้าช่วงกระแสไฟฟ้าปกติที่เป็นไปได้ของอุปกรณ์ไฟฟ้าอยู่ที่ 0-600 แอมแปร์ ค่า 4 mA ของทรานสดิวเซอร์จะเทียบเท่า 0 แอมแปร์ของอุปกรณ์ไฟฟ้า และค่า 20 mA ของทรานสดิวเซอร์จะเทียบเท่า 600 แอมแปร์ของอุปกรณ์ไฟฟ้า เป็นต้น

รูปที่ 3 ทรานสดิวเซอร์

 
ค่าวัดอะนาลอกอินพุตชั่วขณะทันทีทันใดในระดับโปรเซส (Instantaneous Analog Process Input)

         ระดับโปรเซส (Process Level) ในระบบ SAS คือระดับที่ตัวอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือเครื่องจักรจริงทำงาน โดยค่าวัดอะนาลอกในระดับนี้จะรับหรือเชื่อมต่อโดยตรงกับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ต้องการวัดค่า โดยค่าอะนาลอกในระดับโปรเซสจะถูกเปลี่ยนระดับสัญญาณจากค่าทางด้านปฐมภูมิหรือค่าจริงทางวิศวกรรม มาเป็นระดับสัญญาณทุติยภูมิที่เหมาะสมกับอุปกรณ์วัดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์โดยใช้หม้อแปลงวัดค่า (Instrument Transformer) เช่น CT หรือ PT ดังที่กล่าวมาแล้วข้างต้น หลังจากนั้นสัญญาณอะนาลอกที่ได้มาจากการแปลงหรือลดขนาดโดยหม้อแปลงวัดค่าจะถูกสุ่มค่า (Sampling) และถูกปรับเรียบโดยตัวกรองสัญญาณปรับเรียบ (Anti-alias Filter)

หรืออาจจะถูกกรองสัญญาณอีกรอบโดยตัวกรองประเภทกรองค่าความถี่สูง (High Frequency Damping Filter) เพื่อขจัดรบกวนภายนอกที่เข้ามาผสมในค่าวัด เช่น สไปค์ (Spike) หรือขจัดสัญญาณที่มีความถี่สูงกว่าหรือต่ำกว่าในช่วงความถี่ต้องการ โดยปกติค่าวัดที่ต้องการคือค่าวัดที่ความถี่มูลฐาน (Fundamental Frequency) ยิ่งกว่านั้นค่าอะนาลอกที่ถูกทำการดิจิไทเซชั่น (Digitization) แล้วยังอาจจะถูกกรองฟิลเตอร์ดิจิตอล (Digital Filter) เมื่อมีความจำเป็นเช่นค่าวัดนั้นมีการเปลี่ยนแปลงถี่มากเกินกว่าที่กำหนด

หลักเกณฑ์หรือข้อกำหนดที่สำคัญคือความแม่นยำในการวัดค่าและการแปลงค่าของตัวอะนาลอกดิจิตอลคอนเวอร์เตอร์ (A/D Converter) ซึ่งเกี่ยวกับช่วงความละเอียดของการวัดค่าตามจำนวนบิตที่แปลงได้ และความถี่ในการสุ่มค่าอะนาลอกเพื่อทำการแปลงค่า ซึ่งความแม่นยำของค่าวัดมีผลต่อการทำงานของระบบ SAS ที่ทำการตัดสินใจบนพื้นฐานของข้อมูลที่ได้รับ ค่าวัดอะนาลอกในระบบ SAS โดยทั่วไปประกอบทั้งค่าวัดเชิงปริมาณ (Scalar Value) และค่าวัดทางเวกเตอร์ (Vector Value) เช่น ค่าวัดเฟสเซอร์ (Phasor) ของแรงดันไฟฟ้าพร้อมมุมบอกทิศทาง โดยค่าวัดเหล่านี้อาจถูกนำไปใช้ในระบบป้องกันระบบไฟฟ้า ดังนั้นระบบ SAS ต้องการความแม่นยำมากในการเข้าจังหวะเวลาเพื่อทำการประทับเวลาบนค่าวัด ความละเอียดของเวลาอาจอยู่ในระดับไมโครวินาที (S) ความเหลื่อมล้ำของเวลา (Jitter) เพียง  25 S อาจจะทำให้ค่าวัดคลาดเคลื่อนถึง 2%

