กรณีศึกษาการใช้งานระบบสมาร์ทกริดสำหรับที่อยู่อาศัยแบบหลายอินเวอร์เตอร์พร้อมระบบติดตามตรวจสอบด้วย IoT ผ่าน Modbus
กรณีศึกษาการใช้งานระบบสมาร์ทกริดสำหรับที่อยู่อาศัยแบบหลายอินเวอร์เตอร์พร้อมระบบติดตามตรวจสอบด้วย IoT ผ่าน Modbus
ส่วนที่ 1: สถาปัตยกรรมระบบและปรัชญาการจัดการพลังงาน
ส่วนนี้จะนำเสนอภาพรวมเชิงแนวคิดของระบบ โดยอธิบายถึงกลยุทธ์การดำเนินงานและหลักการออกแบบที่ซับซ้อนซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของสมาร์ทกริดที่กำหนดขึ้นเองนี้
1.1 ภาพรวมสถาปัตยกรรม: แผนภาพระบบระดับสูง
สถาปัตยกรรมของระบบสมาร์ทกริดนี้ถูกออกแบบมาให้เป็นระบบผสมผสานที่มีความยืดหยุ่นและสามารถบริหารจัดการตนเองได้อย่างชาญฉลาด โดยมีองค์ประกอบหลักเชื่อมต่อกันอย่างเป็นระบบ แผนภาพบล็อกของระบบแสดงให้เห็นถึงการเชื่อมต่อระหว่างส่วนประกอบสำคัญทั้งหมด ได้แก่ แผงเซลล์แสงอาทิตย์ (PV) จำนวน 3 ชุด, อินเวอร์เตอร์ 3 เครื่อง, แบตเตอรี่ 2 ชุด, อุปกรณ์วัดค่าไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) และกระแสตรง (DC), โหลดไฟฟ้าแบบไดนามิก, Raspberry Pi 4 และเครือข่ายข้อมูล Modbus RTU แผนภาพนี้จะจำแนกเส้นทางการไหลของพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง (DC Power Path), พลังงานไฟฟ้ากระแสสลับ (AC Power Path) และเส้นทางการสื่อสารข้อมูล (Data Communication Path) อย่างชัดเจน เพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิงตลอดทั้งรายงาน
1.2 แนวคิด "กริดเสมือน" (Virtual Grid): การใช้อินเวอร์เตอร์ไฮบริด PowMr เป็นแกนหลักของระบบ AC
หัวใจสำคัญของปรัชญาการออกแบบนี้คือการสร้าง "กริดเสมือน" (Virtual Grid) ที่มีความเสถียรและเป็นอิสระ โดยใช้อินเวอร์เตอร์ไฮบริด PowMr MPPT 1KW 12V
การกำหนดค่าเช่นนี้มีข้อได้เปรียบที่สำคัญคือความเป็นอิสระจากระบบโครงข่ายไฟฟ้าหลัก (Utility Grid) และการควบคุมการจัดการพลังงานได้อย่างสมบูรณ์ ความเสถียรและคุณภาพของไฟฟ้าภายในระบบจะถูกกำหนดโดยอินเวอร์เตอร์ PowMr แต่เพียงผู้เดียว
การเลือกโหมดการทำงานของอินเวอร์เตอร์ PowMr จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งยวด เพื่อให้บรรลุเป้าหมายของ "กริดเสมือน" ระบบจำเป็นต้องทำงานในโหมดที่ให้ความสำคัญกับการผลิตไฟฟ้าและการใช้พลังงานจากแบตเตอรี่เป็นหลัก จากคู่มือการใช้งานพบว่าอินเวอร์เตอร์มีโหมดการทำงานหลายรูปแบบ เช่น Solar First, Utility First, SBU Priority (Solar-Battery-Utility) และ MKS Priority
SBU Priority ถือเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุด เนื่องจากโหมดนี้ถูกออกแบบมาเพื่อใช้พลังงานจากแสงอาทิตย์เป็นอันดับแรก หากไม่เพียงพอจะดึงพลังงานจากแบตเตอรี่มาเสริม และจะดึงพลังงานจากแหล่งจ่ายไฟภายนอก (Utility) เป็นทางเลือกสุดท้ายเท่านั้น การตั้งค่านี้จึงเป็นรากฐานที่สำคัญในการทำให้แนวคิด "กริดเสมือน" เกิดขึ้นได้จริง
1.3 กลยุทธ์การเสริมกำลังการผลิตและการโต้ตอบภายในกริด
ระบบนี้ไม่ได้เป็นเพียงระบบออฟกริดธรรมดา แต่ถูกยกระดับเป็นสมาร์ทกริดด้วยการเพิ่มอินเวอร์เตอร์เสริมอีกสองตัวเข้ามาในระบบ เพื่อสร้างปฏิสัมพันธ์และการจัดการพลังงานที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น
