พิชิต จินตโกศลวิทย์
หนึ่งในคุณสมบัติที่ IEC61850 ประยุกต์ใช้ คือ การทำให้การส่งข้อมูลเป็นเรียลไทม์ โดยการใช้วิธีการจัดระดับความสำคัญของเมสเซจข้อมูล ระบบงาน หรือ วงจรควบคุมป้องกันที่เชื่อมต่อระหว่างกันโดยใช้สายทองแดง หรือฮาร์ดไวร์ หรือ ใช้การสื่อสารข้อมูลโดยมีวิธีการจำเพาะ เช่น การประยุกต์ใช้เมสเซจ GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) ที่มีความเร็วในการส่งข้อมูลสูง
การที่เราจะติดตั้งเพื่อใช้งานระบบสื่อสารตามมาตรฐาน IEC61850 ในสถานีย่อยไฟฟ้านั้น ยังมีความจำเป็นต้องทำความเข้าใจในหลักการหลาย ๆ ด้าน ไม่ว่าจะเป็นหลักการทำงาน, เครื่องมือ เทคโนโลยีสื่อสารที่เกี่ยวข้องกับโปรโตคอล มาตรฐาน IEC61850 อนุญาตให้มีการสื่อสารระหว่างอุปกรณ์ทางด้านทุติยภูมิ (Secondary Device) ในสถานีย่อยแบบเพียร์ทูเพียร์ (Peer-to-peer) ซึ่งแต่ละอุปกรณ์จะมีสิทธิเท่าเทียมกัน โดยการสื่อสารดังกล่าวใช้การบริการสื่อสารที่เรียกทางเทคนิคว่า GSE (Generic Substation Event) ซึ่งจะมีความเร็วสูงและมีความเชื่อถือได้เพียงพอในการป้องกันความผิดพลาด หนึ่งในเมสเซจที่สำคัญที่สุดในการบริการแบบ GSE นั้นคือ เมสเซจ GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) ที่ทุกคนต้องเคยได้ยินมาบ้าง และเพื่อจะทำงานได้มีประสิทธิภาพดีขึ้น ผู้ใช้ต้องศึกษารายละเอียดโครงสร้างของเมสเซจ GOOSE ที่ต้องการสำหรับวิเคราะห์หาข้อผิดพลาด หรือ ใช้เพื่อพัฒนาฮาร์ดแวร์ หรือซอฟต์แวร์ที่เข้ากันได้กับมาตรฐาน IEC61850 ในปัจจุบันมาตรฐานสื่อสารแบบสากล สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำงานภายใต้สภาพแวดล้อมสถานีย่อยไฟฟ้าที่ถูกนำมาใช้งานมากที่สุด คือ มาตรฐาน IEC (International Electrotechnical Commission) โดยมีหนึ่งในมาตรฐานที่สำคัญคือ IEC61850 ซึ่งได้ถูกเผยแพร่และใช้งานอย่างกว้างขวางในเรื่องการสื่อสาร, ความคงทน และวิธีการแลกเปลี่ยนข้อมูลที่ใช้งานภายในสถานีย่อย แต่อย่างไรก็ตาม มาตรฐาน IEC61850 นั้นถ้าเทียบกับมาตรฐานอื่นก่อนหน้าก็ถือว่าเป็นมาตรฐานใหม่โดยมีหนึ่งในเป้าหมายหลักคือ ต้องการทำให้มั่นใจได้ว่าอุปกรณ์ทางด้านทุติยภูมิที่มาจากต่างผู้ผลิตสามารถทำงานร่วมกันได้ (Interoperability) โดยเฉพาะสำหรับเหตุการณ์ หรือ อีเวนต์ (Event) ที่มีความสำคัญสูง เช่น ระบบป้องกันของอุปกรณ์นั้นทำงาน ซึ่งเมสเซจ GOOSE จะถูกใช้ในการแลกเปลี่ยนข้อมูลสำหรับงานที่มีความสำคัญสูงบนเครือข่ายท้องถิ่นแบบอีเทอร์เน็ต (Ethernet)
