No.285

พิชิต จินตโกศลวิทย์

pichitor@yahoo.com

 

 

มาตรฐาน IEC61850 เป็นมาตรฐานสากลฉบับล่าสุดที่ออกแบบมาใช้ในระบบไฟฟ้าที่ใช้ในสถานีไฟฟ้าย่อยระบบอัตโนมัติ โดยเป็นความสัมพันธ์ระหว่างระบบสื่อสาร (Communication) และระบบไฟฟ้ากำลัง (Power System) จะเชื่อมต่ออุปกรณ์จำพวก IED ในรูปแบบ GOOSE และ GSSE เป็นต้น ซึ่งข้อดีคือทำให้การติดต่อสื่อสารระหว่างผู้ใช้งานกับตัวรับ-ส่งมีประสิทธิภาพมากขึ้น รวดเร็ว ลดต้นทุน มีความน่าเชื่อถือได้ ป้องกันความผิดพลาดในระบบและเป็นไปตามมาตรฐานสากล

 

     สืบเนื่องจากสภาพแวดล้อมของสถานีย่อยไฟฟ้า สามารถจัดอยู่ในระดับที่เลวร้ายเนื่องจากมีระดับคลื่นสนามแม่เหล็กที่สูงรวมทั้งมีระดับความร้อนที่สูงในบางบริเวณ ดังนั้นอุปกรณ์ที่ถูกใช้ที่สถานีย่อยไฟฟ้าจึงต้องสามารถทำงานได้บนช่วงอุณหภูมิที่ค่อนข้างกว้าง และถูกออกแบบให้สามารถทนต่อคลื่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้า หรือผ่านข้อกำหนดของ EMC (Electromagnetic Compatibility) ยิ่งกว่านั้นเพื่อความมั่นใจในการทำงานได้อย่างต่อเนื่อง ผลิตภัณฑ์หรืออุปกรณ์ที่จะนำมาใช้ในสถานีย่อยต้องมีใบรับรองจาก IEC61850-3 โดยเฉพาะอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องใช้ความเร็วในการประมวลผลสูงซึ่งทนต่อคลื่นรบกวนสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI: Electromagnetic Interferrence) และสามารถทนกับความสั่นสะเทือนสูงได้ด้วยเช่นกัน สิ่งที่เราต้องการคือ อุปกรณ์ที่อยู่ในสถานีย่อยต้องแข็งแรงและทนทานเพียงพอเพื่อลดเวลาดาวน์ไทม์ (Downtime) และทำการบำรุงรักษาให้ต่ำสุดได้

 

          เทคโนโลยีในสถานีย่อยไฟฟ้าได้ถูกปฏิวัติเป็นอย่างมากเมื่อเปรียบเทียบกับเมื่อระบบจำหน่ายไฟฟ้าที่ถูกนำมาใช้งานในช่วงศตวรรษที่ 18 ปัจจุบันนี้มีสถานีย่อยเป็นแสนสถานีด้วยหลากหลายขนาดและหลากหลายหน้าที่กระจายบริการระบบไฟฟ้าทั่วทุกมุมโลก และเนื่องจากระบบจำหน่ายไฟฟ้านั้นถูกใช้งานมาอย่างยาวนานจึงได้ถึงเวลาในปรับปรุงรวมทั้งสร้างสถานีย่อยไฟฟ้าใหม่เกิดขึ้นอยู่อย่างต่อเนื่อง และเพื่อที่จะทำให้การบริการพลังงานไฟฟ้านั้นดียิ่งยิ่งขึ้น จากผลการวิจัยจากสถาบันระดับนานาชาติ คาดว่าปี 2020 สถานีย่อยประมาณ 15,000 สถานี จะเป็นหรือจะถูกปรับปรุงให้เป็นสถานีย่อยอัตโนมัติแบบเต็มรูปแบบ

 

