No.289

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

 

     เมื่อจะปรับปรุงรูปแบบการสื่อสารแบบอนุกรม (Serial) ไปสู่การสื่อสารที่ใช้อีเธอร์เน็ต (Ethernet) สิ่งหนึ่งที่ควรคำนึงถึงก็คือ การหาวิธีการและรูปแบบที่ใช้งบประมาณต่ำสุดที่ยังสามารถสนับสนุนมาตรฐานและทำงานแบบรีดันแดนซี (Redundancy) ได้ สำหรับระบบงานในที่สถานีย่อยที่มีความสำคัญและมีความวิกฤติเกี่ยวกับระยะเวลาตอบสนอง การขัดข้องของระบบเครือข่ายแม้จะสั้นเพียงระดับมิลลิวินาทีก็สามารถส่งผลกระทบร้ายแรงต่อการทำงานของระบบไฟฟ้า หรือแม้กระทั่งเรื่องความปลอดภัยของผู้ปฏิบัติงาน ด้วยเหตุผลเหล่านี้เอง จึงควรหาวิธีการที่สามารถเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ IED ทุกชนิดและรับรองว่าจะไม่มีการล้มเหลวที่จุดใดจุดหนึ่งที่ส่งผลต่อการทำงานโดยรวมได้ (Single Point of Failure)

 

การสร้างสถานีย่อยมาตรฐาน IEC61850

 

          วิศวกรอาจถูกมอบหมายงานออกแบบสถานีย่อยใหม่ที่มีความสมบูรณ์จากแบบก่อสร้างที่สร้างไว้ แต่เมื่อทำการเปรียบเทียบวิธีการแบบฮาร์ดไวริ่งเดิม (Conventional Hardwiring) กับคุณสมบัติของ IEC61850 สมัยใหม่ หลายบริษัทเกี่ยวกับพลังงานไฟฟ้าได้เลือกมาตรฐาน IEC61850 ที่สามารถให้ประสิทธิภาพและความเชื่อถือได้เทียบเท่ากับวิธีการฮาร์ดไวร์เดิม แต่ยังเพิ่มประโยชน์ในการขยายระบบ รวมทั้งการเชื่อมโยงกับระบบอื่นได้ดีกว่าเนื่องจากไม่ต้องทำการลากสายคอนโทรลใหม่ซึ่งอาจจะมีปัญหาอื่น ๆ เพิ่มเช่น เรื่องทางเดินสายไม่เพียงพอเป็นต้น รายละเอียดสำหรับการบริหารจัดการอุปสรรคในการสร้างสถานีย่อยตามมาตรฐาน IEC61850 มีดังต่อไปนี้

 

ประสิทธิภาพ (Performance)

 

          หนึ่งในเรื่องสำคัญที่สุดที่ต้องใช้วิศวกรออกแบบที่มีประสบการณ์ในสถานีย่อยมาออกแบบก็คือ ระดับประสิทธิภาพของสถานีย่อยที่ใช้เทคโนโลยีอีเธอร์เน็ตเมื่อเทียบกับรูปแบบการสื่อสารแบบเดิมที่ใช้ฮาร์ดไวริ่ง สิ่งที่เกี่ยวข้อง คือ ความเข้าใจอย่างถ่องแท้ในระบบเครือข่ายอีเธอร์เน็ต ข้อมูลนับหมื่น ๆ แพ็กเก็ต (Packet) ต่างแย่งกันเข้าใช้สื่อสัญญาณ (Communication Media) ในสถานีย่อย สำหรับบางท่านที่ยังไม่คุ้นเคยกับการจัดลำดับความสำคัญของแพ็กเก็ตของมาตรฐาน IEC61850 นั้น อันที่จริงแล้วแต่ละแพ็กเก็ตจะมีป้ายแจ้งลำดับความสำคัญ (Priority Tag) เพื่อทำให้แน่ใจว่าข้อมูลที่สำคัญระดับวิกฤติจะไปถึงอุปกรณ์ที่ถูกต้องและทันเวลา ในการตรวจสอบประสิทธิภาพของระบบสื่อสารด้วย IEC61850 เมื่อเทียบกับระบบเดิมนั้นคือ ระยะเวลาในการส่งข้อมูลระหว่างแอปพลิเคชั่นนั้นเร็วเพียงพอหรือไม่ และชนิดโปรโตคอลที่จะทำให้อีเวนต์มีเวลาแสตมปิ้ง (Time Stamping) ที่ถูกต้อง ถึงแม้ตัว IED ถูกติดตั้งกระจายตามจุดต่าง ๆ

 

 

รูปที่ 14 แสดง Priory Tag ของแพ็กเก็ตอีเธอร์เน็ต

 

IEC61850 QoS: การจัดลำดับความสำคัญของแพ็กเก็ตที่มีความวิกฤติ

 

