一种基于SDN的智能变电站通信网络描述模型

摘要

本发明公开了一种基于SDN的智能变电站通信网络描述模型，包括SDN在智能变电站通信网络中的嵌入模型和基于SDN的智能变电站通信网络架构，嵌入模型包括：智能变电站三层两网结构以及SDN控制器和OpenFlow交换机，过程层参与接入的设备是合并单元和智能终端，间隔层接入的设备是保护装置、测控装置和计量装置，站控层参与接入的设备是监控装置和远动装置；通信网络架构包括数据层、控制层和应用层，数据层包括SDN交换机和通信域，控制层包括SDN控制器、资源管理器和网络服务，应用层包括SDN应用、终端服务器和用户接口。本发明使用SDN技术满足智能变电站与终端设备通信的多样化需求，实现通信系统的多维精细刻画。

说明书

技术领域

本发明涉及智能变电站通信网络技术领域，特别是涉及一种基于SDN的智能变电站通信网络描述模型。

背景技术

随着电网技术和通信技术的快速发展，智能电网覆盖的业务越来越广，对外提供的功能越来多，使得通信接口专用性增强，需要高度动态的联网方法来满足其通信要求。智能变电站是智能电网的核心，因此智能变电站的通信问题成为热点研究问题。

传统的网络体系结构本质上是静态的，大多以树形结构排列的以太网交换机层组成，用于客户端服务器通信。然而，目前通信需求的动态变化性强，传统方法作用很有限，网络体系结构需动态化，如网络中的范例变化、改变流量模式、在单个应用程序中访问多个数据库等，软件定义网络(SDN)具有控制和转发分离、设备资源虚拟化和通用硬件及软件可编程三大特性，在逻辑上统一的网络操作控制层面实现对智能变电站通信网络资源的灵活调度，虚拟网络接口能灵活地支持网络资源的按需调用，使智能变电站通信网络设备硬件摆脱了对硬件供应商及私有协议的依赖性，功能更加专一化。

目前，智能变电站通信网络结构是垂直集成方式，SDN将其转换为水平集成方式，底层接入网络通信设备仅负责存储转发，其余逻辑判断等功能由控制层和应用层等上层集中负责，从而实现网络流量的协议无感知转发，即转发硬件设备不关心协议及转发流程，由控制层面定义智能变电站网络行为。SDN的出现打破了传统网络架构的桎梏，实现了网络设备控制面与数据面的分离，通过引入敏捷控制器加强了智能变电站的集中管理能力、自动化控制能力以及部署和运维的高效性，使信息-物理融合系统更好地应用到智能变电站，提高了终端设备网络通信架构的灵活性、可扩展性和开放性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于SDN的智能变电站通信网络描述模型，使用SDN技术满足智能变电站与终端设备通信的多样化需求，实现通信系统的多维精细刻画，提升通信网络的业务性能、安全性、可靠性以及资源利用率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于SDN的智能变电站通信网络描述模型，该模型包括：SDN在智能变电站通信网络中的嵌入模型和基于SDN的智能变电站通信网络架构，所述SDN在智能变电站通信网络中的嵌入模型包括：智能变电站三层两网结构以及SDN控制器和OpenFlow交换机，在智能变电站三层两网结构中接入SDN控制器和OpenFlow交换机，过程层参与接入的设备主要是合并单元和智能终端，间隔层接入的设备主要是保护装置、测控装置和计量装置，站控层参与接入的设备主要是监控装置和远动装置；

所述基于SDN的智能变电站通信网络架构由下至上分为数据层、控制层和应用层构成，三层分别通过数据转发平面、控制平面和业务平面进行网络通信；数据层包括SDN交换机和通信域，每个域由相近路由构成；控制层包括SDN控制器、资源管理器和网络服务；应用层包括SDN应用、终端服务器和用户接口；其中，SDN交换机、SDN控制器和SDN应用构成了SDN通信体系，SDN交换机与SDN控制器之间通过OpenFlow协议进行通信，SDN控制器与SDN应用之间通过IEC 61850协议进行通信。

进一步的，所述过程层与间隔层之间是过程层网络，该层设置SDN交换机负责过程层设备和间隔层设备的通信；间隔层与站控层之间是间隔层网络，该层设有OpenFlow交换机和SDN控制器负责间隔层设备和站控层设备的通信。