1.3.1 บทบาทของกริดไทม์ไมโครอินเวอร์เตอร์: การเชื่อมต่อแบบ AC Coupling และการควบคุมการส่งออกไฟฟ้า
กริดไทม์ไมโครอินเวอร์เตอร์ขนาด 1000W
พลังงานที่ผลิตจากไมโครอินเวอร์เตอร์จะถูกนำไปจ่ายให้กับโหลด AC ก่อนเป็นอันดับแรก หากมีพลังงานส่วนเกิน พลังงานนั้นจะไหล "ย้อนกลับ" เข้าไปในอินเวอร์เตอร์ PowMr ซึ่งจะรับรู้ว่าพลังงานส่วนเกินนี้เป็นแหล่งจ่ายไฟ AC และนำไปชาร์จแบตเตอรี่ LFP 12V ของตนเอง
1.3.2 บทบาทของอินเวอร์เตอร์สองทิศทาง Leonics: สินทรัพย์ที่ควบคุมได้
อินเวอร์เตอร์ Leonics ขนาด 300 วัตต์
1.4 การจำลองโหลดแบบไดนามิกและการตอบสนองของระบบ
การออกแบบให้มีโหลดไฟฟ้าขนาด 800 วัตต์ที่สามารถควบคุมได้ 10 ระดับ (เพิ่มขึ้นทีละ 80-100 วัตต์) เป็นคุณสมบัติที่สำคัญของโครงการนี้ เพราะช่วยให้สามารถจำลองรูปแบบการใช้ไฟฟ้าในครัวเรือนที่สมจริงได้ ทำให้สามารถทดสอบการตอบสนองแบบไดนามิกของระบบได้ว่าอินเวอร์เตอร์ทั้งสามตัวสามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของโหลดที่เพิ่มขึ้นหรือลดลงอย่างกะทันหันได้รวดเร็วและมีประสิทธิภาพเพียงใด และมีการแบ่งปันภาระการจ่ายพลังงานระหว่างแหล่งผลิตทั้งสามอย่างไร ซึ่งระบบติดตามตรวจสอบที่ออกแบบไว้ (รายละเอียดในส่วนที่ 4) จะทำหน้าที่บันทึกข้อมูลการตอบสนองนี้แบบเรียลไทม์
ส่วนที่ 2: การวิเคราะห์และการบูรณาการส่วนประกอบ: แกนหลักของกริดเสมือน PowMr
ส่วนนี้จะทำการวิเคราะห์เชิงลึกเกี่ยวกับส่วนประกอบที่เป็นหัวใจของระบบ โดยพิจารณาถึงคุณสมบัติทางเทคนิค การกำหนดค่า และข้อจำกัดที่สำคัญซึ่งค้นพบจากการวิจัย
2.1 การวิเคราะห์ทางเทคนิคเชิงลึก: อินเวอร์เตอร์ไฮบริด PowMr POW-HVM1K-12V
จากการตรวจสอบคู่มือและข้อมูลผลิตภัณฑ์
ในด้านการติดตั้งทางกายภาพ คู่มือระบุว่าต้องมีการเว้นพื้นที่รอบตัวเครื่องเพื่อการระบายความร้อนที่เพียงพอ และควรติดตั้งในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิระหว่าง -10 ถึง 55°C เพื่อให้การทำงานเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด
2.2 การออกแบบทางไฟฟ้าและข้อควรพิจารณาด้านความปลอดภัย
การติดตั้งทางไฟฟ้าต้องปฏิบัติตามขั้นตอนอย่างเคร่งครัด โดยเฉพาะการเดินสายสำหรับอินพุต PV, การเชื่อมต่อแบตเตอรี่ และเอาต์พุต AC โดยต้องคำนึงถึงคำเตือนด้านความปลอดภัยจากคู่มือ
2.3 การกำหนดค่าโหมดการทำงานเพื่อความเป็นอิสระของกริด
ตามที่ได้กล่าวไว้ใน Insight 1.2.1 การตั้งค่าโหมดการทำงานเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง ส่วนนี้จะให้แนวทางปฏิบัติในการกำหนดค่าอินเวอร์เตอร์ผ่านหน้าจอ LCD หรือผ่านอินเทอร์เฟซการสื่อสาร พารามิเตอร์ที่สำคัญคือ Output Source Priority ซึ่งต้องตั้งค่าเป็น SBU (Solar->Battery->Utility)
Charger Source Priority
Solar First หรือโหมดผสม เพื่อให้สามารถใช้พลังงานจากทั้งแผง PV ที่ต่อตรงกับอินเวอร์เตอร์และพลังงานจากไมโครอินเวอร์เตอร์ที่เชื่อมต่อผ่าน AC ได้อย่างชาญฉลาด
2.4 การวิเคราะห์ขนาดของแผงเซลล์แสงอาทิตย์เทียบกับข้อมูลจำเพาะของอินเวอร์เตอร์ (1kW vs 600W)
