เนื้อหาวันที่ : 2013-05-03 13:53:53 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 2491 views

ชุดรับส่งสัญญาณอะนาลอกเพื่อการควบคุมและเฝ้าตรวจสอบในระบบสถานีย่อยอัตโนมัติ

จากบทความที่ผ่านมาได้กล่าวเกี่ยวกับฟังก์ชันชุดรับส่งสัญญาณดิจิตอล (Digital Input/Output: Digital I/O) ที่ใช้ในการรับค่าสถานะและควบคุมอุปกรณ์ไฟฟ้าในระบบสถานีย่อยอัตโนมัติ (SAS: Substation Automation System) แต่อย่างไรก็ตามยังมีอีกฟังก์ชันที่สามารถรับค่าสถานะและควบคุมอุปกรณ์ไฟฟ้าได้คือฟังก์ชันชุดรับส่งสัญญาณอะนาลอก (Analog Input/Output: Analog I/O) สัญญาณอะนาลอกเป็นสัญญาณในลักษณะธรรมชาติมีค่าต่อเนื่องหลายระดับค่าและสามารถถูกอธิบายในรูปสมการทั่วไปของฟูเรียร์ (Fourier Equation) เช่น แรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าเป็นต้น การรับส่งค่าวัดโดยสัญญาณแบบอะนาลอกระหว่างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อัจฉริยะ (IED: Intelligent Electronic Device) เช่น รีเลย์ป้องกัน (Protective Relay) กับตัวอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือตัวเครื่องจักร หรือ ระหว่าง IED ด้วยกันเองมีความสำคัญมากเนื่องจากค่าที่วัดได้บางค่าเป็นข้อมูลที่ใช้ในการตัดสินใจในการควบคุมอุปกรณ์หรือเครื่องจักรเมื่อตกอยู่ในสภาพวิกฤติ เช่น แรงดันไอน้ำในหม้อต้มน้ำมีค่าสูงผิดปกติ หรือมีกระแสไฟฟ้าลัดวงจรในอุปกรณ์ไฟฟ้า สำหรับในปัจจุบันมีอุปกรณ์ไฟฟ้าประเภทอัจฉริยะ เช่น สวิตช์เกียร์ (Switchgear) ที่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เซนเซอร์ฝังอยู่ภายในสำหรับตรวจค่าวัดและส่งค่าวัดที่ได้ผ่านระบบสื่อสารข้อมูล

ชุดรับส่งสัญญาณอะนาลอกเพื่อการควบคุมและเฝ้าตรวจสอบในระบบสถานีย่อยอัตโนมัติ
(Analog Input/Output of Substation Automation System for Controlling and Monitoring)

พิชิต จินตโกศลวิทย์
pichitor@yahoo.com

   จากบทความที่ผ่านมาได้กล่าวเกี่ยวกับฟังก์ชันชุดรับส่งสัญญาณดิจิตอล (Digital Input/Output: Digital I/O) ที่ใช้ในการรับค่าสถานะและควบคุมอุปกรณ์ไฟฟ้าในระบบสถานีย่อยอัตโนมัติ (SAS: Substation Automation System) แต่อย่างไรก็ตามยังมีอีกฟังก์ชันที่สามารถรับค่าสถานะและควบคุมอุปกรณ์ไฟฟ้าได้คือฟังก์ชันชุดรับส่งสัญญาณอะนาลอก (Analog Input/Output: Analog I/O) สัญญาณอะนาลอกเป็นสัญญาณในลักษณะธรรมชาติมีค่าต่อเนื่องหลายระดับค่าและสามารถถูกอธิบายในรูปสมการทั่วไปของฟูเรียร์ (Fourier Equation) เช่น แรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าเป็นต้น

การรับส่งค่าวัดโดยสัญญาณแบบอะนาลอกระหว่างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อัจฉริยะ (IED: Intelligent Electronic Device) เช่น รีเลย์ป้องกัน (Protective Relay) กับตัวอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือตัวเครื่องจักร หรือ ระหว่าง IED ด้วยกันเองมีความสำคัญมากเนื่องจากค่าที่วัดได้บางค่าเป็นข้อมูลที่ใช้ในการตัดสินใจในการควบคุมอุปกรณ์หรือเครื่องจักรเมื่อตกอยู่ในสภาพวิกฤติ เช่น แรงดันไอน้ำในหม้อต้มน้ำมีค่าสูงผิดปกติ หรือมีกระแสไฟฟ้าลัดวงจรในอุปกรณ์ไฟฟ้า สำหรับในปัจจุบันมีอุปกรณ์ไฟฟ้าประเภทอัจฉริยะ เช่น สวิตช์เกียร์ (Switchgear) ที่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เซนเซอร์ฝังอยู่ภายในสำหรับตรวจค่าวัดและส่งค่าวัดที่ได้ผ่านระบบสื่อสารข้อมูล (Data Communication)

