CN110798276A - 一种智能变电站sdn网络的时间同步方法与系统 - Google Patents

一种智能变电站sdn网络的时间同步方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种智能变电站SDN网络的时间同步方法及系统，方法包括：SDN控制器通过SDN控制器对时接口获取时钟源提供的当前时钟，并对SDN交换机进行授时，SDN控制器基于所述当前时钟进行流表下发，SDN交换机通过SDN交换机对时接口获取所述当前时钟，并对测控装置进行授时。本发明提供一种智能变电站SDN网络的时间同步方法与系统，本发明把SDN控制器引入智能变电站中，替代传统的以太网交换机组网方式，能够进行网络协议集中处理，有利于提高复杂协议的运算效率和收敛速度，可解决变电站中的环网自愈问题。

Description

一种智能变电站SDN网络的时间同步方法与系统
技术领域
本发明涉及电力系统通信及软件定义网络技术领域，具体涉及一种智能变电站SDN网络的时间同步方法与系统。
背景技术
软件定义网络(Software Defined Network,SDN)是一种新型网络创新架构，其核心技术OpenFlow通过将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制。
智能变电站是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等摹本功能，并可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的变电站。
为保证全网设备和系统的时间一致性以及智能变电站的正常运行，站内必须配置满足要求的时间系统。时间同步技术有三类：①同步脉冲方式。同步脉冲由统一时钟源提供，在现场应用较多的是基于北斗系统/GPS的变电站统一时钟。构建专用的时间同步网络，采用IRIG-B码为测控装置进行授时。②简单网络时钟协议(SNTP)方式。SNTP是使用最普遍的国际互联网时间传输协议，也是DL/T 860《变电站通信网络和系统》中选用的站内对时规范，属于TCP/IP协议族，是一种基于软件协议的同步方式，缺点是对时精度不高。③IEC615880精确时间协议(PTP)。 IEC61588集成了网络通信、局部计算和分布式对象等多项技术，适用于所有通过支持多播的局域网进行通信的分布式系统，能够实现亚微秒级同步。
传统的以太网交换机组网不能够进行网络协议集中处理，运维管理麻烦，关于“流表一致性”的问题，会引起数据包的错误处理，导致网络产生环路及广播风暴。
发明内容
为解决上述以太网交换机组网不能够进行网络协议集中处理，运维管理麻烦，解决“流表一致性”问题时引起数据包的错误处理，导致网络产生环路及广播风暴的问题，本发明提供一种智能变电站SDN网络的时间同步方法，所述方法包括：
SDN控制器通过SDN控制器对时接口获取时钟源提供的当前时钟，并对SDN 交换机进行授时；
SDN控制器基于所述当前时钟进行流表下发；
SDN交换机通过SDN交换机对时接口获取所述当前时钟，并对测控装置进行授时。
优选的，所述SDN控制器对时接口包括：SDN控制器的IRIG-B接口和SDN 控制器的IEC61588接口；
所述SDN交换机对时接口包括：SDN交换机的IRIG-B接口和SDN交换机的 IEC61588接口。
优选的，所述SDN控制器通过SDN控制器对时接口获取时钟源提供的当前时钟，并对SDN交换机进行授时包括：
判断SDN控制器的IRIG-B接口是否正常；
若正常，所述SDN控制器的IRIG-B码时钟输入接口从授时装置获取时钟源，并通过IRIG-B码输出接口对SDN交换机进行授时；同时，将所述当前时钟通过主时钟对所述SDN控制器的IEC61588接口授时；
如果不正常，通过所述SDN控制器的IEC61588接口授时。
优选的，所述SDN交换机通过SDN交换机对时接口获取所述当前时钟，并对测控装置进行授时，包括：
判断SDN交换机的IRIG-B接口是否正常，若正常：所述SDN交换机的IRIG-B 码时钟输入接口从SDN控制器获取时钟，并通过IRIG-B码输出接口对测控装置进行授时；将所述当前时钟通过主时钟对SDN交换机的IEC61588接口授时；
如果不正常：通过SDN交换机的IEC61588接口授时；
