基于sdn的面向iec 61850通信的動態(tài)帶寬分配方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于SDN的面向IEC 61850通信的動態(tài)帶寬分配方法，包括步驟1：基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)對SDN控制器進(jìn)行分層次建模；步驟2：將SDN控制器中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)映射為ACSI服務(wù)；步驟3：構(gòu)建基于IEC 61850的變電站IED的通信協(xié)議棧結(jié)構(gòu)、IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的SDN控制器以及OpenFlow的交換機(jī)；步驟4：SDN控制器通過網(wǎng)絡(luò)控制基礎(chǔ)設(shè)施為變電站IED分配相應(yīng)的帶寬，并監(jiān)控帶寬分配情況。本發(fā)明彌補(bǔ)了智能電網(wǎng)自動化管理系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)感知功能上的缺陷，為帶有不同優(yōu)先級的流量實(shí)時(shí)動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)帶寬資源保證了變電站端到端通信過程中的最佳交付性能。
【專利說明】
基于SDN的面向I EC 61850通信的動態(tài)帶寬分配方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于SDN的面向IEC 61850通信的動態(tài)帶寬分配方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]近年來，低碳節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為社會關(guān)注的熱點(diǎn)問題，也是國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具體實(shí)施的重要組成部分。智能電網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用場景，旨在通過利用最先進(jìn)的信息與通信技術(shù)為電力系統(tǒng)管理和終端用戶提供雙向交互的智能化服務(wù)，它已經(jīng)成為電網(wǎng)技術(shù)未來發(fā)展的主流趨勢。從電能的產(chǎn)生到傳輸，再被用戶使用，智能電網(wǎng)將主要監(jiān)控電能生命周期的七個(gè)重要環(huán)節(jié):1)發(fā)電，2)變電與傳輸，3)配電與儲電，4)消費(fèi)者，5)市場，6)管理者，7)服務(wù)提供商。隨著計(jì)算機(jī)、嵌入式等技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的逐步滲透，大量的用于細(xì)粒度多維度的監(jiān)控電力基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)的IED(Intelligence Electric Devices，智能電子設(shè)備)在變電站中得以部署。為增強(qiáng)IED之間的互連、互通和互操作，國際電工委員會針對變電站的功能架構(gòu)、設(shè)備部署、抽象建模、數(shù)據(jù)規(guī)整和通信服務(wù)制定了 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)。ACSI (Abstract Communicat1n Service Interfaces，抽象通訊服務(wù)接口)是實(shí)現(xiàn)IEC 61850 (變電站自動化通信)標(biāo)準(zhǔn)的核心，它統(tǒng)一描述了 IED的數(shù)據(jù)模型、邏輯模型和管理配置方法。基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站主要提供MMS(Manufacturing Message Specificat1n， 制造業(yè)報(bào)文規(guī)范)、G00SE(Generic Object Oriented Substat1n Events，面向通用對象的變電站事件)和SAV(Sample Value，采樣值通信)三種ACSI服務(wù)。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)使變電站功能結(jié)構(gòu)層次化更清晰，間隔層、過程層設(shè)備的配置與管理更靈活。此外，變電站網(wǎng)絡(luò)部署的可擴(kuò)展性也得以顯著提高。
[0003]隨著變電站網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的多樣化，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施配置與管理的復(fù)雜程度急劇增加。為對基于IEC 61850通信的智能變電站的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)施監(jiān)控，并提高網(wǎng)絡(luò)配置的靈活性、可控性和可擴(kuò)展性，在以往的研究中曾提出基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)對工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行建模，以統(tǒng)一監(jiān)控和配置變電站的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，進(jìn)一步完善變電站自動化管理。帶寬分配是通信網(wǎng)絡(luò)中最常見的問題之一，主要分為固定帶寬分配和動態(tài)帶寬分配兩種。其中動態(tài)帶寬分配實(shí)際上是指自動增加或減少信道帶寬而不中斷連接來最優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)帶寬性能的過程。由于智能電網(wǎng)對通信實(shí)時(shí)性、高效性的要求，動態(tài)帶寬分配是其亟需解決的問題。
