โครงข่ายไฟฟ้าเป็นองค์ประกอบที่สำคัญส่วนหนึ่งที่ใช้ในการส่งผ่านพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้จากโรงไฟฟ้าแหล่งต่างๆ ไปยังผู้ใช้ไฟฟ้าที่กระจายตัวกันอยู่ทั่วประเทศ ซึ่งอาจอยู่ห่างกันหลายร้อยกิโลเมตร การควบคุมการทำงานของระบบโครงข่ายไฟฟ้าจึงเป็นส่วนสำคัญในการบริหารจัดการการผลิต และจ่ายไฟฟ้ายิ่งไปกว่านั้นระบบไฟฟ้าครอบคลุมพื้นที่การบริการที่กว้างขวาง และการทำงานในแต่ละส่วนของระบบไฟฟ้าส่งผลกระทบต่อการทำงานของระบบอื่นๆในภาพรวมได้ ดังนั้นเพื่อให้การบริหารจัดการและควบคุมการทำงานมีประสิทธิภาพจึงจำเป็นต้องมีระบบตรวจสอบ และควบคุมระยะไกลผ่านระบบสื่อสารที่เหมาะสมและมีความเชื่อถือได้ ซึ่งรายละเอียดของการจัดการนี้ ประกอบไปด้วยภาพรวมขององค์ประกอบรวมถึงการทำงานของระบบไฟฟ้ากำลังและการควบคุมระบบไฟฟ้ากำลังระยะไกล เพื่อจัดการให้ระบบทำงานอย่างมีประสิทธิภาพโครงสร้างของระบบตรวจคุมและรวบรวมข้อมูล(SCADA) ระบบการจัดการโครงข่ายไฟฟ้าอัตโนมัติ มาตรฐานที่สำคัญและประวัติของระบบไฟฟ้า

       Grid systems is an important part for transmitting electric energy from power plants to customers. In practical, power plants may located away from customers in range of several hundred kilometers. For this reason, grid system controls are a necessary function for power system management (i.e., optimal power flow, transmission and distribution operation, system stability, etc.). Furthermore, operations of a component in a grid system may cause various consequences to other parts. Hence, for efficiently managing grid systems, an appropriate and reliable communication channel for system operators must be installed. Those details are an overview of components in power systems and their remote control systems, structure of supervisory control and management system (SCADA), related standards, and the history of electric industry.
 

       ระบบไฟฟ้ากำลัง (Power Systems) เป็นโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญและมีความจำเป็นต่อชีวิตความเป็นอยู่ของประชาชน ความก้าวหน้าทางเศรษฐกิจ อุตสาหกรรมและการพาณิชย์ในภาพรวมของทั้งประเทศ สำหรับประเทศไทย การจัดการระบบไฟฟ้าถูกแบ่งความรับผิดชอบออกเป็นสามฝ่ายได้แก่ การไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย การไฟฟ้าส่วนภูมิภาคและการไฟฟ้านครหลวง ซึ่งมีหน้าที่สำคัญในการผลิตไฟฟ้าให้พอเพียงกับความต้องการและส่งจ่ายไฟฟ้าไปให้กับผู้ใช้ไฟฟ้าอย่างทั่วถึง นอกจากนั้นการไฟฟ้าทั้งสามฝ่ายยังมีหน้าที่ในการดูแลประสิทธิภาพ (Efficiency) คุณภาพของกำลังไฟฟ้า (Power Quality) และความเชื่อถือได้ของการจ่ายไฟฟ้า (Reliability) ของระบบ ในการติดตั้งองค์ประกอบที่ใช้ในการผลิตและจ่ายไฟฟ้าได้แก่ โรงไฟฟ้า สายส่ง สายจำหน่าย สถานีไฟฟ้า (ดังรูปที่ ๓.๑) จำเป็นต้องคำนึงถึงปัจจัยหลายส่วน เช่น ตำแหน่งของผู้ใช้ไฟฟ้า แหล่งต้นกำลังที่ใช้ในการผลิตไฟฟ้าและความเหมาะสมทางสภาพแวดล้อม เป็นต้น ซึ่งปัจจัยดังกล่าวทำให้องค์ประกอบต่างๆ ของระบบกระจายอยู่ทุกภูมิภาคของประเทศ ยิ่งไปกว่านั้น ในการผลิตไฟฟ้ามีลักษณะที่แตกต่างไปจากการผลิตในอุตสาหกรรมประเภทอื่นคือ พลังงานไฟฟ้าไม่สามารถผลิตไว้ก่อนล่วงหน้า แต่ต้องผลิตเพื่อใช้งานพอดีกับความต้องการใช้ไฟฟ้าในขณะนั้น ดังนั้นการควบคุมปริมาณการผลิต การตรวจสอบการทำงาน การประสานงานเพื่อการจ่ายไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพ  รวมทั้งการแก้ไขสถานการณ์ความบกพร่องของระบบต้องทำอย่างรวดเร็วทันต่อเหตุการณ์

