EtherCAT科普系列（9）：EtherCAT技术在智能变电站监控系统领域的应用-电子发烧友网

变电站监控系统是指在变电站内应用自动控制、信息处理、通信等技术，对变电站内主要电气设备运行情况和输、配电线路进行监视、测量、控制、协调和保护的综合性的自动化系统。现如今，变电站监控系统快速普及，其系统操作方便友好、信息传输快捷，能够实时精准地预测、检测、排除、解决电力故障，成为保障电力系统可靠安全运行的必要基础。据恒州博智（QYResearch）调研显示，2024年全球智能变电站市场规模已攀升至约187.7亿美元，并预计将在2031年突破305.7亿美元大关，期间年复合增长率（CAGR）高达7.3%。另据观研天下数据显示，受益国家政策推动，2019年我国智能变电站市场规模达225.6亿元，随着市场需求持续增长，政府推动智能变电站渗透进一步上升，2020年以来随着充电等领域需求的增长，智能变电站市场规模保持稳步上升，到2023年超过312.4亿元。

变电站监控系统是电力系统进行电能传输、调度、分配、交换的重要环节。一方面，它对内部各个子系统运行状态进行监测和管理，另一方面还要与上级控制中心进行通信执行其下发的命令操作。该监控系统通过接入通信网络的远动终端对电网和各子系统运行的实时状态进行信息采集，同时通过所收集的数据进行运行状态的安全分析、预测，进而采取调度控制等。当电网或者电气设备发生异常或故障时，监控系统能及时切除故障线路或者结束故障设备的运行及时止损同时发送相应信号给操作台，继而提高操作人员的效率和电力系统的安全运行水平。变电站监控系统是以调度中心为核心，由数个子系统组成。

▲典型变电站监控系统的基本结构框图（来源：电力工程技术）

在智能电网推广之前,国内变电站监控系统领域普遍采用的通信方式是 LonWorks、CAN、RS-485等现场总线，但现场总线的数据吞吐量小，通信速率较低，很难满足信息快速传输的要求。随着智能电网的推广和发展，以太网技术被引入电力自动化领域。但传统的以太网由于采用载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)机制，在确定性和实时性方面无法满足变电站监控系统的要求。进一步满足变电站监控系统的发展需求，寻求一种实时性更好、承载能力能强、通信更可靠稳定的现场总线就变得弥为迫切，也势必将拥有良好的应用前景。EtherCAT 总线支持多种自动化网络拓扑，非常适合中小型自动化控制领域。其独有的分布式IO方式,更是打破了传统现场总线的瓶颈。除此之外，EtherCAT的支持多种传输电缆、精确时钟同步技术、基于纯硬件的数据交换技术、通信诊断技术和通讯控制一体化技术等等优势，都是传统通信总线不可比拟的。将EherCAT 总线技术应用于实时性要求较高的变电站系统中，可以提高变电站监控系统的实时性、稳定性和健壮性。

基于 EtherCAT 技术的变电站监控系统

基于EtherCAT 总线的变电站监控系统由主控制器和各种就地终端组成，主控制器和就地终端采用EtherCAT总线进行通信连接。主控制器作为EtherCAT主站，各就地终端作为EtherCAT 从站，主站控制从站发送或接收数据主站发送数据报文，从站设备在报文经过其节点时读取相应的编址数据，同样输入数据也在报文经过时插入报文中。报文经过所有从站并与从站进行数据交换后，由EtherCAT网段中的末端从站将报文返回。此通信过程完全由从站控制器芯片（ESC）完成，对于下接多个个从站的系统，处理延时只有100ns左右,与传统以太网相比，实时性得到了显著提高。