如果SDN交换机的IRIG-B接口和SDN交换机的IEC61588接口同时失效，进入本地时钟守时。
优选的，所述通过SDN控制器IEC61588接口授时包括：
SDN控制器作为SDN控制器对时接口IEC61588的主时钟单元，在对时接口的PHY芯片上增加时间戳标记硬件功能。
优选的，所述通过SDN交换机IEC61588接口授时包括：
SDN控制器作为SDN控制器对时接口IEC61588的主时钟单元，在对时接口的PHY芯片上增加时间戳标记硬件功能。
优选的，所述SDN控制器基于所述当前时钟进行流表下发包括：
在流表下发时增加基于当前时钟的绝对生效时间戳；
所述时间戳按下式计算：
时间戳＝Tmax+Tnow+Trsv
其中，Tmax为网络传输最大延时；Tnow：SDN控制器当前时钟；Trsv增加的补偿。
一种智能变电站SDN网络的时间同步系统，包括：
获取模块：用于SDN控制器通过SDN控制器对时接口获取时钟源提供的当前时钟，并对SDN交换机进行授时；
下发模块：用于SDN控制器基于所述当前时钟进行流表下发；
授时模块：用于SDN交换机通过SDN交换机对时接口获取所述当前时钟，并对测控装置进行授时。
优选的，获取模块包括第一判断单元；
所述第一判断单元用于判断SDN控制器的IRIG-B接口是否正常，若正常：所述SDN控制器的IRIG-B码时钟输入接口从授时装置获取时钟源，并通过IRIG-B 码输出接口对SDN交换机进行授时；
同时，将所述当前时钟通过主时钟对所述SDN控制器的IEC61588接口授时；
如果不正常：告警，通过所述SDN控制器的IEC61588接口授时。
优选的，所述授时模块包括第二判断单元；
所述第二判断单元用于判断SDN交换机的IRIG-B接口是否正常，若正常：所述SDN交换机的IRIG-B码时钟输入接口从SDN控制器获取时钟，并通过IRIG-B 码输出接口对测控装置进行授时；
同时，将所述当前时钟通过主时钟对SDN交换机的IEC61588接口授时；
如果不正常：告警，通过SDN交换机的IEC61588接口授时；
如果SDN交换机的IRIG-B接口和SDN交换机的IEC61588接口同时失效，告警，进入本地时钟守时。
况且与最接近的现有技术相比，本申请还具有如下有益效果：
1、本发明提供一种智能变电站SDN网络的时间同步方法与系统，SDN控制器通过SDN控制器对时接口获取时钟源提供的当前时钟，并对SDN交换机进行授时，SDN控制器基于所述当前时钟进行流表下发，SDN交换机通过SDN交换机对时接口获取所述当前时钟，并对测控装置进行授时，本发明把SDN控制器引入智能变电站中，替代传统的以太网交换机组网方式，实现流表一致，克服现有技术中流表不一致引起的数据包的错误处理，进而导致网络产生环路及广播风暴的问题；
2、本发明提供一种智能变电站SDN网络的时间同步方法与系统，为SDN网络本体提供了时钟同步功能，也为变电站内部的自动化装置提供了同步时钟源，为全站的SDN交换机和测控保护装置提供统一时钟解决方案，进一步增强了时间同步网络的可靠性。
3、本发明提供一种智能变电站SDN网络的时间同步方法与系统，控制的集中化有利于从更宏观的角度调配传输带宽等网络资源，提高资源的利用效率，简化了运维管理的工作量，大幅节约运维费用，提高网络的接入安全性；
4、本发明提供的技术方案，在所述SDN网络时间同步的基础上，在所述SDN 交换机中的流表项中增加绝对生效时间戳字段，能够进行网络协议集中处理，有利于提高复杂协议的运算效率和收敛速度，可解决变电站中的环网自愈问题。
附图说明
附图1为本发明的方法流程示意图；
附图2为本发明的具备时间同步功能的智能变电站SDN网络结构示意图；
附图3为本发明的SDN控制器时钟同步硬件结构；
附图4为本发明的SDN交换机时钟同步硬件结构；
附图5为本发明的智能变电站SDN网络时间同步故障检测及切换。
具体实施例
为了使本发明的技术方案更加清晰明了，下面结合实施例对本发明技术方案做进一步解释：
在由SDN控制和SDN交换机构成的时间同步网络中，SDN控制器作为SDN 网络的主时钟，对SDN交换机进行授时。其中，SDN控制器的时钟源可来自北斗/GPS或其它更高一级的时钟源，SDN交换机的角色为从时钟，但可以为与之相连接的终端设备(测控装置)授时，即作为边界时钟使用。授时的方式可以采用专用的IRIG-B码授时网络或IEC61588精确时间同步协议。为了确保时间同步的可靠性，本专利同时采用两种授时方案，即IRIG-B码授时网络作为主同步方式， IEC61588作为备用同步方式。当IRIG-B码授时网络失效时，会自动切换到 IEC61588同步模式，智能变电站时间同步SDN网络结构如图2所示。
