CN108768867B - 基于软件定义的能源互联网路由架构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于软件定义的能源互联网路由架构。本发明在智能电网中的基于IEC61850标准建立的变电站自动化系统中，引入了用于通信的软件定义交换机、用于能量流之间转换和流动的能源路由器以及控制信息流和能量流传输的本地控制器；能源网控制中心是整个能源互联网的大脑，通过与各个变电站的本地控制器之间的交互，了解整个电网的运行状态，负责控制全局范围内的能源流的流动。本发明将软件定义的思想应用于智能电网领域，既考虑到与采用IEC61850等智能电网标准的电力设备之间的兼容，同时提供灵活的基于软件定义的创新应用部署。

Description

基于软件定义的能源互联网路由架构方法

技术领域

本发明属于能源互联网技术领域，具体涉及一种基于软件定义的能源互联网路由架构。

背景技术

随着智能电网、新能源技术以及信息技术的发展，能源互联网将互联网和可再生能源技术融合在一起，使得人们可在家、办公室和工厂生产绿色可再生能源，多余的能源可以与他人分享，就像我们现在在网络上分享信息一样。电能相比其他能源形式，具有瞬发、瞬供特性，未来能源互联网必然将是以电能为主体形式、以智能电网为主要载体,将电力网络、能源网络、信息网络、交通网络等各种类型的网络融合在一起，以实现多种能源形式间的综合利用。

能源互联网是一个新兴的、不断演变发展的新技术，其中最为关键的部分是作为基础设施的能源流在能源互联网之间的流动。传统的电网中，大型发电厂产生的电力通过输、变、配等环节后送到用户。而伴随着分布式能源、电力电子技术以及信息技术的发展，电能从原来的单向流动演变为允许双向的流动，允许接入可控负荷，允许分布式电源和分布式储能随时随地并入到电网中。

IEC61850最初是为变电站自动化系统设计的，允许不同厂商的智能电子设备(Intelligent Electronics Device，IED)之间互联，提供了面向对象的建模技术和通信服务支持。后来IEC61850标准继续扩展，面向智能电网应用，目标是解决智能电网中不同IED之间的互操作问题，可应用于可再生能源、设备的状态监测、智能用电和配电自动化等领域。

软件定义网络(Software Defined Network，SDN)提出了一种全新的网络结构，通过将网络的控制平面和数据平面去耦合，将网络设备控制能力集中至中央控制器，通过网络操作系统以软件驱动的方式实现灵活、高度自动化的网络控制和业务配置，可以便捷地对网络进行架构调整、扩容和升级，部署新业务时也无需再对大量的网络设备逐一进行配置或替换，缩短业务部署时间，提高网络效率。

发明内容

本发明的目的针对现有技术的不足，提供一种基于软件定义的能源互联网路由架构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

在智能电网中的基于IEC61850标准建立的变电站自动化系统中，引入了用于通信的软件定义交换机、用于能量流之间转换和流动的能源路由器以及控制信息流和能量流传输的本地控制器。能源网控制中心是整个能源互联网的大脑，通过与各个变电站的本地控制器之间的交互，了解整个电网的运行状态，负责控制全局范围内的能源流的流动。

在基于IEC61850的变电站自动化系统内部，通过各个IED设备自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能。因此IED设备之间通过变电站自动化系统内部的通信网络交换消息，而IED设备之间的消息交换采取点到点方式的TCP连接之上的制造报文规范(Manufacturing Message Specification，MMS) 以及采用以太网组播的通用面向对象的子站事件(Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE)和采样值(SampleValues，SV) 协议。由于这些消息有不同的服务质量要求，本发明中用于连接各个 IED设备提供信息交换支持的传统的以太网交换机被软件定义交换机替代；将软件定义交换机的控制平面与数据平面剥离开来，实际的控制都交由本地控制器执行，通过与本地控制器之间的消息交换，报告网络拓扑情况以及信息负载情况。本地控制器根据各个软件定义交换机报告的全局拓扑信息以及不同类型的IEC61850消息的服务质量要求决定这些消息经过的交换机路径以及交换机的调度和队列参数，发送控制指令给软件定义交换机。