โดยทั่วไปแล้วในระบบ SAS จะใช้สายไฟเบอร์ออปติคในการสื่อสาร การใช้ระบบสื่อสารส่งค่าวัดทำให้สามารถประหยัดค่าสายวัดทองแดงขนาดใหญ่ซึ่งในปัจจุบันราคาแพงมาก ประหยัดค่าแรงสำหรับการลากสายและพื้นที่ในการวางสาย แต่อย่างไรก็ตามอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เซนเซอร์ต้องมีความทนทานเป็นพิเศษต่ออุณหภูมิ ความชื้น ฝุ่น สนามแม่เหล็ก รวมทั้งการสั่นสะเทือน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เซนเซอร์ที่ติดตั้งในอุปกรณ์ไฟฟ้าบางครั้งอาจถูกเรียกว่า นอนคอนเวนชั่นนอลเซนเซอร์ (Non-Conventional Sensor) คือเซนเซอร์ที่มีหน่วยประมวลผล (CPU: Central Processing Unit) ในการคำนวณค่าวัดและส่งค่าวัดผ่านระบบสื่อสารข้อมูล
     

   โดยภาพรวมแล้วสัญญาณอะนาลอกที่ IED รับมาจากอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือเครื่องจักรถูกเรียกว่าสัญญาณอะนาลอกอินพุต (Analog Input: AI) และสัญญาณอะนาลอกที่ส่งจาก IED ไปยังอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือ IED ตัวอื่นถูกเรียกว่าสัญญาณอะนาลอกเอาต์พุต (Analog Output: AO)

คอนเวนชั่นนอลเซนเซอร์ สำหรับค่าวัดอะนาลอกอินพุต (Conventional Sensor for Analog Input) 

   คอนเวนชั่นนอลเซนเซอร์ คือเซนเซอร์ทั่วไปที่ส่งค่าวัดอะนาลอกโดยใช้สายตัวนำทองแดงและไม่มีหน่วยประมวลผลดิจิตอล คอนเวนชั่นนอลเซนเซอร์สามารถวัดค่าหรือตรวจจับและเปลี่ยนเป็นสัญญาณอะนาลอกอินพุตที่เหมาะสมสำหรับระบบ SAS สัญญาณอะนาลอกที่สำคัญคือค่ากระแสไฟฟ้า และค่าแรงดันไฟฟ้าจากตำแหน่งต่าง ๆ ในระบบไฟฟ้า เช่น หม้อแปลงกำลังไฟฟ้า สายส่งไฟฟ้า สายป้อนไฟฟ้า โดยประเภทเซนเซอร์ทั่วไปในระบบ SAS มีดังนี้

1. หม้อแปลงกระแสไฟฟ้า (Current Transformer)

       หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าหรือในบางครั้งถูกเรียกว่า ซีที (CT: Current Transformer) โดยทั่วไปจะถูกติดตั้งและเชื่อมต่อภายในตัวอุปกรณ์ไฟฟ้าโดยหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าจะทำหน้าที่ลดทอนตามอัตราส่วน (Transfer Ratio) ต่อค่ากระแสไฟฟ้าที่ไหลในตัวอุปกรณ์ไฟฟ้า หรือ ค่ากระแสไฟฟ้าทางด้านปฐมภูมิ (Primary Current) จะถูกลดทอนป็นค่ากระแสไฟฟ้าระดับต่ำที่สามารถคำนวณได้ด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง (Power Electronic) เรียกอีกอย่างว่าค่ากระแสไฟฟ้าทางด้านทุติยภูมิ (Secondary Current) โดยทั่วไปแล้วค่าจะอยู่ในช่วง 0-1 แอมแปร์ หรือ 0-5 แอมแปร์

 เหตุผลหลักของการใช้หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าในการวัดค่าอะนาลอก นั้นคือไม่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใดสามารถรับค่ากระแสปฐมภูมิได้โดยตรง คิดง่าย ๆ กระแสไฟฟ้าทางด้านปฐมภูมิอาจจะมีค่าสูงถึง 600 แอมป์คงไม่มีวงจรอิเล็กทรอนิกส์ใดออกแบบลายวงจรไฟฟ้าให้กระแส 600 แอมแปร์ไหลผ่าน ข้อมูลเพิ่มเติมอีกอย่างของหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าคือการต่อหม้อแปลงมีทั้งแบบต่ออนุกรม หรือ แบบวงแหวน แต่โดยทั่วไปในงานระบบไฟฟ้าแรงสูงจะใช้การต่อแบบวงแหวนหรือการคล้องหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า ข้อควรระวังการใช้งานหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าคือห้ามเปิดวงจรฝั่งทุติยภูมิขณะมีกระแสไหลทางปฐมภูมิเพราะอาจทำให้หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าชำรุด รวมทั้งอาจจะเป็นอันตรายต่อผู้ปฏิบัติงานเนื่องจากมีแรงดันไฟฟ้าระดับสูงมากระหว่างขั้วที่วงจรเปิดอยู่