[0004]另一方面，軟件定義網(wǎng)絡(luò)其核心技術(shù)OpenFlow(軟件定義網(wǎng)絡(luò)中唯一通過標(biāo)準(zhǔn)化的南向接口協(xié)議)通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面分離開來，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，使網(wǎng)絡(luò)傳輸控制變得更加智能。目前，已經(jīng)有相關(guān)研究工作把SDN(Software Defined Networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò))引入智能電網(wǎng)。如軟件定義能源通信網(wǎng)絡(luò)(SDECN)是軟件定義網(wǎng)絡(luò)和電網(wǎng)技術(shù)融合的產(chǎn)物，它利用SDN/OpenFlow技術(shù)對通信網(wǎng)絡(luò)中不同類型的數(shù)據(jù)流進(jìn)行管控，并向用戶提供數(shù)據(jù)多路徑轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，從而提高了包括基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站過程層網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的各子網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)性能指標(biāo)(如網(wǎng)絡(luò)延遲，帶寬利用率等hSDN為解決基于IEC 61850通信的變電站網(wǎng)絡(luò)中動態(tài)帶寬問題提供了一種全新的思路。但是，如果單純的在變電站過程層和間隔層部署SDN/OpenFlow網(wǎng)絡(luò)而不具體結(jié)合變電站通信用戶需求做定制化的解決方案，SDN/OpenFlow對變電站網(wǎng)絡(luò)性能各項(xiàng)指標(biāo)的改善將十分有限。因此，如何基于SDN來設(shè)計(jì)智能電網(wǎng)的動態(tài)帶寬分配方法依然有待解決。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于SDN的面向IEC 61850通信的動態(tài)帶寬分配方法。
[0006]根據(jù)本發(fā)明提供的基于SDN的面向IEC 61850通信的動態(tài)帶寬分配方法，包括如下步驟:
[0007]步驟1:基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)對SDN控制器進(jìn)行分層次建模，并為SDN控制器配置相應(yīng)的SCD文件；
[0008]步驟2:將SDN控制器中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)映射為ACSI服務(wù)，并將ACSI服務(wù)提供給變電站中的應(yīng)用；
[0009]步驟3:構(gòu)建基于IEC 61850的變電站IED的通信協(xié)議棧結(jié)構(gòu)、IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的SDN 控制器以及OpenFlow的交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)變電站應(yīng)用和基礎(chǔ)設(shè)施之間的數(shù)據(jù)通信；[0〇1〇] 步驟4: SDN控制器通過網(wǎng)絡(luò)控制基礎(chǔ)設(shè)施為變電站IED分配相應(yīng)的帶寬，并通過審計(jì)帶寬分配日志來監(jiān)控帶寬分配情況。
[0011]優(yōu)選地，還包括預(yù)處理步驟:對多個(gè)變電站的IED配置相應(yīng)的SCD文件，以實(shí)現(xiàn)與 SDN控制器的互聯(lián)。
[0012]優(yōu)選地，步驟1中的SDN控制器進(jìn)行分層次建模得到的分層模型包括:服務(wù)應(yīng)用層、 邏輯設(shè)備層、邏輯節(jié)點(diǎn)層、數(shù)據(jù)對象層、數(shù)據(jù)屬性層以及數(shù)據(jù)集層；
[0013]服務(wù)應(yīng)用層將SDN控制器原有的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)為邏輯上的服務(wù)器，用于表征SDN控制器的全部網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，且所述網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支持分布式部署方式，其中SDN控制器還能夠?qū)釉贫颂摂M應(yīng)用服務(wù)器以支持智能電網(wǎng)環(huán)境下大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求；[〇〇14]邏輯設(shè)備層包含三類關(guān)系操作符，分別為覆蓋、并列和包含;其中，覆蓋是指任意一個(gè)邏輯設(shè)備的多項(xiàng)功能能夠重寫；并列是指同一服務(wù)器下異構(gòu)的邏輯設(shè)備能夠并存;包含是指不同邏輯設(shè)備能夠配置高低不同的管理權(quán)限；
[0015]邏輯節(jié)點(diǎn)層包括:節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)上的流表、鏈表、數(shù)據(jù)流和網(wǎng)絡(luò)日志，其中，節(jié)點(diǎn)是指變電站的多個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施；
