特别策划 口 基于软件定义网络的主动配电网通信体系研究 周子冠 ，杨德胜 ，宋彦斌 ，张强 ，赵冲 ，刘全春 （１．国息通信产业集团北京智芯微电子科技有限公司，北京１ｏ２２０ｏ；２．国息通信产业集团有限公司，北京１０２２１１） 摘要：主动配电网的发展对其通信网络的传输带宽、可靠性、接入灵活性等方面提出了更高要求。针对主 动配电网通信业务需求，探究软件定义网络（ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｆｉｎｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ，ＳＤＮ）技术的特点，创新性地引入 软件定义网络的思想，提出了基于软件定义网络的主动配电通信网络体系架构，充分利用ＳＤＮ技术灵活、高 效、可编程的优势，对基于ＳＤＮ的主动配电网通信网络关键技术进行研究分析，以满足未来主动配电网业务 的通信需求。 关键词：主动配电网；软件定义网络；通信网络；业务需求；体系架构 中图分类号：ＴＭ７１ 文献标志码：Ａ ＤＯＩ：ｌ０．１９４２１／ｊ．ｃｎｋｉ．１００６．６３５７．２０ｌ６．１１．００２ ０引言 统一管控设备和不同接入设备间的协议与接口，抽象出 随着智能电网的发展，配电自动化、电能质量监 控制平面统一管理和控制异构的接入网，使配电通信网 测、配电运行监控、分布式能源接入等业务规模日趋扩 络更加智能化。大。在此背景下，主动配电网应运而生。配电网中分布 本文针对主动配电网通信业务需求，分析了软件定 式能源、保护装置、负荷等之间的数据和业务交互是实 义网络技术的原理，研究并提出了基于软件定义网络的 现主动配电网的重要基础 。主动配电网的发展对其 主动配电通信网络体系架构以及关键技术，以满足未来 通信网的传输带宽、可靠性、接入灵活性等方面提出了 主动配电网业务的通信需求。更高要求。如何利用有限的网络资源为大量的业务接入 提供端到端、层次化的ＱｏＳＨ￣务成为主动配电网通信系 统建设面临的重大难题。 ｌ主动配电网通信需求分析 随着主动配电网的发展和建设稳步推进，“网络 配电网的通信业务可以通过专网或者公网来实现， 化、互动化、开放化”成为了配电网规划与设计的主要 其通信系统主要分为两级网络：骨干层通信网络和接入 趋势。在这一趋势下，配电网通信技术面临着更高的挑 ６ Ｊ 层通信网络。骨干层通信网络用于配电主站与配电子站 战，具体体现存以下几个方面Ｌ之间的通信，而配电主站（子站）至配电终端的通信主 １）接口标准化与开放化需求。目前配电网通信系 要通过接入层通信网络实现。接入层通信网络可选择 统具有设备厂家多、接口各异、协议繁杂等特点，存在 的技术手段较为丰富，可综合采用无源光网络（ＰＯＮ／ 网络调试复杂、设备互操作性不足等问题，难以适应配 ＥＰＯＮ）、以太网／工业以太网、无线（无线公网／无线专 电网互动与开放要求。网）等多种接入技术Ｈ Ｊ。不同的接入方式各有优缺点， ２）多业务承载与服务质量（ＱｏＳ）保障需求。目前 建设时可根据实际情况，几种通信方式搭配使用。然 配电网通信系统的建设往往是针对单项配电业务的需求 而，配电网通信缺乏统一的网络规划，技术设计和标准 而开展，系统之间无法互联互通以及信息共享，造成网 等存在差异，对不同接入方式的管理控制能力弱，难以 络业务开通过程复杂，新业务接纳能力不足；同时，配 充分有效地利用通信网络资源，双向的信息通信能力不 电业务对于通信的可靠性、实时性、数据吞吐量和安全 足导致配电网中各类业务缺乏互动性。因此，为满足配 性等ＱｏＳ存在差异化需求，现有网络缺乏资源弹性调度 电网通信业务的安全稳定、高效可靠的要求以及适应未 与分配等ＱｏＳ保障手段，导致网络资源共享不足、综合 来新业务类型的需求，对现有的配电网通信网络进行重 效益不高等问题。点改造势在必行。在配电通信网络中加入可编程特性， ３）集中统一运维与管控需求。配电网通信系统节 点数量多、覆盖面广、拓扑结构复杂多变，同时缺乏统 基金项目：国家电网公司科技项目（ＳＧＩＴＯ（）（￣）ＫＩＪＳ１５｛）（）（ ）、、 Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＳＧＩＴＩ）Ｏ（）ＯＫＪＪＳ１５０（）（）１）８） ＤｌＳＴＲＩＢＵＴ１０Ｎ＆ＵＴＩＵＺＡＴｌＯＮ 一的管理接口与控制平面，造成运行维护界面、内容和 要求界定困难，难以满足“集约化、专业化、精益化” 供用电２０１６．１１ Ｏ７ ｌ１ ｉ ｉ２特别策划 的运维管控耍求。 异构接入子网进行融合，改变配电网难以管理和控制的 现状，提供可控、可靠、经济、双向的通信方式，以满 ２软件定义网络技术 软件定义网络（ＳＤＮ）是一种新兴的网络架构，它 采用控制和转发互相分离的思想，以可编程的方式实现 对各类通信业务的高效支持。ＳＤＮ技术通过对底层通信 设备进行抽象和映射，宴现通信网络的虚拟化。图ｌ描 述了 于ＳＤＮ的通信网络架构，主要分为３个功能平面： 转发平而、控制平面和业务平面 。 足更多样化的业务需求［９－１ｏ Ｉ。 业务平面 （各类配电业务） 北向接丌 Ｉ ｌ ｌ Ｉ 管理平面 （网管） 北向接１３】 北向接口 强鲻齑 商 躜游嚣跤￥遁监 蟛勰锄 嘶 蓉 鞲 … 南向接ｎ ｌ南向接ＶＩ ＼南向接口 工业以太网 无源光网络 无线网 转发平面 图２主动配电网基于软件定义通信网络的体系架构 Ｆｉｇ．