      ในระบบควบคุมบางระบบต้องการวัดเฉลี่ยแบบ อาร์เอ็มเอฟ (RMS: Root Mean Square) ซึ่งการวัดแบบนี้สามารถรับค่าได้จากทรานสดิวเซอร์ โดยทรานสดิวเซอร์จะทำการประมวลผลค่าวัดจากอุปกรณ์ไฟฟ้าหลักและเปลี่ยนค่าเป็นค่าวัดในเชิงปริมาณในรูปแบบกระแสไฟฟ้ากระแสตรงระดับ mA หรือกระทั้งในรูปการสื่อสารข้อมูล

รูปที่ 4 RMS

อะนาลอกเอาต์พุต (Analog Output)

    โดยทั่วไปสัญญาณอะนาลอกเอาต์พุตที่ส่งออกมาจาก IED จะมีค่าในช่วงเดียวกับตัวทรานสดิวเซอร์คือ 10 Vdc หรือ 20 mA การส่งค่าอะนาลอกช่วงดังกล่าว IED ทำตัวเสมือนเป็นทรานสดิวเซอร์เพื่อส่งค่าไปยัง IED ตัวอื่น ซึ่งในระบบ SAS สมัยใหม่ไม่มีความต้องการแล้ว เพราะสามารถส่งค่าวัดระหว่าง IED ด้วยระบบสื่อสารข้อมูล แต่อย่างไรก็ตามยังมีอุปกรณ์ที่ต้องการฟังก์ชันอะนาลอกเอาต์พุตคืออุปกรณ์ประเภทเครื่องทดสอบ เช่น Omicron Testset มีไว้สำหรับยิงค่าอะนาลอกเพื่อทดสอบฟังก์ชันระบบป้องกันในรีเลย์ป้องกัน ซึ่งส่วนใหญ่จะมีราคาสูงมากเนื่องจากมีความยากเป็นพิเศษในการสร้างสัญญาณอะนาลอกเอาต์พุตให้แม่นยำพร้อมกับมีค่าแอมพลิจูดที่มีค่าสูง

การประมวลผลขั้นต้นบนค่าวัดอะนาลอก (Pre-processing of Analog Data)

   การประมวลผลขั้นต้นบนค่าวัดอะนาลอกหลังจากถูกแปลงเป็นค่าวัดที่อยู่ในรูปแบบดิจิตอลขึ้นอยู่กับชนิดและจุดประสงค์ของค่าวัดนั้น ๆ โดยค่าวัดจะถูกนำมาประมวลผลเพื่อการปรับเรียบ (Smoothing) เนื่องจากผลกระทบจากการสุ่มค่าวัด โดยสมการดังรูปที่ 5 สำหรับค่ากระแสและแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับจากการสุ่มค่าจะถูกนำมาเก็บไว้หน่วยความจำชั่วคราวบัฟเฟอร์ (Buffer) หลังจากนั้นระบบ SAS จะทำการจัดการกับค่าในบัฟเฟอร์ด้วยตัวกรองหรือฟิลเตอร์แบบต่าง ๆ

ขึ้นอยู่กับชนิดของค่าวัดหรือการตั้งค่าของผู้ติดตั้งระบบ SAS เช่นค่าวัดสำหรับระบบป้องกันอาจจะกรองเหลือแต่ค่าความถี่มูลฐานและความถี่ที่ลำดับที่ 3 ของความถี่มูลฐานเพื่อวิเคราะห์กระแสอินรัช (In-Rush Current) เป็นต้น สำหรับระบบงานควบคุมอาจต้องการการค่าวัดเฉพาะแบบ RMS ซึ่งไม่ต้องการตัวกรองสัญญาณแบบพิเศษหลาย ๆ ประเภทในการจัดการ

