การประมาณระยะทางตําแหน่งกระแสลัดวงจรแบบฟัซซี่ด้วยเครื่องควบคุมแบบตรรกที่โปรแกรมได้ (บทความ) โดย ดร.ยุทธพงศ์ ทัพผดุง และคณะ

 บทคัดย่อ

การแก่ไขกระแสไฟฟ้าขัดข้องเนื่องจากกระแสลัดวงจรด้วยความรวดเร็วจะช่วยลดผลกระทบต่อผู้ใช้ไฟฟ้าภาคธุรกิจและอุสาหกรรม ทำให้เกิดเสถียรภาพและความน่าเชื่อถือของระบบจำหน่ายเพิ่มขึ้น ในบทความนี้นำเสนอการประมาณการหาระยะทางของตำแหน่งกระแสลัดวงจรแบบฟัซซี่ โดยนำทฤษฎีระบบไฟฟ้ากำลังและค่าความต้านทานดินของบริเวณที่ต้องการวิเคราะห์เป็นข้อมูลอ้างอิงและนำผลที่ได้จากการคำนวนด้วยทฤษฎีของฟัซซี่ลอจิกมาเขียนโปรแกรมในรูปแบบของแลดเดอร์ลงในเครื่องควบคุมแบบตรรกที่โปรแกรมได้ (PLC) นอกจากนี้เครื่องควบคุมพีแอลซียังถูกเชื่อมต่อเข้ากับเครื่องคอมพิวเตอร์ผ่านพอร์ทอนุกรมเพื่อบันทึกข้อมูลและสามารถทำการแก้ไขฟังก์ชั่นความเป็นสมาชิกของฟัซซี่ได้ด้วยซึ่งได้นำระบบจำหน่ายของการไฟฟ้าส่วนภูมิภาค (กฟภ.) เป็นกรณีศึกษา

 ABSTRACT

In a short time of fault clearing is reduced effect to consumers, which also increase stability and reliability. In this paper presents the fuzzy logic estimation for fault location by using Electrical Power System theory and local ground impedance to be database. For programming inform of ladder diagram base on PLC. Moreover, The Programmable Logic Controller is connected with the computer via serial port in order to recording data and it can be able to change fuzzy membership functions also. The case study in this paper referred the distribution lines of Provincial Electricity Authority (PEA).

คำนํา

   บทความนี้ได้นําเสนอแนวทางการประมาณหาระยะทางของตําแหน่งกระแสลัดวงจรแบบฟัซซี่ทํางานบนเครื่องควบคุมพีแอลซี ซึ่งใช้ในการบอกการประมาณการตําแหน่งของการเกิดกระแสลัดวงจรและเชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลเพื่อจัดทําฐานข้อมูลและสถิติการเกิดกระแสลัดวงจรรวมไปถึงการเปลี่ยนแปลงค่าพารามิเตอร์ต่างๆที่ใช้เป็นฐานข้อมูลของฟังก์ชั่นความเป็นสมาชิกของฟัซซี่ในเครื่องพีแอลซีและรายงานผล โดยการส่งสัญญาณผ่านพอร์ท RS232C และแปลงเป็น RS422 จากคอมพิวเตอร์มายังเครื่องพีแอลซีเพื่อให้ได้ระยะทางในการสื่อสารพิ่มมากขึ้น ซึ่งโปรแกรมบนเครื่องคอมพิวเตอร์นี้สร้างขึ้นด้วย Microsoft Visual Basic 6.0 ทํางานบนระบบปฏิบัติการวินโดว์ 98 นอกจากนั้นยังสามารถตรวจสอบข้อมูลได้จากเครื่องคอมพิวเตอร์ที่เชื่อมต่ออยู่บนระบบโครงข่ายคอมพิวเตอร์เดียวกันด้วยคุณสมบัตODBC (Open Data Base Connectivity) ของวินโดว์การทํางานของเครื่องพีแอลซีจะใช้วิธีการเขียนโปรแกรมแลดเดอร์ที่สัมพันธ์กับฐานข้อมูลบนเครื่องคอมพิวเตอร์เพื่อที่ี่จะสามารถตรวจสอบสถานะและโอนถ่ายข้อมูลได้ตลอดเวลา

