唐燦波，段 斌，肖祥香，李 濤，詹 俊 ，龍 辛

（1.湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.湖南優(yōu)利泰克自動化系統(tǒng)有限公司，湖南 長沙 411000；3.湘電風(fēng)能有限公司，湖南 湘潭 411100）

根據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，變電站自動化系統(tǒng)采用分布分層式結(jié)構(gòu)，即分為變電站層、過程層和間隔層[1]。具有跳閘和閉鎖兩類信息的通用面向?qū)ο笞冸娬臼录℅eneric Object Oriented Substation Event，GOOSE）報文通信可以有效防止誤操作引起變電站故障，其通信過程常采用過程總線通信。GOOSE報文傳輸以交換機(jī)作為信息傳遞的中心，采用廣播、組播及強(qiáng)實時性內(nèi)核處理機(jī)制。

隨著變電站系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，GOOSE報文在網(wǎng)絡(luò)通信時會受到交換機(jī)的性能、數(shù)量等約束，這會降低GOOSE報文的通信質(zhì)量。IEC61850對GOOSE報文所限定的實時性指標(biāo)為3 ms。

采用變電站過程通信系統(tǒng)未能組建統(tǒng)一通信網(wǎng)絡(luò)來完成綜合傳輸信息。倍福公司于2003年提出的以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)（Ethernet for Control Automatic Technology，EtherCAT）是一種由傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展而來的實時以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術(shù)，EtherCAT具有更高的實時性和可靠性，在工業(yè)控領(lǐng)域、電力領(lǐng)域備受青睞[2]。

本文研究了EtherCAT協(xié)議，設(shè)計了基于EtherCAT的GOOSE報文通信方案，采用TwinCAT3.1充當(dāng)EtherCAT軟主站，采用基于STM32F407與從站控制器芯片LAN9252的從站，借助上海遠(yuǎn)景數(shù)字技術(shù)有限公司提供的DG/850-i609開發(fā)板來實現(xiàn)基于EtherCAT的GOOSE報文傳輸，進(jìn)行模擬驗證GOOSE報文在電力系統(tǒng)的通信。

1 基于EtherCAT的GOOSE報文通信

1.1 GOOSE報文

根據(jù)IEC 61850，GOOSE報文用于傳送變電站系統(tǒng)的閉鎖跳閘信號，由數(shù)據(jù)集引用的成員值發(fā)生變化所致。IEC 61850規(guī)范了GOOSE報文抽象化和標(biāo)準(zhǔn)化，是基于發(fā)布/訂閱服務(wù)機(jī)制進(jìn)行信息交換。

1.2 EtherCAT

倍福公司研發(fā)并提出的EtherCAT是一種基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)的開放架構(gòu)的現(xiàn)場總線。EtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)越，支持星型等多種結(jié)構(gòu)，兼容多種以太網(wǎng)等優(yōu)點。此外，EtherCAT的接口可以直接連接耦合器而不依賴于交換機(jī)，這可以提高信號轉(zhuǎn)換速遞。EtherCAT具有優(yōu)良同步性能、可選線纜冗余技術(shù)。EherCAT支持物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層[1]。EtherCAT采用主從站結(jié)構(gòu)，主站可采用嵌入式PC機(jī)，使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)MAC實現(xiàn)通信。從站需要特定芯片來進(jìn)行任務(wù)處理，如ET1100、LAN9252芯片。從站有兩種形式，簡單從站不依賴于微處理器。復(fù)雜從站需要借助微處理器來實現(xiàn)處理周期性過程數(shù)據(jù)通信和通過郵箱協(xié)議來支持非周期性數(shù)據(jù)通信。

EtherCAT系統(tǒng)由單主站和多從站組成的線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主站發(fā)送報文并遍歷每個從站，并且最后一個從站沿原路徑返回報文到主站。多個子報文組成一個EtherCAT報文數(shù)據(jù)區(qū)，每個子報文映射一個從站設(shè)備，每個子報文包括輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)。

1.3 過程總線GOOSE報文組網(wǎng)

EtherCAT從站控制器（EtherCAT Slave Controller，ESC）對報文有處理模塊和轉(zhuǎn)發(fā)模塊，能夠處理與轉(zhuǎn)發(fā)UDP/IP和VLAN標(biāo)記的以太網(wǎng)幀[1]，主站可以充當(dāng)路由器的角色，GOOSE報文能夠由ESC的自動轉(zhuǎn)發(fā)功能塊轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)幀傳輸單元功能塊傳輸，再通過端口將報文轉(zhuǎn)發(fā)給下一個從站或終端單元，直到返回到系統(tǒng)的最后一個從站，再返回到主站，并由與主站相連的第一個從站即發(fā)布智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）發(fā)出響應(yīng)報文到各IED控制模塊。