       จากสาเหตุดังกล่าวจึงมีความจำเป็นต้องดำเนินการควบคุมและติดตามตรวจสอบสถานะการทำงานของระบบผลิตและส่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าผ่านระบบสื่อสาร ซึ่งอาจเป็นระบบสื่อสารที่สร้างขึ้นเฉพาะสำหรับระบบไฟฟ้ากำลังหรือเป็นการใช้งานร่วมกับระบบอื่นๆ ได้
       การควบคุมการผลิตไฟฟ้าของประเทศทำโดยผ่านโปรแกรมระบบการบริหารพลังงาน (Energy Management System: EMS) บนระบบคอมพิวเตอร์ โดยรับข้อมูลจากระบบตรวจคุมและรวบรวมข้อมูลระยะไกล (Supervisory Control and Data Acquisition: SCADA)

       อุปกรณ์บางส่วนที่สำคัญซึ่งใช้ในการตรวจสอบและควบคุมการทำงานของระบบไฟฟ้าที่ติดตั้งอยู่ตามสถานีไฟฟ้าและจุดสำคัญในระบบจะถูกควบคุมผ่านศูนย์สั่งการจากส่วนกลางซึ่งทำหน้าที่เสมือนสมองควบคุม โดยการรับข้อมูลจากประสาทสัมผัสต่างๆ ผ่านทางระบบเครือข่ายประสาท โดยที่ประสาทสัมผัสเปรียบเสมือนอุปกรณ์วัดแรงดัน กระแส ความถี่ การไหลของกำลังไฟฟ้า และสถานะการทำงานของอุปกรณ์ในระบบ ซึ่งระบบเครือข่ายประสาทเปรียบเสมือนระบบโครงข่ายการสื่อสาร

        ๔.๑ ระบบตรวจคุมและรวบรวมข้อมูลระยะไกล (SCADA)

       ระบบนี้ประกอบด้วยระบบหลักส่วนกลางและอุปกรณ์วัดคุมปลายทาง (Remote Terminal Unit: RTU) ซึ่งโดยปกติระบบหลักจะติดตั้งที่สถานีควบคุมส่วนกลางทำหน้าที่รวบรวมข้อมูลให้กับโปรแกรมระบบการบริหารพลังงานหรืออีเอ็มเอส (EMS) ในขณะที่อุปกรณ์วัดคุมปลายทางซึ่งกระจาย อยู่ในระบบไฟฟ้าโดยทำหน้าที่วัดค่าต่างๆ เช่น แรงดัน กระแส มุมเฟส กำลังไฟฟ้าและสถานะการทำงานของอุปกรณ์ในสถานีไฟฟ้าย่อย เป็นต้น หลังจากนั้นจึงทำการส่งสัญญาณกลับมาที่สถานีหลัก
       หน้าที่หลักของระบบตรวจคุมและรวบรวมข้อมูล ได้แก่ การรวบรวมข้อมูล การควบคุมการทำงาน การแจ้งเตือน การบันทึกเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในระบบพร้อมกับการลงเวลา เป็นต้น ข้อมูลดังกล่าวมีความสำคัญนอกจากจะใช้ในการควบคุมสั่งการแล้วยังมีประโยชน์เพื่อใช้วิเคราะห์สืบต้นเหตุของการเกิดความผิดพลาดในการทำงานของระบบด้วย

       ๔.๒ ระบบการบริหารพลังงาน (Energy Management System: EMS)

