[0001] 本发明涉及数据传输技术领域，具体涉及一种基于实时高速以太网技术的通用组态型分布式控制架构。

[0002] 随着新能源电站的蓬勃发展，其规模的不断扩大带来了前所未有的信息量激增，这对现有的控制系统构成了严峻的挑战。在这样一个复杂的环境中，控制系统的实时性、稳定性以及控制对象响应的一致性成为了衡量系统性能的关键指标。然而，当前的控制架构面临着显著的局限性。

[0003] 具体而言，传统的控制方案普遍采用单点控制装置来管理数百乃至数千个控制对象，这种集中式的管理方式虽然在一定程度上简化了系统设计，但随着控制对象数量的激增，其弊端也日益显现。首先，指令的下发与反馈信息的收集变得异常繁重，导致系统处理速度下降，实时性大打折扣。其次，由于各控制对象物理位置分散、电气特性各异，加之通信链路中的不确定因素，使得响应一致性难以保证，进一步加剧了系统的不确定性。

[0004] 此外，复杂的通信协议和庞大的数据量也给系统的稳定性带来了巨大压力。在实时性要求极高的新能源电站中，任何微小的延迟或错误都可能对系统性能产生重大影响，甚至引发连锁反应，导致系统崩溃。因此，如何做到系统横向可扩展、功能可组态、计算能力可灵活分配变的非常重要。

[0045] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

[0046] 在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

[0047] 显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0048] 此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

[0049] 以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

[0050] 实施例一

[0051] 一种基于实时高速以太网技术的通用组态型分布式控制架构，图1示出了本发明一个实施例的整体结构示意图，如图1所示，包括：第一模组层和至少两个第二模组层；

[0052] 所述第一模组层包括EtherCAT Master板卡和CPU板卡；

[0053] 所述第二模组层包括EtherCAT Master模块；

[0054] EtherCAT Master板卡是基于EtherCAT(Ethernet Control Automation Technology，以太网控制自动化技术)标准研制出的控制器模块，EtherCAT是一种高性能的实时工业以太网通信协议，EtherCAT能实现极低的通信延迟和高带宽的数据传输，以满足高速控制和数据采集的需求。EtherCAT Master板卡利用其高性能的通信能力，确保数据传输的实时性。EtherCAT协议具有非常低的通信延迟(通常在微秒级别)，这使得它适用于对实时性要求较高的应用，如高速运动控制和精密定位系统。EtherCAT Master板卡的设计支持灵活的拓扑结构，可以适应各种网络配置，包括星形、总线型、树型等。此外，它还支持热插拔设备和自动配置，简化了网络的部署和维护。用户可以根据实际需求轻松扩展或调整系统规模。

[0055] EtherCAT利用分布式时钟机制，可以实现网络中所有设备的精确同步。EtherCAT Master板卡作为同步的发起者和维护者，确保所有从站按照预定的时间表执行任务，从而实现高精度的协同运动或控制。

[0056] CPU板卡上的CPU是计算设备的核心处理器，负责执行操作系统、应用程序等指令，完成各种计算任务。CPU板卡通过高速的数据传输通道与内存、硬盘等存储设备相连，能够快速读取和写入数据，实现数据的快速处理和传输。

[0057] 所述EtherCAT Master板卡通过内部SPI总线或内部EtherCAT总线与所述CPU板卡连接；

[0058] SPI(Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口)是一种高速的、全双工、同步的通信总线。它主要用于微控制器(MCU)与外围设备之间的通信，如EEPROM、FLASH、ADC等。SPI总线通常只需要四根线(SCK、SS/CS、SDO/MOSI、SDI/MISO)即可实现数据的传输和控制。

[0059] 内部EtherCAT总线内置了分布式时钟系统，能够实现网络中所有设备的精确同步控制；

[0060] 所述EtherCAT Master模块与所述EtherCAT Master板卡通过外部EtherCAT总线连接；

[0061] 外部EtherCAT总线内置了分布式时钟系统(DC，Distributed Clock)，能够实现网络中所有设备的精确同步控制。使用符合EtherCAT标准的通信电缆将EtherCAT Master模块与EtherCAT Master板卡的EtherCAT接口连接起来。这些接口通常遵循特定的电气特性和物理规范，以确保信号的完整性和可靠性。完成硬件连接后，需要在EtherCAT Master板卡上进行相应的配置和初始化操作。这包括设置EtherCAT总线的参数(如波特率、拓扑结构等)、识别并配置网络中的从站设备以及建立与从站设备之间的通信连接。配置和初始化完成，EtherCAT Master板卡就可以通过外部EtherCAT总线与EtherCAT Master模块以及网络中的其他从站设备进行实时通信和控制了。