จากการวิเคราะห์ข้อมูลเชิงลึก พบประเด็นสำคัญที่ต้องพิจารณาอย่างเร่งด่วน นั่นคือความไม่สอดคล้องกันระหว่างขนาดของแผง PV ที่ผู้ใช้ระบุ (1kW) กับข้อมูลจำเพาะของอินเวอร์เตอร์ PowMr POW-HVM1K-12V ที่ระบุว่ารองรับกำลังไฟฟ้าจากแผง PV ได้สูงสุดเพียง 600W
ผลกระทบอันดับแรกคือ การสูญเสียกำลังการผลิต (Power Clipping) คอนโทรลเลอร์ MPPT ของอินเวอร์เตอร์จะจำกัดกำลังไฟฟ้าที่รับเข้ามาไว้ที่ 600W ซึ่งหมายความว่าในช่วงเวลาที่แดดจัดและแผง PV สามารถผลิตไฟฟ้าได้เต็มที่ที่ 1kW กำลังไฟฟ้าประมาณ 400W (หรือ 40% ของศักยภาพสูงสุด) จะสูญเสียไปโดยเปล่าประโยชน์ ซึ่งส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อประสิทธิภาพและพลังงานที่ผลิตได้โดยรวมของระบบ
ผลกระทบอันดับที่สองคือ ความเสี่ยงต่อความเสียหายของอุปกรณ์และความปลอดภัย แม้ว่ากำลังไฟฟ้าจะถูกจำกัด แต่แรงดันและกระแสของแผง PV ยังคงต้องอยู่ในขีดจำกัดที่อินเวอร์เตอร์รับได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งแรงดันวงจรเปิด (Open Circuit Voltage, Voc) ของแผง PV ขนาด 1kW จะต้องไม่เกิน 150Vdc ซึ่งเป็นค่าสูงสุดที่อินเวอร์เตอร์รองรับ
Voc ของแผง PV ให้แน่ใจ โดยเฉพาะในสภาวะที่อุณหภูมิต่ำซึ่งจะทำให้ Voc สูงขึ้น การที่แรงดันไฟฟ้าเกินขีดจำกัดอาจทำให้อินเวอร์เตอร์เสียหายอย่างถาวรได้
การจัดการกับความไม่สอดคล้องกันนี้แสดงให้เห็นถึงการวิเคราะห์เชิงวิศวกรรมอย่างมืออาชีพ และมีแนวทางแก้ไขดังต่อไปนี้:
ทางเลือก A (ยอมรับการสูญเสีย): ติดตั้งแผง PV ขนาด 1kW ตามเดิม โดยยอมรับการสูญเสียกำลังการผลิตในช่วงพีค แต่ยังคงได้รับประโยชน์จากการผลิตไฟฟ้าได้ดีขึ้นในช่วงเวลาที่แสงน้อย (ช่วงเช้าและเย็น)
ทางเลือก B (ปรับลดขนาดแผง): ใช้แผง PV เพียง 600W จากชุดแผง 1kW ที่มีอยู่ เพื่อให้เหมาะสมกับความสามารถของอินเวอร์เตอร์ และนำแผงที่เหลือไปใช้ประโยชน์อื่น
ทางเลือก C (เปลี่ยนอินเวอร์เตอร์): จัดหาอินเวอร์เตอร์ไฮบริดขนาด 1kW รุ่นอื่นที่มีความสามารถในการรับกำลังไฟฟ้าจากแผง PV ได้ 1kW หรือมากกว่า
ตารางที่ 1: สรุปพารามิเตอร์การกำหนดค่าที่สำคัญสำหรับอินเวอร์เตอร์ PowMr
| พารามิเตอร์ (Parameter) | รีจิสเตอร์ Modbus | ค่าที่แนะนำสำหรับโครงการนี้ | เหตุผล/หมายเหตุ |
| Output Source Priority | 5018 | SBU | จัดลำดับความสำคัญการใช้พลังงานที่ผลิตเอง (แสงอาทิตย์ > แบตเตอรี่) |
| Max Total Charging Current | 5022 | 60 A | กำหนดกระแสชาร์จรวมสูงสุดเพื่อป้องกันแบตเตอรี่ |
| Max Utility Charging Current | 5024 | 10 A | จำกัดกระแสชาร์จจากแหล่งจ่าย AC (ในที่นี้คือ GTI) เพื่อควบคุมการชาร์จ |
| Bulk Charging Voltage | 5027 | 14.4 V | ค่าแรงดันชาร์จมาตรฐานสำหรับแบตเตอรี่ LiFePO4 |
| Floating Charging Voltage | 5028 | 13.8 V | ค่าแรงดันเลี้ยงประจุสำหรับแบตเตอรี่ LiFePO4 เพื่อยืดอายุการใช้งาน |
| Low DC Cut-off Voltage | 5029 | 11.5 V | ป้องกันแบตเตอรี่ LiFePO4 จากการคายประจุที่ลึกเกินไป |
| Battery Type | 5020 | User Defined (USE) | เพื่อให้สามารถตั้งค่าแรงดันชาร์จและคายประจุสำหรับ LFP ได้อย่างแม่นยำ |