 รูปที่ 1 หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าแบบวงแหวน

 

2. หม้อแปลงแรงดันไฟฟ้า (Voltage Transformer)

      หม้อแปลงแรงดันไฟฟ้า (VT: Voltage Transformer) หรือในบางครั้งถูกเรียกว่าหม้อแปลงศักย์ไฟฟ้า (PT:  Potential Transformer) เช่นเดียวกับหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า หม้อแปลงแรงดันไฟฟ้าส่วนใหญ่ก็ถูกติดตั้งและเชื่อมต่อภายในตัวอุปกรณ์ไฟฟ้าโดยหม้อแปลงแรงดันไฟฟ้าจะทำหน้าที่ลดทอนแรงดันไฟฟ้าตามอัตราส่วนเช่นกัน ค่าแรงดันไฟฟ้าทางด้านปฐมภูมิจะถูกลดทอนเป็นค่าแรงดันทางด้านทุติยภูมิซึ่งอยู่ในช่วง 100/110/115/200 Vac เหตุผลที่ต้องใช้หม้อแปลงแรงดันไฟฟ้าในการวัดค่าก็เพราะไม่มีวงจรอิเล็กทรอนิกส์ใดมีฉนวนไฟฟ้าที่สามารถทนแรงดันทางด้านปฐมภูมิได้เช่น แรงดันไฟฟ้าระดับ 69 kV ข้อควรระวังสำหรับการติดตั้ง PT คือห้ามให้ขั้วของ PT สัมผัสกันเนื่องจากจะเกิดการลัดวงจรไฟฟ้า


รูปที่ 2 หม้อแปลงแรงดันไฟฟ้า

 

3. ทรานสดิวเซอร์ (Transducer) 

      ทรานสดิวเซอร์เป็นเซนเซอร์ประเภทอิเล็กทรอนิกส์ที่จะรับค่าที่จะวัดจากอุปกรณ์ไฟฟ้าโดยตรงถ้าค่านั้นอยู่ในช่วงที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รับได้ หรือรับค่าที่จะวัดจากหม้อแปลงวัดค่า เช่น CT หรือ PT ทรานสดิวเซอร์จะทำการประมวลผลค่าวัดตามวงจรอิเล็กทรอนิกส์และสร้างค่าสัญญาณอะนาลอกเอาต์พุตออกเป็นค่ากระแสไฟฟ้ากระแสตรงต่ำ ๆ อยู่ในช่วง 0-20 mA และถ้าสร้างสัญญาณอะนาลอกเอาต์พุตเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 10 Vdc ทรานสดิวเซอร์ไม่ได้ทำการแปลงระดับค่าวัดทางด้านปฐมภูมิมาเป็นค่าวัดทางทุติยภูมิเพียงอย่างเดียว

ทรานสดิวเซอร์ยังสามารถคำนวณค่าวัดได้ เช่น ทรานสดิวเซอร์กำลังไฟฟ้าจริง (Watt Transducer) สามารถคำนวณค่ากำลังไฟฟ้าจากสัญญาณอะนาลอกอินพุต (Analog Input) ที่เป็นกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าที่มาจาก CT และ PT ตามลำดับ และให้ผลหรือเอาต์พุต (Output) เป็นอัตราส่วนตามค่ากำลังไฟฟ้าที่คำนวณได้ทางปฐมภูมิ อีกรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับเอาต์พุตของทรานสดิวเซอร์นั้นคือโดยส่วนใหญ่เอาต์พุตของทรานสดิวเซอร์ที่ถูกเลือกใช้จะเป็นค่ากระไฟฟ้ากระแสตรงอยู่ช่วงเริ่มที่ 4 mA ถึง 20 mA ซึ่งเอาต์พุตช่วงนี้มีคุณสมบัติพิเศษเรียกว่าไลฟ์ซีโร่ (Live Zero) หรือ เฟลเซฟ (Fail-Safe) ซึ่งคุณสมบัตินี้สัญญาณเอาต์พุตของทรานสดิวเซอร์สามารถถูกแยกแยะว่าเป็นสภาพปกติของค่าวัดหรือมีความผิดปกติในสายส่งค่าวัดรวมแม้กระทั้งมีความผิดปกติในตัวทรานสดิวเซอร์หรือไม่

