EtherCAT技术赋能工业储能，优化GOOSE网络实时性与效率

随着可再生能源占比提升，工业储能需求增长。EtherCAT技术以其实时性、同步性和高效性，有望成为解决GOOSE网络问题的优选方案。

随着全球能源转型的加速推进，可再生能源的占比逐渐增加，对储能的需求也持续增长。工业储能作为稳定电网、平衡供需的重要手段，其市场需求将持续扩大。特别是在分布式能源、微电网等领域，工业储能的应用前景广阔。电池技术的不断进步，储能设备的成本逐渐降低，同时储能效率也在不断提升。这将使得工业储能更加经济可行，为大规模应用奠定基础。

GOOSE（通用面向对象的变电站事件）网络，作为智能变电站过程层的核心组成部分，承担着传输关键控制指令和状态信息的重要任务，其可靠性和实时性直接关系到变电站乃至整个电网的安全稳定运行。然而，当前基于交换式以太网技术的GOOSE网络面临着诸多挑战，如星型结构导致的冗余成本高、通信链路利用率低、以及交换机故障和广播风暴对网络实时性的严重影响。这些问题限制了GOOSE网络在更大规模、更复杂场景下的应用。

为解决上述问题，EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）技术以其独特的优势脱颖而出。EtherCAT作为一种专为实时控制优化的工业以太网协议，不仅在实时性、同步性和数据传输效率上表现出色，还具备出色的可靠性和灵活性。

 可靠性增强

在当前GOOSE网络的架构中，星型结构占据主导地位，这种结构虽能实现一定程度的通信链路冗余，但代价高昂。大量的交换机不仅增加了网络成本，还因GOOSE网络中数据流量相对稀疏，导致通信链路利用率低下。更为关键的是，这种冗余设计无形中加重了智能电子设备（IED）的数据处理负担，影响了其核心控制功能的发挥。
EtherCAT技术的引入，则为GOOSE网络的可靠性问题提供了全新的解决方案。

线性拓扑结构：EtherCAT网络通常采用线性或树状拓扑结构，这种结构相比星型结构在物理连接上更为简单，减少了交换机和连接线的数量，从而降低了故障点和成本。同时，EtherCAT还支持环网冗余，以进一步提高网络的可靠性。

高效的错误处理：EtherCAT具有内置的错误检测和恢复机制，能够迅速定位并隔离网络中的故障节点，确保网络在发生故障时能够迅速恢复通信。

图1 EtherCAT线缆冗余

广播风暴抑制：EtherCAT使用了一种称为“邮箱”（Mailbox）的机制来传输数据，而不是传统的组播报文。这种机制可以有效避免广播风暴的发生，因为每个设备只接收和处理与其相关的数据，而不会受到网络中其他无关数据的干扰。

 实时性飞跃IEC61850规约对GOOSE网络的实时性提出了严格要求，然而传统基于交换机的GOOSE网络在规模扩大时，数据传输时延显著增加，难以满足大规模应用的需求。同时，交换式以太网中的组播报文机制容易引发广播风暴，严重损害网络的实时性能。EtherCAT技术以其卓越的实时性能，为GOOSE网络带来了质的飞跃。

• 超低的延迟：EtherCAT使用了一种称为“过程数据处理”（Process Data Handling, PDH）的技术，该技术允许数据在硬件层面直接处理，无需经过CPU的干预，从而实现了极低的通信延迟。这对于需要快速响应的GOOSE网络来说至关重要，因为它可以确保跳合闸命令等关键信息在极短的时间内被传输和处理。
• 同步机制：EtherCAT支持分布式时钟同步（Distributed Clock Synchronization, DCS），通过精确的时钟同步，可以确保网络中所有设备的时间一致，这对于需要严格时间同步的控制应用来说非常关键。

此外，EtherCAT还支持分布式时钟同步（DCS），确保了网络中各设备时间的高度一致，为需要精确时间控制的应用提供了有力支持。

 数据处理效率

高效的数据传输：EtherCAT采用了“帧内通信”（In-Frame Communication）的方式，即在一个以太网帧内完成从主站到从站的数据交换，无需多个帧的往返传输，从而大大提高了数据传输的效率。

• 减轻设备负担：由于EtherCAT的数据处理主要在硬件层面完成，减轻了智能电子设备CPU的负担，使其能够更专注于核心控制功能的实现。

图2 EtherCAT主站控制器系列产品

致远电子的ZMC600E，ZMC900E 系列EtherCAT主站控制器产品的EtherCAT技术以其低延迟、高同步性、高可靠性和高效的数据处理能力，为解决GOOSE网络当前面临的可靠性和实时性问题提供了一种有效的解决方案。通过将EtherCAT应用于智能变电站的网络，可以显著提升网络的性能，确保变电站的安全稳定运行。然而，需要注意的是，在实际应用中还需要考虑网络拓扑设计、设备兼容性以及系统集成等因素，以确保EtherCAT技术的顺利部署和高效运行。

表1 选型表