[0062] 所述第一模组层和第二模组层通过所述EtherCAT Master模块和所述EtherCAT Master板卡实现数据交互；

[0063] 所述第二模组层间通过相对应的EtherCAT Master模块实现数据交互；

[0064] 所述CPU板卡通过所述EtherCAT Master板卡和所述EtherCAT Master模块对所述第二模组层进行控制。

[0065] 第一模组层的数据通过EtherCAT Master模块编码成EtherCAT报文，并通过EtherCAT Master板卡发送到第二模组层的EtherCAT从站设备。同时，第二模组层的EtherCAT从站设备将响应数据通过相同的路径返回给第一模组层。

[0066] 本发明的一个实施例中，进一步，所述第一模组层还包括GOOSE板卡；GOOSE板卡实现了变电站内部各智能电子设备(IED)之间的高速、实时数据传输。GOOSE板卡与第二模组层的GOOSE模块连接实现数据交互，GOOSE板卡适用于传输跳合闸信号(命令)场景，这些信号对于控制开关设备的操作至关重要。通过使用GOOSE通信，可以确保跳合闸命令的准确、快速传输，从而提高电力系统的可靠性和安全性。GOOSE板卡支持广播发送GOOSE数据，这意味着一个设备可以同时向多个接收设备发送数据，而无需建立多个单独的通信链路。这种广播机制简化了网络结构，提高了数据传输效率，并降低了系统成本。

[0067] 所述GOOSE板卡通过内部SPI总线或内部EtherCAT总线与所述CPU板卡连接；确保了GOOSE板卡与CPU板卡之间的快速、可靠的数据交互，为系统的实时控制和决策提供了有力支持。

[0068] 所述GOOSE板卡通过外部EtherCAT总线与所述第二模组层连接。通过外部EtherCAT总线连接，GOOSE板卡实现了与第二模组层中设备的无缝集成和高效通信。这种集成方式不仅提高了系统的整体性能，还简化了系统的设计和维护。采用了多种机制来确保数据传输的可靠性和成功概率。

[0069] 所述第一模组层还包括IO板卡；

[0070] 所述IO板卡通过内部CAN总线与所述CPU板卡连接。

[0071] CAN总线是一种串行通信协议。它具有实时性强、可靠性高、灵活性强等特点，适合用于分布式控制系统中的设备互联。CAN总线通过差分信号进行数据传输，能够在高噪声环境中保持稳定的通信质量。IO板卡通过内部CAN总线与CPU板卡连接，实现了两者之间的高速、实时数据交换。这种连接方式使得CPU板卡能够及时地获取来自外部设备的输入信号，并将控制指令发送给外部设备，从而实现对整个系统的实时监控和控制。CAN总线采用基于消息的通信机制，每个消息都包含唯一的标识符(ID)，用于确定消息的优先级和接收方。在IO板卡与CPU板卡的通信过程中，IO板卡会将采集到的输入信号封装成消息，并通过CAN总线发送给CPU板卡。CPU板卡则根据消息的ID和内容进行解析和处理，然后生成相应的控制指令发送给IO板卡。

[0072] 本发明的一个实施例中，进一步，

[0073] 所述第一模组层还包括模拟量板卡；模拟量板卡是一种用于处理模拟信号的板卡，模拟量板卡主要负责采集来自传感器、仪表等设备的模拟信号，如温度、压力、流量、电压、电流等。这些模拟信号通常具有连续变化的特性，需要高精度的采集和处理。采集到的模拟信号需要经过模拟量板卡进行模数转换(ADC)，将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，以便计算机或CPU板卡进行进一步的处理和分析。

[0074] 所述模拟量板卡通过内部SPI总线或内部EtherCAT总线与所述CPU板卡连接。

[0075] 本发明的一个实施例中，进一步，

[0076] 所述第二模组层还包括GOOSE模块；

[0077] 所述GOOSE模块通过外部EtherCAT总线与所述第一模组层连接。

[0078] 所述第二模组层还包括104模块；104模块指的是遵循IEC 60870‑5‑104标准的通信模块，该标准是一种用于电力系统中远动通信的协议。104模块主要用于实现主站(如调度中心)与子站(如变电站)之间的远程通信，传输遥测、遥信、遥控等信息。