   บทความนี้ได้นําเสนอแนวทางการประมาณหาระยะทางตําแหน่งกระแสลัดวงจรแบบฟัซซี่ โดยอ้างอิงระบบจําหน่ายของการไฟฟ้าส่วนภูมิภาค (กฟภ.) เป็นกรณีศึกษา ซึ่งปัจจุบันระบบจําหน่ายของ กฟภ.ได้จัดระบบเป็นแบบเรเดียลเมื่อเกิดกระแสไฟฟ้าขัดข้องที่ระบบต้นทางไฟฟ้าก็จะดับหมดทั้งฟีดเดอร์ระบบการจ่ายไฟแบบนี้จะมีความเชื่อถือได้(Reliability)ต่ำ  ดังนั้นการหาตําแหน่งที่ทําให้เกิดสาเหตุกระแสไฟฟ้าขัดข้องและการแก้ไขที่รวดเร็ว จะช่วยลดผลกระทบต่อผู้ใช้ไฟภาคธุรกิจและอุตสาหกรรมมากยิ่งขึ้น 

ทฤษฎีและขั้นตอนการคํานวณ

   ขั้นตอนในการหาตําแหน่งที่ทําให้เกิดสาเหตุกระแสไฟฟ้าขัดข้องในระบบจําหน่ายโดยการประมาณการแบบฟัซซี่ สามารถแบ่งเป็นขั้นตอนหลักได้ดังนี้คือ การคํานวณกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่จุดต่างๆในระบบจําหน่ายและประมาณการแบบฟัซซี่

 การคํานวณค่ากระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่จุดต่างๆ

สําหรับบทความนี้จะใช้ซิงเกิลไลน์ไดอะแกรมของสถานีควบคุมการจ่ายไฟฟ้าสะเดาดังแสดงในรูปที่ 1 ซึ่งเราสามารถคํานวณค่ากระแสลัดวงจรจุดต่างๆระยะทางประมาณ 30 กิโลเมตรได้ดังนี้

การคํานวณแบบ Per Unit System กําหนดฐาน(Base) เป็น 33 kV 25 MVA

เราทราบค่ากระแสลัดวงจรที่บัส 33 kV ของการไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย(กฟผ.) ทําให้เราสามารถคํานวณค่าอิมพีแดนซ์ =Positive, Z2 =Negative, Z3 =Zeroของระบบจากแหล่งกําเนิดไฟฟ้ามาถึง บัส 33 kV ของกฟภ.ได้ดังนี้

ที่บัส:            

 จากตารางซีเคว้นอิมพีแดนซ์ของสาย แบบที่ SB2-015/41004

   Z1 = Z2 ของสายเคเบิลหุ้มฉนวนแบบไม่เต็มพิกัดขนาด 185 ต.มม. วงจรเดี่ยว

               = 0.214360+j0.399760 โอห์ม/กม.

   Z0 ของสายเคเบิลหุ้มฉนวนแบบไม่เต็มพิกัดขนาด 185 ต.มม. วงจรเดี่ยว

              = 0.392290+j1.553700 โอห์ม/กม.

   เมื่อทราบค่า Z1,Z2และZ0 จากด้านต้นกำลังถึงบัส 33 kv แล้วเราจะหาค่ากระแสลัดวงจรที่จุดใด ๆ ก็เพียงนำความต้านทานของสายคูณกับระยะทางบวกเข้าไปก็จะหาค่ากระแสลัดวงจรแบบต่าง ๆ ตามตำแหน่งที่ต้องการได้ดังนี้

 

         รูปที่ 1 ซิงเกิลไลน์ไดอะแกรมของสถานีควบคุมการจ่ายไฟฟ้าสะเดา

ฟัซซี่เพื่อการจําลองการประมาณตําแหน่งกระแสลัดวงจร

   การใช้ฟัซซี่เพื่อจําลองการประมาณตําแหน่งกระแสลัดวงจร สําหรับบทความนี้ได้นําโปรแกรม MATLAB ซึ่งมี Toolbox เพื่อใช้จําลองและสร้างตัวควบคุมแบบฟัซซี่ มาช่วยจําลองตัวประมาณตําแหน่งกระแสลัดวงจรของบทความนี้ขึ้น โดยมีลําดับขั้นตอนดังต่อไปนี้

