No.278

พิชิต จินตโกศลวิทย์  

pichitor@yahoo.com

 

 

 

          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)

 

ที่มาของเมสเซจ GOOSE

 

          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

 

 

การจำลองเมสเซจ GOOSE

 

• ศึกษาด้วยการจำลองด้วยซอฟต์แวร์

 

          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

 

• ด้วยการจำลองด้วยฮาร์ดแวร์

 

          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

 

 

ศึกษาโครงสร้างของเมสเซส GOOSE

 

          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

 

 

เอกสารอ้างอิง

 

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