          ถ้าพิจารณาจากประโยชน์ที่ได้รับจากมาตรฐาน IEC61850 นั้น แรกเริ่มหรือช่วงระยะแรกความซับซ้อนและปริมาณของมาตรฐาน IEC61850 อาจจะดูยุ่งยาก แต่ในระยะยาวประโยชน์ข้อดีจะค่อย ๆ ลบเลือนข้อด้อยเนื่องจากเริ่มมีความชำนาญเกี่ยวกับมาตรฐาน IEC61850 ยกตัวอย่าง เช่น การมีอุปกรณ์ที่แตกต่างเป็นพันชิ้นในสถานีย่อยแบบดั้งเดิมที่ใช้การเชื่อมต่อแบบฮาร์ดไวร์ระหว่างอุปกรณ์หรือเชื่อมต่อด้วยการสื่อสารแบบอนุกรมที่มีความเร็วค่อนข้างต่ำนั้น ยุ่งเหยิงเป็นอย่างมากโดยเฉพาะเมื่อเวลาผ่านไปก็จะยิ่งยุ่งเหยิงจนแทบจะบำรุงรักษาไม่ได้ แต่สำหรับในสถานีย่อยสมัยใหม่ที่ใช้มาตรฐาน IEC61850 ที่ใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อัจฉริยะ (IED: Intelligence Electronic Device) จะเชื่อมต่อระหว่างกันด้วยความเร็วสูงบนอีเธอร์เน็ตบัส ทำให้ง่ายในการจัดการบำรุงรักษา รวมทั้งการวางแผนควบคุมระบบไฟฟ้าจากศูนย์กลางผ่านระบบ SCADA

 

          ไม่ว่าจะทำการปรับปรุงสถานีย่อยเก่า หรือสร้างสถานีย่อยใหม่ ประโยชน์ที่ได้รับจากมาตรฐาน IEC 61850 ก็เหมือนกันนั้นคือ

 

          • โครงสร้างระบบที่ง่ายขึ้น (Simplified Architecture) จำนวน IED ในสถานีย่อยสมัยใหม่จะใช้ความสามารถภายในตัวมันเองในการประมวลผลและตัดสินใจ และสามารถทำงานได้หลายหน้าที่ รวมทั้งการสื่อสารกับระบบอื่น ๆ ผ่านอุปกรณ์อีเธอร์เน็ตสวิตช์ที่สามารถเชื่อมโยงถึงกันทั้งสถานีย่อยไฟฟ้า ส่งผลทำให้จำนวนอุปกรณ์น้อยลง โดยเฉพาะอย่างยิ่งจำนวนสายสัญญาณจะน้อยลงเป็นอย่างมาก

 

          • ความเชื่อถือได้ที่ดีขึ้น (Greater Reliability) ด้วยการออกแบบ มาตรฐาน IEC61850 สามารถให้ความเชื่อถือที่สูงขึ้นในสถานีย่อยไฟฟ้า ไม่เฉพาะว่าอุปกรณ์ต้องแข็งแรงทนทานเพียงพอต่อสภาพแวดล้อมในสถานีย่อย และยังสามารถออกแบบให้ระบบงานรวมทั้งระบบเครือข่ายมีระบบทำงานสำรองในหลายลำดับได้

 

          • การออกแบบรองรับอนาคต (Future-Proof Design) หนึ่งในประโยชน์หลักของการใช้ระบบเครือข่ายอีเธอร์เน็ต คือ ว่ามันง่ายต่อการขยายเมื่อมีความต้องการเกิดขึ้น ข้อมูลเพิ่มเติม คือ ไม่ว่าเป็นผลิตภัณฑ์ใหม่ ๆ ที่จะเชื่อมต่อกับอุปกรณ์มาตรฐาน IEC61850 ที่มีอยู่แล้วจะต้องมีความเข้ากันได้กับอุปกรณ์ที่มีอยู่แล้วด้วยโมเดลข้อมูลที่เสถียร

 

          • อิสระจากผู้ผลิต (Vendor Independence) ความจริงที่ว่าผลิตภัณฑ์มาตรฐาน IEC61850 นั้นถูกผลิตจากหลากหลายบริษัท แต่เนื่องจากถูกกำหนดให้สื่อสารด้วยภาษาหรือโปรโตคอลเดียวกัน ทำให้ผู้รับติดตั้งระบบ (System Integrator: SI) ได้รับประโยชน์เป็นอย่างมาก เพราะพวกเขาสามารถเลือกอุปกรณ์ที่ดีที่สุดจากหลากหลายผู้ผลิตได้

 

