變電站監控系統是指在變電站內應用自動控制、信息處理、通信等技術，對變電站內主要電氣設備運行情況和輸、配電線路進行監視、測量、控制、協調和保護的綜合性的自動化系統。現如今，變電站監控系統快速普及，其系統操作方便友好、信息傳輸快捷，能夠實時精準地預測、檢測、排除、解決電力故障，成為保障電力系統可靠安全運行的必要基礎。據恒州博智（QYResearch）調研顯示，2024年全球智能變電站市場規模已攀升至約187.7億美元，并預計將在2031年突破305.7億美元大關，期間年復合增長率（CAGR）高達7.3%。另據觀研天下數據顯示，受益國家政策推動，2019年我國智能變電站市場規模達225.6億元，隨著市場需求持續增長，政府推動智能變電站滲透進一步上升，2020年以來隨著充電等領域需求的增長，智能變電站市場規模保持穩步上升，到2023年超過312.4億元。

變電站監控系統是電力系統進行電能傳輸、調度、分配、交換的重要環節。一方面，它對內部各個子系統運行狀態進行監測和管理，另一方面還要與上級控制中心進行通信執行其下發的命令操作。該監控系統通過接入通信網絡的遠動終端對電網和各子系統運行的實時狀態進行信息采集，同時通過所收集的數據進行運行狀態的安全分析、預測，進而采取調度控制等。當電網或者電氣設備發生異常或故障時，監控系統能及時切除故障線路或者結束故障設備的運行及時止損同時發送相應信號給操作臺，繼而提高操作人員的效率和電力系統的安全運行水平。變電站監控系統是以調度中心為核心，由數個子系統組成。

▲典型變電站監控系統的基本結構框圖（來源：電力工程技術）

在智能電網推廣之前,國內變電站監控系統領域普遍采用的通信方式是 LonWorks、CAN、RS-485等現場總線，但現場總線的數據吞吐量小，通信速率較低，很難滿足信息快速傳輸的要求。隨著智能電網的推廣和發展，以太網技術被引入電力自動化領域。但傳統的以太網由于采用載波監聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)機制，在確定性和實時性方面無法滿足變電站監控系統的要求。進一步滿足變電站監控系統的發展需求，尋求一種實時性更好、承載能力能強、通信更可靠穩定的現場總線就變得彌為迫切，也勢必將擁有良好的應用前景。EtherCAT 總線支持多種自動化網絡拓撲，非常適合中小型自動化控制領域。其獨有的分布式IO方式,更是打破了傳統現場總線的瓶頸。除此之外，EtherCAT的支持多種傳輸電纜、精確時鐘同步技術、基于純硬件的數據交換技術、通信診斷技術和通訊控制一體化技術等等優勢，都是傳統通信總線不可比擬的。將EherCAT 總線技術應用于實時性要求較高的變電站系統中，可以提高變電站監控系統的實時性、穩定性和健壯性。

基于 EtherCAT 技術的變電站監控系統

基于EtherCAT 總線的變電站監控系統由主控制器和各種就地終端組成，主控制器和就地終端采用EtherCAT總線進行通信連接。主控制器作為EtherCAT主站，各就地終端作為EtherCAT 從站，主站控制從站發送或接收數據主站發送數據報文，從站設備在報文經過其節點時讀取相應的編址數據，同樣輸入數據也在報文經過時插入報文中。報文經過所有從站并與從站進行數據交換后，由EtherCAT網段中的末端從站將報文返回。此通信過程完全由從站控制器芯片（ESC）完成，對于下接多個個從站的系統，處理延時只有100ns左右,與傳統以太網相比，實時性得到了顯著提高。

▲典型基于EtherCAT技術的變電站監控系統架構

EtherCAT的主站可以利用TwinCAT組態軟件進行設計、實現，XP系統計算機、WindowsNT均適用。EtherCAT技術的從站，也即響應業務的各個節點和發生業務的各個節點，傳統模式下，從站的功能需要與主站對應，當主站發出5MB大小的數據包，要求從站能夠接收、暫存、分析該數據包，如果從站在接收主站數據包的同時，需要響應其他業務，業務發生量為10MB，從站的處理器至少應擁有15MB的瞬時處理能力才能完成工作否則某一方面甚至兩個方面的工作可能都會受到影響。實時以太網 EtherCAT技術的從站設計既要考慮應用層協議，也要考慮自身功能的強化。變電站的核心工作為高壓低壓的相互轉變、輸送，由于其工作是相對固定的，自動化也擁有了較好的實現空間。實時以太網 EtherCAT技術的從站設計，首要要考慮業務的具體內容，從站可以認為是來自用電一方的請求，或者電力輸入方的請求，因此首先要設定從站的計算方式，使相關參數與請求的數值能夠對應。之后是強化其基本功能，盡管實時以太網 EtherCAT技術是一種局域網技術，但自動化條件下如果業務發生量過大，依然會導致工作問題。EtherCAT從站功能的強化可以從硬件設備著手，提升其傳感器敏感度、處理器工作能力，從而使其能夠更敏銳的響應請求，進行工作。EtherCAT從站硬件主要由三部分組成：從站控制器、從站微處理器以及其他外圍電路。