 จากกระบวนการข้างบนค่าวัดที่ได้จากการกรองหลาย ๆ รูปแบบจะถูกเรียกว่าค่าวัดเมเชอร์รันด์ (Measurand) เช่น ค่าวัดเฉลี่ย RMS

MW_ngl = ค่าใหม่จากการคำนวณของค่าวัดอะนาลอก
MW = ค่าวัดอะนาลอกที่ได้จาก A/D
MW_agl = ค่าวัดอะนาลอกจากการคำนวณครั้งที่ผ่านมา

K = Smoothing Factor (1, 2, 4, 8, 16, ….. 128) 

รูปที่ 5 การปรับเรียบ

 การย่อและขยายค่าอะนาลอก (Scaling)

       ค่าวัดเมเชอร์รันด์ที่ได้มาจากตัวแปลง A/D Converter ส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปแบบค่าจำนวนเต็ม (Integer) ความแม่นยำและความละเอียดของค่าวัดขึ้นอยู่กับจำนวนบิตของตัวแปลง A/D Converter ซึ่งมีตั้งแต่ 8 บิต ถึง 16 บิต โดยทั่วไป A/D Converter ขนาด 12 บิต ถูกใช้อย่างแพร่หลายในปัจจุบัน อันที่จริงแล้วระบบงานระดับผู้ปฏิบัติงานต้องการค่าที่ใช้การตัดสินใจได้จริงคือค่าในหน่วยวัดทางวิศวกรรม (Engineering Unit) ดังนั้นต้องมีการแปลงค่าจากค่าเลขจำนวนเต็มเป็นค่าหน่วยงานทางวิศวกรรม เช่น ค่าระดับแรงดันไฟฟ้า 12.9 kV เป็นต้น เรียกกระบวนการนี้ว่าการย่อและขยายค่า

หรือ สเกลลิ้ง (Scaling) ผลรับที่ได้จากการทำสเกลลิ้งโดยทั่วไปถูกจัดเก็บในรูปทศนิยม (Floating) บางครั้งค่าวัดก่อนการทำการสเกลลิ้งอาจจะเป็นค่าที่ได้มาจากการคำนวณ เช่น ค่ากำลังทางไฟฟ้า (UICos ) ซึ่งเป็นการคำนวณจากค่าอะนาลอกอินพุตในรูปแบบจำนวนเต็มหลาย ๆ ค่า และผลรับจะอยู่ในรูปแบบทศนิยม การสเกลลิ้งทำเพียงเปลี่ยนหน่วยและช่วงค่าให้เป็นค่าวัดทางวิศวกรรม คือ MW โดยทั่วไปการสเกลลิ้งจะใช้สูตรการแปลงค่าโดยวิธีการแปลงแบบเชิงเส้น (Linear Conversion) ซึ่งเป็นวิธีที่ได้รับความนิยมมากที่สุดเพราะง่ายในการคำนวณ การแปลงค่าแบบเชิงเส้นจะประกอบด้วยค่าคงที่ b เพื่อขยับค่า และตัวประกอบ a เพื่อปรับความชันซึ่งผลของค่าที่ถูกสเกลลิ้ง M จะอยู่ในรูปทศนิยม S ดังสมการ

S = aM + b 

ในกรณีถ้าความสามารถในการส่งข้อมูลบนระบบสื่อสารข้อมูลต่ำนั้น ค่าวัดที่จะถูกส่งจะอยู่ในรูปที่กะทัดรัดหรือใช้จำนวนบิตในการส่งน้อยที่สุด หรือต้องทำการย่อค่าวัดนั้นเท่าที่โปรโตคอลสื่อสารนั้น ๆ จัดการส่งมันได้

รูปที่ 6 สเกลลิ้ง

การตรวจสอบระดับจำกัดของค่าวัด และการระงับค่าวัดในช่วงเดดแบนด์  (Limit Supervision and Dead Band Suppression)

