變電站監(jiān)控系統(tǒng)是指在變電站內(nèi)應(yīng)用自動(dòng)控制、信息處理、通信等技術(shù)，對(duì)變電站內(nèi)主要電氣設(shè)備運(yùn)行情況和輸、配電線(xiàn)路進(jìn)行監(jiān)視、測(cè)量、控制、協(xié)調(diào)和保護(hù)的綜合性的自動(dòng)化系統(tǒng)?，F(xiàn)如今，變電站監(jiān)控系統(tǒng)快速普及，其系統(tǒng)操作方便友好、信息傳輸快捷，能夠?qū)崟r(shí)精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)、檢測(cè)、排除、解決電力故障，成為保障電力系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的必要基礎(chǔ)。據(jù)恒州博智（QYResearch）調(diào)研顯示，2024年全球智能變電站市場(chǎng)規(guī)模已攀升至約187.7億美元，并預(yù)計(jì)將在2031年突破305.7億美元大關(guān)，期間年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）高達(dá)7.3%。另?yè)?jù)觀(guān)研天下數(shù)據(jù)顯示，受益國(guó)家政策推動(dòng)，2019年我國(guó)智能變電站市場(chǎng)規(guī)模達(dá)225.6億元，隨著市場(chǎng)需求持續(xù)增長(zhǎng)，政府推動(dòng)智能變電站滲透進(jìn)一步上升，2020年以來(lái)隨著充電等領(lǐng)域需求的增長(zhǎng)，智能變電站市場(chǎng)規(guī)模保持穩(wěn)步上升，到2023年超過(guò)312.4億元。

變電站監(jiān)控系統(tǒng)是電力系統(tǒng)進(jìn)行電能傳輸、調(diào)度、分配、交換的重要環(huán)節(jié)。一方面，它對(duì)內(nèi)部各個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理，另一方面還要與上級(jí)控制中心進(jìn)行通信執(zhí)行其下發(fā)的命令操作。該監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)接入通信網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)動(dòng)終端對(duì)電網(wǎng)和各子系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行信息采集，同時(shí)通過(guò)所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的安全分析、預(yù)測(cè)，進(jìn)而采取調(diào)度控制等。當(dāng)電網(wǎng)或者電氣設(shè)備發(fā)生異常或故障時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)能及時(shí)切除故障線(xiàn)路或者結(jié)束故障設(shè)備的運(yùn)行及時(shí)止損同時(shí)發(fā)送相應(yīng)信號(hào)給操作臺(tái)，繼而提高操作人員的效率和電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平。變電站監(jiān)控系統(tǒng)是以調(diào)度中心為核心，由數(shù)個(gè)子系統(tǒng)組成。

▲典型變電站監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖（來(lái)源：電力工程技術(shù)）

在智能電網(wǎng)推廣之前,國(guó)內(nèi)變電站監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域普遍采用的通信方式是 LonWorks、CAN、RS-485等現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，但現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的數(shù)據(jù)吞吐量小，通信速率較低，很難滿(mǎn)足信息快速傳輸?shù)囊?。隨著智能電網(wǎng)的推廣和發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)被引入電力自動(dòng)化領(lǐng)域。但傳統(tǒng)的以太網(wǎng)由于采用載波監(jiān)聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測(cè)(CSMA/CD)機(jī)制，在確定性和實(shí)時(shí)性方面無(wú)法滿(mǎn)足變電站監(jiān)控系統(tǒng)的要求。進(jìn)一步滿(mǎn)足變電站監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展需求，尋求一種實(shí)時(shí)性更好、承載能力能強(qiáng)、通信更可靠穩(wěn)定的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)就變得彌為迫切，也勢(shì)必將擁有良好的應(yīng)用前景。EtherCAT 總線(xiàn)支持多種自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，非常適合中小型自動(dòng)化控制領(lǐng)域。其獨(dú)有的分布式IO方式,更是打破了傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的瓶頸。除此之外，EtherCAT的支持多種傳輸電纜、精確時(shí)鐘同步技術(shù)、基于純硬件的數(shù)據(jù)交換技術(shù)、通信診斷技術(shù)和通訊控制一體化技術(shù)等等優(yōu)勢(shì)，都是傳統(tǒng)通信總線(xiàn)不可比擬的。將EherCAT 總線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求較高的變電站系統(tǒng)中，可以提高變電站監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和健壯性。