[0016]數(shù)據(jù)對象層包括:網(wǎng)絡(luò)性能、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、服務(wù)、數(shù)據(jù)流以及流表信息；其中，網(wǎng)絡(luò)性能是由吞吐量和網(wǎng)絡(luò)延遲衡量，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由地理空間坐標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)IP地址或mac地址組成，月艮務(wù)由協(xié)議類型和服務(wù)級別來標(biāo)識，數(shù)據(jù)流用優(yōu)先級、包長短以及端口號進(jìn)行區(qū)分，流表的數(shù)據(jù)對象則由生存時(shí)間體現(xiàn)；[〇〇17]數(shù)據(jù)屬性層，用于對描述帶寬、生命周期以及數(shù)據(jù)包進(jìn)行表征，其中對帶寬描述所用的單位為Mps/sec，對生命周期描述所用的單位為ms/us，對數(shù)據(jù)包描述所用的單位為字節(jié)byte;
[0018]數(shù)據(jù)集層，用于客戶端和服務(wù)器之間的信息交換，所述信息包括:網(wǎng)絡(luò)日志、 G00SE、電壓/電流值、同步時(shí)間、通信模式，其中數(shù)據(jù)集層支持廣播、單播、多播的通信模式。
[0019]優(yōu)選地，所述步驟3中變電站應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施之間的數(shù)據(jù)通信所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括:
[0020]1)通過MMS在站控層和間隔層之間傳輸?shù)谋Ｗo(hù)信息和控制信息；[0021 ]2)通過GOOSE傳遞的涉及變電站安全與穩(wěn)定的狀態(tài)信息或事件信息；
[0022]3)通過采樣值報(bào)文傳遞的采樣值信息，[〇〇23]4) IEC 1588標(biāo)準(zhǔn)定義的精確時(shí)間同步信息；[〇〇24] 5)SNMP搜集的設(shè)備管理信息。[〇〇25] 優(yōu)選地，所述步驟4包括:變電站IED之間能夠通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，當(dāng)變電站IED 向SDN控制器發(fā)送帶寬需求時(shí)，基于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中鏈路的吞吐量所述SDN控制器通過網(wǎng)絡(luò)控制底層基礎(chǔ)設(shè)施為每個(gè)請求分配相應(yīng)的帶寬。[〇〇26]優(yōu)選地，基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的SDN控制器是松耦合的，所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過 OpenFlow協(xié)議與SDN控制器進(jìn)行互聯(lián)，并在SDN控制器中完成負(fù)載均衡，QoS服務(wù)，故障轉(zhuǎn)移； 當(dāng)變電站中的基礎(chǔ)設(shè)施需要向另一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，交換機(jī)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為變電站應(yīng)用選擇鏈路并實(shí)時(shí)的為鏈路配置相應(yīng)的帶寬。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:[〇〇28]1、基于SDN的動態(tài)帶寬分配整合為IEC61850標(biāo)準(zhǔn)定義的ACSI服務(wù)，彌補(bǔ)了智能電網(wǎng)自動化管理系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)感知功能上的缺陷，為帶有不同優(yōu)先級的流量實(shí)時(shí)動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)帶寬資源保證了變電站端到端通信過程中的最佳交付性能。
[0029]2、本發(fā)明中所提出的基于SDN的動態(tài)帶寬分配方法在對流量進(jìn)行更細(xì)粒度的分類后，根據(jù)各流量的不同需求以及實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，通過可編程接口實(shí)時(shí)、自動的為鏈路配置帶寬;和傳統(tǒng)的固定帶寬分配方案相比，網(wǎng)絡(luò)中某一交換機(jī)端口的吞吐量更大。
[0030]3、本發(fā)明的平均帶寬利用率可以提高到90%以上，同時(shí)，本發(fā)明提出的動態(tài)帶寬分配方案中鏈路帶寬變動頻繁但波動范圍小，在一定程度上增加了電網(wǎng)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)而增強(qiáng)了電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全?！靖綀D說明】
[0031]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯:
[0032]圖1為融合SDN和IEC61850的變電站通信模型示意圖；[〇〇33]圖2為基于IEC61850的SDN控制器的分級數(shù)據(jù)模型示意圖；[〇〇34]圖3為基于IEC61850的基站網(wǎng)絡(luò)感知通信架構(gòu)示意圖；