２ Ｓｏｆｔｗａｒｅ—ｄｅｆｉｎｅｄ—ｎｅｔｗｏｒｋ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｉｖｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｐｏｗｅｒ—ｇｒｉｄ ３．１．１业务平面与管理平面 图１软件定义网络模型 Ｆｉｇ．１ Ｓｏｆｔｗａｒｅ—ｄｅｆｉｎｅｄ—ｎｅｔｗｏｒｋ ｍｏｄｅｌ 业务平面主耍承载不同通信方式的配电业务。随 着主动配电网技术的发展，新型配电业务日益丰富，呈 如冈ｌ所示：最底层是转发平面，负责数据处理， 现出多样化、复杂化的趋势。由于不同业务对十通信 数据转发和网络状态的收集；中间为控制平而，通过南 络的需求不尽相同，有必耍存应用层进行业务区分，南 向接口。负责基础设施层资源的编排，维护网络的拓扑 控制平面统一集中控制，以实现对多种ＱｏＳ业务的区分 和状态等信息：最上层为业务平面，主要是各种各样的 支持。业务平面的通信设备通过北向接口与控制器进行 有效实现对不同通信方式 业务和应用，通过调用控制器的北向接口获取所需资 交互，通过设计标准化的ＡＰＩ源。网络中，交换机和路由器的智能处理与控制功能全 业务的网络抽象和刚络虚拟化，最终实现控制层的有效 部集中到网络控制器，控制器则通过流表技术对网络中 控制。 的交换与路由设备进行统一控制和管理。而网络中的交 管理平面主要实现对通信网络的管理功能，通过 换与路南设备根据控制器下达的流表进行业务数据的转 统一制定标准化的两己电网通信设备接口协议，实现配电 发操作。因此，埘于上层应用和业务接口而言，网络交 网通信系统的故障管理、配置管理、性能管理、安伞 换与路南设备只是具备转发功能的逻辑实体。软件定义 管理、计费管理等功能。统一的标准协议主要包括融合 网络技术一方面使得信息通信网络的架构得到了极大的 网络中设备终端的发现，队列管理以及运行管理维护 简化，另一方而也使网络设备功能更为简单， 需耍根 （ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ，０ＡＭ）和网 络虚拟化等一系列管理功能。 据控制器下达的流表指令进行操作即可。 ３主动配ｌＵ网软件定义通信网络架构及关键 技术 ３．１体系架构 ３．１．２集中控制平面 集中控制平面作为集中式控制配电通信网的核心， 该控制平面通过统一南向协议，在控制层实现数据转发 平面的功能抽象，通过适用于不同配电通信网传输模式 基于面向配电通信网需求分析，结合配电通信网络 的转发平面代理，实现其网络功能与资源的统一控制， 现状，本文提出“三层四平面”的配电可编程通信网络 达到集中式控制，并通过转发平面代理实现底层设备的 的体系架构（如图２所示）。通过将现有配电通信网络的 可编程技术。０８ Ｉ 供用电２０１６ １１ ＤｌＳＴＲＩＢＵＴｌ０Ｎ＆ＵＴｌＬｌＺＡＴ１０Ｎ 特别策划 口 ３．１。３数据转发平面 控制器收集令鄢带宽请求厉，埘删络资源进行统一分配 数据转发平而包含了配电通信网络中的物理层设 与调特，实现网络资源的有效利用与控制。 备。存基于ＯｐｅｎＦｌｏｗ协议的ＳＤＮ架构中，这些物理层 ３．２．４业务性能保障技术 通信设备定义为ＯｐｅｎＦｌｏｗ交换机，都支持ＯｐｅｎＦｌｏｗ控 为保障配电通信网业务的性能，本研究采用甚于 制器分发的流表进行数据转发。控制平面存进行业务 优先级的配电通信业务数据包调度机制，包括建立基于 西己置时，只将ＯｐｅｎＦ１０ｗ交换机视为虚拟的接入节点接 ＱｏＳ的配电通信业务优先级划分横型和设计基于业务优 口。由于这些接入设备支持流转发，当有新的业务时或 先级的数据包调度算法。针对配电通信业务划分， 以 需耍存接入节点中启动新特性时直接通过对流表的配置 采用甚于时延敏感度的优先级划分方式，从时延、数据 柴宴现．这样可以大大加快业务的部署。用户接口相当 速率和可靠性３个维度对配电通信业务进行优先级的划 干虚拟节点的用户接口，南控制器形成配置参数并进行 分，使得优先级高的配电通信业务的性能得到保障。 下发。 数据包调度算法方面，采用按需式ＱｏＳ路由算法，考察 ３．２关键技术分析 ３．２．１网络控制层虚拟化技术 信道容量和时延对路由选择的 响，以满足网络的时延 特性；同时考察信道利用率和信道自相关函数对路由选 刚络控制层功能虚拟化是指存已有设备基础上，实 择的影响，保证网络具有较好的可靠性，从而为配电通 现网络主要功能存控制平而实现抽象的虚拟化技术。根 信网中异构业务提供差异化ＱｏＳ￣Ｅ务的需求。 掘网络流的特征划分虚拟嘲络，首先定义各个虚拟 络 ３＿２．５基于业务影响度的故障影响分析技术 中流量的特性，当有新的流进入到交换机，如果存流表 随着智能电 的快速发展，电力系统呈现众多子系 中没有相匹配的流表项，则会通知控制器处理该流，控 统间协同通信日益频繁的特点，大量的电力通信业务承 制器根据该流的特性将其划分到不同的流集合中。 载存电力通信网中。与传统的通信 不同，电力通信 所承载的业务与电力系统牛产、调度和控制密切相关， ３．２．２配电通信网管控数据模型 配电通信网管摔数据模型作为设备的信息存储中 故障埘业务的影Ⅱ向范围大，影响后果严重，导致了电力 心，彳Ｆ研究其定义方法肘，重点足耍明确哪些元素属于 通信的高安全、离可靠性的需求。由于电力系统生产的 设备的被管范围，管控埘象有哪些及如何划分管控对 不容间断性和运行状态变化的突发性，要求存电力通信 象。