CN106059918A - 一种基于sdn的能源互联网控制分层架构及调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于SDN的能源互联网控制分层架构及调度方法，属于通信网络和能源调度控制领域；能源互联网控制分层架构分为局域能源层和广域能源层；广域能源层的每个根控制器分别与至少一个局域能源层的节点控制器相连接。能源互联网调度方法如下：首先，将能源和信息网络状态初始化；然后，某个能源微网的实体发生能源短缺时，向节点控制器发送能源定额请求报文，节点控制器向所有其余实体发送能源余额查询报文，判断能源微网内部是否有实体响应，如果有，在能源微网内完成能源调度；否则，节点控制器上报根控制器，跨能源微网完成能源调度。优点在于：通过分层SDN控制，减轻了单一SDN控制器的负载，增强了网络的监管能力，扩大了监管范围。

Description

一种基于SDN的能源互联网控制分层架构及调度方法

技术领域

本发明属于通信网络和能源调度控制领域，涉及能源互联网控制架构，具体是一种基于SDN的能源互联网控制分层架构及调度方法。

背景技术

能源互联网是指：以信息通信技术为支撑，可有效容纳大规模分布式清洁能源，智能性、开放性广域能源互联的共享网络。能源互联网利用先进信息通信技术、电力电子技术和智能管理技术等，达到大范围内分布式发电设备、储能设备与负荷之间的协调，将能源生产模式由大规模集中式化石能源向分布式可再生能源进行转变。

能源互联网中出现的能源交易、需求管理等应用都需要一个强有力的通信网络体系进行支撑。一个稳定、高效、灵活、安全的通信网络体系可以促进能源互联网中能源电子商务、用户能源管控、用户用能行为分析等附加业务的发展。

在能源互联网中，能源网络的运行控制监控都需要稳健的信息通信网络的支持。能源互联网的稳定安全运行需要建立在信息传递通畅的基础上。传统的电网中能源与信息流相对独立，不能充分利用能源与信息高度相关性，存在着信息冗余和能量浪费。能源互联网中能源控制的一体化可以使能源和控制高度融合，满足能源互联网业务对信息传递的需求。

软件定义网络具有数据层面和控制层面分离的特性，将网络设备的控制功能向上集中，数据层面专注于数据转发。软件定义网络灵活、可靠、安全。这些特性满足能源互联网对可扩展性、安全、兼容性的需求。软件定义网络控制层面和数据层面分离的策略对通信网络的扩展和升级十分有利。

现在智能电网以及能源互联网架构中，通信设备和电气设备都是分离的，并不能满足能源控制一体化的需求，且缺少能源控制一体化的调度方法和相应的控制设备。另一方面，SDN作为一个单纯的网络控制协议，目前并没有技术将其改造适用于能源互联网能源控制一体化场景。

发明内容

本发明为了使能源网络和通信网络更加适应能源互联网业务精细化、流量差异化的发展，增强网络的监管能力，扩大网络的监管范围，提出了一种基于SDN的能源互联网控制分层架构及调度方法；

所述基于SDN的能源互联网控制分层架构分为局域能源层和广域能源层；广域能源层由局域能源层承载。

局域能源层由N个能源微网组成，N为整数；每个能源微网包含一个节点控制器、两个发电装置、一个储能装置和一个智能用户群；

每个发电装置，储能装置和智能用户群各设置一个信息转发节点；每个能源微网的信息转发节点互相连通，共同连接一个信息汇聚转发节点；N个信息汇聚转发节点共同连接数据传输网；且所有能源微网包含的信息转发节点互相连通。

每个节点控制器均包括节点通信控制器与节点能源控制器，节点通信控制器包含节点SDN控制器；节点能源控制器包含交直流标准电气连接端口和电力电子固态模块；

节点能源控制器由能源物理链路分别连接发电装置、储能装置和智能用户群；节点通信控制器通过通信网络互联互通发电装置上的信息转发节点、储能装置上的信息转发节点，以及智能用户群上的信息转发节点；各信息转发节点根据节点SDN控制器下发的流表进行信息转发。

广域能源层包含全局数据中心和M个根控制器，M为整数；每个根控制器均包含根通信控制器与根能源控制器；根通信控制器包含根SDN控制器；根能源控制器包含交直流标准电气连接端口和电力电子固态模块；

广域能源层中所有的根通信控制器通过信息物理链路相连接；所有的根能源控制器由能源物理链路相连接；

广域能源层中的每个根控制器分别与局域能源层的至少一个能源微网中的节点控制器相连接；且根控制器中的根通信控制器与至少一个节点通信控制器通过信息物理链路相连接；根控制器中的根能源控制器与至少一个节点能源控制器通过能源物理链路相连接；

