实时以太网EtherCAT技术在变电站自动化系统中的应用

EtherCAT总线相关论文

中国继电保护及自动化行业年会

论文集

实时以太网 !

# %& 丁技术在变电站自动化

系统中的应用向乾亮 ()华北电力大学四方研究所

‘,

肖仕武,

‘,

陈福焰,

,

北京

,

+%

福建省龙海市供电有限公司

龙海市

,

, )

.

摘要

/

0详细论述了实时 !#%。

1

技术

,

主要包括

! #

&% 1技术的工作原理,

、

通信协议以及优越的同步! # 州二

、

高速

的性能等

其次

,

针对变电站自动化系统中存在的实时通信问题。

提出了一种基于。

1

技术的实时通信

及 2 0控制的可行系统方案关键词/

最后

,

分析了 !#% 0实时通信 31

1习 56 4

在电力系统中应用的意义0 1

变电站自动化

3

0 3 !#% 1

)

引言随着变电站自动化技术的发展,

) !# % 1的工作原理 &

! # %& 1

技术突破了其他以太网解决方案的系,

高性能智能电子。

统限制

,

它无需接收以太网数据包。

解码后再将数据,

! 7装置 ( 8 .在电力系统中已经得到了广泛的应用

复制到各个设备

% !# & 1系统中由主站发送帧,

随着系统电流电压采样频率的提高

,

采样数据在各智。

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人输出,

能设备之间的传输的实时性变得十分重要的实时数据很容易造成网络堵塞系统的性能。

高吞吐量

如图 )所示

。

,

影响到整个自动化

特别在

,

文献 9所提出的集成自动化系。

统当中

,

当前所采用的现场总线是很难满足要求& 1

但

实时以太网 !# %问题。

技术的应用能较好地解决这个

实时以太网 ! # %& 1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 2&实时控制的要求

。

图 9Δ5> ) 2

报文中的过程数据Η= = 56Γ

本文阐述了,

! # %

& 1

技术的通信原理及其优越

的性能并提出了一种基于 ! # %& 1技术的实时通

0+%

ΓΓ

%,

6Η 5

9>%

=

<

Γ

信及 2&控制的可行性系统方案

。

各从站子报文插入帧中迟,

只有几纳秒的时间延

实时以太网

! 心 1#

但是这避免了采用&Ι Κ& 8方式总线的冲突。

技术介绍&+ 6 %+ 9

阅

问题;

由于发送和接收的以太网帧插

人了大量的实时所以可用数据率可达ΛΜ以上,。

! # %& 1 ( # %改:+% ! 6 1 &

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数据

,

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1Ι

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!&ΑΒΧΔΔ,

公司开发的一种实

的全双工特性完全得以利用到. )

因此

,

有效数据率可达

时以太网现场总线系统 0

并得到 ! 1Ε。

(!

