พิชิต จินตโกศลวิทย์
มาตรฐาน IEC61850 เป็นมาตรฐานสากลฉบับล่าสุดที่ออกแบบมาใช้ในระบบไฟฟ้าที่ใช้ในสถานีไฟฟ้าย่อยระบบอัตโนมัติ โดย เป็นความสัมพันธ์ระหว่างระบบสื่อสาร (Communication) และระบบไฟฟ้ากำลัง (Power System) จะเชื่อมต่ออุปกรณ์จำพวก IED ในรูปแบบ GOOSE และ GSSE เป็นต้น ซึ่งข้อดีคือทำให้การติดต่อสื่อสารระหว่างผู้ใช้งานกับตัวรับ-ส่งมีประสิทธิภาพมากขึ้น รวดเร็ว ลดต้นทุน มีความน่าเชื่อถือได้ ป้องกันความผิดพลาดในระบบและเป็นไปตามมาตรฐานสากล
เมื่อมีการเริ่มปรับปรุงสถานีย่อยไฟฟ้าจากเทคโนโลยีเดิมที่ใช้สายคอนโทรล (สายตัวนำทองแดง) จำนวนมากในการทำหรือสร้างฟังก์ชั่นการทำงานต่าง ๆ ในสถานีย่อย แต่ด้วยอุปกรณ์ IED สมัยใหม่ตามมาตรฐาน IEC61850 จึงสามารถจัดหาอุปกรณ์ IED ที่มีความเชื่อถือได้สูงที่ถูกออกแบบมาจัดการงานที่มีความซับซ้อนโดยเฉพาะงานที่เกี่ยวข้องกับการสื่อสารข้อความเร็วสูง ยิ่งกว่านั้นบางกรณีอาจจำเป็นต้องใช้การแปลงการสื่อสารจากอนุกรมเป็นอีเธอร์เน็ตเพื่อติดต่อกับอุปกรณ์ IED รุ่นเก่าซึ่งยังคงต้องการใช้งานอยู่ เพื่อให้ได้ประโยชน์สูงสุดกับการลงทุนครั้งก่อนให้ได้มากที่สุดในขณะที่ประสิทธิผลของการทำงานต้องสูงขึ้น ในปัจจุบันสถานีย่อยไฟฟ้าที่ใช้อุปกรณ์ IED การสื่อสารแบบอนุกรมเป็นหลักหมื่น ในบางสถานีย่อยอุปกรณ์ IED ดังกล่าวอาจมีอายุมากถึง 20 หรือ 30 ปี และสามารถมีประโยชน์มากไม่ว่าจะเป็นเรื่องคุณสมบัติจำเพาะหรือการทำเป็นระบบสำรอง หากสามารถนำมาปรับปรุงให้ใช้งานร่วมกับมาตรฐาน IEC61850 ได้ อย่างไรก็ตามการที่จะปรับปรุงอุปกรณ์ IED รุ่นเก่าให้เชื่อมต่อเข้ากับระบบเครือข่ายอีเธอร์เน็ต และ TCP/IP นั้นอาจต้องการฟังก์ชั่นในการแปลงโปรโตคอลที่ถูกต้องและเหมาะสมซึ่งเป็นเรื่องที่ต้องทำการศึกษาในแต่ละอุปกรณ์ IED หรือระบบนั้น ๆ
หนึ่งในเป้าหมายของการปรับปรุงสถานีย่อยไฟฟ้าให้มีความทันสมัยขึ้นนั้น ก็มีส่วนเกี่ยวข้องกับการยกเลิกการใช้การสื่อสารแบบอนุกรมที่มักเชื่อมต่อกันแบบหนึ่งต่อหนึ่ง หรือหลายอุปกรณ์ IED เข้ากับหนึ่ง IED ที่เป็นคอนโทรลเลอร์ โดยปัจจุบันการเปลี่ยนจะเปลี่ยนไปเป็นการเชื่อมต่อแบบใหม่ที่ใช้เครือข่ายอีเธอร์เน็ต และ TCP/IP ซึ่งเป็นระบบที่นิยมและเปิดกว้าง วิธีการอาจเสมือนง่ายมากเนื่องจากปัจจุบันนั้นมีอุปกรณ์ IED ที่สามารถแปลงการสื่อสารแบบอนุกรมเป็นอีเธอร์เน็ตจำหน่ายท้องตลาดทั่วไป แต่ความเป็นจริงนั้นยังมีรายละเอียดปลีกย่อยที่อาจจะเป็นอุปสรรค เช่น ระยะเวลาการตอบสนอง หรือ การกำหนดหมายเลขพอร์ต (Port) การแปลงอาจไม่ได้แปลงแค่สื่อสัญญาณ (Media) แต่อาจจะมีการแปลงจากโปรโตคอลหนึ่งไปอีกโปรโตคอลหนึ่ง และหนึ่งในปัญหาที่จะต้องเจอก็คือ อุปกรณ์ IED รุ่นเก่า หรือ ชนิดเลกาซี (Legacy) ที่มาจากหลากหลายผู้ผลิตและจะมีหลากหลายโปรโตคอลในการสื่อสารหรือโปรโตคอลที่เบี่ยงเบนจากต้นฉบับ โดยสามารถจัดแบ่งปัญหาเป็น 3 ประเภทดังต่อไปนี้