[0035]圖4為帶寬分配機(jī)制的系統(tǒng)架構(gòu)示意圖；[〇〇36]圖5為交換機(jī)吞吐量對比示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0038]根據(jù)基于SDN的面向IEC 61850通信的動態(tài)帶寬分配方法，包括如下步驟:[〇〇39] 步驟1:基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)對SDN控制器進(jìn)行分層次建模，并為SDN控制器配置相應(yīng)的SCD文件；
[0040]步驟2:將SDN控制器中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)映射為ACSI服務(wù)，并將ACSI服務(wù)提供給變電站中的應(yīng)用；[0041 ] 步驟3:構(gòu)建基于IEC 61850的變電站IED的通信協(xié)議棧結(jié)構(gòu)、IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的SDN 控制器以及OpenFlow的交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)變電站應(yīng)用和基礎(chǔ)設(shè)施之間的數(shù)據(jù)通信；[〇〇42] 步驟4: SDN控制器通過網(wǎng)絡(luò)控制基礎(chǔ)設(shè)施為變電站IED分配相應(yīng)的帶寬，并通過審計(jì)帶寬分配日志來監(jiān)控帶寬分配情況。[〇〇43] 還包括預(yù)處理步驟:對多個(gè)變電站的IED配置相應(yīng)的SCD文件，以實(shí)現(xiàn)與SDN控制器的互聯(lián)。
[0044]步驟1中的SDN控制器分層模型包括:服務(wù)應(yīng)用層、邏輯設(shè)備層、邏輯節(jié)點(diǎn)層、數(shù)據(jù)對象層、數(shù)據(jù)屬性層以及數(shù)據(jù)集層；[〇〇45]服務(wù)應(yīng)用層將SDN控制器原有的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)為邏輯上的服務(wù)器，用于表征SDN控制器的全部網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，且所述網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支持分布式部署方式，其中SDN控制器還能夠?qū)釉贫颂摂M應(yīng)用服務(wù)器以支持智能電網(wǎng)環(huán)境下大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求；
[0046]邏輯設(shè)備層包含三類關(guān)系操作符，分別為覆蓋、并列和包含;其中，覆蓋是指任意一個(gè)邏輯設(shè)備的多項(xiàng)功能能夠重寫；并列是指同一服務(wù)器下異構(gòu)的邏輯設(shè)備能夠并存;包含是指不同邏輯設(shè)備能夠配置高低不同的管理權(quán)限；
[0047]邏輯節(jié)點(diǎn)層包括:節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)上的流表、鏈表、數(shù)據(jù)流和網(wǎng)絡(luò)日志，其中，節(jié)點(diǎn)是指變電站的多個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施；
[0048]數(shù)據(jù)對象層包括:網(wǎng)絡(luò)性能、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、服務(wù)、數(shù)據(jù)流以及流表信息；其中，網(wǎng)絡(luò)性能是由吞吐量和網(wǎng)絡(luò)延遲衡量，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由地理空間坐標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)IP地址或mac地址組成，月艮務(wù)由協(xié)議類型和服務(wù)級別來標(biāo)識，數(shù)據(jù)流用優(yōu)先級、包長短以及端口號進(jìn)行區(qū)分，流表的數(shù)據(jù)對象則由生存時(shí)間體現(xiàn)；
[0049]數(shù)據(jù)屬性層，用于對描述帶寬、生命周期以及數(shù)據(jù)包進(jìn)行表征，其中對帶寬描述所用的單位為Mps/sec，對生命周期描述所用的單位為ms/us，對數(shù)據(jù)包描述所用的單位為字節(jié)byte;
[0050]數(shù)據(jù)集層，用于客戶端和服務(wù)器之間的信息交換，所述信息包括:網(wǎng)絡(luò)日志、 G00SE，電壓/電流值，同步時(shí)間，通信模式，其中數(shù)據(jù)集層支持廣播、單播、多播的通信模式。
[0051]所述步驟3中變電站應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施之間的數(shù)據(jù)通信所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括:
[0052]1)通過MMS在站控層和間隔層之間傳輸?shù)谋Ｗo(hù)信息和控制信息；[〇〇53]2)通過GOOSE傳遞的涉及變電站安全與穩(wěn)定的狀態(tài)信息或事件信息；
[0054]3)通過采樣值報(bào)文傳遞的采樣值信息，[〇〇55] 4)IEC 1588標(biāo)準(zhǔn)定義的精確時(shí)間同步信息；[〇〇56] 5)SNMP搜集的設(shè)備管理信息。[〇〇57] 所述步驟4包括:變電站IED之間能夠通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，當(dāng)變電站IED向SDN控制器發(fā)送帶寬需求時(shí)，基于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中鏈路的吞吐量所述SDN控制器通過網(wǎng)絡(luò)控制底層基礎(chǔ)設(shè)施為每個(gè)請求分配相應(yīng)的帶寬，其中變電站IED還能夠通過審計(jì)帶寬分配日志來監(jiān)控帶寬分配。
