基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的智能變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

黃 鑫，李 芹，楊 貴，竹之涵，李文猛，施玉祥

(1.南瑞集團(tuán)公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，南京 211106； 2.智能電網(wǎng)保護(hù)與運(yùn)行控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南瑞集團(tuán)公司)，南京 211106；3.廣州思唯奇計(jì)算機(jī)技術(shù)有限公司，廣州 510003)(*通信作者電子郵箱huangxin@sgepri.sgcc.com.cn)

基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的智能變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

黃 鑫1,2*，李 芹1,2，楊 貴1,2，竹之涵3，李文猛1，施玉祥1,2

(1.南瑞集團(tuán)公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，南京 211106； 2.智能電網(wǎng)保護(hù)與運(yùn)行控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南瑞集團(tuán)公司)，南京 211106；3.廣州思唯奇計(jì)算機(jī)技術(shù)有限公司，廣州 510003)(*通信作者電子郵箱huangxin@sgepri.sgcc.com.cn)

隨著智能變電站二次裝置標(biāo)準(zhǔn)化、智能化水平的提升，需要有一種更高效、智能的通信網(wǎng)絡(luò)以滿足變電站運(yùn)行和維護(hù)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備即插即用、智能監(jiān)測、子網(wǎng)間安全隔離以及設(shè)備通用互換。針對(duì)智能站網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理、子網(wǎng)間安全隔離以及設(shè)備兼容性、互換性的應(yīng)用需求，提出了一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)技術(shù)的變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將IEC61850和OpenFlow協(xié)議用于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，利用OpenFlow控制器管控和隔離各獨(dú)立子網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理和子網(wǎng)安全隔離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)流量基于業(yè)務(wù)類型的精準(zhǔn)控制和數(shù)據(jù)的安全隔離，對(duì)于提升變電站運(yùn)行和維護(hù)水平有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

智能變電站；軟件定義網(wǎng)絡(luò)；OpenFlow；網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)

0 引言

智能變電站采用可靠、集成和環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動(dòng)完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計(jì)量和檢測等基本功能，具備支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策和協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)功能的變電站[1]。

隨著業(yè)務(wù)智能化需求的不斷提高，使得數(shù)據(jù)采集量和功能節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)交互量大大提高。面對(duì)這些應(yīng)用需求，變電站通信網(wǎng)絡(luò)作為智能變電站可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，其原有的組網(wǎng)理念以及功能、性能已不能滿足建設(shè)、運(yùn)維應(yīng)用需求。因此，建立一種網(wǎng)絡(luò)分層管理、業(yè)務(wù)自動(dòng)感知、裝置即插即用、網(wǎng)絡(luò)安全可靠、設(shè)備通用互換的智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，滿足智能變電站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)維需求，成為了電力科研和管理人員的共識(shí)[2-3]。

圍繞上述問題，文獻(xiàn)[4-5]設(shè)計(jì)了延時(shí)可測技術(shù)和業(yè)務(wù)流量管理的交換機(jī)模型，有效解決過程層網(wǎng)絡(luò)裝置過分依賴對(duì)時(shí)的問題以及智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)采樣值(Sampled Value，SV)報(bào)文、SV和GOOSE(Generic Object Oriented Substation Events)報(bào)文及GOOSE報(bào)文間的相互干擾問題；文獻(xiàn)[6-7]提出了一種基于介質(zhì)訪問控制(Media Access Control, MAC)地址匹配的智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備拓?fù)鋭?dòng)態(tài)識(shí)別方法。該方法通過交換機(jī)MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)表、數(shù)據(jù)報(bào)文和智能變電站全局配置文件(Substation Configuration Description, SCD)，實(shí)現(xiàn)了智能變電站交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)和智能電子設(shè)備的拓?fù)鋭?dòng)態(tài)識(shí)別；文獻(xiàn)[8-9]深入研究了電力二次設(shè)備在多種報(bào)文共網(wǎng)共口條件下接收和發(fā)送的優(yōu)化處理機(jī)制。在接收方向上針對(duì)變電站網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴條件下的報(bào)文特點(diǎn)，提出多級(jí)過濾、分組流量控制的方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴抑制，保證了正常報(bào)文的接收和處理；在發(fā)送方向上提出了以優(yōu)先級(jí)劃分為前提的優(yōu)化調(diào)度發(fā)送策略，保證了報(bào)文發(fā)送的實(shí)時(shí)性并充分利用了網(wǎng)絡(luò)帶寬；文獻(xiàn)[10-13]分別研究了軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network, SDN)在智能變電站網(wǎng)絡(luò)中自適應(yīng)配置、流量主動(dòng)監(jiān)控等技術(shù)，分析了SDN在智能變電站中應(yīng)用研究重點(diǎn)和預(yù)期，其中文獻(xiàn)[10]利用軟件定義技術(shù)設(shè)計(jì)了智能電網(wǎng)控制器，實(shí)現(xiàn)流量控制檢測、拒絕服務(wù)(Denial of Service, DoS)攻擊檢測和負(fù)載均衡檢測。雖然這些技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的采樣同步、即插即用、拓?fù)淇梢曇约傲髁靠刂频裙δ?，提高了變電站網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行管理水平，為網(wǎng)絡(luò)的智能化管理提供了很好的思路，但并沒有解決站控層網(wǎng)絡(luò)與過程層網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理與網(wǎng)絡(luò)安全隔離相互矛盾的問題，更沒有解決變電站改造和設(shè)備維護(hù)過程中設(shè)備兼容性和互換性問題，這些都將為變電站運(yùn)維帶來困難。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)是一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，其核心技術(shù)OpenFlow通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面分離開來，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，使網(wǎng)絡(luò)作為管道變得更加智能。本文通過分析智能變電站網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和存在問題，結(jié)合SDN技術(shù)特點(diǎn)，提出了基于IEC 61850和OpenFlow協(xié)議的智能變電站網(wǎng)絡(luò)模型和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，利用OpenFlow控制器管控并隔離各獨(dú)立子網(wǎng)，解決了全站網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理與網(wǎng)絡(luò)間安全隔離需求的矛盾，同時(shí)也解決了變電站運(yùn)維過程中對(duì)設(shè)備兼容性和互換性的應(yīng)用需求。