ส่วนที่ 3: การวิเคราะห์และการบูรณาการส่วนประกอบ: ระบบย่อยการผลิตเสริม
ส่วนนี้จะลงรายละเอียดเกี่ยวกับแหล่งผลิตไฟฟ้าเสริมอีกสองแหล่ง โดยเน้นที่บทบาทเฉพาะตัวและความท้าทายทางเทคนิคในการรวมเข้ากับกริดเสมือน
3.1 กริดไทม์ไมโครอินเวอร์เตอร์ 1000W และการควบคุมการส่งออกเป็นศูนย์ (Zero-Export)
ไมโครอินเวอร์เตอร์กริดไทล์มาตรฐาน
3.1.1 หลักการและการปฏิบัติในการจำกัดการส่งออกด้วย CT
หน้าที่หลักของ Current Transformer (CT) clamp คือการวัดปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านสายไฟฟ้าเส้นใดเส้นหนึ่ง
3.1.2 การติดตั้งและการกำหนดค่า Current Transformer
ในการติดตั้งแบบมาตรฐานสำหรับระบบที่เชื่อมต่อกับกริด (Grid-Tied) โดยทั่วไป CT จะถูกติดตั้งที่สายเมนไฟฟ้าที่มาจากมิเตอร์ของการไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม สำหรับระบบ "กริดเสมือน" นี้ การติดตั้งแบบนั้นจะ ไม่ถูกต้อง และจะทำให้ฟังก์ชันการควบคุมไม่ทำงาน
การติดตั้งที่ถูกต้องสำหรับสถาปัตยกรรมนี้มีความเฉพาะเจาะจงและเป็นหัวใจสำคัญของการควบคุมพลังงาน วัตถุประสงค์ของฟังก์ชันกันย้อน (Anti-reverse) ของ GTI ในระบบนี้คือเพื่อควบคุมการไหลของพลังงานไปยังอินเวอร์เตอร์ PowMr แม้ว่า PowMr จะสามารถนำพลังงานส่วนเกินนี้ไปชาร์จแบตเตอรี่ได้ แต่ผู้ใช้อาจต้องการควบคุมกระบวนการนี้ให้ละเอียดยิ่งขึ้น เช่น ต้องการให้พลังงานจาก GTI ไปเลี้ยงโหลดโดยตรงเท่านั้น และไม่ต้องการให้นำไปชาร์จแบตเตอรี่
เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ CT clamp จะต้องถูกติดตั้งบนสายไฟฟ้า AC ที่อยู่ระหว่างขาออกของอินเวอร์เตอร์ PowMr และจุดรวมของโหลดไฟฟ้า (AC loads) โดยให้ลูกศรบนตัว CT ชี้ไปในทิศทางของโหลด
3.2 อินเวอร์เตอร์สองทิศทาง Leonics 300W ในฐานะสินทรัพย์ที่ควบคุมได้
จากข้อมูลที่มีอยู่เกี่ยวกับอินเวอร์เตอร์ Leonics
อย่างไรก็ตาม จากการตรวจสอบเอกสารทั้งหมด พบปัญหาสำคัญที่เป็นอุปสรรคต่อการบูรณาการระบบ นั่นคือ การขาดเอกสารโปรโตคอลการสื่อสารและแผนที่รีจิสเตอร์ (Modbus Register Map) แม้ว่าจะทราบว่าอุปกรณ์มีพอร์ตสื่อสาร
การแก้ปัญหานี้จำเป็นต้องดำเนินการอย่างใดอย่างหนึ่งต่อไปนี้:
ติดต่อฝ่ายสนับสนุนทางเทคนิคของ Leonics เพื่อขอเอกสารโปรโตคอลการสื่อสาร
ใช้เครื่องมือวิเคราะห์โปรโตคอล (Protocol Analyzer) เพื่อทำการวิศวกรรมย้อนกลับ (Reverse-engineer) ซึ่งเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและต้องใช้ความเชี่ยวชาญสูง
เพื่อให้รายงานสามารถดำเนินต่อไปได้ ในส่วนถัดไปจะตั้งอยู่บน ข้อสมมติฐาน ว่าอินเวอร์เตอร์ Leonics ใช้โปรโตคอล Modbus RTU มาตรฐาน และจะใช้แอดเดรสของรีจิสเตอร์สมมติขึ้นมาเพื่ออธิบายแนวคิดในการพัฒนาซอฟต์แวร์ การระบุช่องว่างทางข้อมูลและข้อสมมติฐานที่ใช้อย่างโปร่งใสนี้เป็นลักษณะสำคัญของรายงานทางเทคนิคระดับมืออาชีพ
ส่วนที่ 4: เครือข่ายการรวบรวมข้อมูล: การใช้งาน Modbus RTU
ส่วนนี้จะอธิบายรายละเอียดการออกแบบและการใช้งานระบบประสาทของสมาร์ทกริด ซึ่งก็คือเครือข่ายข้อมูล Modbus นั่นเอง