实施例1
如图1所示的一种智能变电站SDN网络的时间同步方法，包括：
步骤1：SDN控制器通过SDN控制器对时接口获取时钟源提供的当前时钟，并对SDN交换机进行授时；
步骤2：SDN控制器基于所述当前时钟进行流表下发；
步骤3：SDN交换机通过SDN交换机对时接口获取所述当前时钟，并对测控装置进行授时。
下面对上述步骤进行具体的解释与说明；
对步骤1的具体说明：
SDN控制器通过SDN控制器对时接口获取时钟源提供的当前时钟，并对SDN 交换机进行授时的具体解释如下：
SDN控制器作为整个SDN网络的主时钟，一方面，需要从北斗/GPS/其它授时装置获取时钟源，因此需要增加IRIG-B码上级时钟输入接口和对下的IRIG-B 码输出接口。另外一方面，SDN控制器作为IEC61588同步协议的主时钟单元，要求在对时网络接口的PHY芯片上增加时间戳标记硬件功能。采用现场可编程门阵列(FPGA)可以将两项功能集中到一起进行处理。如图3所示：
IRIG-B码授时网络的控制与管理
SDN控制器从IRIG-B码输入端口获取当前时钟，与SDN控制器内部主时钟进行比较，对内部主参考时钟的频率和相位进行修正，同时，修正内部RTC时间。修正后的主参考时钟作为IEC61588的时间基准和授时依据。IRIG-B码输出由硬件完成。此外，SDN控制器软件检测到IRIG-B码输入丢失后，一方面向后台系统发出告警信号，另一方面，尽可能使用内部主参考时钟进行守时。
对步骤2的解释说明如下：
修改SDN控制器软件及SDN交换机固件，增加基于时间戳的同步流表下发功能。
为了解决智能变电站SDN网络中存在的流表一致性问题，对Openflow协议进行扩展，在流表下发时增加绝对生效时间戳字段，由于SDN网络已经实现了全网时间同步，因此，SDN控制器对多台SDN交换机进行流表更新时，先通过 IEC61588应答报文获取流表的网络传输最大延时Tmax，在该时间基础上增加Trsv作为补偿，然后将Tmax+Trsv+Tnow作为绝对生效时间戳(Tnow为SDN控制器当前时间)，放置在Openflow协议扩展字段中与流表项一同下发。收到流表更新报文的 SDN交换机会在Tmax+Trsv+Tnow时刻刷新该条流表。
对步骤3的解释如下：
SDN交换机作为整个SDN网络的从时钟/边界时钟，一方面，需要从SDN控
制器(主时钟)获取时钟源，因此需要增加IRIG-B码上级时钟输入接口和多
路对下的IRIG-B码输出接口，可以对多台连接在SDN交换机上的测控装置
进行授时。另外一方面，SDN交换机作为IEC61588同步协议的从时钟单元，
需要在对时网络接口的PHY芯片上增加时间戳标记硬件功能。和SDN控制
器类似，采用现场可编程门阵列(FPGA)可以将两项功能集中到一起进行
处理。如图4所示；
SDN交换机固件从IRIG-B码输入端口获取当前时钟，对SDN交换机内部主参考时钟的频率和相位进行修正，同时，完成RTC的时间同步。SDN交换机需要时刻监视IRIG-B码的输入有效状态，一旦发现对时数据丢失，则立即切换到 IEC61588对时方式，并向SDN控制器发出告警信息。如果此时IEC61588也出现故障，则立即进入守时状态并发出告警信息。
IEC61588精确时间同步协议的软件实现
IEC61588拥有数种类型的消息用以设备间的同步和控制，分为事件报文和通用报文。事件报文用于产生和通信用于同步普通时钟和边界时钟的定时消息，发送和接收事件消息时要生成准确的时间戳，包括Sync、Delay_Req、Pdelay_Req、 Pdelay_Resp。通用报文不要求生成准确的时戳，包括用于传递时间信息的 Follow_Up、Delay_Resp、Pdelay_Resp_Follow_Up报文和用于主时钟确定及管理维护信息的Announce、Management、Signaling报文。
SDN控制器作为网络内部的主时钟，需要实现事件报文Sync的周期发送和通用报文Follow_Up、Delay_Resp以及Announce、Management、Signaling的收发处理。