[0058]基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的SDN控制器是松耦合的，所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過OpenFlow協(xié)議與SDN控制器進(jìn)行互聯(lián)，并在SDN控制器中完成負(fù)載均衡，QoS服務(wù)，故障轉(zhuǎn)移；當(dāng)變電站中的基礎(chǔ)設(shè)施需要向另一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，交換機(jī)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為變電站應(yīng)用選擇鏈路并實(shí)時(shí)的為鏈路配置相應(yīng)的帶寬。
[0059]具體地，如圖1所示，本發(fā)明根據(jù)變電站的需求特征設(shè)計(jì)了一個(gè)深度融合SDN網(wǎng)絡(luò)和基于IEC 61850的變電站自動化系統(tǒng)的具體方案，使變電站應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)之間實(shí)現(xiàn)了互操作。所設(shè)計(jì)的SDN控制器建立在IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)之上，SDN控制器中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(如拓?fù)洹?鏈路發(fā)現(xiàn)和設(shè)備管理等)被映射為ACSI服務(wù)，然后通過RESTful API靈活的提供給變電站的各類應(yīng)用?；贗EC 61850標(biāo)準(zhǔn)對SDN控制器建模以及將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)向ACSI服務(wù)映射過程中所包含的幾個(gè)必要的步驟有:
[0060]分層建模:基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)對SDN控制器的各類功能進(jìn)行分層次的建模；[〇〇611配置描述:變電站IEDs均需配置合適的SCD文件才能完成IEDs的功能，基于IEC 61850建模的SDN控制器也將配置S⑶文件；[〇〇62]抽象服務(wù)映射:它將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)映射為ACSI服務(wù)。事實(shí)上，隨著S0A架構(gòu)的發(fā)展，REST API已經(jīng)成為開發(fā)者連接應(yīng)用和服務(wù)的流行模式。本發(fā)明采用RESTAPI對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和變電站 ACSI服務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一；[〇〇63]接口管理:接口管理保證了本發(fā)明所設(shè)計(jì)方案的安全性和高效性，只有被認(rèn)證的變電站應(yīng)用才可以訪問被授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；[〇〇64]該方案的核心在于:一是基于IEC 61850對SDN控制器建模，二是映射網(wǎng)絡(luò)動態(tài)帶寬分配策略為ACSI服務(wù)，并根據(jù)REST原則進(jìn)行統(tǒng)一。所設(shè)計(jì)的SDN控制器可以被看做一個(gè)新型的IH)設(shè)備，其功能在于監(jiān)控變電站網(wǎng)絡(luò)，并為變電站IED設(shè)備按需提供網(wǎng)絡(luò)資源配置。 [〇〇65]基于IEC 61850的通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型通常包括服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)對象、數(shù)據(jù)屬性和數(shù)據(jù)集。基于IEC 61850的SDN控制器的分層結(jié)構(gòu)如圖2所示。[〇〇66] 服務(wù)器:SDN原有的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用被設(shè)計(jì)成邏輯上的服務(wù)器，它描述了 SDN控制器所能完成的所有網(wǎng)絡(luò)功能。與傳統(tǒng)變電站中只包含幾個(gè)邏輯服務(wù)器的小型IH)不同，本發(fā)明所提出的方案允許SDN控制器對接云端虛擬應(yīng)用服務(wù)器以支持智能電網(wǎng)環(huán)境下大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求。同時(shí)，這些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用也支持分布式部署。[〇〇67] 邏輯設(shè)備:SDN控制面的網(wǎng)絡(luò)功能(如OpenFlow驅(qū)動程序，服務(wù)抽象層和服務(wù)編排) 被設(shè)計(jì)為邏輯設(shè)備，它包含三類關(guān)系操作符，分別為覆蓋、并列和包含。覆蓋是指任意一個(gè)邏輯設(shè)備的各項(xiàng)功能可重寫;并列代表同一服務(wù)器下異構(gòu)的邏輯設(shè)備可并存;包含表示不同邏輯設(shè)備可配置高低不同的管理權(quán)限。OpenFlow是目前最流行的SDN南向接口協(xié)議;服務(wù)抽象層通過YANG模型對底層基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)施虛擬抽象建模；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)包括拓?fù)浞?wù)、拓?fù)涔芾?、設(shè)備管理、鏈路發(fā)現(xiàn)和流量統(tǒng)計(jì)等。