 เพราะว่าถ้าทรานสดิวเซอร์หรือสายส่งค่าวัดมีปัญหาค่าเอาต์พุตที่ได้ของทรานสดิวเซอร์จะน้อยกว่า 4 mA หรือแม้กระทั้งเป็นค่าศูนย์ ถ้าทุกอย่างปกติค่าต่ำสุดของเอาต์พุตจะอยู่ที่ 4 mA เทียบกับค่าที่วัดอุปกรณ์ไฟฟ้าจริงอยู่ที่ศูนย์หรืออยู่ที่ค่าต่ำสุด ส่วนค่า 20 mA จะเทียบกับค่าที่วัดที่อุปกรณ์ไฟฟ้าจริงที่ค่าสูงสุด หรือ ค่าพิกัด (Rated Value) เช่น ตัวอย่างสำหรับทรานสดิวเซอร์กระแสไฟฟ้า ถ้าช่วงกระแสไฟฟ้าปกติที่เป็นไปได้ของอุปกรณ์ไฟฟ้าอยู่ที่ 0-600 แอมแปร์ ค่า 4 mA ของทรานสดิวเซอร์จะเทียบเท่า 0 แอมแปร์ของอุปกรณ์ไฟฟ้า และค่า 20 mA ของทรานสดิวเซอร์จะเทียบเท่า 600 แอมแปร์ของอุปกรณ์ไฟฟ้า เป็นต้น

รูปที่ 3 ทรานสดิวเซอร์

 
ค่าวัดอะนาลอกอินพุตชั่วขณะทันทีทันใดในระดับโปรเซส (Instantaneous Analog Process Input)

         ระดับโปรเซส (Process Level) ในระบบ SAS คือระดับที่ตัวอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือเครื่องจักรจริงทำงาน โดยค่าวัดอะนาลอกในระดับนี้จะรับหรือเชื่อมต่อโดยตรงกับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ต้องการวัดค่า โดยค่าอะนาลอกในระดับโปรเซสจะถูกเปลี่ยนระดับสัญญาณจากค่าทางด้านปฐมภูมิหรือค่าจริงทางวิศวกรรม มาเป็นระดับสัญญาณทุติยภูมิที่เหมาะสมกับอุปกรณ์วัดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์โดยใช้หม้อแปลงวัดค่า (Instrument Transformer) เช่น CT หรือ PT ดังที่กล่าวมาแล้วข้างต้น หลังจากนั้นสัญญาณอะนาลอกที่ได้มาจากการแปลงหรือลดขนาดโดยหม้อแปลงวัดค่าจะถูกสุ่มค่า (Sampling) และถูกปรับเรียบโดยตัวกรองสัญญาณปรับเรียบ (Anti-alias Filter)

หรืออาจจะถูกกรองสัญญาณอีกรอบโดยตัวกรองประเภทกรองค่าความถี่สูง (High Frequency Damping Filter) เพื่อขจัดรบกวนภายนอกที่เข้ามาผสมในค่าวัด เช่น สไปค์ (Spike) หรือขจัดสัญญาณที่มีความถี่สูงกว่าหรือต่ำกว่าในช่วงความถี่ต้องการ โดยปกติค่าวัดที่ต้องการคือค่าวัดที่ความถี่มูลฐาน (Fundamental Frequency) ยิ่งกว่านั้นค่าอะนาลอกที่ถูกทำการดิจิไทเซชั่น (Digitization) แล้วยังอาจจะถูกกรองฟิลเตอร์ดิจิตอล (Digital Filter) เมื่อมีความจำเป็นเช่นค่าวัดนั้นมีการเปลี่ยนแปลงถี่มากเกินกว่าที่กำหนด

หลักเกณฑ์หรือข้อกำหนดที่สำคัญคือความแม่นยำในการวัดค่าและการแปลงค่าของตัวอะนาลอกดิจิตอลคอนเวอร์เตอร์ (A/D Converter) ซึ่งเกี่ยวกับช่วงความละเอียดของการวัดค่าตามจำนวนบิตที่แปลงได้ และความถี่ในการสุ่มค่าอะนาลอกเพื่อทำการแปลงค่า ซึ่งความแม่นยำของค่าวัดมีผลต่อการทำงานของระบบ SAS ที่ทำการตัดสินใจบนพื้นฐานของข้อมูลที่ได้รับ ค่าวัดอะนาลอกในระบบ SAS โดยทั่วไปประกอบทั้งค่าวัดเชิงปริมาณ (Scalar Value) และค่าวัดทางเวกเตอร์ (Vector Value) เช่น ค่าวัดเฟสเซอร์ (Phasor) ของแรงดันไฟฟ้าพร้อมมุมบอกทิศทาง โดยค่าวัดเหล่านี้อาจถูกนำไปใช้ในระบบป้องกันระบบไฟฟ้า ดังนั้นระบบ SAS ต้องการความแม่นยำมากในการเข้าจังหวะเวลาเพื่อทำการประทับเวลาบนค่าวัด ความละเอียดของเวลาอาจอยู่ในระดับไมโครวินาที (S) ความเหลื่อมล้ำของเวลา (Jitter) เพียง  25 S อาจจะทำให้ค่าวัดคลาดเคลื่อนถึง 2%

      ในระบบควบคุมบางระบบต้องการวัดเฉลี่ยแบบ อาร์เอ็มเอฟ (RMS: Root Mean Square) ซึ่งการวัดแบบนี้สามารถรับค่าได้จากทรานสดิวเซอร์ โดยทรานสดิวเซอร์จะทำการประมวลผลค่าวัดจากอุปกรณ์ไฟฟ้าหลักและเปลี่ยนค่าเป็นค่าวัดในเชิงปริมาณในรูปแบบกระแสไฟฟ้ากระแสตรงระดับ mA หรือกระทั้งในรูปการสื่อสารข้อมูล

