CN111030731A - 基于电力线载波通信的软件定义电力物联网架构 - Google Patents

基于电力线载波通信的软件定义电力物联网架构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电力线载波通信的软件定义电力物联网架构，包括主站服务器、网络控制器、集中器、电力载波中继和电力业务终端，主站服务器与集中器、电力载波中继和电力业务终端的连接，电力载波中继和电力业务终端分别连接网络控制器，并且均采用电力线载波的通信方式，主站服务器存储和处理网络数据；网络控制器生成转发策略和分配方案并下发给电力载波中继和电力业务终端；集中器对软件定义电力物联网中一个台区内的网络数据进行网络边缘侧的存储与计算；电力载波中继根据转发策略转发网络数据和根据分配方案分配链路资源；电力业务终端包括各种电力业务的终端设备。本发明能降低电力物联网的建设成本并提升网络的灵活性及开放性。

Description

基于电力线载波通信的软件定义电力物联网架构
技术领域
本发明涉及电力物联网技术领域，特别涉及一种基于电力线载波通信的软件定义电力物联网架构。
背景技术
电力线载波(PowerLineCarrier，PLC)通信，是利用高频调制信号，将电力线作为媒介进行数据传输的一种特殊通信方式。根据电压等级可将电力线载波通信划分为高压载波(超过35kV)、中压载波(10kV)和低压载波(380/220V)三种。其中由于低压电力线载波更能满足现代通信需求，该技术已经被成功应用于远程抄表等实际工程项目中。随着对低压电力线载波通信技术研究的不断深入及突破，PLC通信系统正向落地化、复杂化、智能化方向发展。
软件定义网络(SoftwareDefinedNetwork，SDN)是一种通过将网络虚拟化而实现网络设备控制面与数据面分离的新型网络架构。网络虚拟化是指在一个物理网络上模拟出多个逻辑网络。在SDN中，采用通用硬件的网络设备只进行单纯的数据转发，而控制器中的可编程软件平台对网络资源进行集中控制，从而实现对不同特性的业务进行网络资源的灵活调配，使网络通信更加智能化。
网络切片是一种按需组网的方式，可以让运营商在统一的基础设施上分离出多个虚拟的端到端网络，是基于逻辑的概念对资源进行的重组，重组是根据SLA(Service levelAgreement)业务服务协议为特定的通信服务类型选定所需要的虚拟机和物理资源，可以适配各种各样类型的应用。
电力物联网是指对接入电网的终端提供联网服务，实现电力系统各环节万物互联、人机交互的智慧服务系统。在电力物联网建设中，作为电力系统中现成的、覆盖范围最广的通信信道，采用电力线载波通信技术能最大限度降低智能通信网络的组建成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于电力线载波通信的软件定义电力物联网架构，该架构利用电力系统现成的、覆盖范围最广的电力线载波通信信道和软件定义网络技术进行构建，能降低电力物联网的建设成本并提升网络的灵活性及开放性。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种基于电力线载波通信的软件定义电力物联网架构，包括：主站服务器、网络控制器、集中器、电力载波中继和电力业务终端，主站服务器与集中器、电力载波中继和电力业务终端依次连接，电力载波中继和电力业务终端分别连接网络控制器，并且均采用电力线载波的通信方式，其中，
主站服务器，用于存储和处理软件定义电力物联网产生的各种网络数据；
网络控制器，用于生成控制网络数据转发的转发策略和电力线载波链路资源的分配方案，并将网络控制器的转发策略和分配方案下发给电力载波中继和电力业务终端；
集中器，用于对软件定义电力物联网中一个台区内的网络数据进行网络边缘侧的存储与计算；
电力载波中继，用于根据网络控制器的转发策略与不同的电力业务终端进行网络数据的转发，以及根据分配方案进行链路资源的分配；
电力业务终端，包括通过电力线载波通信接入电力物联网的各种电力业务的终端设备。