อุปกรณ์ทางด้านทุติยภูมิในสถานีย่อย ยกตัวอย่างเช่น รีเลย์ป้องกัน ได้ถูกพัฒนาเรื่อยมาจากอิเล็กทรอแมคานิคอลรีเลย์ มาเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อัจฉริยะ ที่เรียกว่า IED (Intelligent Electronic Device) ที่ใช้ความสามารถของไมโครคอนโทรลเลอร์สมัยใหม่ในการสื่อสารระหว่างอุปกรณ์ IED ด้วยกัน ถ้ากล่าวไปแล้วยังมีอีกเทคโนโลยีที่สำคัญ คือเทคโนโลยีอีเทอร์เน็ตซึ่งมีบทบาทหลักในการพัฒนาการสื่อสารในสถานีย่อยโดยเฉพาะอุปกรณ์อีเทอร์เน็ตสวิตช์ (Ethernet Switch) แบบ Layer-3 ซึ่งความสามารถของเครือข่ายท้องถิ่นแบบเสมือน (Virtual LAN:VLAN) นั้นเพิ่มความเร็วในการส่งข้อมูล และการควบคุมการไหลข้อมูลที่ดีขึ้นอย่างมาก จนทำให้อีเทอร์เน็ตกลายเป็นเทคโนโลยีที่เชื่อถือได้สูงและเหมาะกับระบบงานแบบเวลาจริงได้
รูปที่ 1 แผนผังการบริการ ACSI
มาตรฐาน IEC61850 ได้เตรียมการบริการสื่อสารแบ่งเป็นสองกลุ่มหลักระหว่างแต่ละเอนทิตี้ (Entity) ภายในระบบสถานีย่อยอัตโนมัติ (SAS: Substation Automation System) ตามรูปที่ 1 โดยกลุ่มแรกจะใช้หลักการไคลเอนต์เซิร์ฟเวอร์ (Client-Server) ซึ่งเป็นการบริการที่เหมาะสมกับการรายงานเหตุการณ์ (Reporting) และการสวิตชิ่งจากระยะไกล (Remote Switching) ซึ่งไม่มุ่งเน้นการรับรู้แบบเวลาจริง สำหรับการบริการกลุ่มที่สองใช้หลักการแบบเพียร์ทูเพียร์ เหมาะกับการสื่อสารของระบบงานที่มีความวิกฤติทางด้านเวลา เช่น การสื่อสารระหว่าง IED เพื่อระบบป้องกัน หรือ ระบบอัตโนมัติความเร็วสูง ตามเอกสาร ส่วน IEC61850-8-1 ระบุว่า GOOSE นั้นถูกอนุญาตให้ส่งแบบบรอดคาสต์แบบเจาะจงกลุ่มผู้รับ (Multicast) ภายในเครือข่ายท้องถิ่นได้ ทำให้หนึ่งสัญญาณสามารถสั่งให้หลาย IED ทำงานพร้อมกันได้ ยกตัวอย่าง การทำงานของฟังก์ชั่น CBF (Circuit-breaker Failure)
รูปที่ 2 ฟังก์ชั่นของการบริการ ACSI
สิ่งหนึ่งที่สำคัญ นั้นคือ วิธีการเชื่อมต่อแบบโลจิกที่เป็นการเชื่อมต่อภายในซอฟต์แวร์ ที่เรียกว่า ACSI (Abstract Communication Service) ซึ่งแสดงในรูปที่ 2 จะถูกควบคุมด้วยเอกสาร ส่วน IEC61870-7-2 ซึ่งนิยามการบริการพื้นฐานสำหรับอุปกรณ์ IED ในสถานีย่อย และได้นิยาม 2 กลุ่มการสื่อสารทั้งแบบ ไคลเอนต์เซิร์ฟเวอร์ และเพียร์ทูเพียร์ สำหรับการบริการแบบ GSE นั้นให้ความเร็วและความเชื่อถือได้แบบกระจายวงกว้างทั้งข้อมูลแบบอินพุตและเอาต์พุต บนพื้นฐานหลักการพับลิชเชอร์/ซับสไครเบอร์ (Publisher/Subscriber) เทียบเคียงระหว่างผู้ผลิตวารสารและผู้รับวารสาร วิธีการดังกล่าวสนับสนุนในการแจ้งเหตุการณ์ในสถานีย่อยแบบกระจายให้มากกว่าหนึ่งอุปกรณ์ผ่านการใช้บริการมัลติคาสต์และบรอดคาสต์ระหว่างซึ่งกันและกัน โดยมี 2 คอนโทรลคลาส (Control Class) และโครงสร้างของเมสเซจที่ถูกนิยามในมาตรฐาน นั้นคือ เมสเซจ GSSE (Generic Substation State Event) ที่สามารถส่งสถานะแบบลักษณะคู่บิต (Bit Pair) และเมสเซจ GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) ที่สามารถส่งข้อมูลในลักษณะชุดของข้อมูล หรือ ดาต้าเซต (Data-Set) ที่มีระเบียบแบบแผนและข้อมูลที่มากกว่าและปัจจุบันถูกใช้งานแทนที่ GSSE เกือบ 100% ขอบเขตของการสื่อสารสำหรับมาตรฐาน IEC61850 และการเชื่อมต่อทางโลจิกจะแสดงที่หน้า 13 ของส่วนเอกสาร IEC61850-1 โดยได้ระบุว่า การเชื่อมต่อแบบโลจิกที่ 8 ถูกใช้สำหรับการแลกเปลี่ยนข้อมูลโดยตรงระหว่างเบย์ (เพียร์ทูเพียร์) แต่อย่างไรก็ตามเมสเซจ GOOSE ก็ยังอาจถูกใช้ระหว่างอุปกรณ์เบย์เลเวลกับสเตชั่นเลเวล ดังแสดงในรูปที่ 3
รูปที่ 3 ฟังก์ชั่นของการบริการ ACSI
ขั้นตอนการแมปปิ้งโปรโตคอลสำหรับบริการ ACSI ของ IEC61850 จะแสดงในรูปที่ 4 โดยเมสเซจ GOOSE จะมีความเกี่ยวข้องกับ 3 เลเยอร์ของโมเดล OSI (Open Systems Interconnection) นั้นคือ ฟิสิคอลเลเยอร์, ดาต้าลิงก์เลเยอร์ และแอพพลิเคชั่นเลเยอร์ ดังในหน้าที่ 114 ของเอกสารส่วน IEC61850-8-1 ซึ่งแสดงโครงสร้างของเมสเซจ GOOSE และนี้คือจุดเริ่มต้นในการวิเคราะห์เมสเซจ GOOSE ซึ่งจะทำจำลองเมสเซจ GOOSE ด้วยซอฟต์แวร์ และรีเลย์ป้องกันรวมทั้งใช้เครื่องมือช่วยดักจับและวิเคราะห์ นั้นคือ ซอฟต์แวร์ Wireshark และ IEDScout
รูปที่ 4 การบริการ ACSI กับโมเดล OSI
ซอฟต์แวร์ IEDScout เป็นหนึ่งในซอฟต์แวร์ที่ดีมาก รวมทั้งสามารถดาวน์โหลดเพื่อมาทำการศึกษาก่อนจัดซื้อได้ โดยเราสามารถสร้างเมสเซจ GOOSE หรือ มอนิเตอร์เมสเซจ GOOSE ในเครือข่ายแบบเวลาจริงได้ การแสดงผลของ IEDScout ง่ายและเพียงพอในการใช้งาน สำหรับการทดสอบเราจะเตรียมอุปกรณ์ตามรูปที่ 5 โดยที่ IEDScout จะถูกใช้เพื่อสร้างเมสเซจ GOOSE บนเครื่องคอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะผ่านการ์ดแลน (NIC: Network Interface Card) และซอฟต์แวร์ Wireshark ที่เปิดใช้งานบนคอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊กจะถูกใช้เพื่อดักจับเมสเซจ GOOSE คอมพิวเตอร์ทั้งสองประเภทจะเชื่อมต่อเข้ากันผ่านอีเทอร์เน็ตสวิตช์