全局数据中心包含超大规模服务器集群、计算核心和存储单元，通过数据传输网分别与N个信息汇聚转发节点相连。

所述的基于SDN的能源互联网调度方法，具体步骤如下：

步骤一：将能源和信息网络状态初始化；

初始化具体为：节点通信控制器获取自身所在能源微网的通信网络拓扑，根通信控制器获取全局的通信网络拓扑，同时所有的能源接入端口处于关闭状态。

步骤二：针对某个能源微网A，当某个实体A1发生能源短缺时，向节点控制器发送能源定额请求报文，节点控制器向微网A的所有其余实体发送能源余额查询报文。

实体A1指能源微网A的某个发电装置，储能装置或智能用户群；

步骤三：节点控制器判断能源微网A内部是否有实体响应能源余额查询报文，如果有，进入步骤四，否则，进行步骤五。

步骤四、节点控制器在能源微网A内完成能源调度；

节点通信控制器查询响应能源余额查询报文的实体的物理地址，并通知节点能源控制器，节点能源控制器根据就近原则打开响应实体的能源接口，给请求实体A1进行能源传输，当能源传输达到定额时，能源调度结束。

步骤五：节点控制器上报根控制器，跨能源微网完成能源调度；

具体步骤为：

步骤501、能源微网A的内部没有实体响应能源余额查询报文，节点控制器继续向根控制器递交能源余额查询报文；

步骤502、根控制器将能源余额查询报文下发到与自身连接的所有节点控制器中；

步骤503、每个节点控制器分别在各自的能源微网中，判断是否有内部实体进行能源余额查询报文的响应，如果有，进入步骤504；否则，查询结束。

步骤504、内部响应实体将能源余额响应报文上交给各自的节点控制器，通过节点控制器逐级上交至根控制器中；

步骤505、根通信控制器查询各响应实体的物理地址，并通知根能源控制器，根能源控制器根据就近原则通知节点能源控制器，节点能源控制器打开响应实体的能源接口，进行能源传输；

步骤506、当响应实体为请求实体A1的能源传输达到定额时，能源调度结束。

本发明的优点在于：

(1)一种基于SDN的能源互联网控制分层架构，通过在能源互联网通信网络中引入分层SDN架构，通过分层SDN控制，不同层级的SDN控制器协同合作，在能源互联网带来的业务精细化、流量差异化等新形势下，减轻了单一SDN控制器的负载，增强了网络的监管能力，扩大了网络的监管范围。

(2)一种基于SDN的能源互联网调度方法，深度耦合SDN网络控制和能源网络控制，将SDN控制器和能源控制器进行逻辑和物理上的连接，分别引入能源定额请求报文、能源余额查询和能源余额响应报文，针对微网分别设计了微网内和跨微网的能源调度控制方法，具有很强的现实意义。

附图说明

图1为本发明基于SDN的能源互联网控制分层架构示意图；

图2为本发明基于SDN的能源互联网调度方法流程图；

图3为本发明节点控制器跨能源微网完成能源调度流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明基于SDN的能源互联网采用了分层SDN控制架构，通过将通信控制器和能源控制器相耦合，具有较强的可操作性。如图1所示，根据能源互联网“局部消纳，局域互联”的特征，所述基于SDN的能源互联网控制分层架构分为局域能源层和广域能源层，局域能源层完成能源互联网局域消纳功能，广域能源层完成互联网广域互联功能。广域能源层由局域能源层承载。一般情形下，局域能源层独立完成内部的能源调度，当能源调度范围超出局域能源层的范围时，广域能源层对局域能源层进行指导完成能源调度。

局域能源层由N个能源微网组成，N为整数；每个能源微网包含一个节点控制器、两个规模化分布式发电装置、一个规模化储能装置、一个智能用户群以及M个信息转发节点，M为整数。

每个发电装置，储能装置和智能用户群各设置一个信息转发节点；每个能源微网的信息转发节点互相连通，共同连接一个信息汇聚转发节点；N个信息汇聚转发节点共同连接数据传输网；且所有能源微网包含的信息转发节点互相连通。

每个节点控制器均包括节点通信控制器与节点能源控制器，节点通信控制器包含节点SDN控制器；节点SDN控制器用于维护节点通信地址-物理端口映射表的表单、节点实体能源需求的表单与节点余额表的表单。节点能源控制器包含交直流标准电气连接端口和电力电子固态模块等；由节点通信控制器指导节点能源控制器的运行。

其中，规模化分布式发电装置、规模化储能装置、智能用户群上的信息转发节点通过通信网络互联互通，并由能源物理链路连接至节点能源控制器中，由节点能源控制器统一控制。

具体为：节点能源控制器由能源物理链路分别连接发电装置、储能装置和智能用户群；节点通信控制器通过通信网络互联互通发电装置上的信息转发节点、储能装置上的信息转发节点，以及智能用户群上的信息转发节点；