进一步的，所述合并单元和智能终端构成合智一体单元，智能变电站过程层所有间隔的合智一体单元均直接接入过程层网络，每个合智一体单元通过嵌入式高带宽交换通讯网络接入SDN交换机上一个传输端口，SDN交换机通过合智一体单元实时采集过程层数据，对采集到的过程层数据完成进行实时处理，实现对合智一体单元连接的一次设备的保护和测控。

进一步的，所述SDN交换机通过光纤与间隔层设备的传输端口连接，对合智一体单元发送的SMV报文和GOOSE报文的实时采集并传输到间隔层进行数据分析，智能终端将一次设备的状态信息传送给二次设备，并且接受和处理二次设备下发的GOOSE命令。

进一步的，所述OpenFlow交换机由一个或多个流表和一个组表构成，执行分组查找和转发，通过OpenFlow信道连接SDN控制器，SDN控制器使用OpenFlow的协议，添加、更新和删除流表中的表项。

进一步的，间隔层二次设备的通过电网口接入MMS网，站控层设备也通过电网口接入MMS网。

进一步的，所述控制层与应用层之间还设置有北向接口API，北向接口API用于控制层与应用层之间的通信，提供给其他厂家或运营商进行接入和管理的接口，即向上提供的接口。

进一步的，所述控制层与数据层之间还设置有南向接口API，南向接口API用于控制层与数据层之间的通信，提供管理其他厂家网管或设备的接口，即向下提供的接口。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于SDN的智能变电站通信网络描述模型，针对智能变电站终端设备传输过程蕴含的大量数据，采用SDN控制器将控制面中的数据剥离开，运用控制器对整个网络进行控制，确保网络运行的安全性；SDN控制器通过查询变电站运行状态信息重新配置网络资源，实现网络故障的快速定位与恢复；间隔层网络中，SDN控制器给OpenFlow交换机发送指令，控制其发送数据包的方向，SDN控制器不直接控制网络硬件而是作为软件运行，提高了变电站自动化管理效率；应用北向接口提供给其他厂家或运营商进行接入和管理的接口，南向接口提供管理其他厂家网管或设备的接口，无需依赖传统通信网络设备硬件升级即可满足新型电力业务的需求，有利于智能变电站网络的智能化、自动化和硬件的标准化；在智能变电站通信网中采用SDN架构不仅可提升通信网络的业务性能、安全性、可靠性以及资源利用率，同时增强了网络的可维护性和可扩展性，最终在保证变电站业务质量的前提下，使网络资源共享效率得到有效提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例SDN在智能变电站通信网络中的嵌入模型的结构示意图；

图2为本发明实施例基于SDN的智能变电站通信网络架构的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种基于SDN的智能变电站通信网络描述模型，使用SDN技术满足智能变电站与终端设备通信的多样化需求，实现通信系统的多维精细刻画，提升通信网络的业务性能、安全性、可靠性以及资源利用率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例提供的基于SDN的智能变电站通信网络描述模型，包括：SDN在智能变电站通信网络中的嵌入模型和基于SDN的智能变电站通信网络架构，如图1所示，所述SDN在智能变电站通信网络中的嵌入模型包括：智能变电站三层两网结构以及SDN控制器和OpenFlow交换机，在智能变电站三层两网结构中接入SDN控制器和OpenFlow交换机，过程层参与接入的设备主要是合并单元和智能终端，间隔层接入的设备主要是保护装置、测控装置和计量装置，站控层参与接入的设备主要是监控装置和远动装置；

如图2所示，所述基于SDN的智能变电站通信网络架构由下至上分为数据层、控制层和应用层构成，三层分别通过数据转发平面、控制平面和业务平面进行网络通信；数据层包括SDN交换机和通信域，每个域由相近路由构成；控制层包括SDN控制器、资源管理器和网络服务；应用层包括SDN应用、终端服务器和用户接口；其中，SDN交换机、SDN控制器和SDN应用构成了SDN通信体系，SDN交换机与SDN控制器之间通过OpenFlow协议进行通信，SDN控制器与SDN应用之间通过IEC 61850协议进行通信。

如图1所示，SDN在智能变电站通信网络中的嵌入模型中，所述过程层与间隔层之间是过程层网络，该层设置SDN交换机负责过程层设备和间隔层设备的通信；间隔层与站控层之间是间隔层网络，该层通过OpenFlow交换机和SDN控制器负责间隔层设备和站控层设备的通信。

