การใช้ระบบสถานีย่อยอัตโนมัติขั้นสูง เช่น Wide area Phasor monitoring with Phasor Measurement Unit (PMU) และ sampled value process buses ต้องการ การ Synchronize ที่มีระดับความแม่นยำสูงกว่า 1 ไมโครวินาที แทนที่จะเป็นเพียง 1-2 มิลลิวินาทีอย่างที่ใช้กันทั่วไป, ปัจจุบันใช้ Ethernet ในการติดต่อสื่อสารกันระหว่างระบบ SCADA และ Protection relays ในสถานีย่อยอัตโนมัติ Precision Time Protocol: PTP ซึ่งเป็น ระบบ Time synchronization system ที่ใช้ LAN ของสถานีย่อยเพื่อการ Synchronize กับ Protection relays, Merge units และอุปกรณ์อื่นๆ ซึ่งมีความแม่นยำมากกว่า 1 ไมโครวินาที แทนที่การใช้ระบบ Dedicated time distribution
รายงานนี้จะอธิบายการใช้ PTP ในสถานีย่อยอัตโนมัติ เพื่อแก้ปัญหาในเรื่องความเข้ากันไม่ได้(incompatibilities)และจุดอ่อนของระบบ Time distribution ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน, การทำงานของ PTP โดยใช้ “Power Profile” จะอธิบายและเป็นตัวอย่างในการใช้ PTP สำหรับสถานีย่อยใหม่และสถานีย่อยที่มีอยู่เดิมแล้ว
Tekron มีประสบการณ์มากกว่า 15 ปีในการเป็นผู้ผลิต Timing equipment สำหรับอุตสาหกรรมพลังงาน ผลิตภัณฑ์ timing ในสถานีย่อยของเรารองรับ PTP และรายงานฉบับนี้อธิบายว่ามันจะสามารถรองรับความต้องการในด้าน timing ของระบบสถานีย่อยอัตโนมัติสมัยใหม่นี้ได้อย่างไรโดยที่มันยังคงความเข้ากันได้กับ substation protection และ control designs ที่มีอยู่เดิม รายงานฉบับนี้จะทำให้ผู้ควบคุมดำเนินงานในด้านสาธารณูปโภคและสถานีย่อยต่างๆในอุตสาหกรรมได้รับประสบการณ์และข้อมูลที่ควรทราบของ PTP
ระบบ time synchronization ในสถานีย่อยได้ถูกติดตั้งเพื่อรับประกันความคงที่ของการบันทึกเวลาของเหตุการณ์ต่างๆ (event time-stamping) ที่มีความแม่นยำในหลัก 1 มิลลิวินาที แต่ในปัจจุบันมีความต้องการความแม่นยำมากกว่านั้นในหลักของ 1 ไมโครวินาที สำหรับสถานีย่อยอัตโนมัติขั้นสูง เช่น Wide area Phasor monitoring with PMU และ sampled value process buses
แนวทางในการ synchronize protection relays และ อุปกรณ์ควบคุมต่างๆมีอยู่ 2 วิธีหลัก คือ:
ส่วนที่เหลือของหมวดนี้จะใช้เพื่ออภิปรายระบบ time synchronization ที่ใช้ทั่วไป และ ข้อดี-ข้อเสียของแต่ละระบบ
ระบบ synchronization ในสถานีย่อยที่ใช้ระบบการแจกจ่าย (Distribution system) จะเชื่อมต่อด้วยสายเคเบิ้ลของตัวเองซึ่งอาจจะเป็นประเภท coaxial, twisted pair หรือ fibre-optic ซึ่งมี 2 วิธีหลัก คือ:
การสื่อสารข้อมูลระหว่าง protection relay และระบบ SCADA ไม่มีผลกระทบต่อความแม่นยำของ time synchronization ระบบการแจกจ่ายเป็นการเพิ่มค่าใช้จ่ายในการประกอบระบบเนื่องจากต้องเพิ่มการใช้สาย cable, terminal blocks และเอกสารกำกับ (Documentation) การทำเช่นนี้อาจส่งผลกระทบในด้านต้นทุนที่มากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในระบบของสถานีที่มีขนาดใหญ่
รูปที่ 1 แสดงให้เห็นถึงการใช้ IRIG-B สำหรับ Time synchronization และ Ethernet สำหรับการส่งข้อมูล อย่างไรก็ตาม ในสถานีย่อยที่เก่าๆอาจใช้ RS485 และ .ใช้ Twisted pair cable แทน Coaxial cable สำหรับ IRIG-B ในหลายๆสถานีย่อย
รูปที่ 1: Illustration of separate timing and communication networks in a substation automation system.