1. อุปกรณ์ IED ที่ใช้โปรโตคอลมาตรฐาน (Standard Protocol)
ในกรณีนี้โครงสร้างของข้อมูลและแพ็กเก็จที่ถูกส่งเข้าและออกอุปกรณ์ IED จะเป็นที่รู้กันในกลุ่มอุตสาหกรรม ผู้ผลิตสามารถที่จะพัฒนาอุปกรณ์ IED ประเภทเกตเวย์ (Gateway) ที่รับประกันว่าสามารถใช้งานได้โดยหนึ่งเกตเวย์อาจสามารถแปลงได้หลากหลายโปรโตคอล ยกตัวอย่าง คือ การแปลงจาก DNP3 เป็น IEC61850
2. อุปกรณ์ IED ที่ใช้โปรโตคอลปิด
ในกรณีนี้โครงสร้างข้อมูลที่ส่งเข้าออกจะทราบเฉพาะผู้ผลิตเจ้าของโปรโตคอลนั้น ๆ เท่านั้น การจัดการปัญหานี้ได้แต่นำเมสเซจที่เป็นโปรโตคอลปิดนั้นขึ้นมาขี่ TCP/IP เท่านั้น แต่ถ้าจำเป็นต้องการแปลงโปรโตคอลก็อาจจะต้องเสียค่าใช้จ่ายที่สูง โดยการจ้างการถอดรหัสโปรโตคอล หรือ ติดต่อขอการสนับสนุนจากเจ้าของโปรโตคอลนั้น ๆ
3. อุปกรณ์ IED ที่ถูกปรับแต่งตามลูกค้า
ถ้ามีการลงทุนในการปรับปรุงซอฟต์แวร์แอพพลิเคชั่นเพื่อเพิ่มมูลค่าและปรับปรุงการทำงานของสถานีย่อยแล้วเราอาจต้องการอุปกรณ์ IED ที่ออกแบบมาเฉพาะทางระหว่างเครือข่ายและอุปกรณ์ IED ที่รันโปรแกรมแอพพลิเคชั่น ในบางการปรับปรุงระบบสถานีย่อยอาจต้องใช้โปรโตคอลที่ได้รับการปรับแต่งตามหน้างานแทนที่การใช้มาตรฐาน หรือโปรโตคอลปิด ซึ่งก็ความยุ่งยากขึ้นไปอีกระดับนั้นคือ ถ้าต้องการแปลงโปรโตคอลนั้น ๆ ต้องไปติดต่อผู้ที่เกี่ยวข้องกับการปรับแต่งนั้นให้ได้
รูปที่ 9 แสดงรูป IED ที่เชื่อมต่อด้วยหลากหลายประเภทโปรโตคอล
ขึ้นอยู่กับขนาดของระบบงานและประสิทธิภาพที่ต้องการของระบบ ข้อกำหนดทางเทคนิคสำหรับอุปกรณ์ IED ที่ถูกติดตั้งสามารถมีความแตกต่างกันไปตามแต่ละระบบ ยกตัวอย่าง ช่วงแรงดันไฟเลี้ยงอาจจะเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ 100V ถึง 240V หรือเป็นไฟฟ้ากระแสตรง ช่วงตั้งแต่ 12V ถึง 300V การเชื่อมต่อแบบอีเธอร์เน็ตอาจจะเป็นสายทองแดงหรือสายใยแก้วนำแสงขึ้นอยู่กับเงื่อนไขเกี่ยวกับ EMC แล้วก็ระยะทางที่ต้องการ และวิธีการติดตั้งไม่ว่าเป็นแบบรางดิน (Din Rail) หรือติดตั้งแบบแร็ค (Rack) ก็อาจเปลี่ยนแปลงได้ตามโครงการนั้น ๆ