规模化分布式发电装置包含规模化光伏发电装置和风力等多种清洁能源发电装置；

信息转发节点是基于SDN的具有转发功能的信息节点，根据节点SDN控制器下发的流表进行信息转发；

智能用户群包括工业用户、商业用户和普通用户等，其多具有能源自产能力，信息化水平较高。

在局域能源层，能源微网中的节点控制器集成了通信网络控制和能源网络控制功能，体现了能源互联网能源信息控制一体化的思想。通信网络采用了SDN的网络构建机制，信息转发节点广泛分布于智能用户群、分布式发电装置和储能装置中，各信息转发节点根据节点SDN控制器下发的流表进行信息的存储转发，节点之间构成SDN通信网络拓扑，节点通信控制器实现对微网中的网络拓扑的维护；能源网络控制采用能源设备端到端直连方式，各产能与耗能装置通过物理链路连接至节点能源控制器，由节点能源控制器完成相应控制功能。

广域能源层包含全局数据中心和M个根控制器，M为整数；每个根控制器均包含根通信控制器与根能源控制器；根通信控制器包含根SDN控制器；根SDN控制器中用于维护全局通信地址-物理端口映射表的表单、全局实体能源需求的表单与全局余额表的表单。根能源控制器包含交直流标准电气连接端口和电力电子固态模块等；由根通信控制器指导根能源控制器的运行。

根控制器同样集成了通信网络控制和能源网络控制功能，体现了能源互联网能源信息控制一体化的思想。通信网络控制采用了SDN的网络构建思想，同时出于计算能力的考虑，若干限定数目能源微网中的节点控制器分别通过能源和信息物理链路连接至根控制器。

具体为：广域能源层中所有的根通信控制器通过信息物理链路相连接；所有的根能源控制器由能源物理链路相连接；

广域能源层中的每个根控制器分别与局域能源层的至少一个能源微网中的节点控制器相连接；且根控制器中的根通信控制器与至少一个节点通信控制器通过信息物理链路相连接；根控制器中的根能源控制器与至少一个节点能源控制器通过能源物理链路相连接；

根控制器中的根能源控制器实现跨微网的能源调度、交易等功能；同时，为扩大广域能源层中通信网络的拓扑维护范围，广域能源层中的根通信控制器采用SDN控制器集群的方式，从而加强通信网络的全局控制能力。另外，局域能源层的数据中心将各微网的信息处理结果汇聚到本层的数据中心，因此电网运营商或者第三方服务商可以根据此层数据中心的数据进行大数据分析，并进行相应决策。

全局数据中心具有超强的数据计算、处理和存储能力，包含超大规模服务器集群、计算核心和存储单元，通过数据传输网分别与N个信息汇聚转发节点相连。

所述的基于SDN的能源互联网调度方法，如图2所示，具体步骤如下：

步骤一：将能源和信息网络状态初始化；

初始化具体为：局域能源层和广域能源层中双层SDN控制器使用本领域公知的方法获取网络状态信息，其中局域能源层的节点通信控制器获取本微网的通信网络拓扑，广域能源层的根通信控制器获取全局的网络拓扑，同时所有的能源接入端口处于关闭状态，完成能源与信息网络状态的初始化。

步骤二：针对某个能源微网A，当某个实体A1发生能源短缺时，向节点控制器发送能源定额请求报文，节点控制器在接收请求后，向微网A的所有其余实体的信息转发节点发送能源余额查询报文。

实体A1指能源微网A的某个发电装置，储能装置或智能用户群；

步骤三：节点控制器判断能源微网A内部是否有实体响应能源余额查询报文，如果有，进入步骤四，否则，进行步骤五。

步骤四、节点控制器在能源微网A内完成能源调度；

有能源剩余的实体在接收能源余额查询报文后，向节点控制器返回能源余额响应报文，没有能源剩余的实体不作响应；

节点通信控制器在接收能源余额响应报文后，查询响应能源余额查询报文的实体的物理地址，并通知节点能源控制器，节点能源控制器根据就近原则打开响应实体的能源接口，给请求实体A1进行能源传输，完成响应实体间的能源调度；当能源传输达到定额时，微网间能源调度结束。

步骤五：节点控制器上报根控制器，跨能源微网完成能源调度；

如图3所示，具体步骤为：

步骤501、能源微网A的内部没有实体响应能源余额查询报文，节点控制器中的节点通信控制器继续向根控制器中的根通信控制器递交能源余额查询报文；

步骤502、根控制器集群共享此报文，将能源余额查询报文下发到与自身连接的其他能源微网中的所有节点控制器中；

步骤503、每个节点控制器分别在各自的能源微网中，判断是否有内部实体进行能源余额查询报文的响应，如果有，进入步骤504；否则，查询结束。

步骤504、内部响应实体将能源余额响应报文上交给各自的节点控制器，通过节点控制器逐级上交至根控制器中；

有能源剩余且能源余额充足的实体将能源余额响应报文逐级上交至广域能源层根控制器中，没有能源剩余的实体不作响应。

步骤505、根通信控制器根据能源余额响应报文查询各响应实体的物理地址，并通知根能源控制器，根能源控制器根据就近原则选择传输距离最短的物理链路，通知节点控制器的节点能源控制器打开响应实体的能源接入端口，进行能源传输；完成相关实体间的能源调度。

