EtherCAT科普系列（9）：EtherCAT技術(shù)在智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域的應用

發(fā)布時間：2025-05-19

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變電站監(jiān)控系統(tǒng)是指在變電站內(nèi)應用自動控制、信息處理、通信等技術(shù)，對變電站內(nèi)主要電氣設備運行情況和輸、配電線路進行監(jiān)視、測量、控制、協(xié)調(diào)和保護的綜合性的自動化系統(tǒng)?，F(xiàn)如今，變電站監(jiān)控系統(tǒng)快速普及，其系統(tǒng)操作方便友好、信息傳輸快捷，能夠?qū)崟r精準地預測、檢測、排除、解決電力故障，成為保障電力系統(tǒng)可靠安全運行的必要基礎。

據(jù)恒州博智（QYResearch）調(diào)研顯示，2024年全球智能變電站市場規(guī)模已攀升至約187.7億美元，并預計將在2031年突破305.7億美元大關(guān)，期間年復合增長率（CAGR）高達7.3%。另據(jù)觀研天下數(shù)據(jù)顯示，受益國家政策推動，2019年我國智能變電站市場規(guī)模達225.6億元，隨著市場需求持續(xù)增長，政府推動智能變電站滲透進一步上升，2020年以來隨著充電等領(lǐng)域需求的增長，智能變電站市場規(guī)模保持穩(wěn)步上升，到2023年超過312.4億元。

變電站監(jiān)控系統(tǒng)是電力系統(tǒng)進行電能傳輸、調(diào)度、分配、交換的重要環(huán)節(jié)。一方面，它對內(nèi)部各個子系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)測和管理，另一方面還要與上級控制中心進行通信執(zhí)行其下發(fā)的命令操作。該監(jiān)控系統(tǒng)通過接入通信網(wǎng)絡的遠動終端對電網(wǎng)和各子系統(tǒng)運行的實時狀態(tài)進行信息采集，同時通過所收集的數(shù)據(jù)進行運行狀態(tài)的安全分析、預測，進而采取調(diào)度控制等。當電網(wǎng)或者電氣設備發(fā)生異?；蚬收蠒r，監(jiān)控系統(tǒng)能及時切除故障線路或者結(jié)束故障設備的運行及時止損同時發(fā)送相應信號給操作臺，繼而提高操作人員的效率和電力系統(tǒng)的安全運行水平。變電站監(jiān)控系統(tǒng)是以調(diào)度中心為核心，由數(shù)個子系統(tǒng)組成。

▲典型變電站監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖（來源：電力工程技術(shù)）

在智能電網(wǎng)推廣之前,國內(nèi)變電站監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域普遍采用的通信方式是 LonWorks、CAN、RS-485等現(xiàn)場總線，但現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)吞吐量小，通信速率較低，很難滿足信息快速傳輸?shù)囊蟆?/span>隨著智能電網(wǎng)的推廣和發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)被引入電力自動化領(lǐng)域。但傳統(tǒng)的以太網(wǎng)由于采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)機制，在確定性和實時性方面無法滿足變電站監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

進一步滿足變電站監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展需求，尋求一種實時性更好、承載能力能強、通信更可靠穩(wěn)定的現(xiàn)場總線就變得彌為迫切，也勢必將擁有良好的應用前景。EtherCAT 總線支持多種自動化網(wǎng)絡拓撲，非常適合中小型自動化控制領(lǐng)域。其獨有的分布式I/0方式,更是打破了傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的瓶頸。除此之外，EtherCAT的支持多種傳輸電纜、精確時鐘同步技術(shù)、基于純硬件的數(shù)據(jù)交換技術(shù)、通信診斷技術(shù)和通訊控制一體化技術(shù)等等優(yōu)勢，都是傳統(tǒng)通信總線不可比擬的。將EherCAT 總線技術(shù)應用于實時性要求較高的變電站系統(tǒng)中，可以提高變電站監(jiān)控系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性和健壯性。

基于 EtherCAT 技術(shù)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)

基于 EtherCAT 總線的變電站監(jiān)控系統(tǒng)由主控制器和各種就地終端組成，主控制器和就地終端采用EtherCAT總線進行通信連接。主控制器作為EtherCAT主站，各就地終端作為EtherCAT 從站，主站控制從站發(fā)送或接收數(shù)據(jù)主站發(fā)送數(shù)據(jù)報文，從站設備在報文經(jīng)過其節(jié)點時讀取相應的編址數(shù)據(jù)，同樣輸入數(shù)據(jù)也在報文經(jīng)過時插入報文中。報文經(jīng)過所有從站并與從站進行數(shù)據(jù)交換后，由EtherCAT網(wǎng)段中的末端從站將報文返回。此通信過程完全由從站控制器芯片（ESC）完成，對于下接多個個從站的系統(tǒng)，處理延時只有100 ns左右,與傳統(tǒng)以太網(wǎng)相比，實時性得到了顯著提高。

▲典型基于EtherCAT技術(shù)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

EtherCAT的主站可以利用TWinCAT組態(tài)軟件進行設計、實現(xiàn)，XP系統(tǒng)計算機、WindowsNT均適用。EtherCAT技術(shù)的從站，也即響應業(yè)務的各個節(jié)點和發(fā)生業(yè)務的各個節(jié)點，傳統(tǒng)模式下，從站的功能需要與主站對應，當主站發(fā)出5MB大小的數(shù)據(jù)包，要求從站能夠接收、暫存、分析該數(shù)據(jù)包，如果從站在接收主站數(shù)據(jù)包的同時，需要響應其他業(yè)務，業(yè)務發(fā)生量為10MB，從站的處理器至少應擁有15MB的瞬時處理能力才能完成工作否則某一方面甚至兩個方面的工作可能都會受到影響。實時以太網(wǎng) EtherCAT技術(shù)的從站設計既要考慮應用層協(xié)議，也要考慮自身功能的強化。