ระบบ SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) ถูกใช้เพื่อมอนิเตอร์และบริหารจัดสถานีย่อยสมัยใหม่นั้น จะทำการรวบรวมและวิเคราะห์ข้อมูลจำนวนมหาศาลอย่างต่อเนื่องจากหลาย ๆ อุปกรณ์ IED และหลาย ๆ สถานี ซึ่งมีเรื่องมีเกี่ยวกับเวลามาเกี่ยวข้องในกระบวนการอยู่ 2 ประเภทที่สำคัญนั้นคือ
1. เวลาไทม์สแตมป์ที่มีความสำคัญ (Meaningful Timestamps)
เมื่อมีเหตุการณ์เกิดขึ้น ณ หลาย ๆ ตำแหน่งทั่วสถานีย่อย อุปกรณ์ IED ที่ตำแหน่งต้นทางจะทำการบันทึกเหตุการณ์โดยจะประทับลงเวลา หรือ ไทม์สแตมปิ้งบนพื้นฐานของเวลา ณ จุดเกิดเหตุการณ์ ก่อนที่จะทำการส่งเหตุการณ์ หรือ อีเวนต์นั้นไปวิเคราะห์หรือตรวจสอบที่ศูนย์ควบคุม ด้วยเหตุผลดังกล่าวจึงเป็นสิ่งที่สำคัญมากที่ว่าเวลาไทม์สแตมป์แต่ละสถานที่จะต้องอยู่บนพื้นฐานของนาฬิกาเดียวกัน และเพื่อจะทำให้แต่ละอุปกรณ์ IED อยู่บนพื้นฐานนาฬิกาเดียวกัน โปรโตคอลในการเข้าจังหวะเวลาจึงได้ถูกนำมาใช้งาน
2. การส่งข้อมูลเวลาจริง (Real-time Data Transmission)
ข้อมูลนั้นเดินทางที่ความเร็วของแสง และใช้ระยะเวลาที่แน่นอนจากจะจุดที่หนึ่งไปยังจุดที่สอง ดังนั้นคำว่าเรียลไทม์ โดยทั่วไปแล้วจะใช้อ้างอิงถึงการรักษาเวลาในการส่งข้อมูลให้อยู่ในระดับมิลลิวินาที และนี้เป็นสิ่งที่สำคัญสำหรับระบบควบคุม ความล่าช้าในช่วงเวลาสำคัญใด ๆ สำหรับสัญญาณควบคุมหรือค่าวัดสามารถส่งผลทำให้ระบบทั้งระบบทำงานผิดพลาดได้ สำหรับการปรับปรุงสถานีย่อยไฟฟ้า อุปกรณ์ IED สื่อสารแบบอนุกรมเดิมอาจยังต้องใช้ IRIG-B สำหรับการเข้าจังหวะเวลา แตกต่างจากเครือข่ายมาตรฐาน IEC61850 สมัยใหม่จะใช้การเข้าจังหวะเวลาบนอีเธอร์เน็ตตามมาตรฐาน IEEE1588 และเพื่อที่จะแก้ไขปัญหามีอุปกรณ์ IED เก่าและใหม่ผสมกันจึงจำเป็นต้องจัดหาอุปกรณ์ IED ที่สามารถแปลงโปรโตคอล 2 มาตรฐานเพื่อให้ได้เวลาทั่วทั้งระบบใกล้เคียงกันมากที่สุด
รูปที่ 10 แสดงการเข้าจังหวะเวลาด้วยหลายมาตรฐาน
การผ่านการรับรองมาตรฐาน IEC61850-3 และ IEEE1613 จะทำให้ผู้ใช้สามารถมั่นใจมากขึ้นโดยมาตรฐานดังกล่าวได้มีการกำหนดรายละเอียดการทดสอบเกี่ยวกับ EMC และความต้องการพื้นฐานสำหรับอุปกรณ์ IED ที่ทำการสื่อสารบนเครือข่ายสำหรับสภาพแวดล้อมในสถานีย่อยไฟฟ้า อุปกรณ์ IED ประเภทคอมพิวเตอร์หรือมีหน่วยประมวลผลรวมทั้งอีเธอร์สวิตช์จะต้องมีใบรับรอง IEC61850-3 และ IEEE1613 เพื่อรับประกันว่าอุปกรณ์ IED สามารถทนทานต่อเงื่อนไขหลากหลายในสภาวะแวดล้อมการทำงาน โดยมีความต้องการขั้นต่ำดังต่อไปนี้
รูปที่ 11 แสดงรายละเอียดมาตรฐาน IEC61850-3