วิธีการ time synchronization ที่ใช้อย่างแพร่หลายที่สุดในสถานย่อยต่างๆ คือ IRIG-B time code ซึ่งใช้ระบบ dedicated distribution network โดยที่ time code นี้สามารถถูกส่งเป็นข้อมูลดิบในรูปของ pulse ผ่านสายทองแดงที่เป็น coaxial หรือ twisted pair และ สาย fibre-optic หรือถูกส่งเป็น amplitude modulated (AM) carrier ที่ความถี่ 1 kHz ผ่านสาย coaxial. IRIG-B ถูกขยายออกไปในไม่กี่ปีที่ผ่านมาโดย IEEE standards for synchrophasors (IEEE Std 1344-1995, IEEE Std C37.118-2005 และล่าสุดโดย IEEE[1] Std C37.118.1-2011) การขยายนี้ทำให้มีข้อมูล เช่น ปี, โซนของเวลาจาก Coordinated Universal Time (UTC), daylight saving (summer) time, และคุณภาพของเวลาที่สำคัญต่อสถานีย่อยอัตโนมัติ Unmodulated IRIG-B มีความแม่นยำถึงระดับ sub-microsecond แต่อย่างไรก็ตาม client device ได้ถูกจำกัดให้มีความแม่นยำอยู่เพียงระดับ millisecond ตามการออกแบบ
รูปแบบและการส่ง Time code ของ IRIG-B สามารถทำได้หลายแบบ แต่กระนั้นอุปกรณ์ต่างๆในสถานีย่อยนั้นมาจากหลากหลายผู้ผลิตและใช้รูปแบบ time synchronization ไม่เหมือนกันจึงทำให้ไม่สามารถเข้ากันได้ และทำให้ต้องใช้ IRIG-B time code มากกว่า 1 สัญญาณ ความแตกต่างที่ว่านั้นอาจจะเป็นเพราะชนิดของสัญญาณ (modulated หรือ unmodulated) หรือ การอ้างอิงเวลาของอุปกรณ์ต่างๆนั้นไม่เหมือนกัน (local time หรือ UTC)
IRIG-B แบบต่างๆสามารถแยกแยะได้จาก code values เช่น
รูปที่ 2 ได้นำมาจาก IRIG Standard 200-04, เปรียบเทียบกับสัญญาณ unmodulated และ modulated ที่ใช้ใน IRIG-B time code
รูปที่ 2: IRIG-B specification for the start of message reference and the data pulses (“0” and “1”) for unmodulated and modulated signals.