# & 1%

ΝΚ

Γ

。

6#,

:+

+

Φ

.组织的支持3

!#%& 1有速度3

Θ ! # 心 1协议Π

快

布线容易的特点

且具有兼容性和开放性。

适合,

! # %& 1

技术以充分利用全双工以太网的带,。

于快速控制的应用场合

宽采用主从方式的介质访问技术实现数据的通信

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论文集

一

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Τ

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1

帧符合%。

)Ρ

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标准,

,

! # %& 1

时间

。

报文由多个 !#

& 1子报文组成

位于标准以太网

!# 心 1 ! # ,

的性能,

帧结构的数据区

每个子报文都服务于一块逻辑过程。

%

& 1支持各种拓扑结构

如总线型星型

、

、

映像的特定区域该区域最大可达ΥΕ 字节数据顺,

环形等并且允许 ! # %& 1系统中出现多种结构的组合。

序不依赖于网中以太网端子的物理顺序从站之间的广播,、

,

可任编址。

。

支持多种传输电缆,

,

如双绞线,

、

光纤

、

光导总。

多播方式通信得以实现

如果要实

路线等以适应于不同的场合以提升布线的灵活性! # & 1采用了精准的同步时钟系统【%ΘΥ。

现最大化性能并且需要将 ! & 1组件作为同一#%子网控制器进行操作由于! # %& ,

系统

则可直接传送以太帧

。

中的数据交换完全是基于纯硬件机制,

,

由于通信采用,

! & 1#%

不限于单个子网的应用

了逻辑环结构 (助于全双工快速以太网的物理层 .借主站时钟能简单、

1 82,

将

! # %& 1。

协议封装为 8 2Κ 72

精确地确定各个从站传播的延迟偏,

数据报文

如图

所示

这样

,

任何以太网协议堆栈。

移

。

分布时钟均基于主时钟进行调整。

在网络范围内

的控制均可编址到 !# & 1系统之中甚至还可以 %

使用精确且确定的同步误差时间基! # & 1%

通过路由器使通信跨接到其它子网

。

显然

,

在这种变

采用从站硬

件集成以及网络控制器主整个协议的处理都在硬件中实现、

体结构中

,

系统性能取决于控制的实时特性以及以太。

站的直接存取

,

,

它

网协议的实现方式

因为 8 2数据报文在第一个站

就完成解包

。

所以。

,

!

# & 1%

网络自身的响应时间

完全独立于协议堆栈的实时运行系统件实现方式表),

& 2

性能或软

基本不受影响, Ω1 !

速度性能指标如表实时以太网! #

)

。

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、

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具有较强的通信诊断能力

,

能迅速地,

嘛幽!遵循 7! #

加帧

。

排除故障

3

同时它也支持主站从站冗余检错,

提高系

统的可靠性图>Δ5

!

#

%

& 1

实现了在同一网络中将安全,

!!Σ

#标准的 !

汇 1

!相关的通信和控制通信融合为一体并遵循 7

&, )ΡΣ

%尤 1:

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Η 9

56

>

+

7! ! !Σ

标准

,

7Ι .满足安全集成级 ( _

Υ

的要求

。

根据主从数据交换原理

,

!#。

%

& 1也非常适合

控制器之间 (Κ从 .的通信主可用于过程数据以及参数、

自由编址的网络变量、

!#心 在变电站自动化系统中的应用 1变电站自动化技术是随着当时新的技术的成熟。

诊断。

编程和各种远程控

制服务

,

满足广泛的应用需求

与应用而不断进步发展/

在自动化技术发展的历史过

从站之间的通信方式有两种

一种方法是,

,

上游

程中体现出来

,

当今

,

分层分布式结构的综合自动化,

设备与下游设备可以在同一周期内实现通信

速度,

系统提高了变电站运行和控制的可靠性

但增加了二

快

。

但这种方法与拓扑结构相关

。

另一种通信方式。

次设备的投资与维护的工作量

。

数据通过主站进行路由以实现从站之间的通信种从站间通信方式需要两个周期才

能完成! & 1#%,

但这

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电压等级及一次设备的状况、

但由于

作用和变电站的规模

、

的这一过程仍然小于采用其他方法所耗的

。

变电站自动化系统的设

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一

)ΡΛ

Τ

计目标应是优化各项成本期成本最小低贡献最大,

,

使自动化系统的寿命周

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,

,

同时对整个变电站寿命周期成本的降,

使主站能够识别从站设备以进行相关

川

文中并指出了集成变电站自动化系统。

初始化与控制

。

能达到该设计目标

集成自动化系统的实现

,

有效的对一条,

该方案的特点是主站软件维护与升级方便只需编写配置文件 (

3

用户

过程总线是实现这种自动化系统的关键技术,

。

] 969

文件 .与用户程序软件提。

三相线路的采样 ()个电气量每个电气量为 )位 .,

供的语言主要适合于逻辑控制,

,

灵活性小,

。

对于一些

假设每周波采样

点大约需要Ξ Ν邵的通信速率,。

高级变电站自动化系统管理界面

可重新开发界面程

这对于一般的总线技术是很难满足要求的

实时以太。

序

。

% !#

& 1

技术的应用能提供一种可行有效的方法,

!# 心 1从站的设计

! & 1系统是一种主从通信系统#%

整个系统总线与主& 1系统

由主站与从站构成各从站通过 ! ,

# & 1%。

!#%& 1从站是指挂在总线上的以太网控制器、

站相连

,

整个系统由主站进行控制

! # %。

微处理器及传感器。

、

执行部件

。

一般的从站结构

的设计包括主站的设计与从站的设计 ) !# 心 1主站的设计

如图Υ所示

一个从站实际是一个计算机系统或通用 2&系统1 6 5& 1 (#

德国6 5Η+αΓ

!&ΑΒΧΔΔ公司提供了 1

或嵌人式处理器系统也可是一个简单的数字 7Χ,

。

其

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1 &恤+ 9+>?