          ระบบอีเธอร์เน็ตที่ใช้ในมาตรฐาน IEC61850 ควรต้องสนับสนุน QoS (Quality of Service) แบบอัจฉริยะซึ่งต้องขึ้นอยู่กับความสามารถของอีเธอร์เน็ตสวิตช์ เพื่อทำให้แน่ใจว่าแพ็กเก็ตที่มีความสำคัญสุดจะถูกส่งที่ลำดับความสำคัญสูงสุด จึงต้องพิจารณาคุณสมบัติของอีเธอร์เน็ตสวิตช์อย่างละเอียด

 

 

รูปที่ 15 แสดงตัวอย่างการคอนฟิกลำดับความสำคัญให้เมสเซจ GOOSE ที่ลำดับสูงสุด

 

QoS แบบมาตรฐาน

 

          QoS แบบมาตรฐานจะทำการจัดลำดับความสำคัญของแพ็กเก็ตขึ้นอยู่กับการทำคอนฟิกของพอร์ต และลำดับของคิว ทุกแพ็กเก็ตในแต่ละคิวจะถูกส่งบนพื้นฐานมาก่อนส่งก่อน (First-in-first-out) ภายในคิวแต่ละระดับโดยไม่มีการตรวจสอบภายในแพ็กเก็ต ยกตัวอย่างด้วยวิธีการนี้ แพ็กเก็ต GOOSE ที่มีลำดับความสำคัญสูงสุดจะไม่สามารถถูกส่งออกได้ทันทีถ้ามีระดับความสำคัญเท่ากับเมสเซจอื่น ๆ

 

IEC61850 QoS

 

          สำหรับการสื่อสารในสถานีย่อยมาตรฐาน IEC61850 จะมีแพ็กเก็ต 3 ชนิดที่มีความวิกฤติที่ต้องพิจารณาและทำการคอนฟิกให้ถูกต้อง นั่นคือ GOOSE, SMV และ PTP ที่ต้องการความใส่ใจในการจัดลำดับความสำคัญ และเพื่อประกันว่าเมสเซจเหล่านี้จะไม่ก่อให้เกิดความเสียหายต่อระบบไฟฟ้า ดังนั้นแพ็กเก็ตเหล่านี้จะต้องถูกส่งด้วยระดับความสำคัญสูงสุดอยู่เหนือเมสเซจทั่วไป

 

เทคโนโลยี VLAN เพิ่มประสิทธิผลและความเชื่อถือได้ของเครือข่าย

 

          เทคโนโลยี VLAN ถูกใช้เพื่อจัดกลุ่ม IED ด้วยหมายเลข IP แทนการใช้ตำแหน่งทางกายภาพ นั้นคือ IED จากที่ตั้งไหนก็ได้ในระบบเครือข่ายที่เชื่อมโยงถึงกันด้วยหมายเลข IP สามารถกำหนดเป็นแลนเสมือน (VLAN: Virtual LAN) ได้ โดยอุปกรณ์ IED ที่ถึงแม้อยู่ที่พอร์ตใกล้กันก็สามารถทำให้อยู่คนละ VLAN ได้ โดย VLAN ในสถานีย่อยนั้นมีประโยชน์ดังต่อไปนี้

 

          • ลดปริมาณทราฟฟิกบนทรังก์ (Trunk Traffic Reduction)

 

          ปริมาณทราฟฟิกบนระบบเครือข่ายสามารถถูกจำกัดได้ในเครือข่ายโดยการแยกเป็นเครือข่ายท้องถิ่นย่อย ๆ ด้วยเทคโนโลยี VLAN โดยเฉพาะป้องกันเมสเซจประเภทบรอดคาสต์ หรือมัลติคาสต์พื้นฐานของ TCP/IP เช่น RARP หรือ ARP ไม่ให้กระจายไปในพื้นที่ไม่จำเป็น ทำให้ลดปริมาณคอขวดโดยเฉพาะเส้นทางหลักระหว่างเครือข่าย ส่งผลทำให้เมสเซจที่ต้องการใช้เส้นทางหลักจริง ๆ สามารถเข้าใช้งานได้สะดวกขึ้น

 

 

รูปที่ 16 แสดงตัวอย่างการส่งเมสเซจ GOOSE ที่มีความถี่คงที่ และความถี่สูง

 

          • การกรองทราฟฟิก (Traffic Filtering)

 

          อุปกรณ์เครือข่ายสามารถถูกกำหนดให้กรองทิ้งเมสเซจที่มาจาก VLAN ที่ไม่ต้องการได้ เทคนิคจะมีประโยชน์อย่างมากในการจำกัดการแพร่กระจายของเมสเซจ GOOSE และ SV ที่มีความถี่ในการส่งข้อมูลที่สูง

 

 

รูปที่ 17 แสดงตัวอย่างการส่งเมสเซจ SV ที่มีความถี่ถึง 4000 ครั้งต่อวินาที

 

          • เพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์ในเครือข่าย

 