รูปที่ 5 การทดสอบด้วยซอฟต์แวร์ IEDScout และ Wireshark
รูปที่ 6 การเตรียมการทดสอบเมสเซจ GOOSE โดยอุปกรณ์และเครื่องมือแบบฮาร์ดแวร์ อุปกรณ์ IED ในที่นี้ คือ รีเลย์ป้องกันมาจากสองผู้ผลิต แล้วเชื่อมต่อกันแบบแลนด้วยอีเทอร์เน็ตสวิตช์ และใช้เมสเซจ GOOSE สื่อสารทำฟังก์ชั่นระหว่างกัน การทดลองนี้ใช้เครื่องสร้างกระแส 3 เฟส (Omicron CMC356) ป้อนกระแสไปยัง IED ตัวที่หนึ่ง โดยที่เมสเซจ GOOSE จาก IED ที่ 1 จะถูกส่งไปบนเครือข่าย ซึ่ง IED ที่ 2 ได้ถูกตั้งให้ซับสไครเบอร์ของ IED ที่ 1 ดังนั้นค่าวัด 3 เฟสของ IED ที่ 1 สามารถที่จะไปแสดงผลบนจอ LCD ของ IED ที่ 2 ได้จากการส่งเมสเซจ GOOSE และเพื่อที่จะตรวจสอบการทำงานร่วมกันได้ทั้งสองทิศทาง IED ที่ 1 ก็จะถูกต้องค่าให้เป็นซับสไครเบอร์ของ IED ที่ 2 เช่นกัน โดยการทดลองนี้จะตั้งค่าการกดปุ่มคีย์แพดที่ IED ที่ 2 แล้วหลอด LED ของ IED ที่ 1 จะติดสว่าง จากกรณีศึกษานี้จะพบว่า เมสเซจ GOOSE นั้นสามารถใช้แลกเปลี่ยนค่าทั้งแบบไบนารี และค่าวัดได้ โดยสามารถใช้ Wireshark ในการตอบสอบการส่งเมสเซจ GOOSE ได้
รูปที่ 6 การทดสอบด้วยฮาร์ดแวร์ IED จากต่างผู้ผลิต และ Wireshark
ถ้าจะกล่าวเกี่ยวกับซอฟต์แวร์ Wireshark นั้นเป็นซอฟต์แวร์ฟรีที่มีประสิทธิภาพสูง สามารถทำการแปลโปรโตคอลได้มากมาย หนึ่งในโปรโตคอลที่แปลได้ก็คือ IEC61850 แต่ก็ไม่ได้มีความสามารถแปล IEC61850 แบบปริยาย ผู้ใช้ต้องมีการตั้งค่า PRES Users Context ดังแสดงในรูปที่ 7
รูปที่ 7 การตั้งค่า Wireshark ให้แปลเมสเซจ IEC61850
เราสามารถทำการศึกษาโครงสร้างของเมสเซจ GOOSE จากการดักจับเมสเซจจากการจำลองในรูปที่ 5 และ 6 โดยแต่ส่วนของเมสเซจ GOOSE จะถูกแสดงดังรูปที่ 8
รูปที่ 8 แสดงการแปลเมสเซจ GOOSE ที่สร้างจาก IEDScout ด้วย Wireshark
ซึ่งโครงสร้างทางซ้ายมือของรูปที่ 8 จะเป็นโครงสร้างมาตรฐานตามเอกสาร สำหรับส่วนบนของรูปจะเป็นพารามิเตอร์ที่ผู้ใช้กำหนดในเมสเซจ GOOSE ด้วยซอฟต์แวร์ IEDScout ทางด้านซ้ายมือล่างของรูปแสดงผลการดักจับด้วย Wireshark โครงสร้างของเมสเซจ GOOSE จะประกอบด้วยส่วนที่จำกัดความยาวแน่นอนและค่าคงที่ และส่วนที่จำกัดด้วยชนิดของข้อมูลและค่ามีการเปลี่ยนแปลงบ่อย โดยในส่วนถัดไปจะประกอบด้วยส่วนที่เปลี่ยนแปลงได้ทั้งความยาวและเนื้อหาตามที่ผู้ใช้ที่ต้องการแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่าง IED เช่น ชนิดข้อมูลที่ผู้ใช้กำหนดเองซึ่งมีหลายข้อมูลย่อยอยู่ภายใน
