基于EtherCAT的GOOSE报文通信方案

唐灿波，段 斌，肖祥香，李 涛，詹 俊 ，龙 辛

（1.湘潭大学 信息工程学院，湖南 湘潭 411105；2.湖南优利泰克自动化系统有限公司，湖南 长沙 411000；3.湘电风能有限公司，湖南 湘潭 411100）

根据IEC 61850标准，变电站自动化系统采用分布分层式结构，即分为变电站层、过程层和间隔层[1]。具有跳闸和闭锁两类信息的通用面向对象变电站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）报文通信可以有效防止误操作引起变电站故障，其通信过程常采用过程总线通信。GOOSE报文传输以交换机作为信息传递的中心，采用广播、组播及强实时性内核处理机制。

随着变电站系统的规模越来越大，GOOSE报文在网络通信时会受到交换机的性能、数量等约束，这会降低GOOSE报文的通信质量。IEC61850对GOOSE报文所限定的实时性指标为3 ms。

采用变电站过程通信系统未能组建统一通信网络来完成综合传输信息。倍福公司于2003年提出的以太网控制自动化技术（Ethernet for Control Automatic Technology，EtherCAT）是一种由传统以太网技术发展而来的实时以太网现场总线技术，EtherCAT具有更高的实时性和可靠性，在工业控领域、电力领域备受青睐[2]。

本文研究了EtherCAT协议，设计了基于EtherCAT的GOOSE报文通信方案，采用TwinCAT3.1充当EtherCAT软主站，采用基于STM32F407与从站控制器芯片LAN9252的从站，借助上海远景数字技术有限公司提供的DG/850-i609开发板来实现基于EtherCAT的GOOSE报文传输，进行模拟验证GOOSE报文在电力系统的通信。

1 基于EtherCAT的GOOSE报文通信

1.1 GOOSE报文

根据IEC 61850，GOOSE报文用于传送变电站系统的闭锁跳闸信号，由数据集引用的成员值发生变化所致。IEC 61850规范了GOOSE报文抽象化和标准化，是基于发布/订阅服务机制进行信息交换。

1.2 EtherCAT

倍福公司研发并提出的EtherCAT是一种基于传统以太网的开放架构的现场总线。EtherCAT拓扑结构优越，支持星型等多种结构，兼容多种以太网等优点。此外，EtherCAT的接口可以直接连接耦合器而不依赖于交换机，这可以提高信号转换速递。EtherCAT具有优良同步性能、可选线缆冗余技术。EherCAT支持物理层、数据链路层及应用层[1]。EtherCAT采用主从站结构，主站可采用嵌入式PC机，使用标准的以太网MAC实现通信。从站需要特定芯片来进行任务处理，如ET1100、LAN9252芯片。从站有两种形式，简单从站不依赖于微处理器。复杂从站需要借助微处理器来实现处理周期性过程数据通信和通过邮箱协议来支持非周期性数据通信。

EtherCAT系统由单主站和多从站组成的线形拓扑结构，主站发送报文并遍历每个从站，并且最后一个从站沿原路径返回报文到主站。多个子报文组成一个EtherCAT报文数据区，每个子报文映射一个从站设备，每个子报文包括输入数据和输出数据。

1.3 过程总线GOOSE报文组网

EtherCAT从站控制器（EtherCAT Slave Controller，ESC）对报文有处理模块和转发模块，能够处理与转发UDP/IP和VLAN标记的以太网帧[1]，主站可以充当路由器的角色，GOOSE报文能够由ESC的自动转发功能块转发和数据帧传输单元功能块传输，再通过端口将报文转发给下一个从站或终端单元，直到返回到系统的最后一个从站，再返回到主站，并由与主站相连的第一个从站即发布智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）发出响应报文到各IED控制模块。

1.4 基于EtherCAT的GOOSE报文传输延时分析

GOOSE报文在EtherCAT系统传输需要经正向传输和反向传输，所以传输延时又可分为正向延时和反向传输延时。如图1所示，GOOSE报文在EtherCAT系统传递的延时有传输延时tx和转发延时Tx以及在IED内处理延时（Tied1～2）。传输延时还包括主站与从站传输延时（t1和t10），以及模拟断路器与从站传输的延时（t7和t8）。因此，GOOSE报文的在EtherCAT的总延时记为T，T为：

图1 基于EtherCAT的GOOSE报文传输延时分析

2 实验平台设计

2.1 EtherCAT从站设计

从站硬件由LAN9252实现从站的物理层和数据链路层。LAN9252具有3个物理层端口、4 kB双端口存储器、4个同步管理器、3个现场总线存储器管理单元、64位时钟。与ET1100相比，Lan9252内部集成2个物理层芯片、单电源3.3 V供电。从站应用层采用STM32F407芯片，具有64 kB的RAM和高达2 MB的Flash，通过采用FSMC与LAN9252连接以实现数据通信与共享。

2.2 搭建模拟实验平台

本实验中嵌入式主机配置处理器英特尔酷睿i5，主频3.3 GHz，运行内存为4G，硬盘内存希捷500 G，操作系统Windows7，采用PCI-E网卡驱动，安装TwinCAT3.1软件，搭建基于EtherCAT的GOOSE报文通信实验平台，如图2所示。

实现EtherCAT通信，TwinCAT3.1采用广播寻址方式，通过BWR广播写入所有从站、通过BRD命令读取从站物理地址、BRW命令与所有从站交换数据并对读取数据做。负责写数据命令和利用BRD命令实现读数据命令，设计程序时将要发送的GOOSE报文插入EtherCATData区。DG/850-i609是一款符合IED模型的开发板，采用ADI Blackfin双核处理器，在PC机1上安装CrossCoreEmbbededStudio软件，通过仿真器DMHPUSB5.0加载源程序，通过以100Mbit/s网线外部连接一个从站。PC机1经重复发送GOOSE报文，IEC61850客户端接收GOOSE报文，加载SCL ICD模板文件创建IED服务，通过OMICRON IED Scout来验证GOOSE服务。在PC机2安装Wireshark网络分析器捕获EtherCAT报文，需要测试的指标是报文时延。

图2 基于EtherCAT的GOOSE报文通信实验

2.3 实验结果

EtherCAT系统约在第49个帧进入运行状态，EtherCAT报文的通信最高延时为966.41 μs，如图3所示。在上海远景数字技术有限公司所测基于以太网的GOOSE报文实时性平均值约为25.463 ms。

图3 报文时延

3 结语

本文设计了GOOSE报文在过程层采用EtherCAT总线通信传输通信实验。实验表明，GOOSE报文的最高时延低于1 ms，基于EtherCAT总线的GOOSE报文传输方案能够提高GOOSE报文的通信质量，更有利于变电站系统安全运营。

[参考文献]

[1]郇极，刘艳强.工业以太网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[2]向乾亮，辛志远，林继如，等.实时以太网EtherCAT技术在电力系统中的应用[J].继器，2008（11）：42-45.