过程层的合并单元可实现采样共享化；智能终端可实现开关、刀闸开入开出命令和信号数字化，是一次设备和二次设备通信的桥梁。两类设备功能上关联紧密，可进行组合单元化。

所述合并单元和智能终端构成合智一体单元，智能变电站过程层所有间隔的合智一体单元均直接接入过程层网络，每个合智一体单元通过嵌入式高带宽交换通讯网络接入SDN交换机上一个传输端口，SDN交换机通过合智一体单元实时采集过程层数据，对采集到的过程层数据完成进行实时处理，实现对合智一体单元连接的一次设备的保护和测控。

所述SDN交换机通过光纤与间隔层设备的传输端口连接，对合智一体单元发送的SMV报文和GOOSE报文的实时采集并传输到间隔层进行数据分析，智能终端将一次设备的状态信息上送给保护、测控、计量等二次设备，并且接受和处理二次设备下发的GOOSE命令，对开关设备进行分合操作，完成启动风冷、接地开关分合操作、主变压器分接头调档等功能，并提供闭锁调压、启动充氮灭火等出口触点，对快速性要求不高的事件可经SDN交换机处理。

所述OpenFlow交换机由一个或多个流表和一个组表构成，执行分组查找和转发，通过OpenFlow信道连接SDN控制器，SDN控制器使用OpenFlow的协议，添加、更新和删除流表中的表项。间隔层二次设备的通过电网口接入MMS网，站控层设备也通过电网口接入MMS网。SDN控制器给OpenFlow交换机发送指令，控制其发送数据包的方向，SDN控制器不控制网络硬件而是作为软件运行，提高了变电站自动化管理效率。

间隔层二次设备的通过电网口接入MMS网，站控层设备也通过电网口接入MMS网。

站控层的监控装置时刻监视着变电站的运行，远动装置为智能变电站调度服务的远距离监测、控制和管理提供技术支持，涉及遥测、遥信、遥调、遥控(四遥)。站控层设备与间隔层设备进行信息交互，完成变电站的设备运行的精准测控和实时管理。

如图2所示，所述基于SDN的智能变电站通信网络架构中，上层是应用层，包含各类网络业务与应用；第二层是控制层，主要是各种功能控制器以及软件操作系统，完成设备数据的采集与维护、多级流表处理等；底层是数据层，各种交换机等数据交换装置均位于底层，完成信息处理等功能。

所述控制层与应用层之间还设置有北向接口API，北向接口API用于控制层与应用层之间的通信，提供给其他厂家或运营商进行接入和管理的接口，即向上提供的接口。用户可按需开发，以适应物联网、人工智能等新兴技术带来的集中化、灵活化的发、配、用电业务需求。一般采用基于SNMP的网络管理技术，可实现接入节点的统一管理和维护，以适应海量大数据交互的可管理化需求，工作人员可根据不同种类的业务需求借助北向接口API调用控制层各类控制服务。北向接口是通过SDN控制器向上层业务应用开放的接口，其目标是使得业务应用能够便利地调用底层的网络资源和能力。通过北向接口，网络业务的开发者能以软件编程的形式调用各种网络资源；同时上层的网络资源管理系统可以通过控制器的北向接口全局把控整个网网络的资源状态，并对资源进行统一调度。因为北向接口是直接为业务应用服务的，因此其设计需要密切联系业务应用需求，具有多样化的特征。

所述控制层与数据层之间还设置有南向接口API，南向接口API用于控制层与数据层之间的通信，提供管理其他厂家网管或设备的接口，即向下提供的接口。南向接口API通过调用虚拟化的通信资源实现支持统一的OpenFlow交互协议。SDN控制器对网络的控制主要是通过南向接口协议实现，包括链路发现、拓扑管理、策略制定、表项下发等，其中链路发现和拓扑管理主要是控制其利用南向接口的上行通道对底层交换设备上报信息进行统一监控和统计；而策略制定和表项下发则是控制器利用南向接口的下行通道对网络设备进行统一控制。

