พิชิต จินตโกศลวิทย์
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)
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.
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
Thailandindustrycom_official