 

รูปที่ 4 RMS

 

อะนาลอกเอาต์พุต (Analog Output)

    โดยทั่วไปสัญญาณอะนาลอกเอาต์พุตที่ส่งออกมาจาก IED จะมีค่าในช่วงเดียวกับตัวทรานสดิวเซอร์คือ 10 Vdc หรือ 20 mA การส่งค่าอะนาลอกช่วงดังกล่าว IED ทำตัวเสมือนเป็นทรานสดิวเซอร์เพื่อส่งค่าไปยัง IED ตัวอื่น ซึ่งในระบบ SAS สมัยใหม่ไม่มีความต้องการแล้ว เพราะสามารถส่งค่าวัดระหว่าง IED ด้วยระบบสื่อสารข้อมูล แต่อย่างไรก็ตามยังมีอุปกรณ์ที่ต้องการฟังก์ชันอะนาลอกเอาต์พุตคืออุปกรณ์ประเภทเครื่องทดสอบ เช่น Omicron Testset มีไว้สำหรับยิงค่าอะนาลอกเพื่อทดสอบฟังก์ชันระบบป้องกันในรีเลย์ป้องกัน ซึ่งส่วนใหญ่จะมีราคาสูงมากเนื่องจากมีความยากเป็นพิเศษในการสร้างสัญญาณอะนาลอกเอาต์พุตให้แม่นยำพร้อมกับมีค่าแอมพลิจูดที่มีค่าสูง

การประมวลผลขั้นต้นบนค่าวัดอะนาลอก (Pre-processing of Analog Data)

   การประมวลผลขั้นต้นบนค่าวัดอะนาลอกหลังจากถูกแปลงเป็นค่าวัดที่อยู่ในรูปแบบดิจิตอลขึ้นอยู่กับชนิดและจุดประสงค์ของค่าวัดนั้น ๆ โดยค่าวัดจะถูกนำมาประมวลผลเพื่อการปรับเรียบ (Smoothing) เนื่องจากผลกระทบจากการสุ่มค่าวัด โดยสมการดังรูปที่ 5 สำหรับค่ากระแสและแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับจากการสุ่มค่าจะถูกนำมาเก็บไว้หน่วยความจำชั่วคราวบัฟเฟอร์ (Buffer) หลังจากนั้นระบบ SAS จะทำการจัดการกับค่าในบัฟเฟอร์ด้วยตัวกรองหรือฟิลเตอร์แบบต่าง ๆ

ขึ้นอยู่กับชนิดของค่าวัดหรือการตั้งค่าของผู้ติดตั้งระบบ SAS เช่นค่าวัดสำหรับระบบป้องกันอาจจะกรองเหลือแต่ค่าความถี่มูลฐานและความถี่ที่ลำดับที่ 3 ของความถี่มูลฐานเพื่อวิเคราะห์กระแสอินรัช (In-Rush Current) เป็นต้น สำหรับระบบงานควบคุมอาจต้องการการค่าวัดเฉพาะแบบ RMS ซึ่งไม่ต้องการตัวกรองสัญญาณแบบพิเศษหลาย ๆ ประเภทในการจัดการ


 จากกระบวนการข้างบนค่าวัดที่ได้จากการกรองหลาย ๆ รูปแบบจะถูกเรียกว่าค่าวัดเมเชอร์รันด์ (Measurand) เช่น ค่าวัดเฉลี่ย RMS

MWngl = ค่าใหม่จากการคำนวณของค่าวัดอะนาลอก
MW = ค่าวัดอะนาลอกที่ได้จาก A/D
MWagl = ค่าวัดอะนาลอกจากการคำนวณครั้งที่ผ่านมา

K = Smoothing Factor (1, 2, 4, 8, 16, ….. 128) 

 

รูปที่ 5 การปรับเรียบ

 

 การย่อและขยายค่าอะนาลอก (Scaling)

       ค่าวัดเมเชอร์รันด์ที่ได้มาจากตัวแปลง A/D Converter ส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปแบบค่าจำนวนเต็ม (Integer) ความแม่นยำและความละเอียดของค่าวัดขึ้นอยู่กับจำนวนบิตของตัวแปลง A/D Converter ซึ่งมีตั้งแต่ 8 บิต ถึง 16 บิต โดยทั่วไป A/D Converter ขนาด 12 บิต ถูกใช้อย่างแพร่หลายในปัจจุบัน อันที่จริงแล้วระบบงานระดับผู้ปฏิบัติงานต้องการค่าที่ใช้การตัดสินใจได้จริงคือค่าในหน่วยวัดทางวิศวกรรม (Engineering Unit) ดังนั้นต้องมีการแปลงค่าจากค่าเลขจำนวนเต็มเป็นค่าหน่วยงานทางวิศวกรรม เช่น ค่าระดับแรงดันไฟฟ้า 12.9 kV เป็นต้น เรียกกระบวนการนี้ว่าการย่อและขยายค่า