考虑到能源互联网的能量流在不同节点之间的双向流动，引入了能源路由器。一个或者多个能源路由器负责将变电站所管辖范围内的各种类型的负载、分布式储能、分布式电源接入到智能电网中，同时这些能源路由器还通过相应的能源网与其他变电站以及主干配电网络中的能源路由器连接。能源互联网是一个正在发展过程中的领域，可能会有多种不同方式、不同角度、应用于不同场景的综合控制方法, 因此我们将能源路由器的控制部分与实际的执行部分剥离开来。能源路由器也是变电站内部的一个IED设备。本地控制器除了前述的对于变电站内部通信网络的控制外，还负责基于IEC61850标准从各个IED 设备获取变电站内部的分布式能源和负载的情况，将其汇总后发送给能源网控制中心，在收到能源网控制中心的调度指令后，再基于 IEC61850发送相应的控制指令给其所管理的能源路由器，由能源路由器的执行部分实际控制能源的流动。

各个变电站的本地控制器与能源网控制中心通过广域通信网连接，广域通信网可以采取当前电力行业已有的技术，也可采用软件定义网，引入广域网软件定义交换机，与变电站内部的软件定义交换机类似，实际的路由选择、服务质量等由能源网控制中心进行决策后发送控制指令给广域网软件定义交换机。

能源网控制中心是整个能源互联网的大脑核心，负责控制能源的流动。变电站本地控制器将获取到的其所管理区域内的分布式电源、负载等信息汇总后发送给能源网控制中心。能源网控制中心基于收到的当前能源网的全局状态以及与其他能源路由器的电力线路、柔性控制等全局的电力拓扑情况，执行能源互联路由算法，决定能源流的调度信息，将其下发给各变电站本地控制器。

本发明有益效果如下：

本发明将软件定义的思想应用于智能电网领域，既考虑到与采用 IEC61850等智能电网标准的电力设备之间的兼容，同时提供灵活的基于软件定义的创新应用部署。

附图说明

图1基于软件定义的能源互联网路由架构示意图；

图2信息流的流动示意图；

图3能源流的流动示意图。

具体实施方式

在本发明中，变电站内部的信息流的流动由软件定义交换机以及本地控制器来控制，软件定义交换与本地控制器之间采用Openflow 协议。如图2所示，其基本操作方式如下：

步骤1、本地控制器在启动时读取在变电站部署时创建的全站系统配置文件(Substation Configuration Description，SCD)，该 SCD文件采用变电站配置语言(Substation Configuration Language， SCL)描述，其中一部分内容描述了所有IED的实例配置、通信参数以及IED之间的联系信息。

步骤2、软件定义交换机会在其所有接口处定期发送链路层发现协议(Link LayerDiscovery Protocol，LLDP)消息，并且将各个接口收到的LLDP消息转发给本地控制器，这样本地控制器了解到所有软件定义交换机之间的拓扑。

步骤3、IED设备发送消息时，其所直接连接的软件定义交换机如果是第一次收到该设备发送的消息时，转发该消息到本地控制器。本地控制器了解到该IED设备连接到的交换机，即端设备(IED)所在的位置。

步骤4、IED设备发送的IEC61850消息到达软件定义交换机时，如果其为负载流的第一个分组，则被转发到本地控制器。变电站内部 IED设备之间传递的有不同的服务质量要求。

本地控制器基于前面步骤2和3了解到的通信网拓扑情况、负载流的类型和步骤1了解到的IED设备之间的通信配置等信息，决定该负载流的转发路径以及途中各个交换机的调度和队列参数，下发控制指令给有关的软件定义交换机。后续负载流的分组将根据交换机内的匹配规则转发给下一个交换机，直到到达最终的IED设备处。