          มาตรฐาน IEC61850 คือ มาตรฐานเปิดที่หลักการโปรแกรมมิ่งเชิงวัตถุ (OOP: Object Oriented Programming) นั้นคือ การเขียนโปรแกรมเชิงวัตถุเป็นโมเดลต้นแบบแล้วสร้างโปรแกรมให้ทำงานตามต้นแบบแต่กระจายให้ไปทำหน้าที่ตามฟังก์ชั่นต่าง ๆ ในสถานีย่อย ดังนั้นจึงสามารถทำความเข้าใจได้ง่ายเนื่องจากเป็นกลุ่มเป็นก้อนและทดสอบในคอมพิวเตอร์ได้ก่อนนำไปติดตั้งจริงภายในอุปกรณ์ IED และด้วยที่มาตรฐานเป็นมาตรฐานเปิด ดังนั้นทุกผู้ผลิตฮาร์ดแวร์สามารถทำให้อุปกรณ์หลากหลายเข้ากันได้ด้วย IEC61850 ลักษณะเช่นนี้ให้ความอิสระแก่ผู้ติดตั้งที่จะเลือกอุปกรณ์ที่ดีที่สุดในแต่ละโครงการ โดยสิ่งที่โดดเด่นของมาตรฐาน มีดังต่อไปนี้

 

• เส้นทางข้อมูลหลักจะใช้พื้นฐานการสื่อสารแบบอีเธอร์เน็ตซึ่งมีแบนด์วิดธ์ที่สูงในการส่งข้อมูลไปยังหลายอุปกรณ์ที่อยู่บนเครือข่าย
• การรับประกันการเข้ากันได้ด้วยมาตรฐาน IEC61850 จากหลากหลายผู้ผลิต ทำให้ง่ายต่อการขยายระบบหรือทำการบำรุงรักษา
• มาตรฐาน IEC61850 ใช้ภาษา SCL (Substation Configuration Language) ที่สร้างบนพื้นฐานภาษา XML (Extended Markup Language) เพื่อใช้ในการกำหนดพารามิเตอร์ในการติดต่อสื่อสารระหว่าง IED ที่ใช้ในสถานีย่อย ซึ่งภาษาดังกล่าวเป็นเท็กซ์สามารถทำความเข้าใจได้ง่าย
• สามารถใช้ความเร็วสูงระหว่าง IED ที่รับประกันการไปถึงปลายทางในเวลาทำหนดด้วยไพออริตี้แท็ก (Priority Tag) ของอีเธอร์เน็ต

 

 

รูปที่ 1 ระยะเวลาการส่งข้อมูลที่ต้องการตามระบบงาน

 

มาตรฐาน IEC61850 จะแบ่งการทำงานในสถานีย่อยเป็น 3 ระดับอย่างชัดเจนดังต่อไปนี้

 

          • ระดับโปรเซส (Process Level) ระดับโปรเซสจะประกอบด้วยอุปกรณ์ เช่น เซอร์กิตเบรกเกอร์ และอุปกรณ์ประเภทรับส่งข้อมูลที่ใช้ในการวัดค่ากระแส แรงดัน เช่น (CT/PT: Current/Potential Transform) และสัญญาณต่าง ๆ (Coils และ Contact) ในแต่ละส่วนของสถานีย่อย

 

          • ระดับเบย์ (Bay Level) ระดับเบย์จะประกอบด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อัจฉริยะ หรือ IED ที่จะคอยรวบรวมค่าวัดและสัญญาณต่าง ๆ ที่มาจากระดับโปรเซส โดย IED นั้นยังมีความสามารถที่จะตัดสินใจทำงานได้ด้วยตัวเอง รวมทั้งส่งข้อมูลหรือคำสั่งให้ IED ตัวอื่นทำงาน หรือ แม้กระทั่งส่งข้อมูลให้ระบบ SCADA ในสถานีเพื่อประมวลผลและมอนิเตอร์อุปกรณ์ต่างในสถานีย่อย

 

          • ระดับสเตชั่น (Station Level) ที่ระดับสเตชั่นจะพบอุปกรณ์ประเภทเซิร์ฟเวอร์ของ SCADA และ HMI รวมทั้งอาจจะมีพนักงานปฏิบัติการผู้ที่คอยตรวจสอบสถานะการทำงานของสถานีย่อย

 

 

รูปที่ 2 แสดงระดับการทำงานและบัสของ IEC61850

 

          ยิ่งกว่านั้น มาตรฐาน IEC61850 ยังได้นิยามโปรเซสบัส (Process Bus) และสเตชั่นบัส (Station Bus) ตามรูปที่ 2 โดยโปรเซสบัสจะจัดการการสื่อสารระหว่างระดับโปรเซสและสเตชั่น ส่วนสเตชั่นบัสจะจัดการการสื่อสารระหว่างระดับเบย์และสเตชั่น

 

 