หรือ สเกลลิ้ง (Scaling) ผลรับที่ได้จากการทำสเกลลิ้งโดยทั่วไปถูกจัดเก็บในรูปทศนิยม (Floating) บางครั้งค่าวัดก่อนการทำการสเกลลิ้งอาจจะเป็นค่าที่ได้มาจากการคำนวณ เช่น ค่ากำลังทางไฟฟ้า (UICos ) ซึ่งเป็นการคำนวณจากค่าอะนาลอกอินพุตในรูปแบบจำนวนเต็มหลาย ๆ ค่า และผลรับจะอยู่ในรูปแบบทศนิยม การสเกลลิ้งทำเพียงเปลี่ยนหน่วยและช่วงค่าให้เป็นค่าวัดทางวิศวกรรม คือ MW โดยทั่วไปการสเกลลิ้งจะใช้สูตรการแปลงค่าโดยวิธีการแปลงแบบเชิงเส้น (Linear Conversion) ซึ่งเป็นวิธีที่ได้รับความนิยมมากที่สุดเพราะง่ายในการคำนวณ การแปลงค่าแบบเชิงเส้นจะประกอบด้วยค่าคงที่ b เพื่อขยับค่า และตัวประกอบ a เพื่อปรับความชันซึ่งผลของค่าที่ถูกสเกลลิ้ง M จะอยู่ในรูปทศนิยม S ดังสมการ

S = aM + b 

ในกรณีถ้าความสามารถในการส่งข้อมูลบนระบบสื่อสารข้อมูลต่ำนั้น ค่าวัดที่จะถูกส่งจะอยู่ในรูปที่กะทัดรัดหรือใช้จำนวนบิตในการส่งน้อยที่สุด หรือต้องทำการย่อค่าวัดนั้นเท่าที่โปรโตคอลสื่อสารนั้น ๆ จัดการส่งมันได้

รูปที่ 6 สเกลลิ้ง

 

การตรวจสอบระดับจำกัดของค่าวัด และการระงับค่าวัดในช่วงเดดแบนด์  (Limit Supervision and Dead Band Suppression)

       ค่าวัดเมเชอรันด์สามารถถูกตรวจสอบว่าอยู่ในระดับปกติหรือไม่ปกติซึ่งถ้าไม่ปกติระบบ SAS ต้องส่งสัญญาณเตือน หรือ วอร์นนิ่ง/อลาร์ม (Warning/Alarm) โดยวอร์นนิ่งเป็นการเตือนขั้นต้น และอลาร์มเป็นการเตือนขั้นที่ต้องเอาใจใส่ในทันที โดยระดับค่าวอร์นนิ่งและอลาร์มสามารถถูกกำหนดได้เพื่อให้สอดคล้องสำหรับค่าวัดนั้น ๆ การกำหนดระดับส่งสัญญาณเตือนโดยทั่วไปมี 2 ประเภทคือ ระดับสูงต่ำกว่าระดับปกติ และระดับสูงกว่าระดับปกติ (Low/High) ถ้าค่าวัดเมเชอรันด์ไม่สอดคล้องกับระดับที่จำกัด ค่าวัดเมเชอรันด์จะถูกติดแฟล็ก (Flag) หรือตัวบ่งชี้คุณภาพค่าวัดแสดงความไม่ปกติ และอาจถูกบักทึกลงปูมประวัติในระบบ ร

วมทั้งส่งสัญญาณเสียงและแสงเตือนผู้ปฏิบัติงาน ค่าวัดเมเชอรันด์จริง ๆ แล้วอาจจะเปลี่ยนแปลงขึ้นลงตามลักษณะธรรมชาติของมัน แต่ถ้าการเปลี่ยนแปลงมีถี่การเปลี่ยนแปลงสูงและเกิดในบริเวณระดับจำกัดของค่าวัด จะทำให้เกิดการส่งสัญญาณเตือนบ่อยครั้ง การเปลี่ยนแปลงจะถูกจัดการบ่อยครั้งเกินความจำเป็น ดังนั้นจึงมีการใช้ฟังก์ชันฮิสเตอรีซิส (Hysteresis) โดยมีลักษณะการทำงานดังนี้

เมื่อค่าวัดเมเชอรันด์ไม่อยู่ในระดับค่าที่จำกัด แต่สักพักหนึ่งค่าวัดกลับมาอยู่ในระดับปกติ แต่ค่าวัดยังอยู่ในช่วงฮิสเตอรีซิส และช่วงเวลาถัดไปค่ากลับไปยังระดับไม่ปกติอีกครั้งซึ่ง ณ เวลานี้จะไม่มีการส่งสัญญาณเตือนหรือดำเนินการใด ๆ กับการเปลี่ยนแปลงนี้ การเปลี่ยนแปลงไปมาจากระดับปกติและระดับไม่ปกติจะมีการสร้างสัญญาณเตือนก็ต่อเมื่อค่าที่กลับมาสู่ระดับปกติและไม่อยู่ในช่วงฮิสเตอรีซิสเท่านั้น ดังรูป 7