Client device เช่น protection relay ต้องถูกตั้งค่าให้เข้ากันได้กับ master clock (UTC กับ เวลาท้องถิ่น หรือ fixed time zone fixed, หรือ set by IEEE extensions extension และอื่นๆอีกมากมาย) ความยืดหยุ่นในการตั้งค่าของ protection relay นั้นแตกต่างกันในแต่ละตัวถึงแม้ว่ามันจะมาจากผู้ผลิตรายเดียวกันก็ตาม protection relay บางตัวสามารถตั้งค่าให้ยอมรับ IRIG-B time code เกือบทุกค่า แต่ก็มี protective relay บางตัวที่มีข้อจำกัดในความยืดหยุ่นนี้
ปัญหาอื่นๆที่ผู้ออกแบบสถานีย่อยพบเมื่อใช้ IRIG-B คือ loading/burden ใน time distribution network, transmission line termination, immunity to noise, galvanic isolation และ การบำรุงรักษา ความสามารถในการจ่าย output ของ master clock จะอยู่ในช่วง 15mA ถึง 150mA แต่ protection relay ต่างรุ่นและโมเดลจะมีค่า load ที่แตกต่างกัน (โดยทั่วไปแล้วจะอยู่ที่ 5mA ถึง 10mA) สำหรับ master clock ด้วยเหตุนี้ทำให้การออกแบบ timing สำหรับ protection relay จำนวนมาก เช่น distribution หรือ industrial substations with medium voltage (6.6kV ถึง 33kV) metal-clad switchgear นั้นซับซ้อนกว่าที่มันควรจะเป็น
1-PPS สามารถนำมาใช้เพื่อเป็นจุดอ้างอิงที่แม่นยำในการ synchronize แต่จะไม่มีข้อมูลเรื่องเวลาของวัน กระนั้นมันก็เพียงพอสำหรับการใช้สุ่มค่าจาก process bus ในปัจจุบัน แต่ข้อมูลเวลาของวันอาจจะเป็นที่ต้องการในอนาคตสำหรับบันทึกเหตุการณ์และ time stamp หรือต้องการพิสูจน์ความน่าเชื่อถือโดยใช้ข้อความที่ต้องถูกถอดรหัส (cryptographic message authentication) ข้อกำหนดของ 1-PPS ที่ใช้ในการ synchronize สัญญาณจากสถานีย่อย คือ IEC 60044-8[2] และอ้างอิงโดย IEC 61850-9-2[3] process bus implementation guideline หรือ “9-2 Light Edition” มาตรฐานฉบับร่างของ IEC 61869-9 สำหรับ merging unit communication ยังคง 1-PPS over fibre optic เป็น option สำหรับ time synchronization
รูปที่ 3 แสดงให้เห็นถึงรายละเอียดของ 1-PPS pulse เวลาในการ rise และ fall (tf) ระหว่างระดับ 10% และ ระดับ 90% ต้องอยู่ภายใต้เวลา 200 นาโนวินาที และเวลา high (th) ต้องอยู่ในช่วงเวลาระหว่าง 10 ไมโครวินาทีถึง 500 มิลลิวินาที (วัดที่ระดับ 50%)
รูปที่ 3: Graphical representation of 1-PPS signal specification.
I-PPS ต้องการ distribution network แยกต่างหาก ซึ่งสามารถใช้สายไฟที่ทำมาจากโลหะ (coaxial หรือ twisted pair) หรือ fibre-optic (multi-mode หรือ single mode)