各个变电站的本地控制器与能源网控制中心通过广域通信网连接。广域通信网可以采取当前电力行业已有的技术，也可采用软件定义网络技术,引入广域网软件定义交换机。此时本地控制器除了作为变电站内部的软件定义网络的控制器外，在广域网范围内充当了代理 (Agent)的功能，相当于一个虚拟交换机，汇总变电站内部通信网络的状态信息，将该状态信息报告给能源网控制中心。变电站本地控制器与广域网软件定义交换机作为代理，能源网控制中心为控制器，实际的路由选择、服务质量等由能源网控制中心进行决策后下发控制指令给广域网软件定义交换机以及本地控制器，从而保证广域网内的信息流传输的服务质量。

本发明中能源流的流动实际上通过信息流的流动来控制的。如图 3所示，其基本步骤如下：

首先，能源网的整个拓扑(一次系统结构)情况在部署时通过 SCL描述。变电站内部的本地控制器读取SCL配置文件，了解变电站内部的能源网的拓扑以及所管理的能源路由器与其他能源路由器之间的连接情况。能源控制中心读取全网的SCL配置文件，了解全网范围的能源网拓扑。

其次，包括负载和能源路由器在内的各个IED设备之间采用基于 IEC61850的需求侧响应协议来交换对于能源的需求与供应情况，这些消息通过以太网组播发布到相应的消息组中。变电站内部的软件定义交换机根据配置将目的地为对应消息组的消息转发到本地控制器。这样本地控制器的能源路由模块可以了解到变电站内部的负载情况，然后将其上报给能源网控制中心。本地控制器与能源网控制中心之间采用的协议需要能够包含能源流状态信息，因此需要对于原有 Openflow协议进行扩展，新增能源流消息，该消息包含了当前节点 ID、邻居节点ID以及到邻居节点的链路的多个属性，这些属性包括链路本身的传输开销、链路上连接的负载情况等。

然后，能源网控制中心在收到来自于本地控制器的能源流状态报告后，了解到各个能源路由器接入的负载以及能源路由器之间链路的状态，即了解到全网范围的能源网状态信息，然后基于通过读取SCL 配置文件获得的能源网一次系统结构，执行能源互联路由算法，决定能源流的调度信息，将其下发给各变电站本地控制器。

最后，变电站本地控制器在收到来自于能源网控制中心的调度指令后，通过IEC61850协议发送控制指令给相应的能源路由器，由能源路由器的执行模块完成实际的能源流的控制。

Claims (1)

1.基于软件定义的能源互联网路由架构方法，其特征在于：

在智能电网中的基于IEC61850标准建立的变电站自动化系统中，使用了用于通信的软件定义交换机、用于能量流之间转换和流动的能源路由器以及控制信息流和能量流传输的本地控制器；能源网控制中心是整个能源互联网的核心，通过与各个变电站的本地控制器之间的交互，了解整个电网的运行状态，负责控制全局范围内的能源流的流动；

在基于IEC61850的变电站自动化系统内部，通过各个IED设备自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测的功能，并根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动的高级功能；因此IED设备之间通过变电站自动化系统内部的通信网络交换消息，而IED设备之间的消息交换采取点到点方式的TCP连接之上的制造报文规范，以及采用以太网组播的通用面向对象的子站事件和采样值协议；由于这些消息有不同的服务质量要求，用于连接各个IED设备提供信息交换支持的传统的以太网交换机被软件定义交换机替代；将软件定义交换机的控制平面与数据平面剥离开来，实际的控制都交由本地控制器执行，通过与本地控制器之间的消息交换，报告网络拓扑情况以及信息负载情况；本地控制器根据各个软件定义交换机报告的全局拓扑信息以及不同类型的IEC61850消息的服务质量要求决定这些消息经过的交换机路径以及交换机的调度和队列参数，发送控制指令给软件定义交换机；

通过能源路由器控制能源互联网的能量流在不同节点之间的双向流动；一个或多个能源路由器负责将变电站所管辖范围内的各种类型的负载、分布式储能、分布式电源接入到智能电网中，同时这些能源路由器还通过相应的能源网与其他变电站以及主干配电网络中的能源路由器连接；将能源路由器的控制部分与实际的执行部分分开；能源路由器也是变电站内部的一个IED设备；本地控制器除了对变电站内部通信网络的控制，还负责基于IEC61850标准从各个IED设备获取变电站内部的分布式能源和负载的情况，汇总后发送给能源网控制中心；在收到能源网控制中心的调度指令后，再基于IEC61850发送相应的控制指令给其所管理的能源路由器，由能源路由器的执行部分实际控制能源的流动；