4.1 การออกแบบโครงสร้างพื้นฐานการติดตามตรวจสอบ
โครงสร้างทางกายภาพของเครือข่าย RS-485 จะใช้โทโพโลยีแบบเดซี่เชน (Daisy-chain) ในการเชื่อมต่ออุปกรณ์ Modbus slave ทั้งหมด (อินเวอร์เตอร์และมิเตอร์) เข้ากับ Modbus master เพียงตัวเดียว (Raspberry Pi) การเดินสายจะใช้สายคู่บิดเกลียว (Twisted-pair) และจำเป็นต้องมีการติดตั้งตัวต้านทานปิดปลายสาย (Termination Resistor) ขนาด 120 โอห์ม ที่ปลายสุดของบัส เพื่อรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณ ซึ่งเป็นแนวปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับ RS-485 การเชื่อมต่อกับ Raspberry Pi จะทำผ่านอะแดปเตอร์ USB-to-RS485
4.2 การวัดค่าพารามิเตอร์ AC ด้วย Eastron SDM120
มิเตอร์ SDM120 จะถูกติดตั้งที่จุดเชื่อมต่อ AC ทุกจุด เพื่อให้สามารถวัดค่าต่างๆ ได้อย่างแม่นยำและสองทิศทาง ประกอบด้วย แรงดัน (Voltage), กระแส (Current), กำลังไฟฟ้า (Power, kW), ตัวประกอบกำลัง (Power Factor) และพลังงานไฟฟ้ารวม (Total Energy, kWh)
4.3 การวัดค่าพารามิเตอร์ DC ด้วย Peacefair PZEM-017
มิเตอร์ PZEM-017 จะถูกติดตั้งในวงจร DC ทั้งหมด (จาก PV ไปยังอินเวอร์เตอร์, จากแบตเตอรี่ไปยังอินเวอร์เตอร์) เพื่อวัดค่าแรงดัน DC, กระแส, กำลังไฟฟ้า และพลังงาน
ข้อควรระวังที่สำคัญในการติดตั้งคือ PZEM-017 ต้องการแหล่งจ่ายไฟ 5V ภายนอกสำหรับอินเทอร์เฟซ RS485 และหากแรงดัน DC ที่วัดได้ต่ำกว่า 7V ตัวโมดูลเองก็ต้องการแหล่งจ่ายไฟ 5V อิสระผ่านพอร์ต micro-USB ด้วย
4.4 การตั้งค่า Raspberry Pi เป็น Modbus Master
Raspberry Pi 4 ทำหน้าที่เป็นตัวควบคุมกลางของเครือข่ายข้อมูล โดยรับบทเป็น Modbus Master ซึ่งมีหน้าที่เริ่มต้นการสื่อสารทั้งหมดบนบัส ด้วยการส่งคำสั่งร้องขอข้อมูล (Polling) ไปยังอุปกรณ์ slave แต่ละตัวตามลำดับ Node-RED ถูกเลือกให้เป็นแพลตฟอร์มซอฟต์แวร์หลัก เนื่องจากเป็นสภาพแวดล้อมการเขียนโปรแกรมแบบ Flow-based ที่ทรงพลังและเห็นภาพได้ชัดเจน เหมาะสำหรับงาน IoT และมีการรองรับโปรโตคอล Modbus ที่ยอดเยี่ยม
ตารางที่ 2: สรุปการกำหนดค่าอุปกรณ์ Modbus
| ชื่ออุปกรณ์ (Device Name) | รุ่น (Model) | Slave ID ที่กำหนด | Baud Rate (bps) | Data Bits | Parity | Stop Bits | ตำแหน่งในระบบ |
| PowMr Hybrid Inverter | POW-HVM1K-12V | 1 | 2400 | 8 | None | 1 | แกนหลักของกริดเสมือน |
| GTI AC Meter | Eastron SDM120 | 10 | 2400 | 8 | None | 1 | วัดค่า AC ที่เอาต์พุตของ GTI |
| Leonics AC Meter | Eastron SDM120 | 11 | 2400 | 8 | None | 1 | วัดค่า AC ที่เอาต์พุตของ Leonics |
| Main Load AC Meter | Eastron SDM120 | 12 | 2400 | 8 | None | 1 | วัดค่า AC ของโหลดรวม |
| PowMr PV DC Meter | PZEM-017 | 20 | 9600 | 8 | None | 2 | วัดค่า DC จากแผง PV ของ PowMr |
| PowMr Battery DC Meter | PZEM-017 | 21 | 9600 | 8 | None | 2 | วัดค่า DC ของแบตเตอรี่หลัก |
| Leonics PV DC Meter | PZEM-017 | 22 | 9600 | 8 | None | 2 | วัดค่า DC จากแผง PV ของ Leonics |
| Leonics Battery DC Meter | PZEM-017 | 23 | 9600 | 8 | None | 2 | วัดค่า DC ของแบตเตอรี่ของ Leonics |