รูปที่ 3 ชนิดโปรโตคอลหลักของ IEC61850

 

          IEC61850 คือ มาตรฐานสำหรับสถานีย่อยอัตโนมัติที่ดูแลโดย คณะกรรมการทางเทคนิคที่ 57 (TC57) ของ IEC (International Electrotechnical Commission) ที่ใช้ในการอ้างอิงในการกำหนดสถาปัตยกรรมสำหรับสถานีย่อยไฟฟ้า มาตรฐาน IEC61850 ได้กำหนดโปรโตคอลที่ใช้ในการรับส่งข้อมูลที่จะใช้เพื่อจัดการระบบงานรูปแบบต่าง ๆ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งที่สำคัญของมาตรฐาน IEC61850 อีกอย่าง มาตรฐาน IEC61850 ยังได้กำหนดรูปแบบโมเดลข้อมูล (Abstract Data Model) ที่สามารถถูกแมปไปยังหลายโปรโตคอล เช่น MMS (Manufacturing Message Specification), GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) และ SMV (Sampled Measured Values) โปรโตคอลเหล่านี้สามารถวิ่งด้วยความเร็วสูงในเครือข่าย TCP/IP เพื่อให้แน่ใจว่าเวลาตอบสนองจะเร็วพอกับความต้องการของระบบป้องกัน

 

• MMS ข้อมูลสถานะในสถานีย่อยที่ถูกใช้เพื่อการมอนิเตอร์และควบคุมที่สามารถรอได้ในระดับวินาทีมักจะใช้โปรโตคอล MMS
• GOOSE ข้อมูลที่สำคัญ เช่น สัญญาณควบคุม และสัญญาณเตือนสำหรับฟังก์ชั่นวิกฤติที่ต้องการทันทีทันใดจะถูกส่งด้วยโปรโตคอล GOOSE
• SMV ค่าวัดทางไฟฟ้าแบบเวกเตอร์ทั้งกระแสและแรงดันที่ส่งให้ฟังก์ชั่นที่วิกฤติจะถูกส่งด้วย SMV

 

 

รูปที่ 4 แสดงตัวอย่างความสัมพันธ์ระหว่าง MMS, GOOSE และ SMV

 

วิวัฒนาการของสถานีย่อยอัตโนมัติ มีลำดับดังต่อไปนี้

 

          ประมาณ พ.ศ.2500 สถานีย่อยไฟฟ้าในสมัยนั้นจะใช้สายทองแดงเป็นจำนวนมากเพื่อทำฟังก์ชั่นและลากไวริ่งตรงไปยังแต่ละอุปกรณ์ ดังแสดงในรูปที่ 5

 

 

รูปที่ 5 แสดงรูปแบบการเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์ในยุคแรกเริ่ม

  

          ในปี พ.ศ.2523 การเปิดตัวของสเตชั่นบัสของมาตรฐาน IEC61850 ในชื่อเดิม UCA 2.0 นั้นเป็นก้าวแรกที่ยิ่งใหญ่ของเครือข่ายการสื่อสารในสถานีย่อย ดังแสดงในรูปที่ 6

 

 

รูปที่ 6 แสดงรูปแบบการเริ่มเชื่อมต่อด้วยสเตชั่นบัส

 

           ในปี พ.ศ.2548 มาตรฐาน IEC61850 ได้ถูกปรับปรุงเป็นอย่างมากเนื่องจากได้มีการนิยามโปรเซสบัสเพื่อเชื่อมโยงอุปกรณ์ระดับโปรเซสและระดับเบย์เข้าด้วยกัน ดังแสดงในรูปที่ 7

 

 

 

รูปที่ 7 แสดงรูปแบบการเริ่มประยุกต์ใช้โปรเซสบัส

  

        ในปี พ.ศ.2553 การพัฒนาล่าสุดของมาตรฐาน IEC61850 คือการใช้งานโปรโตคอล PRP/HSR โปรโตคอล PRP/HSR (Parallel Redundancy Protocol/High-availability Seamless Redundancy) จะกำหนดวิธีการใช้สองเครือข่ายอีเธอร์เน็ตแบบขนานเพื่อทำให้แน่ใจว่าไม่มีเวลาดาวน์ไทม์ระหว่างการเปลี่ยนจากระบบหลักไปใช้ระบบสำรองเมื่อมีเหตุผิดปกติเกิดขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 8

 

 

รูปที่ 8 แสดงรูปแบบการใช้ PRP และ HSR

 

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.