การแจกจ่ายของสัญญาณ IRIG-B และ 1-PPS โดยการใช้สัญญาณไฟฟ้าสามารถทำได้ง่ายกว่าการส่งผ่านด้วย fibre-optic เพราะสามารถทำผ่าน multi-drop connection (โดยมีข้อแม้ว่า loading ของ source นั้นอยู่ภายในขอบเขตจำกัด) แต่การทำเช่นนี้จะส่งผลให้เกิดแรงดันเพิ่มขึ้น (potential rise) ระหว่าง panels. Optical distribution สามารถการันตีในเรื่องของ galvanic isolation และกำจัดการรบกวนของ inductive หรือ conductive interference แต่ทั้งนี้ต้องมี distribution repeater เฉพาะเพื่อแยกสัญญาณของแต่ละ protection relay. แนวทาง (guideline) ของ 9-2LE สำหรับ IEC 61850-9-2 ต้องการทำการ time synchronization โดยใช้สาย fibre optic เพราะเหตุนี้จึงทำให้ต้องใช้ pulse distributer หรือ clock ที่ให้ multiple output ถ้ามีมากกว่า 1 merging unit
Propagation delay ผ่านสายทองแดงและสาย fibre-optic จะใช้เวลาประมาณ 5 นาโนวินาทีต่อเมตร เวลาที่ใช้ในการส่งนี้อาจจะมีนัยสำคัญเมื่อมีการเพิ่มสายส่ง และอาจจะทำให้ต้องการการชดเชย (compensation) จาก connected device แนวทางของ 9-2LE ตั้งขอบเขตของ “error” ไว้ที่ 2 ไมโครวินาที ก่อนที่จะต้องชดเชย(compensation) เหตุการณ์เช่นนี้มักจะเกิดจากการใช้สายส่งยาวประมาณ 400 เมตร และในหลายๆสถานีย่อย(transmission substation) ขนาดใหญ่จะใช้สายส่งสัญญาณยาวมากเกินกว่านี้ การชดเชยนี้จะใช้ขั้นตอนแบบ manual (manual process) ที่ต้องการใช้ distribution repeater delay เฉพาะของแต่ละความยาวสายสัญญาณที่ต่อเชื่อมกับแต่ละอุปกรณ์ (connected device)
ข้อมูลอย่างละเอียดจากการศึกษาการทำงานของ propagation delay และความแตกต่างระหว่าง 1-PPS, IRIG-B และ PTP สามารถหาอ่านเพิ่มเติมได้จากบทอ้างอิง [1]
ในปัจจุบัน เครือข่าย Ethernet ที่ใช้อย่างแพร่หลายในระบบสถานีย่อยอัตโนมัติสามารถนำมาใช้เพื่อการ synchronize เวลาของ internal clock ของอุปกรณ์ต่างๆที่มีอยู่ในสถานีย่อยทั้งหมด ซึ่งข้อดีนี้ทำให้ไม่ต้องใช้สายส่งเพิ่มเติม แต่ต้องใช้ protocol ที่เหมาะสมในอุปกรณ์ต่างๆ เช่น protection relay, power quality meters ฯลฯ เพื่อรับรองการ synchronize นี้
Network-based protocol มี 2 แบบที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย คือ Network Time Protocol (NTP) และ Precision Time Protocol (PTP) เมื่อ protocol ทั้ง 2 แบบนี้ถูกใช้ในสถานีย่อย ข้อความต่างๆจะถูกแลกเปลี่ยนผ่าน Ethernet[4]. ทั้ง NTP และ PTP สามารถชดเชย propagation delay ผ่านการสื่อสารแบบสองทาง (bidirectional communication). เมื่อเทียบระหว่าง NTP และ PTP แล้ว NTP จะถูกใช้เป็นตัวมาตรฐานและมีอยู่แพร่หลายมากกว่า แต่ PTP มีสมรรถภาพที่ดีกว่าเพราะ PTP ใช้ networking hardware พิเศษของมันเอง
รูปที่ 4 แสดงให้เห็นถึงการเชื่อมต่อที่เหมือนกันของทั้ง NTP และ PTP
รูปที่ 4: Network topology for NTP and PTP time synchronisation. PTP requires specific types of Ethernet switch, but NTP does not.