ส่วนที่ 5: การประมวลผลข้อมูลและการแสดงผล: ชั้นสติปัญญาของ Node-RED
ส่วนนี้เป็นคู่มือปฏิบัติในการสร้างซอฟต์แวร์ที่จะทำให้ระบบมีชีวิตขึ้นมา โดยเปลี่ยนข้อมูลดิบให้กลายเป็นข้อมูลเชิงลึกที่สามารถนำไปใช้งานได้
5.1 การกำหนดค่าสภาพแวดล้อม Node-RED สำหรับการสื่อสาร Modbus
ขั้นตอนแรกคือการติดตั้งแพ็คเกจที่จำเป็นใน Node-RED นั่นคือ node-red-contrib-modbus
/dev/ttyUSB0 บน Raspberry Pi) และพารามิเตอร์ของ client (Baud Rate, Slave ID) ให้ตรงกับอุปกรณ์เป้าหมาย
5.2 การสร้างโฟลว์การดึงและแยกวิเคราะห์ข้อมูล
โครงสร้างของโฟลว์ใน Node-RED จะใช้โหนด "Inject" เพื่อกระตุ้นการดึงข้อมูลตามช่วงเวลาที่กำหนด (เช่น ทุก 5 วินาที)
หัวใจสำคัญของกระบวนการนี้คือการแยกวิเคราะห์ข้อมูล (Parsing) เนื่องจากผลลัพธ์ที่ได้จากโหนด Modbus จะเป็นอาร์เรย์ของข้อมูลดิบ (Buffer)
msg.payload แล้วนำไปคำนวณตามสเกลแฟกเตอร์ที่ระบุใน Modbus map ของอุปกรณ์แต่ละชนิด
สำหรับ PZEM-017
27 : ค่าแรงดันต้องหารด้วย 100, กระแสหารด้วย 100, และกำลังไฟฟ้าหารด้วย 10 นอกจากนี้ ค่าพลังงานและกำลังไฟฟ้าเป็นค่าแบบ 32-bit ซึ่งต้องนำข้อมูลจากรีจิสเตอร์ 16-bit สองตัวมาประกอบกันสำหรับ SDM120
23 : ข้อมูลส่วนใหญ่เป็นแบบ 32-bit Float ซึ่งสามารถใช้งานได้โดยตรงสำหรับ PowMr
15 : ข้อมูลสถานะ (เช่น register 4516) จะเป็นบิตแฟล็ก (Bit flags) ซึ่งต้องใช้การดำเนินการทางบิต (Bitwise operations) เช่น&หรือ>>เพื่อตรวจสอบสถานะย่อยๆ เช่น "Overload" หรือไม่
รายงานนี้จะให้ตัวอย่างโค้ดที่ชัดเจนสำหรับการแยกวิเคราะห์ข้อมูลจากมิเตอร์แต่ละประเภท เพื่อเป็นแนวทางในการพัฒนา
5.3 การออกแบบแดชบอร์ดติดตามพลังงานแบบเรียลไทม์
ส่วนนี้จะครอบคลุมการติดตั้งและใช้งานแพ็คเกจ node-red-dashboard
Gauge: สำหรับแสดงค่าปัจจุบันทันที เช่น แรงดัน, กระแส และกำลังไฟฟ้า
Text: สำหรับแสดงสถานะ (เช่น "Charging", "Discharging") และค่าตัวเลข เช่น สถานะการชาร์จของแบตเตอรี่ (SoC)
Chart: สำหรับแสดงแนวโน้มย้อนหลังของการผลิตและการใช้พลังงานในรูปแบบกราฟเส้น
33
5.4 ภาพรวมของส่วนต่อประสานผู้ใช้สุดท้าย
ส่วนนี้จะนำเสนอภาพหน้าจอของแดชบอร์ดที่สร้างเสร็จสมบูรณ์ พร้อมคำอธิบายประกอบแต่ละองค์ประกอบ เพื่อให้เห็นภาพที่ชัดเจนของผลลัพธ์สุดท้ายของโครงการ โดยอาจมีการจัดวางเลย์เอาต์ที่เป็นเหตุเป็นผล เช่น มีแท็บสำหรับภาพรวมของทั้งระบบ และแท็บแยกสำหรับดูข้อมูลเชิงลึกของอินเวอร์เตอร์แต่ละตัว
ตารางที่ 3: รีจิสเตอร์ Modbus ที่สำคัญสำหรับการติดตามตรวจสอบระบบ
| อุปกรณ์ (Device) | พารามิเตอร์ (Parameter) | แอดเดรสรีจิสเตอร์ (Hex) | ประเภทข้อมูล/ขนาด | สเกลแฟกเตอร์ | แหล่งข้อมูล |
| PowMr | Battery Voltage | 0x119A (4506) | 16-bit Int | / 10 | |
| PowMr | Battery SoC | 0x119B (4507) | 16-bit Int | N/A (%) | |
| PowMr | Load Power | 0x11A0 (4512) | 16-bit Int | N/A (W) | |
| SDM120 | AC Voltage | 0x0000 | 32-bit Float | N/A | |
| SDM120 | AC Current | 0x0006 | 32-bit Float | N/A | |
