基于EtherCAT的GOOSE報文通信方案

唐燦波，段 斌，肖祥香，李 濤，詹 俊 ，龍 辛

（1.湘潭大學 信息工程學院，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.湘電風能有限公司，湖南 湘潭 411100）

根據IEC 61850標準，變電站自動化系統(tǒng)采用分布分層式結構，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對象變電站事件（Generic 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報文傳輸以交換機作為信息傳遞的中心，采用廣播、組播及強實時性內核處理機制。

隨著變電站系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，GOOSE報文在網絡通信時會受到交換機的性能、數量等約束，這會降低GOOSE報文的通信質量。IEC61850對GOOSE報文所限定的實時性指標為3 ms。

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

本文研究了EtherCAT協(xié)議，設計了基于EtherCAT的GOOSE報文通信方案，采用TwinCAT3.1充當EtherCAT軟主站，采用基于STM32F407與從站控制器芯片LAN9252的從站，借助上海遠景數字技術有限公司提供的DG/850-i609開發(fā)板來實現基于EtherCAT的GOOSE報文傳輸，進行模擬驗證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IEC 61850，GOOSE報文用于傳送變電站系統(tǒng)的閉鎖跳閘信號，由數據集引用的成員值發(fā)生變化所致。IEC 61850規(guī)范了GOOSE報文抽象化和標準化，是基于發(fā)布/訂閱服務機制進行信息交換。

1.2 EtherCAT

倍福公司研發(fā)并提出的EtherCAT是一種基于傳統(tǒng)以太網的開放架構的現場總線。EtherCAT拓撲結構優(yōu)越，支持星型等多種結構，兼容多種以太網等優(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，這可以提高信號轉換速遞。EtherCAT具有優(yōu)良同步性能、可選線纜冗余技術。EherCAT支持物理層、數據鏈路層及應用層[1]。EtherCAT采用主從站結構，主站可采用嵌入式PC機，使用標準的以太網MAC實現通信。從站需要特定芯片來進行任務處理，如ET1100、LAN9252芯片。從站有兩種形式，簡單從站不依賴于微處理器。復雜從站需要借助微處理器來實現處理周期性過程數據通信和通過郵箱協(xié)議來支持非周期性數據通信。

EtherCAT系統(tǒng)由單主站和多從站組成的線形拓撲結構，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報文數據區(qū)，每個子報文映射一個從站設備，每個子報文包括輸入數據和輸出數據。

1.3 過程總線GOOSE報文組網

EtherCAT從站控制器（EtherCAT Slave Controller，ESC）對報文有處理模塊和轉發(fā)模塊，能夠處理與轉發(fā)UDP/IP和VLAN標記的以太網幀[1]，主站可以充當路由器的角色，GOOSE報文能夠由ESC的自動轉發(fā)功能塊轉發(fā)和數據幀傳輸單元功能塊傳輸，再通過端口將報文轉發(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)布智能電子設備（Intelligent Electronic Device，IED）發(fā)出響應報文到各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和轉發(fā)延時Tx以及在IED內處理延時（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的延時（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 實驗平臺設計

2.1 EtherCAT從站設計

從站硬件由LAN9252實現從站的物理層和數據鏈路層。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個現場總線存儲器管理單元、64位時鐘。與ET1100相比，Lan9252內部集成2個物理層芯片、單電源3.3 V供電。從站應用層采用STM32F407芯片，具有64 kB的RAM和高達2 MB的Flash，通過采用FSMC與LAN9252連接以實現數據通信與共享。

2.2 搭建模擬實驗平臺

本實驗中嵌入式主機配置處理器英特爾酷睿i5，主頻3.3 GHz，運行內存為4G，硬盤內存希捷500 G，操作系統(tǒng)Windows7，采用PCI-E網卡驅動，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據并對讀取數據做。負責寫數據命令和利用BRD命令實現讀數據命令，設計程序時將要發(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網線外部連接一個從站。PC機1經重復發(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，通過OMICRON IED Scout來驗證GOOSE服務。在PC機2安裝Wireshark網絡分析器捕獲EtherCAT報文，需要測試的指標是報文時延。

圖2 基于EtherCAT的GOOSE報文通信實驗

2.3 實驗結果

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

圖3 報文時延

3 結語

本文設計了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報文的通信質量，更有利于變電站系統(tǒng)安全運營。

[參考文獻]

[1]郇極，劉艷強.工業(yè)以太網現場總線EtherCAT驅動程序設計及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

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