1引言

　　随着变电站自动化技术的发展，高性能智能电子装置（IED）在电力系统中已经得到了广泛的应用。随着系统电流电压采样频率的提高，采样数据在各智能设备之间的传输的实时性变得十分重要。高吞吐量的实时数据很容易造成网络堵塞，影响到整个自动化系统的性能。特别在集成自动化系统当中，当前所采用的现场总线是很难满足要求。但实时以太网EtherCAT技术的应用能较好地解决这个问题。

　　实时以太网EtherCAT技术优越的性能，不但能解决各智能设备之间的信息路由及高效传输采样数据，而且能达到基于PC实时控制的要求。

　　本文阐述了EtherCAT技术的通信原理及其优越的性能，并提出了一种基于EtherCAT技术的实时通信及PC控制的可行性系统方案。

　　2实时以太网EthercAT技术介绍

　　EtherCAT（EthernetforControlAutomationTechnology）是德国BECKHOFF公司开发的一种实时以太网现场总线系统，并得到ETG（EtherCATtechnologygroup）组织的支持。EtherCAT有速度快、布线容易的特点；且具有兼容性和开放性；适合于快速控制的应用场合。

　　2。1EtherCAT的工作原理

　　EtherCAT技术突破了其他以太网解决方案的系统限制，它无需接收以太网数据包，解码后再将数据复制到各个设备。EtherCAT系统中由主站发送帧，报文经过其节点时直接读写相应的存贮空间，以实现过程数据的输入输出，如图1所示。

　　图1报文中的过程数据（1。jpg）

　　各从站子报文插入帧中，只有几纳秒的时间延迟，但是这避免了采用CSMA/CD方式总线的冲突问题。由于发送和接收的以太网帧插入了大量的实时数据，所以可用数据率可达90％以上。100Mb/sTX的全双工特性完全得以利用，因此，有效数据率可达到>100Mb/s。

　　2。2EtherCAT协议

　　EtherCAT技术以充分利用全双工以太网的带宽，采用主从方式的介质访问技术，实现数据的通信。EtherCAT帧符合ISO/IEC802。3标准，EtherCAT报文由多个EtherCAT、子报文组成，位于标准以太网帧结构的数据区。每个子报文都服务于一块逻辑过程映像的特定区域，该区域最大可达4GB字节。数据顺序不依赖于网中以太网端子的物理顺序，可任编址。从站之间的广播、多播方式通信得以实现。如果要实现最大化性能，并且需要将EtherCAT组件作为同一子网控制器进行操作，则可直接传送以太帧。

　　由于EtherCAT不限于单个子网的应用，EtherCATUDP将EtherCAT协议封装为UDP/IP数据报文，如图2所示。这样，任何以太网协议堆栈的控制均可编址到EtherCAT系统之中。甚至还可以通过路由器使通信跨接到其它子网。显然，在这种变体结构中，系统性能取决于控制的实时特性以及以太网协议的实现方式。因为UDP数据报文在第一个站就完成解包，所以EtherCAT网络自身的响应时间基本不受影响。

　　图2遵循IEEE802。3标准的EtherCAT帧（2。jpg）

　　根据主从数据交换原理，EtherCAT也非常适合控制器之间（主/从）的通信。自由编址的网络变量可用于过程数据以及参数、诊断、编程和各种远程控制服务，满足广泛的应用需求。

　　从站之间的通信方式有两种：一种方式是上游设备与下游设备在同一周期内实现通信，速度快，但这种方法与拓扑结构相关；另一种通信方式，数据通过主站进行路由以实现从站之间的通信，需要两个周期才能完成，但EtherCAT的这一过程仍然小于采用其他方法所耗的时间。

　　2。3EtherCAT的性能

　　EtherCAT支持各种拓扑结构，如总线型、星型、环形等，并且允许EtherCAT系统中出现多种结构的组合。支持多种传输电缆，如双绞线、光纤、光导总路线等，以适应于不同的场合，以提升布线的灵活性。

　　EtherCAT采用了精准的同步时钟系统。系统中的数据交换完全是基于纯硬件机制，由于通信采用了逻辑环结构（借助于全双工快速以太网的物理层），主站时钟能简单、精确地确定各个从站传播的延迟偏移。分布时钟均基于主时钟进行调整，在网络范围内使用精确且确定的同步误差时间基。

　　EtherCAT采用从站硬件集成以及网络控制器主站的直接存取，整个协议的处理都在硬件中实现，它完全独立于协议堆栈的实时运行系统、CPU性能或软件实现方式，速度性能指标如表l。

　　表1实时以太网EtherCAT的速度性能

　　过程数据 时间

　　256个分布数字I/O 11μs

　　1000个分布数字I/O 30μs

　　200个模拟I/O（16bit） 50μs

　　EtherCAT具有较强的通信诊断能力，能迅速地排除故障；同时它也支持主站从站冗余检错，提高系统的可靠性；EtherCAT实现了在同一网络中将安全相关的通信和控制通信融合为一体，并遵循IEC61508标准，满足安全集成级（SIL）4的要求。