步骤506、当响应实体为请求实体A1的能源传输达到定额时，跨微网能源调度结束。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于SDN的能源互联网控制分层架构，其特征在于，分为局域能源层和广域能源层；广域能源层由局域能源层承载；

局域能源层由N个能源微网组成，N为整数；每个能源微网包含一个节点控制器、两个发电装置、一个储能装置和一个智能用户群；

每个发电装置，储能装置和智能用户群各设置一个信息转发节点；每个能源微网的信息转发节点互相连通，共同连接一个信息汇聚转发节点；N个信息汇聚转发节点共同连接数据传输网；且所有能源微网包含的信息转发节点互相连通；

每个节点控制器均包括节点通信控制器与节点能源控制器，节点通信控制器包含节点SDN控制器；节点能源控制器由能源物理链路分别连接发电装置、储能装置和智能用户群；节点通信控制器通过通信网络互联互通发电装置上的信息转发节点、储能装置上的信息转发节点，以及智能用户群上的信息转发节点；各信息转发节点根据节点SDN控制器下发的流表进行信息转发；

广域能源层包含全局数据中心和M个根控制器，M为整数；每个根控制器均包含根通信控制器与根能源控制器；根通信控制器包含根SDN控制器；广域能源层中所有的根通信控制器通过信息物理链路相连接；所有的根能源控制器由能源物理链路相连接；

广域能源层中的每个根控制器分别与局域能源层的至少一个能源微网中的节点控制器相连接；且根控制器中的根通信控制器与至少一个节点通信控制器通过信息物理链路相连接；根控制器中的根能源控制器与至少一个节点能源控制器通过能源物理链路相连接。

2.如权利要求1所述的一种基于SDN的能源互联网控制分层架构，其特征在于，所述的节点能源控制器与根能源控制器均包含：交直流标准电气连接端口和电力电子固态模块。

3.如权利要求1所述的一种基于SDN的能源互联网控制分层架构，其特征在于，所述的全局数据中心包含超大规模服务器集群、计算核心和存储单元，通过数据传输网分别与N个信息汇聚转发节点相连。

4.基于权利要求1所述的基于SDN的能源互联网控制分层架构的能源互联网调度方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一：将能源和信息网络状态初始化；

初始化具体为：节点通信控制器获取自身所在能源微网的通信网络拓扑，根通信控制器获取全局的通信网络拓扑，同时所有的能源接入端口处于关闭状态；

步骤二：针对某个能源微网A，当某个实体A1发生能源短缺时，向节点控制器发送能源定额请求报文，节点控制器向微网A的所有其余实体发送能源余额查询报文；

步骤三：节点控制器判断能源微网A内部是否有实体响应能源余额查询报文，如果有，进入步骤四，否则，进行步骤五；

步骤四、节点控制器在能源微网A内完成能源调度；

节点通信控制器查询响应能源余额查询报文的实体的物理地址，并通知节点能源控制器，节点能源控制器根据就近原则打开响应实体的能源接口，给请求实体A1进行能源传输，当能源传输达到定额时，能源调度结束；

步骤五：节点控制器上报根控制器，跨能源微网完成能源调度。

5.如权利要求4所述的基于SDN的能源互联网调度方法，其特征在于，所述步骤二中实体A1指能源微网A的某个发电装置，储能装置或智能用户群。

6.如权利要求4所述的基于SDN的能源互联网调度方法，其特征在于，所述步骤五具体步骤为：

步骤501、能源微网A的内部没有实体响应能源余额查询报文，节点控制器继续向根控制器递交能源余额查询报文；

步骤502、根控制器将能源余额查询报文下发到与自身连接的所有节点控制器中；

步骤503、每个节点控制器分别在各自的能源微网中，判断是否有内部实体进行能源余额查询报文的响应，如果有，进入步骤504；否则，查询结束；

步骤504、内部响应实体将能源余额响应报文上交给各自的节点控制器，通过节点控制器逐级上交至根控制器中；

步骤505、根通信控制器查询各响应实体的物理地址，并通知根能源控制器，根能源控制器根据就近原则通知节点能源控制器，节点能源控制器打开响应实体的能源接口，进行能源传输；

步骤506、当响应实体为请求实体A1的能源传输达到定额时，能源调度结束。