[0068]邏輯節(jié)點(diǎn):所有底層基礎(chǔ)設(shè)施(包括網(wǎng)絡(luò)和電力系統(tǒng))被規(guī)范化為邏輯節(jié)點(diǎn)，它包括設(shè)備節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)上的流表、鏈表、數(shù)據(jù)流和網(wǎng)絡(luò)日志等。對于部分帶有高動態(tài)性的邏輯節(jié)點(diǎn)需要提供更細(xì)粒度的抽象描述。此外，一個(gè)邏輯設(shè)備可能包含很多不同的邏輯節(jié)點(diǎn)，一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)也可能同時(shí)為多個(gè)邏輯設(shè)備服務(wù)。[〇〇69]數(shù)據(jù)對象:網(wǎng)絡(luò)性能是由吞吐量和網(wǎng)絡(luò)延遲衡量，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由地理空間坐標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)IP地址或mac地址組成，服務(wù)由協(xié)議類型和服務(wù)級別來標(biāo)識，數(shù)據(jù)流用優(yōu)先級、包長短和端口號等區(qū)分，而流表的數(shù)據(jù)對象則由生存時(shí)間體現(xiàn)。
[0070]數(shù)據(jù)屬性:對帶寬描述所用的Mps/sec，對生命周期描述所用的ms/us，對數(shù)據(jù)包描述所用的字節(jié)byte。
[0071]數(shù)據(jù)集:在客戶端和服務(wù)器之間需要頻繁交換的信息被設(shè)置為數(shù)據(jù)集，如網(wǎng)絡(luò)日志、G00SE，電壓/電流值，同步時(shí)間，通信模式等。數(shù)據(jù)集支持廣播、單播、多播的通信模式。
[0072]IEC61850-7-2所描述的ASCI服務(wù)使用戶終端監(jiān)控變電站的邏輯模型，搜集、分析數(shù)據(jù)，訪問數(shù)據(jù)集和日志更便捷。設(shè)計(jì)基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的SDN控制器是為了增強(qiáng)變電站的網(wǎng)絡(luò)感知能力。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本發(fā)明提出的方法可以將對SDN控制器分層建模的邏輯模型映射為ACSI服務(wù)，這些ACSI服務(wù)通過REST API以web服務(wù)的方式提供給上層應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用等均被設(shè)計(jì)為邏輯節(jié)點(diǎn)或邏輯設(shè)備，從而能夠被基于IEC 61850的電力自動化系統(tǒng)高效訪問。訪問格式如下:
[0073]http://ControlIer name/Applicat1n name/Logical Device ID/LogicalNode name/Data Object name/Data Attribute/value or ID.
[0074]在變電站網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要可以分為五類:1)通過MMS在站控層和間隔層之間傳輸?shù)谋Ｗo(hù)信息和控制信息；2)通過G00SE傳遞的涉及變電站安全與穩(wěn)定的狀態(tài)信息或事件?目息；3)通過米樣值報(bào)文傳遞的米樣值彳目息，4) IEC 1588標(biāo)準(zhǔn)定義的精確時(shí)間同步{目息;5)SNMP搜集的設(shè)備管理信息。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中定義了 ACSI接口和SCSM，從而將ACSI服務(wù)與底層通信協(xié)議分離。
[0075]所實(shí)現(xiàn)的基于IEC 61850的變電站IED的通信協(xié)議棧結(jié)構(gòu)以及基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)建模的SDN控制器和OpenFlow交換機(jī)模型如圖3所示。
[0076]本發(fā)明通過基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的SDN控制器，使變電站應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施之間實(shí)現(xiàn)了互操作?；贗EC 61850標(biāo)準(zhǔn)的SDN控制器是松耦合的，所有的網(wǎng)絡(luò)元素都是通過OpenFlow協(xié)議與之連接，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和一些其他的服務(wù)(如負(fù)載均衡，QoS服務(wù)，故障轉(zhuǎn)移等)都在控制器中集中實(shí)現(xiàn)。當(dāng)變電站中的基礎(chǔ)設(shè)施需要向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它將首先通過本發(fā)明所提出的方案感知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為電網(wǎng)應(yīng)用選擇合適的鏈路并實(shí)時(shí)的為鏈路配置適當(dāng)?shù)膸?。交換機(jī)要執(zhí)行的動作指令是通過流表下發(fā)的，流表中的指令決定了流量將被如何轉(zhuǎn)發(fā)。