ประเด็นพื้นฐานที่มักจะเจอในช่วงการติดตั้ง คือ การคอนฟิกอุปกรณ์ IED สำหรับแปลงจากการสื่อสารแบบอนุกรมเป็นอีเธอร์เน็ต โดยเฉพาะโครงการประเภทปรับปรุงสถานีย่อยแบบยังรักษาระบบเดิมบางระบบไว้ วิศวกรโครงการมักจะใช้เวลาในการทดสอบฟังก์ชั่นระบบควบคุมต่าง ๆ ของระบบ มากกว่าที่จะยุ่งกับรายละเอียดในส่วนการสื่อสารข้อมูล ดังนั้นต้องทำให้คอนฟิกูเรชั่นนั้นง่ายที่สุดซ่อนบางรายละเอียดเพื่อที่ได้ปรับปรุงให้ระบบหลักนั้นมีประสิทธิภาพ แต่ยังคงรักษาความสามารถในการบำรุงรักษาไว้
วิศวกรที่เกี่ยวข้องกับโครงการปรับปรุงระบบสถานีย่อยไฟฟ้ามักจะต้องเผชิญกับระบบปฏิบัติการที่มีหลากหลาย เนื่องจากความจริงที่ว่าสถานีย่อยปัจจุบันนั้นถูกสร้างมาระยะเวลานานรวมทั้งกระจัดกระจายติดตั้งตามแต่ละภูมิภาค บางครั้งข้อจำกัดจะมาจากความต้องการที่จะเก็บระบบปฏิบัติการเดิมและโปรแกรมแอพพลิเคชั่นเดิมไว้โดยส่วนใหญ่เกิดจากโปรแกรมไดรเวอร์ (Driver) ยังคงถูกใช้งานเพื่ออ่านค่าจากอุปกรณ์ IED ปลายทางและไดรเวอร์ดังกล่าวสามารถทำงานได้บนระบบปฏิบัติเดิมเท่านั้น และบางครั้งผู้ใช้อาจต้องการแค่อัพเดตระบบปฏิบัติการเพื่อจะใช้ฮาร์ดแวร์ให้ได้นานขึ้น ดังนั้นวิธีการที่จะติดตั้งระบบมาตรฐาน IEC61850 จะโปรแกรมแอพพลิเคชั่นหลักจะต้องสนับสนุนไดรเวอร์หลากหลายบนหลากหลายระบบปฏิบัติการ
ในระบบควบคุมปัจจุบันซึ่งเป็นยุคดิจิตอล คอมพิวเตอร์ชนิดฝังตัวมักจะถูกใช้กับงานเฉพาะทางที่ปรับปรุงให้เข้ากับระบบงานให้ดีที่สุด ดังนั้นการเลือกแพลตฟอร์มสำหรับฮาร์ดแวร์จึงเป็นสิ่งที่สำคัญเป็นอย่างมาก โดยคอมพิวเตอร์ชนิดฝังตัวดังกล่าวควรสนับสนุนการคอมไพล์สร้างโปรแกรมเป็นรหัสคำสั่งของฮาร์ดแวร์ (Native Compilation Support) อีกความสามารถที่ควรสนับสนุนนั้นคือการสื่อสารไร้สาย เนื่องจากแต่องค์ประกอบของสถานีย่อยไฟฟ้านั้นอาจถูกติดตั้งกระจัดกระจายตามแต่ละพื้นที่ เทคโนโลยีไร้สายจึงมักถูกนำมาพิจารณาสำหรับการสื่อสาร หรือเป็นระบบสื่อสารสำรอง อย่างไรก็ตามยังไม่มีการกำหนดหลักเกณฑ์มาตรฐานให้ระบบสื่อสารไร้สายจะมั่นคงตลอดเวลาสำหรับงานสถานีย่อยไฟฟ้า ดังนั้นบางบริษัทสื่อสารจึงจะได้กำหนดหลักเกณฑ์ของตนเองสำหรับการใช้การสื่อสารไร้สายในสถานีย่อยไฟฟ้ามาตรฐาน IEC61850
เมื่อสถานีย่อยไฟฟ้าได้รับการปรับปรุงด้วยมาตรฐาน IEC61850 ซึ่งถือว่าเป็นเทคโนโลยีใหม่ ปัญหาอีกหลายปัญหาก็อาจจะเกิดขึ้นได้ ดังนั้นจึงต้องระมัดระวังป้องกันระงับปัญหา