       ค่าวัดเมเชอรันด์สามารถถูกตรวจสอบว่าอยู่ในระดับปกติหรือไม่ปกติซึ่งถ้าไม่ปกติระบบ SAS ต้องส่งสัญญาณเตือน หรือ วอร์นนิ่ง/อลาร์ม (Warning/Alarm) โดยวอร์นนิ่งเป็นการเตือนขั้นต้น และอลาร์มเป็นการเตือนขั้นที่ต้องเอาใจใส่ในทันที โดยระดับค่าวอร์นนิ่งและอลาร์มสามารถถูกกำหนดได้เพื่อให้สอดคล้องสำหรับค่าวัดนั้น ๆ การกำหนดระดับส่งสัญญาณเตือนโดยทั่วไปมี 2 ประเภทคือ ระดับสูงต่ำกว่าระดับปกติ และระดับสูงกว่าระดับปกติ (Low/High) ถ้าค่าวัดเมเชอรันด์ไม่สอดคล้องกับระดับที่จำกัด ค่าวัดเมเชอรันด์จะถูกติดแฟล็ก (Flag) หรือตัวบ่งชี้คุณภาพค่าวัดแสดงความไม่ปกติ และอาจถูกบักทึกลงปูมประวัติในระบบ ร

วมทั้งส่งสัญญาณเสียงและแสงเตือนผู้ปฏิบัติงาน ค่าวัดเมเชอรันด์จริง ๆ แล้วอาจจะเปลี่ยนแปลงขึ้นลงตามลักษณะธรรมชาติของมัน แต่ถ้าการเปลี่ยนแปลงมีถี่การเปลี่ยนแปลงสูงและเกิดในบริเวณระดับจำกัดของค่าวัด จะทำให้เกิดการส่งสัญญาณเตือนบ่อยครั้ง การเปลี่ยนแปลงจะถูกจัดการบ่อยครั้งเกินความจำเป็น ดังนั้นจึงมีการใช้ฟังก์ชันฮิสเตอรีซิส (Hysteresis) โดยมีลักษณะการทำงานดังนี้

เมื่อค่าวัดเมเชอรันด์ไม่อยู่ในระดับค่าที่จำกัด แต่สักพักหนึ่งค่าวัดกลับมาอยู่ในระดับปกติ แต่ค่าวัดยังอยู่ในช่วงฮิสเตอรีซิส และช่วงเวลาถัดไปค่ากลับไปยังระดับไม่ปกติอีกครั้งซึ่ง ณ เวลานี้จะไม่มีการส่งสัญญาณเตือนหรือดำเนินการใด ๆ กับการเปลี่ยนแปลงนี้ การเปลี่ยนแปลงไปมาจากระดับปกติและระดับไม่ปกติจะมีการสร้างสัญญาณเตือนก็ต่อเมื่อค่าที่กลับมาสู่ระดับปกติและไม่อยู่ในช่วงฮิสเตอรีซิสเท่านั้น ดังรูป 7

รูปที่ 7 ฮิสเตอรีซิส

          แต่สำหรับกรณีค่าวัดเมเชอรันด์ของแรงดันไฟฟ้า โดยปกติช่วงค่าการเปลี่ยนแปลงจะอยู่ในช่วงแคบ ๆ เทียบจากค่าแรงดันไฟฟ้านอมินอล (Nominal Value) เช่น แรงดันไฟฟ้าในบ้าน ค่าเปลี่ยนแปลงจะอยู่ในช่วงแคบ 215 Vac หรือ 225 Vac เทียบจาก 220 Vac ณ เวลาที่จ่ายไฟฟ้าให้อุปกรณ์ แตกต่างจากกระแสค่าอาจเปลี่ยนจาก 0 ถึง ค่าสูงสุดที่เป็นไปได้ ในกรณีแรงดันไฟฟ้านั้นค่าวัดเท่ากับศูนย์โดยทั่วไปไม่ถือว่าเป็นค่าไม่ปกติเนื่องจากเกิดจากการดับไฟฟ้าตามสภาพปกติ ระบบ SAS ไม่ควรส่งสัญญาณเตือน กระบวนการนี้เรียกว่าการแยกแยะค่าวัดโดย ซีโร่เดดแบนด์ (Zero Deadband) 