รูปที่ 7 ฮิสเตอรีซิส

 

          แต่สำหรับกรณีค่าวัดเมเชอรันด์ของแรงดันไฟฟ้า โดยปกติช่วงค่าการเปลี่ยนแปลงจะอยู่ในช่วงแคบ ๆ เทียบจากค่าแรงดันไฟฟ้านอมินอล (Nominal Value) เช่น แรงดันไฟฟ้าในบ้าน ค่าเปลี่ยนแปลงจะอยู่ในช่วงแคบ 215 Vac หรือ 225 Vac เทียบจาก 220 Vac ณ เวลาที่จ่ายไฟฟ้าให้อุปกรณ์ แตกต่างจากกระแสค่าอาจเปลี่ยนจาก 0 ถึง ค่าสูงสุดที่เป็นไปได้ ในกรณีแรงดันไฟฟ้านั้นค่าวัดเท่ากับศูนย์โดยทั่วไปไม่ถือว่าเป็นค่าไม่ปกติเนื่องจากเกิดจากการดับไฟฟ้าตามสภาพปกติ ระบบ SAS ไม่ควรส่งสัญญาณเตือน กระบวนการนี้เรียกว่าการแยกแยะค่าวัดโดย ซีโร่เดดแบนด์ (Zero Deadband) 

รูปที่ 8 ซีโร่เดดแบนด์
    

การจัดการการเปลี่ยนแปลงของค่าวัดสำหรับการสื่อสารข้อมูล   

      การจัดการการเปลี่ยนแปลงของค่าเมเชอรันด์ที่มีความถี่ในการเปลี่ยนแปลงสูงโดยฟังก์ชันฮิสเตอรีซิสเพียงอย่างเดียว บางทีอาจจะไม่เพียงพอสำหรับการส่งข้อมูลบนระบบสื่อสารข้อมูลใน IED ที่มีความสามารถในการประมวลผลต่ำ เพื่อป้องกันไม่ให้ IED ที่มีความสามารถในการประมวลผลต่ำอาจเกิดอาการแฮงก์ (Hang) ชั่วขณะ จึงมีการคิดค้นวิธีการในการลดโหลดหรือภาระในการรับและส่งค่าวัดเมเชอรันด์ วิธีการคือการตรวจความแตกต่างระหว่างค่าวัดเมเชอรันด์เก่าและค่าวัดเมเชอรันด์ใหม่เทียบกับค่าเทรชโชลด์ (Threshold) ที่ถูกกำหนดไว้ค่าหนึ่ง ถ้าความแตกต่างนั้นเกินหรือเท่ากับค่าเทรชโชลด์ก็จะส่งค่าวัดเมเชอรันด์นั้นเข้าไปในระบบสื่อสารข้อมูล  

รูปที่ 9 การส่งค่าวัดโดยการตรวจสอบความแตกต่างแบบสมบูรณ์

 

 แต่อย่างไรก็ดีก็ยังวิธีการอื่น ๆ ที่ช่วยในการจัดการการส่งค่าวัดเมเชอรันด์ให้มีประสิทธิภาพ ดังวิธีการดังต่อไปนี้

 1. การส่งค่าวัดเป็นระยะโดยใช้รอบเวลา โดยรอบเวลาการส่งค่าวัดอาจจะทุก ๆ หลายวินาที หรือละเอียดกว่า ขึ้นอยู่กับความต้องการความใหม่และความแม่นยำของค่าวัดของแต่ละ IED ที่นำค่าวัดนั้นไปใช้งาน อย่างเช่นค่าวัดสำหรับระบบป้องกันไฟฟ้า ต้องส่งภายใน 4 mSec ตามข้อแนะนำของมาตรฐาน IEC61850

 2. การส่งค่าวัดโดยผลรวมความแตกต่างแบบสมบูรณ์ แต่ละการสุ่มค่าวัดนั้นจะมีความแตกต่างระหว่างค่าเก่าและค่าใหม่ ความแตกต่างบางที่น้อยมากในระดับจุดทศนิยมในหน่วยวัดทางวิศวกรรม ซึ่งบางทีอาจจะไม่มีประโยชน์ในการส่งค่าวัดค่าใหม่นั้นเพราะไม่ส่งผลต่อการตัดสินใจของระบบ SAS ดังนั้นจึงมีวิธีการในการนำความแตกต่างนั้นนำมาเป็นเงื่อนไขในการส่งข้อมูลวัด คือการสะสมค่าความแตกต่างของค่าวัด