　　3EtherCAT在变电站自动化系统中的应用

　　变电站自动化技术是随着当时新的技术的成熟与应用而不断进步发展。在自动化技术发展的历史过程中体现出来，当今，分层分布式结构的综合自动化系统提高了变电站运行和控制的可靠性，但增加了二次设备的投资与维护的工作量。

　　变电站自动化系统的具体功能要求主要取决于变电站在电力系统中的地位、作用和变电站的规模、电压等级及一次设备的状况。变电站自动化系统的设计目标应是优化各项成本，使自动化系统的寿命周期成本最小，同时对整个变电站寿命周期成本的降低贡献最大，文中并指出了集成变电站自动化系统能达到该设计目标。集成自动化系统的实现，有效的过程总线是实现这种自动化系统的关键技术。对一条三相线路的采样（12个电气量，每个电气量为16位），假设每周波采样200点，大约需要2Mbps的通信速率，这对于一般的总线技术是很难满足要求的。实时以太EtherCAT技术的应用能提供一种可行有效的方法。

　　EtherCAT系统是一种主从通信系统，整个系统由主站与从站构成，各从站通过EtherCAT总线与主站相连，整个系统由主站进行控制。EtherCAT系统的设计包括主站的设计与从站的设计。

　　3。1EtherCAT主站的设计

　　德国BECKHOFF公司提供了TWinCAT(TheWindowsControlandAutomationTechnology）组态软件可以方便的与各从站进行通信。该软件从逻辑上来说，由核心模式与用户模式构成，如图3所示。核心模式中运行一个实时内核（BECKHOFF实时核），该内核嵌入在WindowsNT（或WinnowsXP）操作系统中，能实现数据通信的实时性。其中的各逻辑设备通过ADS（AutomationDeviceSpecification）接口与ADS路由器进行信息交换。用户程序运行在用户模式中，通过循环扫描的方式来执行程序，每一个循环周期的时间可通过系统参数设定的。在一个循环周期中BECKHOFF内核优先使用CPU完成用户控制任务，当任务完成将CPU的使用权交与操作系统，以达到实时控制。TWinCAT提供了OCX、DLL、

　　OPC等接口以实现人机界面。

　　图3TWinCAT通信系统结构（3。jpg）

　　在实际应用中，用户根据从站设备特点编写从站设备配置文件，使主站能够识别从站设备以进行相关初始化与控制。

　　该方案的特点是主站软件维护与升级方便；用户只需编写配置文件（。xml文件）与用户程序。软件提供的语言主要适合于逻辑控制，灵活性小。对于一些高级变电站自动化系统管理界面，可重新开发界面程序。

　　3。2EtherCAT从站的设计

　　EtherCAT从站是指挂在总线上的以太网控制器、微处理器及传感器、执行部件。一般的从站结构如图4所示。

　　图4EtherCAT从站系统原理图（3。jpg）

　　一个从站实际是一个计算机系统或通用PC系统或嵌入式处理器系统，也可是一个简单的数字IO。其关键部分是一个EtherCAT控制器，由它来实现实时以太网EtherCAT的物理层与数据链路层的协议，它与计算机系统一起以现实EtherCAT系统的通信。

　　由于物理层与数据链路层的协议由以太网控制器完成，设计EtherCAT从站主要怎样实现应用层协议。EtherCAT从站的设计应根据设计系统的性能及技术指标确定从站的组成。对简单的控制系统，可以将从站设计成简单的通用的IO，或者设计成采样系统；对于复杂的控制系统，可将从站设计成一个计算机系统或者嵌入式系统，在计算机系统或嵌入式系统

　　中可以实现紧急控制，以提高系统的可靠性，其它控制可以在后台的主站得以实现。

　　如图5为一个基本的适用于大型系统的从站，以太网控制器采用BECKHOFF公司的ESC20，应用层的控制器采用数字信号处理器。

　　图5ESC与DSP接口（4。jpg）

　　通过写ESC20相关寄存器的值将其与DSP的接口配置成16bit的并行接口；该控制器支持分布时钟，提供同步信号使各从站实现同步。ESC20通过中断与DSP进行数据交换。DSP作为EtherCAT通信协议的应用层的控制器，实现EtherCAT应用层的协议，DSP通过读ESC中相关寄存器确定主站对从站的控制；拟站根据应用的状态通过写ESC的相应寄存器响应应用层事件。

　　4意义

　　EtherCAT技术以其先进的技术优势，优越的性能将在电力系统得到应用。它能解决集成变电站自动化系统中大容量实时数据的传输问题；能提高变电站自动化系统的实时性；对改善控制、保护算法的性能提供了条件；有利于电力系统的经济运行。