▲典型基于EtherCAT技术的变电站监控系统架构

EtherCAT的主站可以利用TwinCAT组态软件进行设计、实现，XP系统计算机、WindowsNT均适用。EtherCAT技术的从站，也即响应业务的各个节点和发生业务的各个节点，传统模式下，从站的功能需要与主站对应，当主站发出5MB大小的数据包，要求从站能够接收、暂存、分析该数据包，如果从站在接收主站数据包的同时，需要响应其他业务，业务发生量为10MB，从站的处理器至少应拥有15MB的瞬时处理能力才能完成工作否则某一方面甚至两个方面的工作可能都会受到影响。实时以太网 EtherCAT技术的从站设计既要考虑应用层协议，也要考虑自身功能的强化。变电站的核心工作为高压低压的相互转变、输送，由于其工作是相对固定的，自动化也拥有了较好的实现空间。实时以太网 EtherCAT技术的从站设计，首要要考虑业务的具体内容，从站可以认为是来自用电一方的请求，或者电力输入方的请求，因此首先要设定从站的计算方式，使相关参数与请求的数值能够对应。之后是强化其基本功能，尽管实时以太网 EtherCAT技术是一种局域网技术，但自动化条件下如果业务发生量过大，依然会导致工作问题。EtherCAT从站功能的强化可以从硬件设备着手，提升其传感器敏感度、处理器工作能力，从而使其能够更敏锐的响应请求，进行工作。EtherCAT从站硬件主要由三部分组成：从站控制器、从站微处理器以及其他外围电路。

▲基于EtherCAT 技术的变电站监控系统从站结构图

应用层从站微处理器主要实现 AD 采样、数据计算与处理、开关量控制出口处理等功能。根据所连接变电站监控系统内的对象的不同，可分为联网点终端、主电源终端、负荷终端、分布式电源终端、环境监测终端等。从站微处理器循环读取各应用层的数据状况，保持系统的持续工作，对应功能的各模块则不断提供数据，并对响应的情况作出后续反映。当数据输入/输出时，同步信号被触发实时以太网 EtherCAT 技术捕捉相关数据，进行读取和分析比如变电站请求，在局域网内可以快速得到响应，并迅速进行。EtherCAT物理层协议和数据链路层协议硬件化在从站控制器中，从站控制器如同主站和从站之间的接口处理器，负责处理主从站之间的协议解析，实现应用层通信。从站微处理器负责接收主站下行数据帧，并根据主站的命令来控制从站设备，同时也可以把从站采集的数据上通过从站控制器上报到主站。

▲基于EtherCAT 技术的变电站监控系统硬件示意图

码灵半导体EtherCAT变电站监控系统解决方案

码灵半导体推出的CF110x系列产品为智能变电站监控系统从站ESC 芯片提供了全新的、高性价比解决方案。采用CF110x系列可用于实现EtherCAT从站协议的物理层和数据链路层，提升变电站监控系统通信的实时性、精确性和可靠性，实现变电站监控系统的顺序控制、在线分析、智能控制及协同互动。码灵半导体CF110x系列最多可以提供3个数据收发端口，支持 100 Mbit/s的全双工通信，使从站能够灵活的实现各种拓扑结构。内部含有8个FMMU单元，8个SM通道，4KB控制寄存器，8KB过程数据存储区，支持64位分布式时钟功能，其中8KB过程数据存储区是DPRAM，用于和从站微控制器交换数据。CF110x系列提供了三种过程数据接口：数字量IO接口、SPI接口和8/16位异步微控制器接口（μC8/16）。通过IO接口回路，完成变电站监控系统开关量的采集和控制的出口。 SPI和μC8/16用于连接外部微控制器，组成复杂的变电站监控系统从站设备。

▲码灵半导体CF110x系列芯片实物图

对变电站监控系统从站设备而言，码灵半导体CF110x系列在MII数量、同步管理器数量和 DPRAM 容量等技术规格均能满足变电站监控系统从站设备设计要求。另外，CF1106内部集成2个10M/100Mbps以太网PHY，兼容IEEE 802.3u 100Base-TX、100Base-FX（仅电压型PHY支持光纤），支持Auto-Negotiation自动协商、Auto-MDIX自动交叉识别，可使用直连或交叉线缆。不需要额外设计PHY电路和 PHY芯片，电路简洁、布线简单，即可实现高性价比的变电站监控系统从站方案。

▲码灵半导体CF1106系列产品结构框图

随着变电站中的电气设备趋于丰富性、多样性，变电站监控系统的分布方式也由前期的集中模式、集中和分散互结合的模式，转变为现在的全分散模式。在全分布式的变电站监控系统中，通信模式更为多元复杂，传输的数据量随之激增，进而对通信能力的要求是更为严格的。采用码灵半导体CF110x系列EtherCAT芯片提供的实时性、可靠性、低维护成本等优势的EtherCAT通信技术，可以高性价比的实现变电站监控系统IO模块等智能设备的数据采集、监测、计算、控制等功能，大大助力实时、安全、全面、可靠信息的智能变电站。