| SDM120 | Active Power | 0x000C | 32-bit Float | N/A | |
| SDM120 | Total Active Energy | 0x0156 | 32-bit Float | N/A | |
| PZEM-017 | DC Voltage | 0x0000 | 16-bit Int | / 100 | |
| PZEM-017 | DC Current | 0x0001 | 16-bit Int | / 100 | |
| PZEM-017 | DC Power | 0x0002 (low) 0x0003 (high) | 32-bit Int | / 10 |
ส่วนที่ 6: ประสิทธิภาพของระบบภายใต้สถานการณ์การทำงานจำลอง
ส่วนนี้จะนำระบบทั้งหมดมาทดสอบการทำงานและวิเคราะห์ประสิทธิภาพภายใต้สภาวะต่างๆ ที่สมจริง โดยใช้ข้อมูลที่แสดงผลบนแดชบอร์ด Node-RED เป็นหลัก
6.1 สถานการณ์ที่ 1: การผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์สูง โหลดต่ำ (พลังงานส่วนเกิน)
สภาวะ: กลางวัน, ท้องฟ้าแจ่มใส แผง PV ทั้งสามชุดผลิตไฟฟ้าได้สูงสุด แต่โหลดมีการใช้งานน้อย (เช่น 80W)
พฤติกรรมที่คาดหวังและการวิเคราะห์:
กำลังไฟฟ้าจาก PV ที่เข้าสู่อินเวอร์เตอร์ PowMr จะถูกจำกัดไว้ที่ 600W ตามที่วิเคราะห์ไว้
GTI จะพยายามผลิตไฟฟ้าเต็มกำลังที่ 1kW เนื่องจากโหลดมีเพียง 80W พลังงานส่วนเกินประมาณ 920W จะไหลย้อนกลับไปยัง PowMr
อินเวอร์เตอร์ Leonics จะใช้พลังงาน 1kW จากแผง PV ของตนเองเพื่อชาร์จแบตเตอรี่ของตน
PowMr จะใช้พลังงาน 600W จาก PV ของตนเอง รวมกับพลังงาน AC ประมาณ 920W จาก GTI เพื่อชาร์จแบตเตอรี่หลักอย่างรวดเร็ว แดชบอร์ดจะแสดงค่ากระแสชาร์จแบตเตอรี่ที่สูงมาก
สถานการณ์นี้เป็นการทดสอบขีดความสามารถของระบบ AC coupling และการชาร์จแบตเตอรี่ภายใต้สภาวะสุดขั้ว
6.2 สถานการณ์ที่ 2: โหลดสูง การผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ต่ำ (พลังงานขาดแคลน)
สภาวะ: วันที่เมฆมากหรือช่วงบ่ายแก่ๆ การผลิตไฟฟ้าจาก PV ต่ำ แต่โหลดมีการใช้งานสูง (เช่น 800W)
พฤติกรรมที่คาดหวังและการวิเคราะห์:
พลังงานแสงอาทิตย์ทั้งหมดที่ผลิตได้จากอินเวอร์เตอร์ทั้งสามจะถูกส่งไปให้โหลด
ซึ่งจะไม่เพียงพอต่อความต้องการ PowMr จะดึงพลังงานจากแบตเตอรี่หลักของตนเองมาเสริมเพื่อจ่ายให้โหลดครบ 800W แดชบอร์ดจะแสดงค่ากระแสการคายประจุจากแบตเตอรี่ที่สูง
หากอินเวอร์เตอร์ Leonics ถูกตั้งโปรแกรมให้สนับสนุนโหลด ก็สามารถสั่งให้คายประจุจากแบตเตอรี่ของตนเองเพื่อช่วยแบ่งเบาภาระได้
สถานการณ์นี้เป็นการทดสอบความสามารถของระบบในการผสมผสานแหล่งพลังงานหลายแหล่งเข้าด้วยกันอย่างราบรื่นและประสิทธิภาพการคายประจุของแบตเตอรี่
6.3 สถานการณ์ที่ 3: การทำงานแบบอิสระในเวลากลางคืน (การคายประจุแบตเตอรี่)
สภาวะ: เวลากลางคืน ไม่มีแสงอาทิตย์ โหลดมีการใช้งานปานกลาง (เช่น 400W)
พฤติกรรมที่คาดหวังและการวิเคราะห์:
อินเวอร์เตอร์ PowMr จะเป็นแหล่งจ่ายพลังงานเพียงแหล่งเดียว โดยดึงพลังงานจากแบตเตอรี่ LFP 12V 100Ah เพื่อจ่ายให้โหลด 400W
แดชบอร์ดจะแสดงค่าแรงดันและ SoC ของแบตเตอรี่ที่ลดลงอย่างต่อเนื่อง
สถานการณ์นี้เป็นการทดสอบฟังก์ชันการทำงานแบบออฟกริดที่เป็นหัวใจหลักและความทนทานของระบบแบตเตอรี่หลัก สามารถคำนวณระยะเวลาการใช้งานและเปรียบเทียบกับความจุของแบตเตอรี่ได้ (100Ah * 12V ≈ 1200Wh)
6.4 การวิเคราะห์การไหลของข้อมูล ความหน่วงของระบบ และความน่าเชื่อถือ