1.4 基于EtherCAT的GOOSE報文傳輸延時分析

GOOSE報文在EtherCAT系統(tǒng)傳輸需要經(jīng)正向傳輸和反向傳輸，所以傳輸延時又可分為正向延時和反向傳輸延時。如圖1所示，GOOSE報文在EtherCAT系統(tǒng)傳遞的延時有傳輸延時tx和轉(zhuǎn)發(fā)延時Tx以及在IED內(nèi)處理延時（Tied1～2）。傳輸延時還包括主站與從站傳輸延時（t1和t10），以及模擬斷路器與從站傳輸?shù)难訒r（t7和t8）。因此，GOOSE報文的在EtherCAT的總延時記為T，T為：

圖1 基于EtherCAT的GOOSE報文傳輸延時分析

2 實驗平臺設(shè)計

2.1 EtherCAT從站設(shè)計

從站硬件由LAN9252實現(xiàn)從站的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。LAN9252具有3個物理層端口、4 kB雙端口存儲器、4個同步管理器、3個現(xiàn)場總線存儲器管理單元、64位時鐘。與ET1100相比，Lan9252內(nèi)部集成2個物理層芯片、單電源3.3 V供電。從站應(yīng)用層采用STM32F407芯片，具有64 kB的RAM和高達(dá)2 MB的Flash，通過采用FSMC與LAN9252連接以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與共享。

2.2 搭建模擬實驗平臺

本實驗中嵌入式主機(jī)配置處理器英特爾酷睿i5，主頻3.3 GHz，運(yùn)行內(nèi)存為4G，硬盤內(nèi)存希捷500 G，操作系統(tǒng)Windows7，采用PCI-E網(wǎng)卡驅(qū)動，安裝TwinCAT3.1軟件，搭建基于EtherCAT的GOOSE報文通信實驗平臺，如圖2所示。

實現(xiàn)EtherCAT通信，TwinCAT3.1采用廣播尋址方式，通過BWR廣播寫入所有從站、通過BRD命令讀取從站物理地址、BRW命令與所有從站交換數(shù)據(jù)并對讀取數(shù)據(jù)做。負(fù)責(zé)寫數(shù)據(jù)命令和利用BRD命令實現(xiàn)讀數(shù)據(jù)命令，設(shè)計程序時將要發(fā)送的GOOSE報文插入EtherCATData區(qū)。DG/850-i609是一款符合IED模型的開發(fā)板，采用ADI Blackfin雙核處理器，在PC機(jī)1上安裝CrossCoreEmbbededStudio軟件，通過仿真器DMHPUSB5.0加載源程序，通過以100Mbit/s網(wǎng)線外部連接一個從站。PC機(jī)1經(jīng)重復(fù)發(fā)送GOOSE報文，IEC61850客戶端接收GOOSE報文，加載SCL ICD模板文件創(chuàng)建IED服務(wù)，通過OMICRON IED Scout來驗證GOOSE服務(wù)。在PC機(jī)2安裝Wireshark網(wǎng)絡(luò)分析器捕獲EtherCAT報文，需要測試的指標(biāo)是報文時延。

圖2 基于EtherCAT的GOOSE報文通信實驗

2.3 實驗結(jié)果

EtherCAT系統(tǒng)約在第49個幀進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，EtherCAT報文的通信最高延時為966.41 μs，如圖3所示。在上海遠(yuǎn)景數(shù)字技術(shù)有限公司所測基于以太網(wǎng)的GOOSE報文實時性平均值約為25.463 ms。

圖3 報文時延

3 結(jié)語

本文設(shè)計了GOOSE報文在過程層采用EtherCAT總線通信傳輸通信實驗。實驗表明，GOOSE報文的最高時延低于1 ms，基于EtherCAT總線的GOOSE報文傳輸方案能夠提高GOOSE報文的通信質(zhì)量，更有利于變電站系統(tǒng)安全運(yùn)營。

[參考文獻(xiàn)]

[1]郇極，劉艷強(qiáng).工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線EtherCAT驅(qū)動程序設(shè)計及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[2]向乾亮，辛志遠(yuǎn)，林繼如，等.實時以太網(wǎng)EtherCAT技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].繼器，2008（11）：42-45.