优选的，软件定义电力物联网从上至下分成三层，分别为控制层、传输层和业务层，其中，
主站服务器和网络控制器构成软件定义电力物联网的控制层，并且网络控制器作为软件定义电力物联网的控制面，进行转发路径计算、网络状态维护以及转发策略下发；
多个电力载波中继构成软件定义电力物联网的传输层，并且电力载波中继作为软件定义电力物联网的数据面，进行网络数据转发；
不同电力业务的终端设备构成软件定义电力物联网的业务层。
优选的，网络控制器与电力载波中继、网络控制器与电力业务的终端设备之间的安全信道均采用低压电力线窄带载波通信和过零通信方式进行网络控制信令和网络状态信息的传输；
主站服务器与集中器、集中器与电力载波中继、电力载波中继与电力业务终端之间的数据信道均采用低压电力线宽带载波通信方式传输各种电力业务产生的网络数据。
优选的，电力载波中继之间采用低压电力线宽带载波通信的方式进行通信；
不同电力业务的多个终端设备之间采用低压电力线宽带载波通信的方式进行通信。
优选的，电力物联网针对不同部门的不同电力业务，采用基于软件定义和网络虚拟化的网络切片分别构建对应的逻辑专网，逻辑专网用于提供相互隔离、功能可定制的网络服务；
不同的逻辑专网具有不同的QoS能力，QoS包括带宽、吞吐量、时延、丢包率网络性能指标。
更进一步的，不同电力业务的逻辑专网具有对应的SLA业务服务协议，SLA业务服务协议规定所在逻辑专网的网络业务特征和网络服务质量；
网络控制器根据SLA协议对不同电力业务的逻辑专网进行链路资源的特定分配。
更进一步的，网络控制器采用如下方法生成转发策略和分配方案：
采用电力线载波的通信方式接收电力业务终端和电力载波中继上传的网络状态信息；
根据网络状态信息获取到电力物联网的全网拓扑结构；
根据全网拓扑结构和不同电力业务的SLA业务服务协议，对不同电力业务的数据转发路径进行计算，生成满足不同电力业务通信要求的转发策略和分配方案。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明基于电力线载波通信的软件定义电力物联网架构，包括主站服务器、网络控制器、集中器、电力载波中继和电力业务终端，主站服务器与集中器、电力载波中继和电力业务终端的连接，电力载波中继和电力业务终端分别连接网络控制器，并且均采用电力线载波的通信方式，主站服务器存储和处理电力物联网的网络数据；网络控制器生成转发策略和分配方案并下发给电力载波中继和电力业务终端；集中器对软件定义电力物联网中一个台区内的网络数据进行网络边缘侧的存储与计算；电力载波中继根据转发策略与电力业务终端转发网络数据和根据分配方案分配链路资源；电力业务终端包括各种电力业务的终端设备。本发明利用电力系统现成的、覆盖范围最广的电力线载波通信构建网络架构，能提高电力系统中现有设备的利用率，有效降低电力物联网的建设成本。同时，本发明采用SDN技术构建电力物联网，将网络设备的控制平面与数据平面进行解耦，极大程度简化了网络管理的复杂度，实现对不同电力业务进行网络资源的灵活调配，有效减少网络的运营和维护成本，使网络架构更加灵活化、开放化和智能化。
(2)本发明基于电力线载波通信的软件定义电力物联网架构中，软件定义电力物联网包括多个不同的逻辑专网，不同的逻辑专网分别对应不同的电力业务，并根据对应业务需求进行电力线载波链路资源的按需分配，使得逻辑专网可以提供相互隔离、功能可定制的网络切片服务，能够满足不同业务部门的服务需求和更适应复杂多变的应对场景，有效解决电力物联网设备数量级增长的管理难题，提高网络的运行效率。
(3)本发明基于电力线载波通信的软件定义电力物联网架构中，通过网络控制器根据全网拓扑结构，对不同电力业务的数据转发路径进行计算，生成满足不同电力业务通信要求的转发策略和电力线载波链路资源的分配方案，从而实现对资源的合理分配和电力物联网的有效管理。
附图说明
图1是本发明基于电力线载波通信的软件定义电力物联网架构的网络结构图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例公开了一种基于电力线载波通信的软件定义电力物联网架构，如图1所示，包括：主站服务器、网络控制器、集中器、电力载波中继和电力业务终端。