[0077]IEC 61850使分別帶有保護(hù)、控制和測量等功能的IED之間能夠通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。本發(fā)明的目的是使IED和SDN網(wǎng)絡(luò)控制器實(shí)現(xiàn)互操作，所設(shè)計(jì)方案的工作流程如圖4所示。IED發(fā)送它們的帶寬需求給SDN控制器，帶寬管理可以實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中鏈路的吞吐量。SDN控制器通過網(wǎng)絡(luò)控制底層基礎(chǔ)設(shè)施為每個(gè)請求分配適當(dāng)?shù)膸挘鳬ED可以通過審計(jì)帶寬分配日志來監(jiān)控帶寬分配，從而形成一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)。
[0078]考慮到電網(wǎng)安全的特殊性，變電站通信網(wǎng)絡(luò)對實(shí)時(shí)的要求是十分嚴(yán)格的，因此，通信鏈路的傳輸處理的延遲時(shí)間是很重要的一個(gè)參考因素。此外，流量的異常波動會影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定性，危及到用戶用電安全?；贗EC 61850標(biāo)準(zhǔn)對變電站工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)逐一實(shí)施建模的工作量繁雜且龐大，可行性有待驗(yàn)證，而且單純的在變電站過程層和間隔層部署SDN/OpenFlow網(wǎng)絡(luò)而不具體結(jié)合變電站通信用戶需求使部署SDN網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)性能各項(xiàng)指標(biāo)的改善程度受限。
[0079]本發(fā)明將基于SDN的動態(tài)帶寬分配整合為IEC61850標(biāo)準(zhǔn)定義的ACSI服務(wù)，彌補(bǔ)了智能電網(wǎng)自動化管理系統(tǒng)在“網(wǎng)絡(luò)感知”功能上的缺陷，為帶有不同優(yōu)先級的流量實(shí)時(shí)動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)帶寬資源保證了變電站端到端通信過程中的最佳交付性能。本發(fā)明中所提出的基于SDN的動態(tài)帶寬分配方法在對流量進(jìn)行更細(xì)粒度的分類后，根據(jù)各流量的不同需求以及實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，通過可編程接口實(shí)時(shí)、自動的為鏈路配置帶寬。和傳統(tǒng)的固定帶寬分配方案相比，網(wǎng)絡(luò)中某一交換機(jī)端口的吞吐量測試結(jié)果如圖5所示。本發(fā)明的平均帶寬利用率可以提高到90%以上，同時(shí)，本發(fā)明提出的動態(tài)帶寬分配方案中鏈路帶寬變動頻繁但波動范圍小，在一定程度上增加了電網(wǎng)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)而增強(qiáng)了電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全。
[0080]以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請的實(shí)施例和實(shí)施例中的特征可以任意相互組合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于SDN的面向IEC 61850通信的動態(tài)帶寬分配方法，其特征在于，包括如下步 驟:步驟1:基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)對SDN控制器進(jìn)行分層次建模，并為SDN控制器配置相應(yīng)的 SCD文件；步驟2:將SDN控制器中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)映射為ACSI服務(wù)，并將ACSI服務(wù)提供給變電站中的 應(yīng)用；步驟3:構(gòu)建基于IEC 61850的變電站IED的通信協(xié)議棧結(jié)構(gòu)、IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的SDN控制 器以及OpenFlow的交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)變電站應(yīng)用和基礎(chǔ)設(shè)施之間的數(shù)據(jù)通信；步驟4: SDN控制器通過網(wǎng)絡(luò)控制基礎(chǔ)設(shè)施為變電站IED分配相應(yīng)的帶寬，并通過審計(jì)帶 寬分配日志來監(jiān)控帶寬分配情況。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SDN的面向IEC 61850通信的動態(tài)帶寬分配方法，其特征 在于，還包括預(yù)處理步驟:對多個(gè)變電站的IED配置相應(yīng)的SCD文件，以實(shí)現(xiàn)與SDN控制器的互聯(lián)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SDN的面向IEC 61850通信的動態(tài)帶寬分配方法，其特征 在于，步驟1中的SDN控制器進(jìn)行分層次建模得到的分層模型包括:服務(wù)應(yīng)用層、邏輯設(shè)備 層、邏輯節(jié)點(diǎn)層、數(shù)據(jù)對象層、數(shù)據(jù)屬性層以及數(shù)據(jù)集層；服務(wù)應(yīng)用層將SDN控制器原有的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)為邏輯上的服務(wù)器，用于表征SDN控制器 的全部網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，且所述網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支持分布式部署方式，其中SDN控制器還能夠?qū)釉贫颂?