變電站的核心工作為高壓低壓的相互轉(zhuǎn)變、輸送，由于其工作是相對固定的，自動化也擁有了較好的實現(xiàn)空間。實時以太網(wǎng) EtherCAT技術(shù)的從站設計，首要要考慮業(yè)務的具體內(nèi)容，從站可以認為是來自用電一方的請求，或者電力輸入方的請求，因此首先要設定從站的計算方式，使相關(guān)參數(shù)與請求的數(shù)值能夠?qū)?。之后是強化其基本功能，盡管實時以太網(wǎng) EtherCAT技術(shù)是一種局域網(wǎng)技術(shù)，但自動化條件下如果業(yè)務發(fā)生量過大，依然會導致工作問題。EtherCAT從站功能的強化可以從硬件設備著手，提升其傳感器敏感度、處理器工作能力，從而使其能夠更敏銳的響應請求，進行工作。

EtherCAT從站硬件主要由三部分組成:從站控制器、從站微處理器以及其他外圍電路。

▲基于EtherCAT 技術(shù)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)從站結(jié)構(gòu)圖

應用層從站微處理器主要實現(xiàn) AD采樣、數(shù)據(jù)計算與處理、開關(guān)量控制出口處理等功能。根據(jù)所連接變電站監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的對象的不同，可分為聯(lián)網(wǎng)點終端、主電源終端、負荷終端、分布式電源終端、環(huán)境監(jiān)測終端等。從站微處理器循環(huán)讀取各應用層的數(shù)據(jù)狀況，保持系統(tǒng)的持續(xù)工作，對應功能的各模塊則不斷提供數(shù)據(jù)，并對響應的情況作出后續(xù)反映。當數(shù)據(jù)輸入/輸出時，同步信號被觸發(fā)實時以太網(wǎng) EtherCAT 技術(shù)捕捉相關(guān)數(shù)據(jù)，進行讀取和分析比如變電站請求，在局域網(wǎng)內(nèi)可以快速得到響應，并迅速進行。

EtherCAT 物理層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議硬件化在從站控制器中，從站控制器如同主站和從站之間的接口處理器，負責處理主從站之間的協(xié)議解析，實現(xiàn)應用層通信。從站微處理器負責接收主站下行數(shù)據(jù)幀，并根據(jù)主站的命令來控制從站設備，同時也可以把從站采集的數(shù)據(jù)上通過從站控制器上報到主站。

▲基于EtherCAT 技術(shù)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)硬件示意圖

碼靈半導體EtherCAT變電站監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

碼靈半導體推出的CF110x系列產(chǎn)品為智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)從站ESC 芯片提供了全新的、高性價比解決方案。采用CF110x系列可用于實現(xiàn)EtherCAT從站協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，提升變電站監(jiān)控系統(tǒng)通信的實時性、精確性和可靠性，實現(xiàn)變電站監(jiān)控系統(tǒng)的順序控制、在線分析、智能控制及協(xié)同互動。

碼靈半導體CF110x系列最多可以提供3個數(shù)據(jù)收發(fā)端口，支持 100 Mbit/s的全雙工通信，使從站能夠靈活的實現(xiàn)各種拓撲結(jié)構(gòu)。內(nèi)部含有8個FMMU單元，8個SM通道，4KB控制寄存器，8KB過程數(shù)據(jù)存儲區(qū)，支持64位分布式時鐘功能，其中8KB過程數(shù)據(jù)存儲區(qū)是DPRAM，用于和從站微控制器交換數(shù)據(jù)。CF110x系列提供了三種過程數(shù)據(jù)接口:數(shù)字量IO接口、SPI接口和8/16位異步微控制器接口（μC8/16）。通過 IO接口回路，完成變電站監(jiān)控系統(tǒng)開關(guān)量的采集和控制的出口。 SPI和μC8/16用于連接外部微控制器，組成復雜的變電站監(jiān)控系統(tǒng)從站設備。

▲碼靈半導體CF110x系列芯片實物圖

對變電站監(jiān)控系統(tǒng)從站設備而言，碼靈半導體CF110x系列在MII數(shù)量、同步管理器數(shù)量和 DPRAM 容量等技術(shù)規(guī)格均能滿足變電站監(jiān)控系統(tǒng)從站設備設計要求。另外，CF1106內(nèi)部集成2個10M/100Mbps以太網(wǎng)PHY，兼容IEEE 802.3u 100Base-TX、100Base-FX（僅電壓型PHY支持光纖），支持Auto-Negotiation自動協(xié)商、Auto-MDIX自動交叉識別，可使用直連或交叉線纜。不需要額外設計PHY電路和 PHY芯片，電路簡潔、布線簡單，即可實現(xiàn)高性價比的變電站監(jiān)控系統(tǒng)從站方案。

▲碼靈半導體CF1106系列產(chǎn)品結(jié)構(gòu)框圖

隨著變電站中的電氣設備趨于豐富性、多樣性，變電站監(jiān)控系統(tǒng)的分布方式也由前期的集中模式、集中和分散互結(jié)合的模式，轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的全分散模式。在全分布式的變電站監(jiān)控系統(tǒng)中，通信模式更為多元復雜，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量隨之激增，進而對通信能力的要求是更為嚴格的。采用碼靈半導體CF110x系列EtherCAT芯片提供的實時性、可靠性、低維護成本等優(yōu)勢的EtherCAT通信技術(shù)，可以高性價比的實現(xiàn)變電站監(jiān)控系統(tǒng)IO模塊等智能設備的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、計算、控制等功能，大大助力實時、安全、全面、可靠信息的智能變電站。