 การสร้างฟังก์ชั่นในความเป็นสมาชิกฟัซซี่

   การสร้างฟังก์ชั่นความเป็นสมาชิก (Membership Function) ของฟัซซี่นั้นกําหนดให้ค่ากระแสลัดวงจรแบบเฟส-ดิน และค่าอิมพีแดนซ์ที่จุดลัดวงจรเป็นความเป็นสมาชิกของอินพุทและความเป็นสมาชิกของเอาท์พุทเป็นระยะทางหรือความยาวของสายเคเบิลดังในรายละเอียดแต่ละความเป็นสมาชิกดังต่อไปนี้

ความเป็นสมาชิกของค่ากระแสลัดวงจรแบบเฟส-ดิน

   การกําหนดความเป็นสมาชิกของค่ากระแสลัดวงจรแบบ เฟส-ดิน ซึ่งสามารถเพิ่มลดความเป็นสมาชิกตามความเหมาะเพื่อหาความเป็นสมาชิกของฟัซซี่ได้เหมาะสมที่สุดดังรูปที่2

ความเป็นสมาชิกของค่าอิมพีแดนซ์ที่จุดลัดวงจร

   การกําหนดความเป็นสมาชิกของค่าอิมพีแดนซ์ที่จุดลัดวงจร ซึ่งสามารถเพิ่มลดความเป็นสมาชิกตามความเหมาะเพื่อหาความเป็นสมาชิกของฟัซซี่ได้เหมาะสมที่สุดดังรูปที่3

ความเป็นสมาชิกของระยะทางหรือความยาวของสายเคเบิล

   การกําหนดความเป็นสมาชิกของระยะทางหรือความยาวของสายเคเบิล ซึ่งสามารถเพิ่มลดความเป็นสมาชิกตามความเหมาะเพื่อหาความเป็นสมาชิกของฟัซซี่ได้เหมาะสมที่สุดดังรูปที่4

การสร้างฐานความรู้แบบฟัซซี่

   ในส่วนของฐานความรู้จะประกอบไปด้วยกฏที่ใช้ในการวิเคราะห์ ซึ่งกฏต่างๆนี้ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของอินพุท ซึ่งในการประมาณแบบฟัซซี่ในบทความนี้ประกอบด้วยทั้งหมด 33 กฎ

การดีฟัซซิฟิเคชั่น(DEFUZZIFICATION)

   การดีฟัซซิฟิเคชั่น(DEFUZZIFICATION) เป็นกระบวนการแปลงตัวแปร ฟัซซี่เอาท์พุทให้เป็นค่า Crisp Set ซึ่งในโปรแกรม MATLAB ได้มีการดีฟัซซิฟิเคชั่นหลายวิธี สําหรับการจํ าลองของบทความนี้ได้ใช้วิธีจุดศูนย์กลาง (Centroid method) เป็นการประมาณค่าของตัวแปรเอาท์พุทโดยการหาจุดศูนย์กลางของพื้นที่ของกฏทุกข้อที่มีค่าความเป็นสมาชิกมากกว่าศูนย์ ดังสมการที่ 10

   จากการประยุกต์ใช้โปรแกรม MATLAB เพื่อจําลองการประมาณตําแหน่งกระแสลัดวงจรแบบฟัซซี่ ทําให้ทราบถึงความสามารถและสมรรถนะในการประมาณตําแหน่งกระแสลัดวงจรดังรูปที่ 5

การประยุกต์เครื่องควบคุมแบบตรรกเพื่อการประมาณตําแหน่งกระแสลัดวงจร

   พื้นผิวแสดงความสามารถและสมรรถนะจากการใช้โปรแกรม MATLAB ช่วยในการวิเคราะห์และจําลองจนกระทั่งได้สมรรถนะที่เหมาะสมที่สุดแล้วนั้นขั้นตอนต่อไปจะเป็นการทําโปรแกรมความสัมพันธ์ต่างของพื้นผิวแสดงความสามารถและสมรรถนะลงบนเครื่องควบคุมทางตรรกที่โปรแกรมได้ เริ่มต้นโดยกําหนดช่วงของระยะทางเพื่อประมาณตําแหน่งเป็น 4 ช่วงโดยใช้ความสัมพันธ์ในรูปที่ 5 แล้วโปรแกรมความสัมพันธ์จากรูปที่ 5 ลงบนเครื่องควบคุมแบบตรรกที่โปรแกรมได้ต่อจากนั้นเขียนโปรแกรมเชื่อมต่อระหว่างคอมพิวเตอร์กับเครื่องควบคุมแบบตรรก ขั้นสุดท้ายเขียนโปรแกรมสนับสนุนการจําลองเหตุการณ์บนเครื่องควบคุมแบบตรรกที่โปรแกรมได้แบบเวลาจริง