SDN交换机作为从时钟/边界时钟，需要实现事件报文Sync的精确接收 (1-step模式)，或者从Follow_Up提取发送时间戳(2-step模式)，此外，还需要进行事件报文Delay_Req的发送以及其它通用报文如Announce、Management、 Signaling的收发处理。SDN交换机固件的其它功能模块还包括最佳主时钟算法 (BMC)、内部参考时钟频率调整等。
本系统中暂时不考虑透明时钟，因此Pdelay_Req、Pdelay_Resp以及 Pdelay_Resp_Follow_Up不作处理。
两种时间同步的故障检测及切换
SDN控制器和SDN交换机上电后，首先完成正常的网络拓扑发现功能。接下来，SDN控制器检查IRIG-B码的输入信号是否正常，如果正常，则立即同步 SDN控制器内部的主参考时钟，否则，发出异常告警信号至后台系统，使用本地时钟作为授时基准。以上工作完成后，开启IEC61588授时功能。
正常运行时，SDN交换机需要时刻监视IRIG-B码的输入有效状态，一旦发现对时数据丢失，则立即切换到IEC61588对时方式，并向SDN控制器发出告警信息。SDN控制器对所有SDN交换机发出指令，将全网的对时方式切换到IEC61588 模式，并向后台系统发出告警信息。如果SDN交换机同时检测到IRIG-B码信号和IEC61588失效，则进入本地守时模式，同时发出告警，如图5所示。
还包括：修改SDN控制器软件及SDN交换机固件，增加基于时间戳的网络流量同步采样功能。
通过SDN控制器对SDN交换机设定采集周期t，网络中的所有SDN交换机在秒脉冲上升沿同步启动瞬时流量采集，采集到的数据通过Openflow协议上传至SDN控制器汇总，从而形成基准的网络流量断面数据模型。将该数据模型上传至后台服务器数据库，可以提供给智能变电站网络分析人员使用，定期检查变电站网络中存在的拥塞隐患，方便故障预警和出现故障后的原因诊断。
实施例2
一种智能变电站SDN网络的时间同步系统，包括：
获取模块：用于SDN控制器通过SDN控制器对时接口获取时钟源提供的当前时钟，并对SDN交换机进行授时；
下发模块：用于SDN控制器基于所述当前时钟进行流表下发；
授时模块：用于SDN交换机通过SDN交换机对时接口获取所述当前时钟，并对测控装置进行授时。
获取模块包括第一判断单元和增加第一时间戳单元；
所述第一判断单元用于判断SDN控制器的IRIG-B接口是否正常，若正常：所述SDN控制器的IRIG-B码时钟输入接口从授时装置获取时钟源，并通过IRIG-B 码输出接口对SDN交换机进行授时；
同时，将所述当前时钟通过主时钟对所述SDN控制器的IEC61588接口授时；
如果不正常：告警，通过所述SDN控制器的IEC61588接口授时；
所述增加第一时间戳单元用于SDN控制器作为SDN控制器对时接口 IEC61588的主时钟单元，在对时接口的PHY芯片上增加时间戳标记硬件功能。
授时模块包括第二判断单元和增加第二时间戳单元；
所述第二判断单元用于判断SDN交换机的IRIG-B接口是否正常，若正常：所述SDN交换机的IRIG-B码时钟输入接口从SDN控制器获取时钟，并通过IRIG-B 码输出接口对测控装置进行授时；
同时，将所述当前时钟通过主时钟对SDN交换机的IEC61588接口授时；
如果不正常：告警，通过SDN交换机的IEC61588接口授时；
如果SDN交换机的IRIG-B接口和SDN交换机的IEC61588接口同时失效，告警，进入本地时钟守时。
所述增加第二时间戳单元用于SDN控制器作为SDN控制器对时接口 IEC61588的主时钟单元，在对时接口的PHY芯片上增加时间戳标记硬件功能。
所述下发模块包括计算单元；
所述计算单元中时间戳的计算如下：
时间戳＝Tmax+Tnow+Trsv
其中，Tmax为网络传输最大延时；Tnow：SDN控制器当前时钟；Trsv增加的补偿。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和 /或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种智能变电站SDN网络的时间同步方法，其特征在于，所述方法包括：