          อุปกรณ์ปลายทางบนเครือข่ายจะประมวลแพ็กเก็ตที่มาจาก VLAN ตนเองเท่านั้น ดังนั้นจึงลดเวลาประมวลผลของหน่วยประมวลผลกับเมสเซจที่ไม่เกี่ยวข้องได้ ส่งผลทำให้อุปกรณ์ IED มีความเสถียรในการทำงานสูงขึ้น

 

เทคโนโลยีการเข้าจังหวะเวลา (Time Synchronization Technology)

 

          การเข้าจังหวะเวลาที่แม่นยำนั้น เป็นสิ่งที่ต้องการในสถานีย่อยเพื่อให้แน่ใจว่าอุปกรณ์ IED ทุกตัวที่อยู่บนกริดไฟฟ้ามีฐานเวลาเดียวกันส่งผลทำให้จัดลำดับเหตุการณ์ต่าง ๆ ได้ถูกต้อง ระดับความแม่นยำของนาฬิกาจะมีความเกี่ยวข้องกับมาตรฐานเวลาซึ่งมีความแตกต่างในความละเอียดในระดับมิลลิวินาทีถึงไมโครวินาทีขึ้นอยู่กับระบบงานนั้น ๆ

 

 

รูปที่ 18 แสดงรายละเอียดชนิดโปรโตคอลเข้าจังหวะเวลาที่ใช้สำหรับ IEC61850

 

ความเชื่อถือได้ (Reliability)

 

          ความเชื่อถือได้ของระบบเครือข่ายก็เป็นสิ่งที่สำคัญมากสำหรับสถานีย่อย ถ้าหนึ่งหรือหลายอุปกรณ์ IED เกิดการชำรุด หลาย ๆ ส่วนหลักของสถานีย่อย อาจจะในสถานะออฟไลน์ (Offline) และอาจจะก่อให้เกิดความเสียหายอย่างมากถ้าเกิดในช่วงเวลาที่ระบบไฟฟ้าไม่ปกติ ด้วยเหตุผลดังกล่าวนี้ การลดระยะเวลาที่ใช้ในการตรวจจับข้อผิดพลาด และแก้ไขปัญหา ก็เป็นตัวชี้ที่สำคัญเกี่ยวกับประสิทธิภาพที่วิศวกรออกแบบต้องคำนึงถึง แพ็กเก็ตที่สูญหายได้ไม่สามารถยอมรับได้ในงานสถานีย่อยไฟฟ้า และเพื่อแน่ใจว่าแพ็กเก็ตที่สำคัญจะถูกส่งถึงปลายทาง ดังนั้นสำหรับงานระบบไฟฟ้าจะมั่นใจว่าสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำจากฟอลต์แรงสูงจะไม่ส่งผลต่อการสื่อสาร อุปกรณ์เครือข่ายควรจะผ่านมาตรฐาน IEEE1613 Class 2 ซึ่งเป็นมาตรฐานขั้นต่ำสุดที่สามารถทนต่อสนามแม่เหล็กในสถานีย่อยได้ อีกประการหนึ่ง สำหรับงานบางงานสามารถยอมรับการส่งข้อมูลได้ช้าสุดที่ 4 มิลลิวินาที ดังนั้นจึงต้องการการรีดันแดนซี (Redundancy) วิศวกรออกแบบควรตระหนักเรื่องหลักการรีดันแดนซี และเลือกการติดตั้งในระดับที่เพียงพอไม่ใช้งบประมาณที่มากเกินไป ความจริงแล้วมาตรฐาน IEC61850 ไม่ได้กล่าวถึงการทำรีดันแดนซี ส่งผลให้ค่าใช้จ่ายในการติดตั้งจะขึ้นอยู่กับชนิดและระดับของการรีดันแดนซีที่ผู้ใช้ต้องการ โดยปัจจุบันมาตรฐาน IEC62443-3 (PRP/HSR) ก็เป็นแนวโน้มอนาคตของการทำรีดันแดนซี เนื่องจากสามารถขยายขนาดเครือข่ายได้ดี และมีหลายผู้ผลิตรองรับ ระบบเครือข่ายที่ดีจะต้องสนับสนุนการมอนิเตอร์ไม่ว่าจะเป็นการตรวจการใช้งาน CPU หน่วยความจำ อุณหภูมิของเมนบอร์ด การทำงานของระบบไฟเลี้ยง โดยสามารถส่งคอนแทกต์ แจ้งเตือนไปยังระบบอื่น ๆ ได้ ยิ่งถ้าใช้เครือข่ายอีเธอร์เน็ตแล้วสามารถแจ้งการแจ้งเตือนผ่านเมสเซส IEC61850 MMS ได้ยิ่งดีเนื่องจากไม่ต้องแปลงโปรโตคอลหลายทอด ส่งผลให้อุปกรณ์ระดับสถานี เช่น HMI (Human Machine Interface) ก็ไม่ต้องมีความซับซ้อนเพิ่มขึ้น

 

 

รูปที่ 19 แสดงตัวอย่างการเชื่อมต่อ (PRP/HSR) และการแจ้งเตือนระบบเครือข่ายผ่าน MMS

 

 

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.