พัฒนาโปรแกรมเพื่อสนับสนุนการจําลองเหตุการณ์บนเครื่องคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล

   การพัฒนาโปรแกรมเพื่อสนับสนุนการจําลองเหตุการณ์บนเครื่องคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล โดยจะเขียนโปรแกรมบน Visual Basic 6.0 ซึ่งได้เขียนโปรแกรมสนับสนุนการจําลองเหตุการณ์ในกรณีต่างๆบนเครื่องคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลและเชื่อมต่อระหว่างเครื่องควบคุมทางตรรกที่โปรแกรมได้โดยผ่านข้อกําหนดการสื่อสารมาตรฐาน RS422 สําหรับโปรแกรมสนับสนุนการจําลองเหตุการณ์ในกรณีต่างๆนั้นได้ออกแบบความสามารถในการจําลองเหตุการณ์ซึ่งแสดงรายละเอียดของการจําลองดังต่อไปนี้

การรับส่งข้อมูลเพื่อปรับตั้งค่าต่างๆที่จําเป็นของเครื่องควบคุมทางตรรกที่โปรแกรมได้

   การรับส่งข้อมูลไปยังเครื่องควบคุมทางตรรกที่โปรแกรมนั้นมีจุดประสงค์เพื่อทําการปรับตั้งค่าที่เรากําหนดลงไปใน DATA MEMORY ของเครื่องควบคุมทางตรรกที่โปรแกรมได้ โดยจะแสดงให้เห็นว่าเมื่อมีการใช้งานเครื่องประมาณตําแหน่งกระแสลัดวงจรแล้วเป็นระยะเวลานานๆบางครั้งเมื่อมีความจําเป็นต้องปรังปรุงฐานความรู้ของเครื่องดังกล่าวก็สามารถกระทําได้ง่ายเนื่องจากเครื่องควบคุมทางตรรกที่โปรแกรมได้ มีโปรโตคอลที่เป็นมาตรฐานซึ่งถ้าเราใช้เครื่องควบคุมทางตรรกที่โปรแกรมของผลิตภัณฑ์ที่มีการใช้อย่างกว้างขวางแล้วนั้นก็จะมีซอฟแวร์ที่สนันสนุนเพื่อพัฒนาโปรแกรมช่วยการติดต่อสื่อสารระหว่างเครื่องควบคุมทางตรรกที่โปรแกรมได้กับมนุษย์(Man Machine Interface)

การจําลองเหตุการณ์การประมาณตําแหน่งกระแสลัดวงจร

   การจําลองเหตุการณ์กระแสลัดวงจรแบบ เฟส-ดิน ของโครงงานนี้นั้น ได้ทําการพัฒนาให้โปรแกรมเพื่อให้สามารถจําลองการเปลี่ยนแปลงค่ากระแสลัดวงจรที่เกิดขึ้นและยังสามารถตั้งเวลาช่วงที่เกิดกระแสลัดวงจรได้เพื่อทดสอบความสามารถในการประมาณตําแหน่งกระแสลัดวงจรแบบเวลาจริงของเครื่องว่ามีประสิทธิภาพและมีความคลาดเคลื่อนมากน้อยเพียงใด และยังสามารถตั้งค่าอิมพีแดนซ์ที่จุดลัดวงจรเพื่อจํ าลองการเปลี่ยนแปลงอิมพีแดนซ์ที่จุดลัดวงจรซึ่งจะขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายๆอย่างเช่น สภาพอากาศ คุณสมบัติของดิน ภูมิประเทศของพื้นที่นั้น ๆ

การทดลองและผล

   การทดลองจะทําโดยการจําลองกระแสไฟฟ้าขนาดต่างๆโดยการป้อนข้อมูลจากเครื่องคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลที่ได้ดังแสดงในรูปที่ 9 จะเห็นได้ว่ามีการการประมาณการระยะทางตําแหน่งกระแสลัดวงจรแบบฟัซซี่โดยแบ่งเป็น 4 โซนด้วยกันในแต่ละโซนจะมีระยะห่างกัน 6 กิโลเมตรวิเคราะห์หาตําแหน่งที่ทําให้เกิดกระแสไฟฟ้าขัดข้องนั้นมีค่าใกล้เคียงกับการคํานวณโดยใช้ทฤษฎีระบบไฟฟ้ากําลัง (Power System) ซึ่งมีความสลับซับซ้อน

