EtherCAT技術(shù)賦能工業(yè)儲能，優(yōu)化GOOSE網(wǎng)絡(luò)實時性與效率

隨著可再生能源占比提升，工業(yè)儲能需求增長。EtherCAT技術(shù)以其實時性、同步性和高效性，有望成為解決GOOSE網(wǎng)絡(luò)問題的優(yōu)選方案。

隨著全球能源轉(zhuǎn)型的加速推進，可再生能源的占比逐漸增加，對儲能的需求也持續(xù)增長。工業(yè)儲能作為穩(wěn)定電網(wǎng)、平衡供需的重要手段，其市場需求將持續(xù)擴大。特別是在分布式能源、微電網(wǎng)等領(lǐng)域，工業(yè)儲能的應(yīng)用前景廣闊。電池技術(shù)的不斷進步，儲能設(shè)備的成本逐漸降低，同時儲能效率也在不斷提升。這將使得工業(yè)儲能更加經(jīng)濟可行，為大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

GOOSE（通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录┚W(wǎng)絡(luò)，作為智能變電站過程層的核心組成部分，承擔著傳輸關(guān)鍵控制指令和狀態(tài)信息的重要任務(wù)，其可靠性和實時性直接關(guān)系到變電站乃至整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。然而，當前基于交換式以太網(wǎng)技術(shù)的GOOSE網(wǎng)絡(luò)面臨著諸多挑戰(zhàn)，如星型結(jié)構(gòu)導致的冗余成本高、通信鏈路利用率低、以及交換機故障和廣播風暴對網(wǎng)絡(luò)實時性的嚴重影響。這些問題限制了GOOSE網(wǎng)絡(luò)在更大規(guī)模、更復雜場景下的應(yīng)用。

為解決上述問題，EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢脫穎而出。EtherCAT作為一種專為實時控制優(yōu)化的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，不僅在實時性、同步性和數(shù)據(jù)傳輸效率上表現(xiàn)出色，還具備出色的可靠性和靈活性。

?可靠性增強

在當前GOOSE網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)中，星型結(jié)構(gòu)占據(jù)主導地位，這種結(jié)構(gòu)雖能實現(xiàn)一定程度的通信鏈路冗余，但代價高昂。大量的交換機不僅增加了網(wǎng)絡(luò)成本，還因GOOSE網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量相對稀疏，導致通信鏈路利用率低下。更為關(guān)鍵的是，這種冗余設(shè)計無形中加重了智能電子設(shè)備（IED）的數(shù)據(jù)處理負擔，影響了其核心控制功能的發(fā)揮。
EtherCAT技術(shù)的引入，則為GOOSE網(wǎng)絡(luò)的可靠性問題提供了全新的解決方案。

線性拓撲結(jié)構(gòu)：EtherCAT網(wǎng)絡(luò)通常采用線性或樹狀拓撲結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)相比星型結(jié)構(gòu)在物理連接上更為簡單，減少了交換機和連接線的數(shù)量，從而降低了故障點和成本。同時，EtherCAT還支持環(huán)網(wǎng)冗余，以進一步提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

高效的錯誤處理：EtherCAT具有內(nèi)置的錯誤檢測和恢復機制，能夠迅速定位并隔離網(wǎng)絡(luò)中的故障節(jié)點，確保網(wǎng)絡(luò)在發(fā)生故障時能夠迅速恢復通信。

圖1 EtherCAT線纜冗余

廣播風暴抑制：EtherCAT使用了一種稱為“郵箱”（Mailbox）的機制來傳輸數(shù)據(jù)，而不是傳統(tǒng)的組播報文。這種機制可以有效避免廣播風暴的發(fā)生，因為每個設(shè)備只接收和處理與其相關(guān)的數(shù)據(jù)，而不會受到網(wǎng)絡(luò)中其他無關(guān)數(shù)據(jù)的干擾。

?實時性飛躍IEC61850規(guī)約對GOOSE網(wǎng)絡(luò)的實時性提出了嚴格要求，然而傳統(tǒng)基于交換機的GOOSE網(wǎng)絡(luò)在規(guī)模擴大時，數(shù)據(jù)傳輸時延顯著增加，難以滿足大規(guī)模應(yīng)用的需求。同時，交換式以太網(wǎng)中的組播報文機制容易引發(fā)廣播風暴，嚴重損害網(wǎng)絡(luò)的實時性能。EtherCAT技術(shù)以其卓越的實時性能，為GOOSE網(wǎng)絡(luò)帶來了質(zhì)的飛躍。

• 超低的延遲：EtherCAT使用了一種稱為“過程數(shù)據(jù)處理”（Process Data Handling, PDH）的技術(shù)，該技術(shù)允許數(shù)據(jù)在硬件層面直接處理，無需經(jīng)過CPU的干預，從而實現(xiàn)了極低的通信延遲。這對于需要快速響應(yīng)的GOOSE網(wǎng)絡(luò)來說至關(guān)重要，因為它可以確保跳合閘命令等關(guān)鍵信息在極短的時間內(nèi)被傳輸和處理。
• 同步機制：EtherCAT支持分布式時鐘同步（Distributed Clock Synchronization, DCS），通過精確的時鐘同步，可以確保網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的時間一致，這對于需要嚴格時間同步的控制應(yīng)用來說非常關(guān)鍵。

此外，EtherCAT還支持分布式時鐘同步（DCS），確保了網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備時間的高度一致，為需要精確時間控制的應(yīng)用提供了有力支持。

?數(shù)據(jù)處理效率

高效的數(shù)據(jù)傳輸：EtherCAT采用了“幀內(nèi)通信”（In-Frame Communication）的方式，即在一個以太網(wǎng)幀內(nèi)完成從主站到從站的數(shù)據(jù)交換，無需多個幀的往返傳輸，從而大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

• 減輕設(shè)備負擔：由于EtherCAT的數(shù)據(jù)處理主要在硬件層面完成，減輕了智能電子設(shè)備CPU的負擔，使其能夠更專注于核心控制功能的實現(xiàn)。

圖2 EtherCAT主站控制器系列產(chǎn)品

致遠電子的ZMC600E，ZMC900E 系列EtherCAT主站控制器產(chǎn)品的EtherCAT技術(shù)以其低延遲、高同步性、高可靠性和高效的數(shù)據(jù)處理能力，為解決GOOSE網(wǎng)絡(luò)當前面臨的可靠性和實時性問題提供了一種有效的解決方案。通過將EtherCAT應(yīng)用于智能變電站的網(wǎng)絡(luò)，可以顯著提升網(wǎng)絡(luò)的性能，確保變電站的安全穩(wěn)定運行。然而，需要注意的是，在實際應(yīng)用中還需要考慮網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計、設(shè)備兼容性以及系統(tǒng)集成等因素，以確保EtherCAT技術(shù)的順利部署和高效運行。

表1 選型表