       ข้อมูลที่ได้จากอุปกรณ์วัดค่าตามตำแหน่งต่างๆ ของระบบไฟฟ้าจะถูกรวบรวมโดยระบบตรวจคุมและรวบรวมข้อมูลระยะไกล (SCADA) จากนั้นส่งต่อให้โปรแกรมระบบบริหารพลังงาน ที่ติดตั้งบนระบบคอมพิวเตอร์ส่วนกลาง เพื่อใช้คำนวณค่า และประเมินสถานการณ์ทำงานของระบบ ในส่วนของการประเมินสถานะการทำงาน (State Estimation) ทำหน้าที่คัดกรองสัญญาณวัดต่างๆ ที่อาจมีการวัดค่าซ้ำกันหรือคล้ายกัน จากนั้น ทำการตรวจสอบ เพื่อ
ค้นหาข้อมูล จากการวัดที่อาจผิดพลาด (Bad Data Detection) และทำการคำนวณเพื่อลดค่า ความผิดพลาดให้มีค่าน้อยที่สุด ซึ่งข้อมูลที่ได้จะใช้เพื่อการคำนวณการไหลของกำลังไฟฟ้า (Power Flow) การตรวจสอบคุณภาพของกำลังไฟฟ้า (Power Quality) เป็นต้น
       จากนั้นศูนย์สั่งการจะนำข้อมูลที่ได้มาใช้เพื่อควบคุมการทำงาน เช่น การจ่ายไฟฟ้าแบบประหยัด (Economic Dispatch) การไหลของกำลังไฟฟ้าอย่างเหมาะสมที่สุด (Optimal Power Flow) การเปิดและปิดการทำงานของอุปกรณ์ในระบบ โครงสร้างการทำงานของระบบควบคุมจากศูนย์กลาง       ดังรูปที่ ๔.๑ ในการรับสัญญาณจากเครื่องมือวัดที่ติดตั้งกระจายตามจุดต่างๆ ในระบบไฟฟ้าและการส่งสัญญาณเพื่อควบคุมจากส่วนกลาง มีการดำเนินการระยะไกลผ่านระบบสื่อสารสามช่องทางหลัก [๑] ได้แก่
 
   ก) ระบบโครงข่ายแบบใช้สาย (Fixed Network) เช่น ระบบโทรศัพท์และระบบสื่อสารข้อมูล เป็นต้น
   ข) ระบบสื่อสารไร้สาย (Wireless Network) ซึ่งรวมทั้งระบบเครือข่ายโทรศัพท์เคลื่อนที่และการสื่อสารด้วยคลื่นสัญญาณ เช่น คลื่นไมโครเวฟ เป็นต้น
   ค) ระบบโครงข่ายคอมพิวเตอร์ (Computer Network) เช่น ระบบเครือข่ายคอมพิวเตอร์บริเวณกว้าง (Wide Area Network: WAN) ระบบเครือข่ายคอมพิวเตอร์เฉพาะบริเวณหรือเครือข่ายระดับตำบล (Local Area Network: LAN) และระบบอินเทอร์เน็ต (Internet) เป็นต้น 

       ระบบการรวบรวมข้อมูลและการควบคุมจากศูนย์กลางนั้นทำให้ผู้ปฏิบัติงานในส่วนการควบคุมระบบสามารถทำงานได้มีประสิทธิภาพโดยสามารถสั่งการให้อุปกรณ์ ที่ติดตั้งตามจุดที่สำคัญต่างๆ เปลี่ยนสถานะการทำงานได้จากศูนย์กลาง เช่น การเปิดและปิดเซอร์กิตเบรกเกอร์ (Circuit Breaker) การ
ควบคุมการทำงานของคาปาซิเตอร์หรือหน่วยเก็บประจุไฟฟ้า (Capacitor) การทำงานของหม้อแปลงแบบปรับค่าได้ (Tap Changing Transformer) ที่สถานีไฟฟ้าหรือการควบคุมแรงดัน ความถี่และมุมเฟสของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เป็นต้น ตัวอย่างของระบบควบคุมสั่งการ จากส่วนกลาง แบบสตาร์หรือดาวกระจาย (Star) ซึ่งมีใช้เป็นจำนวนมากดังรูปที่ ๕.๑ โดยระบบควบคุมสั่งการจากส่วนกลางมีการเชื่อมต่อกับส่วนประกอบที่มีสำคัญ ในระบบไฟฟ้ากำลัง เช่น ภายในสถานีไฟฟ้ามีการรวบรวมข้อมูลจากหม้อแปลงปรับค่าได้ สถานะการทำงานของเซอร์กิตเบรกเกอร์ เป็นต้น ทั้งนี้ข้อมูลที่ถูกรวบรวมจะส่งไปที่สถานีส่วนกลางได้ทั้งรูปแบบสัญญาณแอนะล็อกและดิจิทัล
      ในการจัดลักษณะโครงข่ายของระบบเป็นแบบสตาร์หรือดาวกระจายนั้นทำให้การสื่อสารข้อมูลต้องทำทีละส่วนโดยวนไปจนครบทุกอุปกรณ์และองค์ประกอบภายในระบบ ทำให้ใช้เวลาในการรวบรวมข้อมูลของทั้งระบบในช่วง ๒ ถึง ๑๐ วินาที [๒] ซึ่งความเร็วดังกล่าวเพียงพอต่อการประยุกต์ใช้ดังที่กล่าวในเรื่องระบบบริหารจัดการพลังงานในหัวข้อ ๔.๒