รูปที่ 8 ซีโร่เดดแบนด์
    

การจัดการการเปลี่ยนแปลงของค่าวัดสำหรับการสื่อสารข้อมูล   

      การจัดการการเปลี่ยนแปลงของค่าเมเชอรันด์ที่มีความถี่ในการเปลี่ยนแปลงสูงโดยฟังก์ชันฮิสเตอรีซิสเพียงอย่างเดียว บางทีอาจจะไม่เพียงพอสำหรับการส่งข้อมูลบนระบบสื่อสารข้อมูลใน IED ที่มีความสามารถในการประมวลผลต่ำ เพื่อป้องกันไม่ให้ IED ที่มีความสามารถในการประมวลผลต่ำอาจเกิดอาการแฮงก์ (Hang) ชั่วขณะ จึงมีการคิดค้นวิธีการในการลดโหลดหรือภาระในการรับและส่งค่าวัดเมเชอรันด์ วิธีการคือการตรวจความแตกต่างระหว่างค่าวัดเมเชอรันด์เก่าและค่าวัดเมเชอรันด์ใหม่เทียบกับค่าเทรชโชลด์ (Threshold) ที่ถูกกำหนดไว้ค่าหนึ่ง ถ้าความแตกต่างนั้นเกินหรือเท่ากับค่าเทรชโชลด์ก็จะส่งค่าวัดเมเชอรันด์นั้นเข้าไปในระบบสื่อสารข้อมูล  

รูปที่ 9 การส่งค่าวัดโดยการตรวจสอบความแตกต่างแบบสมบูรณ์

 แต่อย่างไรก็ดีก็ยังวิธีการอื่น ๆ ที่ช่วยในการจัดการการส่งค่าวัดเมเชอรันด์ให้มีประสิทธิภาพ ดังวิธีการดังต่อไปนี้

 1. การส่งค่าวัดเป็นระยะโดยใช้รอบเวลา โดยรอบเวลาการส่งค่าวัดอาจจะทุก ๆ หลายวินาที หรือละเอียดกว่า ขึ้นอยู่กับความต้องการความใหม่และความแม่นยำของค่าวัดของแต่ละ IED ที่นำค่าวัดนั้นไปใช้งาน อย่างเช่นค่าวัดสำหรับระบบป้องกันไฟฟ้า ต้องส่งภายใน 4 mSec ตามข้อแนะนำของมาตรฐาน IEC61850

 2. การส่งค่าวัดโดยผลรวมความแตกต่างแบบสมบูรณ์ แต่ละการสุ่มค่าวัดนั้นจะมีความแตกต่างระหว่างค่าเก่าและค่าใหม่ ความแตกต่างบางที่น้อยมากในระดับจุดทศนิยมในหน่วยวัดทางวิศวกรรม ซึ่งบางทีอาจจะไม่มีประโยชน์ในการส่งค่าวัดค่าใหม่นั้นเพราะไม่ส่งผลต่อการตัดสินใจของระบบ SAS ดังนั้นจึงมีวิธีการในการนำความแตกต่างนั้นนำมาเป็นเงื่อนไขในการส่งข้อมูลวัด คือการสะสมค่าความแตกต่างของค่าวัด

และถ้าผลรวมของความแตกต่างนั้นถึงค่าที่กำหนดไว้เพื่อส่งค่าวัด ค่าวัดตัวใหม่ล่าสุดก็จะถูกส่งเข้าไปในระบบสื่อสารข้อมูล ในเวลาเดียวกันผลรวมความแตกต่างดังกล่าวก็จะถูกรีเซตเป็นศูนย์ และเริ่มสะสมใหม่ วิธีการนี้สามารถตอบสนองในการส่งค่าวัดใหม่ที่มีความแตกต่างสูงจากค่าวัดเก่าให้ถูกจัดส่งเร็วขึ้น ส่งผลทำให้ระบบ SAS มีความแม่นยำในการทำงานเพิ่มขึ้น แต่ข้อด้อยของวิธีการนี้คือค่าวัดใหม่อาจจะไม่ถูกจัดส่งเลยถ้าค่าวัดนั้นมีค่าคงที่ตลอด