รูปที่ 9 แสดงโครงสร้างเฟรมอีเทอร์เน็ต
ลำดับแรก คือ ส่วนที่คงที่ หรือ ค่าค่อนข้างคงที่ของโครงสร้างเมสเซจ GOOSE ซึ่งจะสามารถถูกตรวจสอบได้ง่าย เช่น ฟิลด์เริ่มต้นและปิดท้ายของเฟรมอีเทอร์เน็ต (Preamble และ FCS) และส่วนที่สำคัญที่มีขนาดคงที่นั้นคือ ที่อยู่ปลายทางต้นทาง หรือ แอดเดรส (Address) โดยเฉพาะปลายทางต้องเป็นหมายเลขกลุ่มมัลติคาสต์ซึ่งมีขนาดคงที่ 6 ไบต์ ในขนาดที่ต้นก็มีขนาด 6 ไบต์ เช่นเดียวกัน แต่อยู่ในกลุ่มยูนิคาสต์ (Unicast) ดังแสดงตัวอย่างในรูปที่ 9 สำหรับเทคโนโลยีปัจจุบันเฟรมอีเทอร์เน็ตนั้นสามารถถูกจัดลำดับความสำคัญของเฟรมได้ด้วยมาตรฐาน IEEE802.Q ซึ่งถูกใช้เพื่อแยกทราฟฟิก (Traffic) ที่วิกฤติ และมีความสำคัญสูงของระบบป้องกันและระบบอัตโนมัติออกจากทราฟฟิกของเมสเซจปกติ มาตรฐาน IEEE802.Q หรือ เวอร์ชวลแลน (VLAN:Virtual LAN) จะใช้ไบต์จำนวน 4 ไบต์ ซึ่งประกอบด้วย ฟิลด์ TPID (Tag Protocol Identifier), ฟิลด์ TCI (Tag Control Information) และหมายเลขระบุประเภทการใช้งานเฟรมอีเทอร์เน็ต (Ethertype) สำหรับเวอร์ชวลแลนตามมาตรฐาน IEEE802.Q นั้น ฟิลด์ TPID จะมีรหัสหมายเลข 0x8100 สำหรับฟิลด์ TCI จะประกอบด้วยอีก 2 ฟิลด์ย่อย นั้นคือ ฟิลด์ CFI (Canonical Frame Indicator) และ VID (VLAN Identifier) สำหรับ Ethertype ของเมสเซจ GOOSE จะมีรหัส 0x88b8 จำนวน 2 ไบต์ซึ่งระบุในเอกสารมาตรฐาน IEC61850-8-1 หน้า 115 และแสดงตัวอย่างในรูปที่ 10 สำหรับการใช้เมสเซจ GOOSE นั้นหนึ่งในฟิลด์ที่สำคัญที่ผู้ใช้ต้องกำหนดให้ถูกต้อง คือ ฟิลด์ APPID (Application Identifier) ซึ่งมีขนาด 2 ไบต์ถูกใช้เพื่อเลือกเมสเซจจากเครือข่ายในการทำฟังก์ชั่นในแอพพลิเคชั่นที่ถูกแอพพลิเคชั่น
รูปที่ 10 แสดงโครงสร้างเฟรมของเมสเซจ GOOSE
1. K.Budka, J.Deshpande, T.Doumi, M. Madden, T.Mew: Communication Network Architecture and design principles for Smart Grid, Bell Labs Tech., 2010
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.
6. Natural Resources Defense Council: Renewable Energy for America, NRDC
7. C.Kriger, S.Behardien, and J.Reonda-Modiya, A Detailed Analysis of the GOOSE Message Structure in an IEC61850 Standard-Based Substation Automation System, 2013
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