[0079] 所述104模块通过外部EtherCAT总线与所述第一模组层连接。

[0080] 所述第二模组层还包括FT3模块；

[0081] 所述FT3模块通过外部EtherCAT总线与所述第一模组层连接。

[0082] 所述第二模组层还包括CAN模块；CAN模块是一种串行通信协议。CAN模块负责实现CAN总线上的设备之间的通信，传输控制指令、状态信息等。

[0083] 所述CAN模块通过外部EtherCAT总线与所述第一模组层连接。

[0084] 本发明的另一方面，优选地，还包括第三模组层；

[0085] 所述第三模组层与第二模组层通过外部EtherCAT总线连接。

[0086] 本发明的另一方面，优选地，

[0087] 所述第三模组层包括：GOOSE模块、104模块、FT3模块和CAN模块中的至少一个。

[0088] 本实施例的架构通过集成EtherCAT这一高性能的实时工业以太网技术，实现了数据在控制系统中的超高速传输。EtherCAT以其极低的通信延迟(微秒级)和高效的数据处理能力，确保了控制指令的快速下发及反馈信息的即时回传。第一模组层中的EtherCAT Master板卡与CPU板卡通过内部优化的SPI总线或EtherCAT总线紧密连接，进一步缩短了数据处理时间。同时，第二模组层之间的EtherCAT Master模块直接通信，减少了数据传输的层级和延迟，从而在整个控制系统中构建了一个高速、低延迟的数据交互网络。这种设计极大地提升了系统的实时响应能力，确保了对新能源电站等复杂环境中快速变化工况的精准控制。

[0089] 本实施例中，第一模组层对至少两个第二模组层进行控制的方法包括：

[0090] 构建第二模组层序列；

[0091] 第一模组层获取外部需求和每个第二模组层的资源状态；

[0092] 根据每个第二模组层的资源状态，设置各个第二模组层的优先级；

[0093] 根据外部需求和各个第二模组层的优先级，计算获取每个第二模组层的调度量；

[0094] 第一模组层根据调度量对第二模组层进行控制。

[0095] 其中，根据每个第二模组层的资源状态，设置各个第二模组层的优先级包括利用以下公式进行计算：

[0096]

[0097] 其中，Pi表示第i个第二模组层的优先级，Rij为第i个第二模组层的第j种资源的当前状态，Cj为第j种资源的总容量，Dj为第j种资源的需求量，Gj为第j种资源的增长率，Wj为第j种资源的权重，α,β,γ为调整系数，Rj‑max表示第j种资源的最大量，Rj‑min表示第j种资源0
的最小量，ω 是一个归一化因子，确保所有第二模组层的优先级之和为1，m是第二模组层拥有的资源种类数量； 表示资源j的权重与当前状态的比值，反映了资源的稀缺性，表示资源的当前使用率的逆，其中α调整使用率对优先级的影响； 表示资
源的需求量满足度的逆，其中β调整需求量满足度对优先级的影响； 表示第资源的增长率，其中γ调整增长率对优先级的影响。

[0098] 根据外部需求和各个第二模组层的优先级，计算获取每个第二模组层的调度量包括利用以下公式进行计算：

[0099]

[0100] 其中，i为第二模组层的索引，i＝1,2,...,n；j为资源的索引，j＝1,2,...,m；Rij为第i个第二模组层的第j种资源的当前状态；Pi为第i个第二模组层的优先级。Dj为第j种资源的需求量。D为资源的总需求量，Ei为第i个第二模组层的效率系数，反映其使用资源的效率。Hi为第i个第二模组层的历史调度表现系数；Sij为第i个第二模组层对第j种资源的需求系数，可以根据资源的稀缺性进行调整；ξ,μ,ν为权重系数，用于调整不同因素对调度量的影响。综合了第二模组层的优先级、效率、历史表现、资源的需求量、当前状态和稀缺性，可以更精细地控制资源的分配，以适应不同的业务需求和优化资源使用效率。

[0101] 应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

[0102] 在以上的描述中，对于各层的构图等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过现有技术中的各种手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。

[0103] 以上参照本发明的实施例对本发明予以了说明。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替换和修改，这些替换和修改都应落在本发明的范围之内。

[0104] 尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的实施方式做出各种改变、替换和变更。

[0105] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。