การลดค่าความคลาดเคลื่อนสามารถทําได้โดยใช้ประสบการณ์ของพนักงานของ กฟภ. ที่ปฏิบัติหน้าที่เกี่ยวข้องในพื้นที่เพื่อนําไปสร้างกฎและสร้างสมาชิกของอิมพิแดนซ์ของดินเป็นอินพุทร่วมกับสมาชิกของกระแสลัดวงจร เพื่อทําให้ทราบค่าอิมพิแดนซ์ของดินบริเวณที่วิเคราะห์ ซึ่งค่าดังกล่าวนี้ก็จะเปลี่ยนแปลงตามฤดูกาล ทําให้ลดความคลาดเคลื่อนของตําแหน่งที่ทําให้เกิดสาเหตุกระแสไฟฟ้าขัดข้องสําหรับบทความนี้จะใช้ค่าอิมพิแดนซ์ของดินเท่ากับ 40 โอห์ม ซึ่งโดยปกติแล้ว กฟภ. จะใช้ค่าเท่ากับ 40 หรือ 25 โอร์มในการคำนวณการจัดความสัมพันธ์ของอุปกรณ์ในระบบจำหน่ายซึ่งขึ้นอยู่กับพื้นที่และภูมิประเทศที่ติดตั้งอุปกรณ์ป้องกัน

                                       ตารางแสดงผลการทดลอง

สรุป

   จากบทความนี้แสดงให้เห็นว่าแนวทางการประมาณการระยะทางตำแหน่งกระแสลัดวงจรแบบฟัซซี่เป็นแน้วทางหนึ่งในการวิเคราะห์หาตำแหน่งที่ทำให้เกิดสาเหตุกระแสไฟฟ้าขัดข้องได้ และจะช่วยลดระยะเวลาในการหาตำแห่งที่ทำให้เกิดสาเหตุกระแสไฟฟ้าขัดข้องได้รวดเร็วขึ้น ซึ้งในปัจจุบันในเขตควบรับผิดชอบของ กฟภ. ในถิ่นทุรกันดารระบบจำหน่ายต้องผ่านป่าไม้และภูเขา ต้องใช้พลังงานขับรถยนต์สำรวจระบบจำหน่ายพื่อหาตำแหน่งที่ทำให้เกิดสาเหตุกระแสไฟฟ้าขัดข้องทำให้สิ้นเปลืองเวลา จากการวิเคราะห์จะช่วยพนักงาน กฟภ. ทราบตำแหน่งที่เกิดสาเหตุที่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขัดข้องได้ ทำให้ลดเวลาในการหาตำแหน่งดังกล่าวได้รวดเร็ว และลดผลกระทบต่อผู้ใช้ไฟฟ้าด้วย

เอกสารอ้างอิง

J.Ross,"FUZZY LOGIC WITH ENGINEERING APPLICATIONS",MeGraw-Hill,Inc., pp. 130-150,1995.

D. William,Jr. Stevenson, "Element of Power System Analysis", MeGraw-Hill,Inc., pp. 275-336,1982.

B. RAVINDRANATH,M. CHANDER AND C.S.JHA,"POWER SYSTEM PROTECTION and SWITCHGEAR,John Wiley & Sons.,pp. 3-34,1987.

Hamdy A. Taha, Operations Research an introduction, Prentice-Hall,Inc, USA 1997

Sysmac way Host link units operation manual, Omron electronics, JAPAN , 1990

Paul Bonner , PC MAGAZINE VISUAL BASIC UTILITYS, Ziff Daus press emery ville ,California, 1993

กองฝึกอบรมการไฟฟ้าส่วนภูมิภาค,"การจัดอุปกรณ์ป้องกัน ระบบไฟฟ้าของ กฟภ.",หน้า 64-67,2531.

รัชนี สุภัคพานิช และ กิตติ ไพฑูรย์วัฒนกิจ,"การประยุกต์ระบบผู้เชี่ยวชาญแบบฟัซซี่นิวทรอลไลเซชัน",วิศวสารลาดกระบัง,ปีที่ 15,หน้า 45-53,ฉบับที่ 1 สิงหาคม 2541.