▲基于EtherCAT 技術的變電站監控系統從站結構圖

應用層從站微處理器主要實現 AD 采樣、數據計算與處理、開關量控制出口處理等功能。根據所連接變電站監控系統內的對象的不同，可分為聯網點終端、主電源終端、負荷終端、分布式電源終端、環境監測終端等。從站微處理器循環讀取各應用層的數據狀況，保持系統的持續工作，對應功能的各模塊則不斷提供數據，并對響應的情況作出后續反映。當數據輸入/輸出時，同步信號被觸發實時以太網 EtherCAT 技術捕捉相關數據，進行讀取和分析比如變電站請求，在局域網內可以快速得到響應，并迅速進行。EtherCAT物理層協議和數據鏈路層協議硬件化在從站控制器中，從站控制器如同主站和從站之間的接口處理器，負責處理主從站之間的協議解析，實現應用層通信。從站微處理器負責接收主站下行數據幀，并根據主站的命令來控制從站設備，同時也可以把從站采集的數據上通過從站控制器上報到主站。

▲基于EtherCAT 技術的變電站監控系統硬件示意圖

碼靈半導體EtherCAT變電站監控系統解決方案

碼靈半導體推出的CF110x系列產品為智能變電站監控系統從站ESC 芯片提供了全新的、高性價比解決方案。采用CF110x系列可用于實現EtherCAT從站協議的物理層和數據鏈路層，提升變電站監控系統通信的實時性、精確性和可靠性，實現變電站監控系統的順序控制、在線分析、智能控制及協同互動。碼靈半導體CF110x系列最多可以提供3個數據收發端口，支持 100 Mbit/s的全雙工通信，使從站能夠靈活的實現各種拓撲結構。內部含有8個FMMU單元，8個SM通道，4KB控制寄存器，8KB過程數據存儲區，支持64位分布式時鐘功能，其中8KB過程數據存儲區是DPRAM，用于和從站微控制器交換數據。CF110x系列提供了三種過程數據接口：數字量IO接口、SPI接口和8/16位異步微控制器接口（μC8/16）。通過IO接口回路，完成變電站監控系統開關量的采集和控制的出口。 SPI和μC8/16用于連接外部微控制器，組成復雜的變電站監控系統從站設備。

▲碼靈半導體CF110x系列芯片實物圖

對變電站監控系統從站設備而言，碼靈半導體CF110x系列在MII數量、同步管理器數量和 DPRAM 容量等技術規格均能滿足變電站監控系統從站設備設計要求。另外，CF1106內部集成2個10M/100Mbps以太網PHY，兼容IEEE 802.3u 100Base-TX、100Base-FX（僅電壓型PHY支持光纖），支持Auto-Negotiation自動協商、Auto-MDIX自動交叉識別，可使用直連或交叉線纜。不需要額外設計PHY電路和 PHY芯片，電路簡潔、布線簡單，即可實現高性價比的變電站監控系統從站方案。

▲碼靈半導體CF1106系列產品結構框圖

隨著變電站中的電氣設備趨于豐富性、多樣性，變電站監控系統的分布方式也由前期的集中模式、集中和分散互結合的模式，轉變為現在的全分散模式。在全分布式的變電站監控系統中，通信模式更為多元復雜，傳輸的數據量隨之激增，進而對通信能力的要求是更為嚴格的。采用碼靈半導體CF110x系列EtherCAT芯片提供的實時性、可靠性、低維護成本等優勢的EtherCAT通信技術，可以高性價比的實現變電站監控系統IO模塊等智能設備的數據采集、監測、計算、控制等功能，大大助力實時、安全、全面、可靠信息的智能變電站。

▲碼靈半導體16路獨立式IO應用方案▲碼靈半導體32路獨立式IO應用方案▲碼靈半導體刀片式IO應用方案框圖▲碼靈半導體模擬刀片式IO應用方案實物