各个变电站的本地控制器与能源网控制中心通过广域通信网连接，广域通信网可以采用基于光纤的通讯技术或软件定义网络技术，实际的路由选择、服务质量由能源网控制中心进行决策后发送控制指令给广域网软件定义交换机；

能源网控制中心是整个能源互联网的核心，负责控制能源的流动；变电站本地控制器将获取到的其所管理区域内的分布式电源、负载信息汇总后发送给能源网控制中心；能源网控制中心基于收到的任一能源网的全局状态以及任一能源网能源路由器外的所有其他能源路由器的电力线路、柔性控制的电力拓扑情况后，执行能源互联路由算法，决定能源流的调度信息，并将其下发给各变电站本地控制器；

变电站内部的信息流的流动由软件定义交换机以及本地控制器来控制，软件定义交换与本地控制器之间采用Openflow协议，基本操作方式如下：

步骤1、本地控制器在启动时读取在变电站部署时创建的全站系统配置文件SCD，该文件采用变电站配置语言描述，其中部分内容描述了所有IED的实例配置、通信参数以及IED之间的关联信息；

步骤2、软件定义交换机会在其所有接口处定期发送链路层发现协议消息，并且将各个接口收到的LLDP消息转发给本地控制器，这样本地控制器了解到所有软件定义交换机之间的拓扑；

步骤3、IED设备发送消息时，其所直接连接的软件定义交换机如果是第一次收到该设备发送的消息时，转发该消息到本地控制器；本地控制器了解到该IED设备连接到的交换机，即该IED设备所在的位置；

步骤4、IED设备发送的IEC61850消息到达软件定义交换机时，如果其为负载流的第一个分组，则被转发到本地控制器；变电站内部IED设备之间传递的有不同的服务质量要求；

本地控制器基于前面步骤2和3了解到的通信网拓扑情况、负载流的类型和步骤1了解到的IED设备之间的通信配置信息，决定该负载流的转发路径以及途中各个交换机的调度和队列参数，下发控制指令给有关的软件定义交换机；后续负载流的分组将根据交换机内的匹配规则转发给下一个交换机，直到到达最终的IED设备处；

能源流的流动实际上通过信息流的流动来控制的，基本步骤如下：

首先，能源网的整个拓扑情况在部署时通过SCL描述；变电站内部的本地控制器读取SCL配置文件，了解变电站内部的能源网的拓扑以及所管理的能源路由器与其他能源路由器之间的连接情况；能源控制中心读取全网的SCL配置文件，了解全网范围的能源网拓扑；

其次，包括负载和能源路由器在内的各个IED设备之间采用基于IEC61850的需求侧响应协议来交换对于能源的需求与供应情况，这些消息通过以太网组播发布到相应的消息组中；变电站内部的软件定义交换机根据配置将目的地为对应消息组的消息转发到本地控制器；这样本地控制器的能源路由模块可以了解到变电站内部的负载情况，然后将其上报给能源网控制中心；本地控制器与能源网控制中心之间采用的协议需要能够包含能源流状态信息，因此需要扩展Openflow协议，增加能源流消息，该消息包含了当前节点ID、邻居节点ID以及到邻居节点的链路的多个属性，这些属性包括链路本身的传输开销、链路上连接的负载情况；

再然后，能源网控制中心在收到来自于本地控制器的能源流状态报告后，了解到各个能源路由器接入的负载以及能源路由器之间链路的状态，即了解到全网范围的能源网状态信息，然后基于通过读取SCL配置文件获得的能源网一次系统结构，执行能源互联路由算法，决定能源流的调度信息，将其下发给各变电站本地控制器；

最后，变电站本地控制器在收到来自于能源网控制中心的调度指令后，通过IEC61850协议发送控制指令给相应的能源路由器，由能源路由器的执行模块完成实际的能源流的控制。

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