软件定义电力物联网从上至下分成三层，分别为控制层、传输层和业务层，其中，
主站服务器和网络控制器构成软件定义电力物联网的控制层，并且网络控制器作为软件定义电力物联网的控制面，进行转发路径计算、网络状态维护以及转发策略下发等操作。
多个电力载波中继构成软件定义电力物联网的传输层，并且电力载波中继作为软件定义电力物联网的数据面，进行网络数据转发。
不同电力业务的终端设备构成软件定义电力物联网的业务层。电力业务包括生产制造、计量业务、能源动力、智能家居等，每个电力业务具有对应的电力业务终端。
在软件定义电力物联网中，主站服务器与集中器、电力载波中继和电力业务终端依次连接，电力载波中继和电力业务终端分别连接网络控制器，并且均采用电力线载波的通信方式。
在本实施例中，电力线载波通信是以电力系统现成的、覆盖范围最广的380V/220V，50Hz的交流电力线为传输媒介，电力线载波通信的调制方式为OFDM，编码方式为Turbo码。网络控制器具体为SDN控制器，电力载波中继具体为SDN交换机。
其中，主站服务器，用于存储和处理软件定义电力物联网产生的各种网络数据。各种网络数据具体是指不同电力业务的不同数据信息，如计量业务产生的电量信息。
网络控制器，用于生成控制网络数据转发的转发策略和电力线载波链路资源的分配方案，并将网络控制器的转发策略和分配方案下发给电力载波中继和电力业务终端。网络控制器所分配的电力线载波链路资源包括：电力线载波链路的时隙、带宽以及通信的端口等。
集中器，用于对软件定义电力物联网中一个台区内的网络数据进行网络边缘侧的存储与计算。一个集中器对应管理一个台区的网络数据。
电力载波中继，用于根据网络控制器的转发策略与不同的电力业务终端进行网络数据的转发，以及根据分配方案进行链路资源的分配。
电力业务终端，包括通过电力线载波通信接入电力物联网的各种电力业务的终端设备，例如计量业务终端包括多个电表，能源动力终端包括多个充电桩和配电线路。
在本实施例中，网络控制器与电力载波中继、网络控制器与电力业务的终端设备之间的安全信道均采用低压电力线窄带载波通信和过零通信方式进行网络控制信令和网络状态信息的传输。电力载波中继和网络控制器之间的通信协议为OpenFlow协议。依据国家能源局发布的电力行业规范DL/T 1407-2015，低压电力线窄带载波的工作频段为3kHz～500kHz。
主站服务器与集中器、集中器与电力载波中继、电力载波中继与电力业务终端之间的数据信道均采用低压电力线宽带载波通信方式传输各种电力业务产生的网络数据。多个电力载波中继之间、不同电力业务的多个终端设备之间也采用低压电力线宽带载波通信的方式进行通信。依据国家能源局发布的电力行业规范DL/T 1407-2015，低压电力线宽带载波的工作频段为1MHz～100MHz。不同的电力载波中继之间也采用低压电力线宽带载波通信的方式进行通信。
在本实施例中，电力物联网采用基于软件定义和网络虚拟化的网络切片技术，为电力物联网中不同部门的不同电力业务构建对应的逻辑专网，并根据对应业务需求进行电力线载波链路资源的按需分配。
不同的逻辑专网具有不同的QoS能力，QoS包括带宽、吞吐量、时延、丢包率等网络性能指标，可以提供相互隔离、功能可定制的网络切片服务，满足不同业务部门的服务需求和更适应复杂多变的应对场景。
不同电力业务的逻辑专网具有对应的SLA(Service level Agreement)业务服务协议，SLA业务服务协议规定所在逻辑专网的网络业务特征和网络服务质量。网络控制器可以根据SLA协议对不同电力业务的逻辑专网进行时隙和带宽等链路资源的特定分配，满足不同业务的通信需求，提供性能受保障的端到端网络切片服务。
此外，本实施例软件定义电力物联网还可以对不同逻辑专网的网络切片进行动态化管理，对已制定SLA协议的新型业务进行网络切片的动态增加，对SLA协议过期的业务进行网络切片的动态删除。
基于如上所述的软件定义电力物联网架构，电力载波中继及业务终端的转发策略的获取过程分为：
(1)转发策略和分配方案的生成；
本实施例的网络控制器具体是采用如下方法生成转发策略和分配方案：