ส่วนนี้จะวิเคราะห์ประสิทธิภาพของระบบติดตามตรวจสอบเอง โดยจะพิจารณาถึงรอบเวลาการดึงข้อมูลทั้งหมด (Polling Cycle Time) และประเมินว่าอัตราการดึงข้อมูลที่เลือก (เช่น 5 วินาที) นั้นเพียงพอสำหรับการควบคุมแบบเรียลไทม์หรือไม่ นอกจากนี้ยังจะกล่าวถึงความน่าเชื่อถือของการสื่อสาร Modbus โดยสังเกตข้อผิดพลาดหรือการหมดเวลา (Timeout) ที่อาจเกิดขึ้นในบันทึกของ Node-RED โดยเฉพาะกับอุปกรณ์ที่ไม่มีข้อมูลโปรโตคอลที่ชัดเจน
ส่วนที่ 7: การวิเคราะห์โดยผู้เชี่ยวชาญ ข้อเสนอแนะ และการปรับปรุงในอนาคต
ส่วนสุดท้ายนี้จะสังเคราะห์ผลการวิเคราะห์ทั้งหมดจากโครงการ เพื่อนำเสนอข้อคิดเห็นเชิงลึกระดับสูงและมุมมองสำหรับอนาคต
7.1 ข้อคิดเห็นสำคัญจากกระบวนการบูรณาการแบบหลายผู้จำหน่าย
ส่วนนี้จะสรุปความท้าทายและบทเรียนที่สำคัญที่ได้รับจากโครงการ ซึ่งรวมถึง:
ความสำคัญอย่างยิ่งของการตรวจสอบข้อมูลจำเพาะของส่วนประกอบให้ตรงกันก่อนการติดตั้ง (กรณี PV-inverter mismatch)
ความซับซ้อนของการวางโทโพโลยีแบบไม่เป็นมาตรฐาน (การวางตำแหน่ง CT สำหรับ AC coupling)
ความท้าทายที่สำคัญอันเกิดจากการไม่มีเอกสารโปรโตคอลการสื่อสารที่สมบูรณ์ในสภาพแวดล้อมที่มีอุปกรณ์จากหลายผู้จำหน่าย (กรณีอินเวอร์เตอร์ Leonics)
7.2 ข้อเสนอแนะเพื่อการเพิ่มประสิทธิภาพและความทนทานของระบบ
จากผลการวิเคราะห์ สามารถให้ข้อเสนอแนะที่เป็นรูปธรรมได้ดังนี้:
ด้านฮาร์ดแวร์: แก้ไขปัญหาความไม่เข้ากันของ PV และอินเวอร์เตอร์ โดยการปรับลดขนาดแผงหรืออัปเกรดอินเวอร์เตอร์
ด้านการควบคุม: ปรับปรุงตรรกะการควบคุมการส่งออกของ GTI ด้วย CT ให้เหมาะสมยิ่งขึ้น เพื่อสร้างสมดุลระหว่างการชาร์จแบตเตอรี่และการจ่ายโหลดโดยตรง
ด้านซอฟต์แวร์: พัฒนาการจัดการข้อผิดพลาด (Error Handling) ในโฟลว์ของ Node-RED ให้มีความทนทานมากขึ้น เพื่อรับมือกับอุปกรณ์ Modbus ที่ไม่ตอบสนองได้อย่างนุ่มนวล และอาจเพิ่ม Watchdog Timer เพื่อรีสตาร์ทโฟลว์หรือแจ้งเตือนผู้ใช้หากข้อมูลขาดหายไป
7.3 แผนการพัฒนาในอนาคต: ระบบอัตโนมัติ การเชื่อมต่อคลาวด์ และการควบคุมขั้นสูง
ส่วนนี้จะมองไปไกลกว่าการใช้งานในปัจจุบันและเสนอแนะขั้นตอนต่อไปเพื่อเพิ่มความชาญฉลาดให้กับระบบ:
ระบบอัตโนมัติ (Automation): ใช้ความสามารถด้านตรรกะของ Node-RED เพื่อสร้างลูปควบคุมอัตโนมัติ เช่น สั่งให้อินเวอร์เตอร์ Leonics เริ่มคายประจุโดยอัตโนมัติเมื่อ SoC ของแบตเตอรี่หลักลดลงต่ำกว่า 30%
การเชื่อมต่อคลาวด์ (Cloud Integration): ใช้โหนด MQTT
34 เพื่อส่งข้อมูลสำคัญไปยังแพลตฟอร์มคลาวด์ (เช่น InfluxDB หรือ IBM Cloud) สำหรับการจัดเก็บข้อมูลระยะยาว การวิเคราะห์ขั้นสูง และการเข้าถึงจากระยะไกลการควบคุมขั้นสูง (Advanced Control): สำรวจอัลกอริทึมการควบคุมที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น ซึ่งสามารถนำมาใช้งานบน Raspberry Pi เพื่อเปลี่ยนบทบาทจากผู้ติดตามตรวจสอบแบบพาสซีฟให้กลายเป็นระบบบริหารจัดการพลังงาน (Energy Management System - EMS) แบบแอคทีฟ ที่สามารถปรับการไหลของพลังงานให้เหมาะสมที่สุดโดยอิงตามพยากรณ์อากาศ ช่วงเวลาของวัน และการคาดการณ์โหลดในอนาคต
Comments