SDN控制器通过SDN控制器对时接口获取时钟源提供的当前时钟，并对SDN交换机进行授时；
SDN控制器基于所述当前时钟进行流表下发；
SDN交换机通过SDN交换机对时接口获取所述当前时钟，并对测控装置进行授时。
2.如权利要求1所述的一种智能变电站SDN网络的时间同步方法，其特征在于，所述SDN控制器对时接口包括：SDN控制器的IRIG-B接口和SDN控制器的IEC61588接口；
所述SDN交换机对时接口包括：SDN交换机的IRIG-B接口和SDN交换机的IEC61588接口。
3.如权利要求2所述的一种智能变电站SDN网络的时间同步方法，其特征在于，所述SDN控制器通过SDN控制器对时接口获取时钟源提供的当前时钟，并对SDN交换机进行授时包括：
判断SDN控制器的IRIG-B接口是否正常；
若正常，所述SDN控制器的IRIG-B码时钟输入接口从授时装置获取时钟源，并通过IRIG-B码输出接口对SDN交换机进行授时；同时，将所述当前时钟通过主时钟对所述SDN控制器的IEC61588接口授时；
如果不正常，通过所述SDN控制器的IEC61588接口授时。
4.如权利要求2所述的一种智能变电站SDN网络的时间同步方法，其特征在于，所述SDN交换机通过SDN交换机对时接口获取所述当前时钟，并对测控装置进行授时，包括：
判断SDN交换机的IRIG-B接口是否正常，若正常：所述SDN交换机的IRIG-B码时钟输入接口从SDN控制器获取时钟，并通过IRIG-B码输出接口对测控装置进行授时；将所述当前时钟通过主时钟对SDN交换机的IEC61588接口授时；
如果不正常：通过SDN交换机的IEC61588接口授时；
如果SDN交换机的IRIG-B接口和SDN交换机的IEC61588接口同时失效，进入本地时钟守时。
5.如权利要求3所述的一种智能变电站SDN网络的时间同步方法，其特征在于，所述通过SDN控制器IEC61588接口授时包括：
SDN控制器作为SDN控制器对时接口IEC61588的主时钟单元，在对时接口的PHY芯片上增加时间戳标记硬件功能。
6.如权利要求4所述的一种智能变电站SDN网络的时间同步方法，其特征在于，所述通过SDN交换机IEC61588接口授时包括：
SDN控制器作为SDN控制器对时接口IEC61588的主时钟单元，在对时接口的PHY芯片上增加时间戳标记硬件功能。
7.如权利要求1所述的一种智能变电站SDN网络的时间同步方法，其特征在于，所述SDN控制器基于所述当前时钟进行流表下发包括：
在流表下发时增加基于当前时钟的绝对生效时间戳；
所述时间戳按下式计算：
时间戳＝Tmax+Tnow+Trsv
其中，Tmax为网络传输最大延时；Tnow：SDN控制器当前时钟；Trsv增加的补偿。
8.一种智能变电站SDN网络的时间同步系统，其特征在于，包括：
获取模块：用于SDN控制器通过SDN控制器对时接口获取时钟源提供的当前时钟，并对SDN交换机进行授时；
下发模块：用于SDN控制器基于所述当前时钟进行流表下发；
授时模块：用于SDN交换机通过SDN交换机对时接口获取所述当前时钟，并对测控装置进行授时。
9.如权利要求8所述的一种智能变电站SDN网络的时间同步系统，其特征在于，获取模块包括第一判断单元；
所述第一判断单元用于判断SDN控制器的IRIG-B接口是否正常，若正常：所述SDN控制器的IRIG-B码时钟输入接口从授时装置获取时钟源，并通过IRIG-B码输出接口对SDN交换机进行授时；
同时，将所述当前时钟通过主时钟对所述SDN控制器的IEC61588接口授时；
如果不正常：告警，通过所述SDN控制器的IEC61588接口授时。
10.如权利要求8所述的一种智能变电站SDN网络的时间同步系统，其特征在于，所述授时模块包括第二判断单元；
所述第二判断单元用于判断SDN交换机的IRIG-B接口是否正常，若正常：所述SDN交换机的IRIG-B码时钟输入接口从SDN控制器获取时钟，并通过IRIG-B码输出接口对测控装置进行授时；
同时，将所述当前时钟通过主时钟对SDN交换机的IEC61588接口授时；
如果不正常：告警，通过SDN交换机的IEC61588接口授时；
如果SDN交换机的IRIG-B接口和SDN交换机的IEC61588接口同时失效，告警，进入本地时钟守时。
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