และถ้าผลรวมของความแตกต่างนั้นถึงค่าที่กำหนดไว้เพื่อส่งค่าวัด ค่าวัดตัวใหม่ล่าสุดก็จะถูกส่งเข้าไปในระบบสื่อสารข้อมูล ในเวลาเดียวกันผลรวมความแตกต่างดังกล่าวก็จะถูกรีเซตเป็นศูนย์ และเริ่มสะสมใหม่ วิธีการนี้สามารถตอบสนองในการส่งค่าวัดใหม่ที่มีความแตกต่างสูงจากค่าวัดเก่าให้ถูกจัดส่งเร็วขึ้น ส่งผลทำให้ระบบ SAS มีความแม่นยำในการทำงานเพิ่มขึ้น แต่ข้อด้อยของวิธีการนี้คือค่าวัดใหม่อาจจะไม่ถูกจัดส่งเลยถ้าค่าวัดนั้นมีค่าคงที่ตลอด

รูปที่ 10 การส่งค่าวัดโดยผลรวมความแตกต่างแบบสมบูรณ์

 

3. การประยุกต์ใช้ทั้ง 2 วิธีที่กล่าวมาแล้วร่วมกัน โดยส่วนใหญ่รอบเวลาในการส่งค่าจะมีค่าค่อนข้างกว้างแต่ก็สามารถเซตติ้งได้ตามความต้องการ การเพิ่มการใช้รอบเวลาในการส่งค่าวัดช่วยจัดการความเก่าของค่าวัดเมเชอรันด์ที่ตัว IED ที่รับค่าวัดเมเชอรันด์ไปใช้ในกรณีค่าวัดนั้นเกิดคงที่ และเพื่อเพิ่มความแน่ใจว่าค่าวัดเมเชอรันด์ใหม่เท่ากับค่าปัจจุบันมากที่สุด (Update Value) ดังในกรณีค่าวัดที่ส่งด้วยผลรวมความแตกต่างแบบสมบูรณ์เกิดสูญหายในระหว่างการส่งข้อมูล

ความแม่นยำในค่าวัดเมเชอรันด์ (Measurand Accuracy)

        ความแม่นยำในการวัดค่าอะนาลอกขึ้นอยู่กับความแม่นยำของกระบวนการวัดทั้งระบบการวัดค่า นับตั้งแต่เซนเซอร์ จนถึงโปรแกรมประยุกต์ที่ใช้ในการประมวลผลค่าวัดนั้น ๆ ในยุคเริ่มต้นปัญหาความแม่นยำเกิดจากความสามารถในการส่งข้อมูลต่ำ ทำให้ต้องพยายามจำกัดจำนวนบิตในการส่งค่าวัดให้น้อยที่สุด ซึ่งส่งผลต่อความละเอียดของค่าวัด ปัจจุบันเทคโนโลยีได้ก้าวหน้าไปมาก การสื่อสารข้อมูลมีความสามารถสูง จำนวนบิตในการส่งข้อมูลจึงไม่ใช่ประเด็นปัญหาแล้ว แต่ประเด็นความละเอียดของเซนเซอร์ยังเป็นประเด็นอยู่เพราะเซนเซอร์ความละเอียดสูงยังมีราคาสูงมาก ตัวอย่างกระบวนการวัดค่าแรงดันไฟฟ้าแบบ RMS เป็นไปดังตารางข้างล่างนี้

  

          ค่าวัดเมเชอรันด์ของแรงดันไฟฟ้าแบบ RMS ที่ผ่านกระบวนการวัด จะมีความผิดพลาดที่อาจจะเกิดขึ้นได้ตามผลรวมของเปอร์เซ็นต์ความผิดพลาดในแต่ละขั้นตอน ดังนั้นจากกระบวนการวัดค่าข้างต้นความผิดพลาดสูงสุดที่มีผลกระทบต่อความแม่นยำ ประมาณ 0.706% ของค่าวัดที่ควรจะเป็น

  (0.5 + 0.1 + 0.006 + 0.1)


 
สรุป

      การเข้าใจในลักษณะการทำงานและคุณสมบัติของชุดรับส่งสัญญาณอะนาลอกในระบบ SAS สามารถทำให้ระบบไฟฟ้ามีความเชื่อถือได้สูงขึ้นโดยเฉพาะถ้าค่าอะนาลอกนั้นเป็นค่าที่ใช้สำหรับระบบป้องกัน วิศวกรไฟฟ้าต้องมีความเข้าใจในกระบวนการวัดค่าอะนาลอกเพื่อสามารถออกแบบระบบหรือออกข้อกำหนดคุณสมบัติในการจัดซื้อของระบบ SAS ได้อย่างเหมาะสม ส่งผลให้ระบบ SAS มีประสิทธิภาพสูง ทำงานถูกต้อง และมีค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาต่ำ และในบทความฉบับหน้าจะกล่าวเกี่ยวกับฟังก์ชันมอนิเตอร์ระบบ SAS โดยผ่านคอมพิวเตอร์
  
 

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