参照ＳＩＤ模型的组织方式，采用统一的配电通信设 网络管理中的故障定位算法更快速，以及时响应运行中 备管控数据模型（ＧＩＭ）定义方法，按照ＳＩＤ建模方法 不断变化的状态。因此，电力通信网发生敝障时，需耍 采用自匕而下、逐层细化的组织方式来完成管挖数据模 快速、客观的对故障影响程度进行度量，以避免造成电 型的定义。存定义管控数据模型时，首先按照管控对象 力通信事故。针对遗漏故障口ｊ‘能导致电力事故的问题， 域划分一管控类别划分一管控对象（南属性、参数等捕 于故障影响 控的思想，从业务影响度出发，研究和 述）的方式明确管控对象及其分类：其次，对管控对象 宴现配网通信系统的故障定位技术。 间关系定义，进而完成埘管控数据模型的定义。 ３．２．３网络资源灵活调度技术 存接入网中，由于多个通信终端共用同一骨干网接 口，因此， ４结语 本文针对软件定义网络技术在配电网中的应用趋 ，基１ 络的资源需要实现共享，而如伺分配阙络 势，结合主动配电网通信业务需求，研究并提出Ｊ资源将会埘网络性能造成巨大影响。接入网中的带宽资 软件定义网络的主动配电通信网络体系架构以及关键技 源是网络资源的重要部分，传统网络通过各个终端设备 术，实现配电网通信网络的可编程化，解决ＳＤＮ技术存 上的带宽分配算法实现分伟式控制，而存集中式控制刚 主动配电网通信应用中的适用性问题，提高配电网通信 络中，各个终端将网络带宽资源抽象到控制器，各个终 刚络与业务之ｎ１Ｊ的匹配性，充分满足未来主动配电网业 端向总控制器发送网络带宽资源请求，申请网络资源， 务的通信需求。 ’四 参考文献 ［１］张建华，曾博，张玉莹，等．主动配电网规划关键 问题与研究展望［Ｊ］．电工技术学报，２０１ ４，２９ （２）：１３—２３． ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎｈｕａ，ＺＥＮＧ Ｂｏ，ＺＨＡＮＧ Ｙｕｙｉｎｇ，ｅｔ ａ１． Ｋｅｙ ｉｓｓｕｅｓ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ａｃｔｉｖｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏ ｒｋ ｐｌａｎｎｉｎｇ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｓ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｄ ＪＳＴＲ ＪＢＵ丁ｆ０Ｎ＆ＵＴｌＬ ＪＺＡＴＩＯＮ 供用电２０１６ １ １ Ｊ ０９ 特别策划 ＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａＩ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２０１４，２９（２）：ｌ３．２３． Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１４，２０（５）：３８ ４１． ［２］范明天，张祖平，苏傲雪，等．主动配电系统可行 技术的研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２０ｌ ３，３３ （２２）：ｌ２一ｌ８． ＦＡＮ Ｍｉｎｇｔｉａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｚｕｐｉｎｇ，ＳＵ Ａｏｘｕｅ，ｅｔ ａ１． ［６］王淑玲，李济汉，张云勇，等．ＳＤＮ架构及安全性研 究［Ｊ］。电信科学，２０１３，２９（３）：１１７—１２２． ＷＡＮＧ Ｓｈｕｌｉｎｇ，ＬＩ Ｊｉｈａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｙｕｎｙｏｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ＳＤＮ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｌ Ｊ ｊ． Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１３，２９（３）：ｌ１７—１２２． Ｅｎａｂｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ａｃｔｉｖｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ＬＪｊ。 Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆｔｈｅ ＣＳＥＥ，２０ｌ３，３３（２２）：ｌ２一ｌ８． ［７］李纪舟，何恩．软件定义网络技术及发展趋势综述 ［Ｊ］．通信技术，２０１４，４７（２）：ｌ２３—１２７． Ｌｌ Ｊｉｚｈｏｕ，ＨＥ Ｅｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｆｕｔｕ ｒｅ ［３］易浩勇，刘柱．智能配电混合通信系统的设计与实现 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［１０］龚静．配电网综合自动化技术［Ｍ］．