เนื้อหาวันที่ : 2016-08-23 12:18:34 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 973 views

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.

 

 

 

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