基于 EtherCAT 技術(shù)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)

基于EtherCAT 總線(xiàn)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)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(xiàn)進(jìn)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(fā)送或接收數(shù)據(jù)主站發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文，從站設(shè)備在報(bào)文經(jīng)過(guò)其節(jié)點(diǎn)時(shí)讀取相應(yīng)的編址數(shù)據(jù)，同樣輸入數(shù)據(jù)也在報(bào)文經(jīng)過(guò)時(shí)插入報(bào)文中。報(bào)文經(jīng)過(guò)所有從站并與從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換后，由EtherCAT網(wǎng)段中的末端從站將報(bào)文返回。此通信過(guò)程完全由從站控制器芯片（ESC）完成，對(duì)于下接多個(gè)個(gè)從站的系統(tǒng)，處理延時(shí)只有100ns左右,與傳統(tǒng)以太網(wǎng)相比，實(shí)時(shí)性得到了顯著提高。

▲典型基于EtherCAT技術(shù)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

EtherCAT的主站可以利用TwinCAT組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)，XP系統(tǒng)計(jì)算機(jī)、WindowsNT均適用。EtherCAT技術(shù)的從站，也即響應(yīng)業(yè)務(wù)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)和發(fā)生業(yè)務(wù)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，傳統(tǒng)模式下，從站的功能需要與主站對(duì)應(yīng)，當(dāng)主站發(fā)出5MB大小的數(shù)據(jù)包，要求從站能夠接收、暫存、分析該數(shù)據(jù)包，如果從站在接收主站數(shù)據(jù)包的同時(shí)，需要響應(yīng)其他業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)發(fā)生量為10MB，從站的處理器至少應(yīng)擁有15MB的瞬時(shí)處理能力才能完成工作否則某一方面甚至兩個(gè)方面的工作可能都會(huì)受到影響。實(shí)時(shí)以太網(wǎng) EtherCAT技術(shù)的從站設(shè)計(jì)既要考慮應(yīng)用層協(xié)議，也要考慮自身功能的強(qiáng)化。變電站的核心工作為高壓低壓的相互轉(zhuǎn)變、輸送，由于其工作是相對(duì)固定的，自動(dòng)化也擁有了較好的實(shí)現(xiàn)空間。實(shí)時(shí)以太網(wǎng) EtherCAT技術(shù)的從站設(shè)計(jì)，首要要考慮業(yè)務(wù)的具體內(nèi)容，從站可以認(rèn)為是來(lái)自用電一方的請(qǐng)求，或者電力輸入方的請(qǐng)求，因此首先要設(shè)定從站的計(jì)算方式，使相關(guān)參數(shù)與請(qǐng)求的數(shù)值能夠?qū)?yīng)。之后是強(qiáng)化其基本功能，盡管實(shí)時(shí)以太網(wǎng) EtherCAT技術(shù)是一種局域網(wǎng)技術(shù)，但自動(dòng)化條件下如果業(yè)務(wù)發(fā)生量過(guò)大，依然會(huì)導(dǎo)致工作問(wèn)題。EtherCAT從站功能的強(qiáng)化可以從硬件設(shè)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(yīng)請(qǐng)求，進(jìn)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(shù)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)從站結(jié)構(gòu)圖

應(yīng)用層從站微處理器主要實(shí)現(xiàn) AD 采樣、數(shù)據(jù)計(jì)算與處理、開(kāi)關(guān)量控制出口處理等功能。根據(jù)所連接變電站監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的對(duì)象的不同，可分為聯(lián)網(wǎng)點(diǎn)終端、主電源終端、負(fù)荷終端、分布式電源終端、環(huán)境監(jiān)測(cè)終端等。從站微處理器循環(huán)讀取各應(yīng)用層的數(shù)據(jù)狀況，保持系統(tǒng)的持續(xù)工作，對(duì)應(yīng)功能的各模塊則不斷提供數(shù)據(jù)，并對(duì)響應(yīng)的情況作出后續(xù)反映。當(dāng)數(shù)據(jù)輸入/輸出時(shí)，同步信號(hào)被觸發(fā)實(shí)時(shí)以太網(wǎng) EtherCAT 技術(shù)捕捉相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行讀取和分析比如變電站請(qǐng)求，在局域網(wǎng)內(nèi)可以快速得到響應(yīng)，并迅速進(jìn)行。EtherCAT物理層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)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(fù)責(zé)處理主從站之間的協(xié)議解析，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層通信。從站微處理器負(fù)責(zé)接收主站下行數(shù)據(jù)幀，并根據(jù)主站的命令來(lái)控制從站設(shè)備，同時(shí)也可以把從站采集的數(shù)據(jù)上通過(guò)從站控制器上報(bào)到主站。