采用电力线载波的通信方式接收电力业务终端和电力载波中继上传的网络状态信息；
根据网络状态信息获取到电力物联网的全网拓扑结构；
根据全网拓扑结构和不同电力业务的SLA业务服务协议，对不同电力业务的数据转发路径进行计算，生成满足不同电力业务通信要求的转发策略和分配方案。
(2)转发策略和分配方案的下发：网络控制器通过控制信令将数据转发路径和链路资源分配方案下发给对应的电力载波中继与电力业务终端。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于电力线载波通信的软件定义电力物联网架构，其特征在于，包括：主站服务器、网络控制器、集中器、电力载波中继和电力业务终端，主站服务器与集中器、电力载波中继和电力业务终端依次连接，电力载波中继和电力业务终端分别连接网络控制器，并且均采用电力线载波的通信方式，其中，
主站服务器，用于存储和处理软件定义电力物联网产生的各种网络数据；
网络控制器，用于生成控制网络数据转发的转发策略和电力线载波链路资源的分配方案，并将网络控制器的转发策略和分配方案下发给电力载波中继和电力业务终端；
集中器，用于对软件定义电力物联网中一个台区内的网络数据进行网络边缘侧的存储与计算；
电力载波中继，用于根据网络控制器的转发策略与不同的电力业务终端进行网络数据的转发，以及根据分配方案进行链路资源的分配；
电力业务终端，包括通过电力线载波通信接入电力物联网的各种电力业务的终端设备。
2.根据权利要求1所述的基于电力线载波通信的软件定义电力物联网架构，其特征在于，软件定义电力物联网从上至下分成三层，分别为控制层、传输层和业务层，其中，
主站服务器和网络控制器构成软件定义电力物联网的控制层，并且网络控制器作为软件定义电力物联网的控制面，进行转发路径计算、网络状态维护以及转发策略下发；
多个电力载波中继构成软件定义电力物联网的传输层，并且电力载波中继作为软件定义电力物联网的数据面，进行网络数据转发；
不同电力业务的终端设备构成软件定义电力物联网的业务层。
3.根据权利要求1所述的基于电力线载波通信的软件定义电力物联网架构，其特征在于，网络控制器与电力载波中继、网络控制器与电力业务的终端设备之间的安全信道均采用低压电力线窄带载波通信和过零通信方式进行网络控制信令和网络状态信息的传输；
主站服务器与集中器、集中器与电力载波中继、电力载波中继与电力业务终端之间的数据信道均采用低压电力线宽带载波通信方式传输各种电力业务产生的网络数据。
4.根据权利要求1所述的基于电力线载波通信的软件定义电力物联网架构，其特征在于，电力载波中继之间采用低压电力线宽带载波通信的方式进行通信；
不同电力业务的多个终端设备之间采用低压电力线宽带载波通信的方式进行通信。
5.根据权利要求1所述的基于电力线载波通信的软件定义电力物联网架构，其特征在于，电力物联网针对不同部门的不同电力业务，采用基于软件定义和网络虚拟化的网络切片分别构建对应的逻辑专网，逻辑专网用于提供相互隔离、功能可定制的网络服务；
不同的逻辑专网具有不同的QoS能力，QoS包括带宽、吞吐量、时延、丢包率网络性能指标。
6.根据权利要求5所述的基于电力线载波通信的软件定义电力物联网架构，其特征在于，不同电力业务的逻辑专网具有对应的SLA业务服务协议，SLA业务服务协议规定所在逻辑专网的网络业务特征和网络服务质量；
网络控制器根据SLA协议对不同电力业务的逻辑专网进行链路资源的特定分配。
7.根据权利要求6所述的基于电力线载波通信的软件定义电力物联网架构，其特征在于，网络控制器采用如下方法生成转发策略和分配方案：
采用电力线载波的通信方式接收电力业务终端和电力载波中继上传的网络状态信息；
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根据全网拓扑结构和不同电力业务的SLA业务服务协议，对不同电力业务的数据转发路径进行计算，生成满足不同电力业务通信要求的转发策略和分配方案。
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