Networked protocol ทั้ง 2 ตัว สามารถรองรับ master clock ได้หลายตัว ซึ่งลดความซ้ำซ้อน (redundancy) และเพิ่มความน่าเชื่อถือของ time synchronization ในระบบสถานีย่อย มากไปกว่านั้น การมี master clock หลายตัวสามารถทำให้การดูแลรักษาบำรุงระบบสามารถทำได้โดยที่ไม่ต้องปิดระบบ timing (และอุปกรณ์ป้องกันอื่นๆที่ต้องพึ่งพาระบบ timing)
NTP ได้ถูกใช้อย่างแพร่หลายในสถานีย่อยผ่านเครือข่าย Ethernet ซึ่ง NTP servers (clocks) และ clients (protection relays) ที่มี.ใช้ทั่วไปในธุรกิจนี้มีความแม่นยำระหว่าง 1 ถึง 4 มิลลิวินาที แต่กระนั้นการออกแบบเครือข่าย Ethernet เพื่อลด packet delay variation จะต้องถูกนำไปพิจารณาร่วมด้วย
ข้อดีที่เห็นได้อย่างเด่นชัดของ NTP เมื่อเทียบกันกับ IRIG-B ในด้านจุดประสงค์ทั่วไปของ time synchronization คือ เวลาที่ส่งไปจะอ้างอิงเทียบกับ UTC ทุกครั้ง และด้วยข้อดีข้อนี้เอง ทำให้เข้ากันได้เป็นอย่างดีกับมาตรฐานของ protocol ต่างๆ เช่น IEC 61850 และ IEEE Std 1815 (DNP3) ซึ่งต้องใช้ time stamp ที่อยู่ในรูปแบบ UTC ถ้าหากว่าต้องการให้มีการแสดงเวลาท้องถิ่นบนจอแสดงผลด้านหน้าของ protection relay แล้วละก็จะต้องตั้งเองทั้ง local offset รวมทั้ง daylight saving transition dates มากไปกว่านั้น NTP ยังรองรับการมีหลาย master clock สำหรับ หนึ่ง client เพื่อความแม่นยำและน่าเชื่อถือที่มากของระบบ แต่เป็นที่น่าเสียดายที่ NTP ไม่สามารถมีความแม่นยำถึงขั้นไมโครวินาทีซึ่งเป็นขั้นที่ต้องการสำหรับ synchrophasor และการสุ่มค่าของ process buses
IEEE Std 1588-2008[5] กำหนด second generation ของ PTP ซึ่งเป็นที่รู้จักในชื่อ PTPv2 หรือ 1588v2 ซึ่งสามารถทำ time synchronization ที่แม่นยำมากโดยใช้ Ethernet hardware พิเศษที่บันทึกเวลาที่ถูกต้องตรงตามกับเวลาที่ข้อความ (message) ของ PTP synchronization ที่ได้รับที่ Ethernet card ข้อมูลนี้สามารถใช้ชดเชยในด้านของความไม่แน่นอนที่เกิดจาก real time operating systems และ delay ที่เกิดจากกระบวนการต่างๆทั้งที่ synchronization master และ อุปกรณ์ต่างๆที่ต้องถูก synchronize. พวกอุปกรณ์ time-stamping hardware จะไม่ส่งผลกระทบต่อการทำงานของ protocol ต่างๆที่ใช้วิ่งบน (running over) Ethernet ดังนั้น port เดียวกันจะสามารถใช้ได้ทั้ง IEC 61850, DNP3, IEC 60870-5-104, Modbus/IP และ protocol อื่นๆของสถานีย่อยอัตโนมัติ อย่างไรก็ตาม PTP hardware จะไม่ทำให้ราคาของ Ethernet switch สูงขึ้น อุปกรณ์ที่รองรับ PTP จะมีใน protection relay รุ่นใหม่ๆเท่านั้น หรือเป็นตัวเลือก (option) ที่จะต้องระบุตอนสั่งซื้ออุปกรณ์ (ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแต่ละ vendor ว่ามีoption ให้หรือไม่)