智能变电站通信网络中的GOOSE报文、SMV报文、IEEE1588对时报文、MMS报文等实现共网传输，智能化一次设备按照各自需要实现的功能利用订阅模式来完成信息的传输和实时共享。GOOSE即面向通用对象的变电站事件(Generic Object Oriented SubstationEvent)，是IEC 61850标准中用于满足智能变电站自动化系统快速报文需求的一种机制，可用于传输变电站开入/开出信息和实时性要求不高的模拟量；SMV即采样测量值(SampledMeasured Value)，是一种用于实时传输数字采样信息的通信服务，采样为周期采样，要求保证传输的实时性与快速性；MMS即制造报文规范(Manufacturing MessageSpecification)，规范了变电站中智能传感器、智能电子设备和智能控制设备的通信行为，使出自不同制造商的设备之间具有互操作性。

本发明提供的基于SDN的智能变电站通信网络描述模型的通信流程包括以下步骤：

第一，各子变电站向的SDN交换机上报运行状态信息；若与之相连的SDN交换机中有与子站所产生信息相匹配的流表项则执行，流表项匹配域包括输入端口、目的地址、源地址、以太网类型、VlanID、源IP、目的IP、目的端口；

第二，当智能变电站通信网络中的报文经过解析到达SDN交换机后，若交换机中的流表为空或无与之匹配的流表项，则将报文交给SDN控制器进行处理，SDN控制器根据数据报文解析结果来设置流表，当报文满足从特定端口输入时，若目的MAC地址的范围为0x010CCD010000到0x010CCD0101FF之间且以太网类型满足0X88B8时则该报文为GOOSE报文，因GOOSE报文实时性要求较高，设置输入端口ingress port＝1、VLAN priority＝2，源MAC地址src_MAC，目的MAC地址dst_MAC，根据数据包的转发动作来设置流表的action，以及执行action的转发端口output＝2；如果报文从特定端口输入，若目的MAC地址的范围为010CCD040000到010CCD0401FF之间，且以太网类型满足088BA时经判断该报文为SV报文，设置流表的ingress port＝2、VLAN priority＝2，源MAC地址src_MAC，目的MAC地址dst_MAC，设置流表的action，以及执行action的转发端口output＝2；

第三，通过组表项标识符将流表项与组表项联系起来，完成流表项到组表项的映射关系，实现多播帧的转发，此时报文发送顺序为group mod报文到barrier request报文再到flow mod报文，这样能保证当SDN交换机匹配报文时，其关联的组表项在交换机上已经存在；若已存在的流表项中存在与数据报文相对应的流表项时则匹配成功，并根据动作指令进行数据包的转发，否则，SDN交换机将数据报文转发到SDN控制器，由SDN控制器对数据报文进行处理并决定转发动作并向二次设备发送动作信息；

第四，二次设备完成动作后向，与SDN交换机直接相连的控制器负责控制资源管理器申请网络服务，如local controller负责本区域内的数据的快速转发，localcontroller的上层为一个root controller，负责维护整个网络的状态变化，并进行全局控制，local controller和root controller都可根据应用需求选择不同的控制器类型；

第五，SDN控制器将相应二次设备的动作命令发送给涉及到的SDN应用，SDN应用与终端服务器交互通信数据，终端服务器建立用户身份标识与SDN交换机的位置标识的对应关系并存储在用户的映射流表中，然后经SDN控制器将用户的映射流表下发给SDN交换机，将控制信息通过用户接口发送到终端设备，完成各项业务操作，SDN交换机更新自身维护的流表。

本发明提供的基于SDN的智能变电站通信网络描述模型具有集中控制和网络虚拟化两大特征：

1.集中控制：逻辑上集中的控制能够支持获得网络的全局信息并根据业务需求进行资源的全局调配和优化，使得整个通信网络中所要转发的报文信息(如GOOSE报文、SMV报文和MMS报文等)通过控制器集中收发，而不再是传统网络中各终端设备单独接收；

2.网络虚拟化：通过南向接口的统一和开放，屏蔽了底层物理转发设备的差异，实现了底层网络对上层应用的透明化，各业务系统逻辑网络可以根据业务需要进行配置、迁移，同时，底层网络还支持多用户共享，支持不同用户的网络定制需求。

本发明针对智能变电站业务部署中可能出现传输延迟和网络拥堵问题，系统将触发网络故障事件，SDN控制器通过查询变电站运行状态信息重新配置网络资源，实现网络故障的快速定位与恢复。在智能变电站通信网中采用SDN架构不仅可提升通信网络的业务性能、安全性、可靠性以及资源利用率，同时增强了网络的可维护性和可扩展性，最终在保证变电站业务质量的前提下，使网络资源共享效率得到有效提高。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。