        แม้ว่าเทคโนโลยีการสื่อสารจะมีความรวดเร็ว และสามารถส่งข้อมูลได้ปริมาณมากขึ้น แต่การควบคุมระบบไฟฟ้าขนาดใหญ่แบบอัตโนมัติตามเวลาจริง (Real Time) ยังคงต้องการพัฒนาเทคนิคการคำนวณ อัลกอริทึมหรือวิธีการประมวลผลที่ใช้ในการตัดสินใจควบคุมสั่งการอัตโนมัติด้วยคอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในเวลาอันรวดเร็ว
       เทคโนโลยีการสื่อสาร ความสามารถในการประมวลผลของคอมพิวเตอร์และอัลกอรึทึมหรือวิธีการประมวลผลที่มีประสิทธิภาพจะทำให้การควบคุมระบบไฟฟ้าสามารถทำได้ในลักษณะอัตโนมัติมากขึ้น เทคโนโลยีที่เข้ามาแทนที่การสั่งการของผู้ควบคุมระบบ เช่น การสั่งการทำงานของระบบป้องกันจากส่วนกลาง เพื่อป้องกันระบบเสียความมีเสถียรภาพแบบอัตโนมัติ (System Stability) ทำให้ระบบไฟฟ้ามีความเชื่อถือได้มากขึ้น (Reliability) ส่งผลให้โอกาสของการเกิดไฟฟ้าดับ ไฟฟ้าตกน้อยลงและช่วงเวลาที่ใช้ในการซ่อมแซมสั้นลง อันเป็นผลดีต่อผู้ใช้ไฟฟ้าในที่สุด
 

       วิวัฒนาการของเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องมีการพัฒนาขึ้น ตามลำดับดังตารางที่ ๘.๑

             ตารางที่ ๘.๑ ลำดับเหตุการณ์สำคัญ 

[๑] M. Shahidehpour, Y. Wang, Communication and Control in Electric Power Systems: Applicationsof Parallel and Distributed Processing, 1 ed.

Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2003.

[๒] K. Tomsovic, D. E. Bakken, V.Venkatasubramanian, A. Bose, "Designing the Next Generation of Real-Time Control, Communication,and

Computations for Large Power Systems," Proceedings of the IEEE, vol. 93, pp. 965-979,2005.

[๓] F. Cleveland, "IEC TC57 Security Standards for the Power System's Information Infrastructure Beyond Simple Encryption," in Proc. IEEE

PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition, pp. 1079-1087, Dallas, TX, 2006.

[๔] International Electrotechical Commission (IEC),Telecontrol equipment and systems –Part 6-503:Telecontrol protocols compatible with ISO

standards and ITU-T recommendations – TASE.2 Services and protocol, 2 ed, 2004.

[๕] L. L. Grigsby, The electric power engineeringhandbook, 1st ed. Boca Raton: CRC Press, 1998.

[๖] ประเทศไทย, "การไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย",ไฟฟ้าไทยในอดีต, ๗ เมษายน ๒๕๕๑<http://www.egat.co.th>