▲基于EtherCAT 技術(shù)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)硬件示意圖

碼靈半導(dǎo)體EtherCAT變電站監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

碼靈半導(dǎo)體推出的CF110x系列產(chǎn)品為智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)從站ESC 芯片提供了全新的、高性?xún)r(jià)比解決方案。采用CF110x系列可用于實(shí)現(xiàn)EtherCAT從站協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，提升變電站監(jiān)控系統(tǒng)通信的實(shí)時(shí)性、精確性和可靠性，實(shí)現(xiàn)變電站監(jiān)控系統(tǒng)的順序控制、在線(xiàn)分析、智能控制及協(xié)同互動(dòng)。碼靈半導(dǎo)體CF110x系列最多可以提供3個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)端口，支持 100 Mbit/s的全雙工通信，使從站能夠靈活的實(shí)現(xiàn)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。內(nèi)部含有8個(gè)FMMU單元，8個(gè)SM通道，4KB控制寄存器，8KB過(guò)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，支持64位分布式時(shí)鐘功能，其中8KB過(guò)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)是DPRAM，用于和從站微控制器交換數(shù)據(jù)。CF110x系列提供了三種過(guò)程數(shù)據(jù)接口：數(shù)字量IO接口、SPI接口和8/16位異步微控制器接口（μC8/16）。通過(guò)IO接口回路，完成變電站監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)關(guān)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(fù)雜的變電站監(jiān)控系統(tǒng)從站設(shè)備。

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片實(shí)物圖

對(duì)變電站監(jiān)控系統(tǒng)從站設(shè)備而言，碼靈半導(dǎo)體CF110x系列在MII數(shù)量、同步管理器數(shù)量和 DPRAM 容量等技術(shù)規(guī)格均能滿(mǎn)足變電站監(jiān)控系統(tǒng)從站設(shè)備設(shè)計(jì)要求。另外，CF1106內(nèi)部集成2個(gè)10M/100Mbps以太網(wǎng)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(dòng)協(xié)商、Auto-MDIX自動(dòng)交叉識(shí)別，可使用直連或交叉線(xiàn)纜。不需要額外設(shè)計(jì)PHY電路和 PHY芯片，電路簡(jiǎn)潔、布線(xiàn)簡(jiǎn)單，即可實(shí)現(xiàn)高性?xún)r(jià)比的變電站監(jiān)控系統(tǒng)從站方案。

▲碼靈半導(dǎo)體CF1106系列產(chǎn)品結(jié)構(gòu)框圖

隨著變電站中的電氣設(shè)備趨于豐富性、多樣性，變電站監(jiān)控系統(tǒng)的分布方式也由前期的集中模式、集中和分散互結(jié)合的模式，轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的全分散模式。在全分布式的變電站監(jiān)控系統(tǒng)中，通信模式更為多元復(fù)雜，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量隨之激增，進(jìn)而對(duì)通信能力的要求是更為嚴(yán)格的。采用碼靈半導(dǎo)體CF110x系列EtherCAT芯片提供的實(shí)時(shí)性、可靠性、低維護(hù)成本等優(yōu)勢(shì)的EtherCAT通信技術(shù)，可以高性?xún)r(jià)比的實(shí)現(xiàn)變電站監(jiān)控系統(tǒng)IO模塊等智能設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)、計(jì)算、控制等功能，大大助力實(shí)時(shí)、安全、全面、可靠信息的智能變電站。

▲碼靈半導(dǎo)體16路獨(dú)立式IO應(yīng)用方案▲碼靈半導(dǎo)體32路獨(dú)立式IO應(yīng)用方案▲碼靈半導(dǎo)體刀片式IO應(yīng)用方案框圖▲碼靈半導(dǎo)體模擬刀片式IO應(yīng)用方案實(shí)物