北京：机械工业 出版社，２００８． ｄｅｆｉｎｅｄ ｏＰｔｉｃａｌ ａｃ ｃｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓ［Ｊ］．ｚＴＥ 收稿日期：２０ｌ６—０８．２５ 作者简介： 周子冠（１９８１一），男，博士，高级工程师，主要从事智能电网 技术方面的工作。 张强（１９７２一），男，硕士，工程师，主要从事智能配用电通信 方面的工作。 杨德胜（１９７８一），男，硕士，助理工程师，主要从事营销管理、 一赵冲（１９８５一），女，硕士．工程师，主要从事智能配用电方面 的工作。 刘全春（１９８４一），男，硕士，工程师，主要从事智能配用电通 信方面的工作。 体化平台方面的工作。 宋彦斌（１９８４一），男，硕士，工程师，主要从事智能电网通信 技术方面的工作。 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｄｅｆｉｎｅｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｉｎ Ａｃｔｉｖｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ ＺＨＯＵ Ｚｉｇｕａｎ’，ＹＡＮＧ Ｄｅｓｈｅｎｇ ，ＳＯＮＧ Ｙａｎｂｉｎ‘，ＺＨＡＮＧ Ｑｉａｎｇ ，ＺＨＡＯ Ｃｈｏｎｇ ，ＬＩＵ Ｑｕａｎｃｈｕｎ （１．Ｂｅｉｊ ｉｎｇ Ｓｍａｒｔｃｈｉｐ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．ｏｆ Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ＆Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ。 Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２２００，Ｃｈｉｎａ：２．Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ＆Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２２１ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｃｔｉｖｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｇｒｅａｔ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ，ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ａｃｃｅｓｓ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ．Ａｉｍｉｎｇ ｔｏ ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅｓｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｃｔｉｖｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｆｉｎｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ（ＳＤＮ） ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．Ｏｎ ｔｈｉｓ ｂａｓｉｓ，ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｆｉｎｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｉｎ ａｃｔｉｖｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｔｏｇｅｔｈｅｒ ｗｉｔｈ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａｂｌｅ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ａｃｔｉｖｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｃｔｉｖｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ：ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｆｉｎｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ；ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ：ｓｅｒｖｉｃｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ；ｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ １。 ｌ 供用电２。１６－１１ ＤＩＳＴＲ ＪＢＵＴ『０Ｎ＆ＵＴｌ ＬＩＺＡＴ１０Ｎ