เนื่องจากระบบสื่อสารยังถูกมองว่าเป็นระบบงานรอง ดังนั้นความรู้ความชำนาญ วิธีการแก้ไขปัญหาเกี่ยวกับการสื่อสารข้อมูลจึงมักเป็นข้อกังวลของวิศวกรที่ดูแลสถานีย่อยไฟฟ้า ในสถานีย่อยไฟฟ้าที่รับการปรับปรุง การจัดการกับการสื่อสารแบบอนุกรมผิดพลาด (เช่น ข้อผิดพลาดบนโปรโตคอล MODBUS) สามารถเป็นปัญหาที่แก้ไขอย่างยากลำบาก เพราะว่าวิศวกรไฟฟ้าบ่อยครั้งต้องใช้เวลาในการลองผิดลองถูกเพื่อแก้ไขปัญหา แต่อย่างไรก็ตามก็มีเครื่องมือที่จะช่วยในการมอนิเตอร์การส่งข้อมูลและการตรวจสอบโปรโตคอลที่สามารถช่วยในการหาข้อผิดพลาดในการสื่อสารและช่วยระยะเวลาระบบหยุดทำงานให้สั้นลงได้
ระยะเวลาประมวลผลเกือบทั้งหมด สำหรับอุปกรณ์ IED คอมพิวเตอร์ระดับสเตชั่นจะถูกใช้สำหรับรันโปรแกรมแอพพลิเคชั่นรวมทั้งระบบปฏิบัติการ แต่ในบางกรณีวิศวกรอาจต้องการเทคโนโลยีแบบเสมือนจริง (Virtualization Technology) เช่น การทำงานซอฟต์แวร์ของ Vmware ที่สามารถทำงานได้อย่างอิสระบนทุกแพลตฟอร์มด้วยเทคนิคที่เรียกว่า เครื่องจักรเสมือน (VM: Virtual Machine) โดยมีข้อดีที่สำคัญดังต่อไปนี้
รูปที่ 12 แสดงการประยุกต์ใช้งาน Virtual Machine
ระบบระดับสเตชั่นถ้าจะอ้างอิงก็คือ ระบบปฏิบัติการของคอมพิวเตอร์ระดับสเตชั่น ดังนั้นระบบปฏิบัติการที่ฉลาดจะต้องมีฟังก์ชั่นกู้คืนระบบ ซึ่งก็ถือว่าเป็นฟังก์ชั่นที่สำคัญในสถานีย่อยไฟฟ้าในปัจจุบัน ถ้าระบบปฏิบัติการไม่มีฟังก์ชั่นกู้คืนระบบ เมื่อเกิดข้อผิดพลาดไม่ว่าจะเป็นส่วนใดของซอฟต์แวร์ใด ๆ ก็อาจจะทำให้ระบบทั้งหมดล้มเหลวได้ จากการสำรวจพบว่าจำนวนเปอร์เซ็นต์สาเหตุที่ระบบคอมพิวเตอร์ล้มเหลวที่เกิดจากข้อผิดพลาดของซอฟต์แวร์นั้นสูงถึง 30% อย่างไรก็ตามวิศวกรในสถานีย่อยส่วนใหญ่จะเชี่ยวชาญทางด้านระบบไฟฟ้าและไม่มีความรู้เพียงพอเกี่ยวกับคอมพิวเตอร์และระบบปฏิบัติการ ดังนั้นเพื่อลดระยะเวลาดาวน์ไทม์ ถ้าระบบปฏิบัติการสามารถกู้คืนสภาพในระดับไบออสก็เป็นสิ่งที่ดี
รูปที่ 13 แสดงฟังก์ชั่นกู้คืนระบบ 2 วิธีการ
เอกสารอ้างอิง
1. MOXA: IEC61850 Communication and Computing Solution for Substation Automation Systems Guidebook.
2. J.Fulcher, An Introduction to Microcomputer Systems: Architecture and Interfacing. Addison-Wesley, Sydney, 1989
3. S. Mackay, E.Wright, D.Reynders and .J Park, Practical Industrial Data Network: Design, Installation and Troubleshooting. IDC Technologies, Perth,2004
4. International Electrotechnical Commision. IEC60870-5 Telecontrol equipment and systems. Part 5: Transmission protocols
5. K. Brand, V.Lohmann, and W.Wimmer, “Substation Automation Handbook”, Utility Automation Consulting Lohmann, Bremgaten, Switzerland, 2003.
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