擬應(yīng)用服務(wù)器以支持智能電網(wǎng)環(huán)境下大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求；邏輯設(shè)備層包含三類關(guān)系操作符，分別為覆蓋、并列和包含;其中，覆蓋是指任意一個(gè) 邏輯設(shè)備的多項(xiàng)功能能夠重寫;并列是指同一服務(wù)器下異構(gòu)的邏輯設(shè)備能夠并存;包含是 指不同邏輯設(shè)備能夠配置高低不同的管理權(quán)限；邏輯節(jié)點(diǎn)層包括:節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)上的流表、鏈表、數(shù)據(jù)流和網(wǎng)絡(luò)日志，其中，節(jié)點(diǎn)是指變 電站的多個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施；數(shù)據(jù)對象層包括:網(wǎng)絡(luò)性能、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、服務(wù)、數(shù)據(jù)流以及流表信息；其中，網(wǎng)絡(luò)性能是 由吞吐量和網(wǎng)絡(luò)延遲衡量，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由地理空間坐標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)IP地址或mac地址組成，服務(wù)由 協(xié)議類型和服務(wù)級別來標(biāo)識，數(shù)據(jù)流用優(yōu)先級、包長短以及端口號進(jìn)行區(qū)分，流表的數(shù)據(jù)對 象則由生存時(shí)間體現(xiàn)；數(shù)據(jù)屬性層，用于對描述帶寬、生命周期以及數(shù)據(jù)包進(jìn)行表征，其中對帶寬描述所用的 單位為Mps/sec，對生命周期描述所用的單位為ms/us，對數(shù)據(jù)包描述所用的單位為字節(jié) byte；數(shù)據(jù)集層，用于客戶端和服務(wù)器之間的信息交換，所述信息包括:網(wǎng)絡(luò)日志、GOOSE、電 壓/電流值、同步時(shí)間、通信模式，其中數(shù)據(jù)集層支持廣播、單播、多播的通信模式。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SDN的面向IEC 61850通信的動態(tài)帶寬分配方法，其特征 在于，所述步驟3中變電站應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施之間的數(shù)據(jù)通信所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括:1)通過MMS在站控層和間隔層之間傳輸?shù)谋Ｗo(hù)信息和控制信息；2)通過GOOSE傳遞的涉及變電站安全與穩(wěn)定的狀態(tài)信息或事件信息；3)通過采樣值報(bào)文傳遞的采樣值信息，4)IEC 1588標(biāo)準(zhǔn)定義的精確時(shí)間同步信息；5) SNMP搜集的設(shè)備管理信息。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SDN的面向IEC 61850通信的動態(tài)帶寬分配方法，其特征 在于，所述步驟4包括:變電站IED之間能夠通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，當(dāng)變電站IED向SDN控制器 發(fā)送帶寬需求時(shí)，基于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中鏈路的吞吐量所述SDN控制器通過網(wǎng)絡(luò)控制底層基礎(chǔ)設(shè) 施為每個(gè)請求分配相應(yīng)的帶寬。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SDN的面向IEC 61850通信的動態(tài)帶寬分配方法，其特征 在于，基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的SDN控制器是松耦合的，所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過OpenFlow協(xié)議與 SDN控制器進(jìn)行互聯(lián)，并在SDN控制器中完成負(fù)載均衡，QoS服務(wù)，故障轉(zhuǎn)移；當(dāng)變電站中的基 礎(chǔ)設(shè)施需要向另一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，交換機(jī)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為變電站應(yīng)用選擇鏈路并 實(shí)時(shí)的為鏈路配置相應(yīng)的帶寬。
【文檔編號】H04L12/923GK106027421SQ201610317067
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月12日
【發(fā)明人】伍軍, 李高磊, 黃麗娜, 李建華, 郭龍華, 陳璐藝, 劉春梅, 郭小賢
【申請人】上海交通大學(xué), 上海鵬越驚虹信息技術(shù)發(fā)展有限公司, 上海鶴優(yōu)信息科技有限公司