รูปที่ 10 การส่งค่าวัดโดยผลรวมความแตกต่างแบบสมบูรณ์

3. การประยุกต์ใช้ทั้ง 2 วิธีที่กล่าวมาแล้วร่วมกัน โดยส่วนใหญ่รอบเวลาในการส่งค่าจะมีค่าค่อนข้างกว้างแต่ก็สามารถเซตติ้งได้ตามความต้องการ การเพิ่มการใช้รอบเวลาในการส่งค่าวัดช่วยจัดการความเก่าของค่าวัดเมเชอรันด์ที่ตัว IED ที่รับค่าวัดเมเชอรันด์ไปใช้ในกรณีค่าวัดนั้นเกิดคงที่ และเพื่อเพิ่มความแน่ใจว่าค่าวัดเมเชอรันด์ใหม่เท่ากับค่าปัจจุบันมากที่สุด (Update Value) ดังในกรณีค่าวัดที่ส่งด้วยผลรวมความแตกต่างแบบสมบูรณ์เกิดสูญหายในระหว่างการส่งข้อมูล

ความแม่นยำในค่าวัดเมเชอรันด์ (Measurand Accuracy)

        ความแม่นยำในการวัดค่าอะนาลอกขึ้นอยู่กับความแม่นยำของกระบวนการวัดทั้งระบบการวัดค่า นับตั้งแต่เซนเซอร์ จนถึงโปรแกรมประยุกต์ที่ใช้ในการประมวลผลค่าวัดนั้น ๆ ในยุคเริ่มต้นปัญหาความแม่นยำเกิดจากความสามารถในการส่งข้อมูลต่ำ ทำให้ต้องพยายามจำกัดจำนวนบิตในการส่งค่าวัดให้น้อยที่สุด ซึ่งส่งผลต่อความละเอียดของค่าวัด ปัจจุบันเทคโนโลยีได้ก้าวหน้าไปมาก การสื่อสารข้อมูลมีความสามารถสูง จำนวนบิตในการส่งข้อมูลจึงไม่ใช่ประเด็นปัญหาแล้ว แต่ประเด็นความละเอียดของเซนเซอร์ยังเป็นประเด็นอยู่เพราะเซนเซอร์ความละเอียดสูงยังมีราคาสูงมาก ตัวอย่างกระบวนการวัดค่าแรงดันไฟฟ้าแบบ RMS เป็นไปดังตารางข้างล่างนี้

          ค่าวัดเมเชอรันด์ของแรงดันไฟฟ้าแบบ RMS ที่ผ่านกระบวนการวัด จะมีความผิดพลาดที่อาจจะเกิดขึ้นได้ตามผลรวมของเปอร์เซ็นต์ความผิดพลาดในแต่ละขั้นตอน ดังนั้นจากกระบวนการวัดค่าข้างต้นความผิดพลาดสูงสุดที่มีผลกระทบต่อความแม่นยำ ประมาณ 0.706% ของค่าวัดที่ควรจะเป็น

  (0.5 + 0.1 + 0.006 + 0.1)

 
สรุป

      การเข้าใจในลักษณะการทำงานและคุณสมบัติของชุดรับส่งสัญญาณอะนาลอกในระบบ SAS สามารถทำให้ระบบไฟฟ้ามีความเชื่อถือได้สูงขึ้นโดยเฉพาะถ้าค่าอะนาลอกนั้นเป็นค่าที่ใช้สำหรับระบบป้องกัน วิศวกรไฟฟ้าต้องมีความเข้าใจในกระบวนการวัดค่าอะนาลอกเพื่อสามารถออกแบบระบบหรือออกข้อกำหนดคุณสมบัติในการจัดซื้อของระบบ SAS ได้อย่างเหมาะสม ส่งผลให้ระบบ SAS มีประสิทธิภาพสูง ทำงานถูกต้อง และมีค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาต่ำ และในบทความฉบับหน้าจะกล่าวเกี่ยวกับฟังก์ชันมอนิเตอร์ระบบ SAS โดยผ่านคอมพิวเตอร์