PTP สามารถรองรับ master-capable clock หลายตัว แต่ clock หลายตัวเหล่านี้จะโหวตกันเองเพื่อที่จะเลือก clock เพียงตัวเดียวขึ้นมาเป็น “grandmaster” แต่ถ้า grandmaster clock ล้มเหลวในการทำหน้าที่ของมันหรือทำหน้าที่ได้แย่กว่า master-capable clock ตัวอื่นที่อยู่ในเครือข่าย (network) เดียวกัน ตัวที่ทำหน้าที่ได้ดีกว่า (มีความแม่นยำที่สูงกว่า) จะผันตัวเองมาเป็น grandmaster แทน ระยะเวลาที่ใช้ในการปรับตัว(step up)ขึ้นเป็น grandmaster clock นั้นไม่แน่นอน แต่อย่างไรก็ตามถ้ามีการตั้งค่า(profile) PTP ให้เหมาะสำหรับการทำงานในอุตสาหกรรมพลังงานแล้วนั้น กระบวนการนี้จะใช้เวลาน้อยกว่า 5 วินาที
Precision Time Protocol (PTP) นั้นมีความยืดหยุ่นเป็นอย่างมากและสามารถประยุกต์ใช้ได้กับ time synchronization หลายๆรูปแบบ โดยที่มีความแม่นยำในระดับ 10 นาโนวินาที เมื่อใช้ร่วมกับพวกอุปกรณ์ networking ต่างๆที่สามารถหาซื้อได้ในท้องตลาด
หากต้องการความแม่นยำสูงจะทำได้โดยการใช้ PTPv2 ร่วมกับ Ethernet switch ชนิดพิเศษที่เรียกว่า “transparent clock” ซึ่งมันจะวัด “residence time” ของการ synchronize message ต่างๆ โดยที่ residence time ก็คือระยะเวลาที่ใช้ส่ง Ethernet frame ผ่าน switch ที่ซึ่งแปรผันได้ตามปริมาณ network load และส่งต่อไปยังอุปกรณ์ที่อยู่ถัดไป(downstream device) ซึ่งมันจะเป็นการชดเชยเวลาหน่วงของ switch (switch latency) เนื่องจากปริมาณการใช้ network (network traffic) และจะช่วยให้สมรรถนะของ PTP ดีขึ้นเมื่อมีการ shared Ethernet network การใช้ Transparent clocks นั้นหมายถึง PTP network traffic ไม่จำเป็นต้องจัดลำดับความสำคัญ (prioritize) ให้อยู่เหนือ traffic อื่นและทำให้การออกแบบ network นั้นมีความซับซ้อนน้อยลง
[1] IEEE Standard for Synchro-phasor Measurements for Power Systems, IEEE Std. C37.118.1-2011, 28 Dec. 2011.
http://standards.ieee.org/findstds/standard/C37.118.1-2011.html
[2] Instrument transformers - Part 8: Electronic current transformers, IEC 60044-8 ed1.0, 19 Jul. 2002.
http://webstore.iec.ch/webstore/webstore.nsf/ArtNum_PK/28980?OpenDocument
[3] Implementation guideline for digital interface to instrument transformers using IEC 61850-9-2 (R2-1). UCA
International Users Group, 7 Jul. 2004. http://iec61850.ucaiug.org/ Implementation%20Guidelines/DigIF_spec_9-2LE_ R2-1_040707-CB.pdf
[4] ยังมีอุปกรณ์ที่ใช้เพื่อการสื่อสารตัวอื่นอีกที่สามารถรองรับ NTP และ PTP สำหรับการใช้ wide area networking ได้ แต่มันไม่ได้อยู่ในขอบเขตของรายงานนี้
[5] IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems,
IEEE Std. 1588-2008, 24 Jul. 2008. http://standards.ieee.org/findstds/standard/1588-2008.html
เขียนโดย ดร. เดวิด อินแกรม1 และ ไบรอัน สเมล์ลี2
1 อินแกรม เทคโนโลยี, บริสเบน, ออสเตรเลีย
2 เทคครอน อินเตอร์เนชั่นแนล, เวลลิงตัน, นิวซีแลน
แปลโดย คุณณัชชา สุจริตวรกุล วิศวกรไฟฟ้า ECTI Co., Ltd.
77/66 , 17th Floor Sin Sathon Tower, Krungthonburi Rd., Khlong Ton Sai, Khlong San,Bangkok 10600
Tel.: 02 862 2600 - 4
Thailandindustrycom_official