.组。

关键部分是一个 !# %

& 1

控制器

,

由它来实现实时,

态软件可以方便的与各从站进行通信上来说,,

该软件从逻辑如图 所示

以太网 !# & 1的物理层与数据链路层的协议它 %

由核心模式与用户模式构成β1

,

与计算机系统一起以现实 ! # %& 1系统的通信

。

核心模式中运行一个实时内核 ( !&ΑΒΧΔΔ实时6核 .该内核嵌入在 5Η+αΓ

( 9996+αΓ或。

Ο 2.

操作系统中

,

能实现数据通信的实时性= 5+ 6

其中的各逻

辑设备通过 6Γ (; +<

8

45。

0Ι

接口与 8Ι用户模式中,

0:衅5,。

= 5+ 6

.

路由器进行信息交换

用户程序运行在

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 !&ΑΒΧΔΔ内核优先使用&2 完成用户

控制任务,

,

当任务完成将& 2 的使用权交与操作系。、

6统以达到实时控制 1 5& 1提供了Χ&ΟΧ 2&

8 __

、

等接口以实现人机界面

。

图

Υ ! #

0%

1

从站系统原理图Γ

Δ5>Υ ! #

&% 1Ι 9= 4 即Γ <

# <

=

5

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 !# %& 1从站主要怎样实现应用层协 ,

议

。

! # %& 1

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统。

或者设计成采样系

对于复杂的控制系统,

,

可将从站设计成一个计算

机系统或者嵌人式系统图

在计算机系统或嵌入式系统,

1 5 0 6 +

1 ;

通信系统结构

中可以实现紧急控制

,

以提高系统的可靠性。

其它控

6Δ5> 1 5& 1

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= 5+

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Γ

;%

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制可以在后台的主站得以实现

EtherCAT总线相关论文

一

),

Τ

中国继电保护及自动化行业年会

论文集

如图Ρ为一个基本的适用于大型系统的从站

,

以

自动化系统的实时性提供了条件3

对改善控制

、

保护算法的性能。

太网控制器采用 !&ΑΒΧΔΔ公司的 !Ι&的控制器采用数字信号处理器。

,

应用层

有利于电力系统的经济运行

参考文献/7 )

6

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刀

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变电站自动化技术的未来发展

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集成自动化寿命周期成本电力系统自动化()Σ .,Υ 1 #6&/

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6

通过写 !Ι5置成 ),Ν

&

相关寄存器的值将其与 8

2Ι

的接口配,

=6

Η&+: 9

%+

9Ι?Γ <

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 !Ι数据交换,。

&加通过中断与 8Ι 2进行 1通信协议的应用层的控,

作者简介

/

8Ι2

作为 !廿9

%&

制器实现 !廿9%& 1应用层的协议 8Ι通过读 !& 2Ι

)Λ向乾亮 (Σ )一 .男硕士研究生,,

,

主要研究方向

为变电站综合自动化Λ肖仕武()Υ一.,

。

泣的中相关寄存器确定主站对刀占控制从站根据应用的状

男

,

博士

,

讲师主要研究方向。

,

态通过写 !ΙΥ

&的相应寄存器响应应用层事件

。

为电力系统故障分析及电力系统微机保护Λ )陈福焰 (Λ一.,

意义 % !# & 1技术以其先进的技术优势,

男

,

本科。

,

工程师

,

主要从事电

优越的性

力系统继电保护方面的工作

能将在电力系统得到应用

。

它能解决集成变电站自动3

化系统中大容量实时数据的传输问题

能提高变电站

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2nbi.html