1 智能變電站網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀分析

目前，智能變電站網(wǎng)絡(luò)主要有三層兩網(wǎng)和三層一網(wǎng)兩種結(jié)構(gòu)形式。在智能變電站IEC 61850體系中采用三層兩網(wǎng)架構(gòu)。在這種架構(gòu)下，全站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，網(wǎng)絡(luò)之間相對(duì)獨(dú)立，物理隔離，網(wǎng)絡(luò)安全性高；但是，站內(nèi)有多個(gè)物理子網(wǎng)，全站信息共享度低，網(wǎng)絡(luò)管理困難。

針對(duì)這種狀況當(dāng)前各智能變電站設(shè)備廠商紛紛研制和開發(fā)“三層一網(wǎng)”“共網(wǎng)共口”組網(wǎng)裝置，MMS(Manufacturing Message Specification)、GOOSE、SV三種數(shù)據(jù)流接入同一套物理網(wǎng)絡(luò)，交換機(jī)及光口數(shù)量大幅減少。雖然這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡單，能夠做到全站信息共享，但也帶來了信息安全和流量控制等問題。目前，智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)存在問題如圖1所示。

通過圖1本文可以將智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)問題歸結(jié)為以下兩類：1)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(交換機(jī))自身能力不足：問題4、5、7、8反映了交換機(jī)對(duì)智能站業(yè)務(wù)感知能力差，未規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，兼容性差；2)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要改進(jìn)：問題1、2、3、6反映了網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)共享與網(wǎng)絡(luò)安全之間的矛盾。

針對(duì)上述兩點(diǎn)問題，本文提出的基于IEC 61850和OpenFlow協(xié)議的智能變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠滿足全站網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理與子網(wǎng)間安全隔離需求。

2 基于SDN的智能站網(wǎng)絡(luò)模型

SDN本質(zhì)上具有控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離、設(shè)備資源虛擬化和通用硬件及軟件可編程三大特性[14]，其在智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，可使智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備擺脫對(duì)硬件供應(yīng)商及私有協(xié)議的依賴，功能更加專一化；控制器統(tǒng)一對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行配置，可縮短電力業(yè)務(wù)的開通時(shí)間。電力用戶通過對(duì)智能站自身特性及所承載業(yè)務(wù)屬性分析，開發(fā)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和控制器功能模型和流表，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的即插即用、自動(dòng)配置以及智能管控等功能。

2.1 網(wǎng)絡(luò)基本構(gòu)成

基于SDN的智能變電站網(wǎng)絡(luò)主要分為網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、SDN控制器和應(yīng)用程序接口(Application Programming Interface, API)三個(gè)部分[15]，具體如圖2所示。其中轉(zhuǎn)發(fā)平面與控制平面通信采用南向接口協(xié)議OpenFlow協(xié)議，控制平面和應(yīng)用平面采用北向接口協(xié)議IEC 61850協(xié)議，通過采用國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，解決設(shè)備通用互換問題。

圖1 智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)存在問題

圖2 基于SDN的智能站網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)

2.2 交換機(jī)的功能模型

圖3為網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的模型，模型分為4個(gè)模塊：分別為業(yè)務(wù)流輸入、路徑選擇(映射/篩選)、排隊(duì)規(guī)則和報(bào)文離去，路徑選擇(映射/篩選)模塊和排隊(duì)規(guī)則模塊一般由專用芯片完成。

圖3 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)功能模型

針對(duì)圖3所示的各個(gè)模塊說明如下：

1)業(yè)務(wù)流輸入模塊。主要功能為記錄報(bào)文進(jìn)入時(shí)刻T1，以及端口物理特性識(shí)別，如光功率、溫度等。

2)路徑選擇(映射/篩選)模塊。依據(jù)IEC 61850全站配置文件(SCD)生成的流表規(guī)則，對(duì)輸入業(yè)務(wù)流進(jìn)行篩選，流量進(jìn)行控制，建立端口間關(guān)聯(lián)鏈路，并建立鏈路間虛擬隔離通道；業(yè)務(wù)流特征過程層可以包括：MAC、以太網(wǎng)類型、APPID(Application Identifier)、發(fā)送頻率、流量等；站控層可包括：TCP(Transmission Control Protocol)及UDP(User Datagram Protocol)協(xié)議屬性以及MMS、NTP(Network Time Protocol)的會(huì)話關(guān)系等。

3)排隊(duì)規(guī)則模塊。依據(jù)IEC 61850全站配置文件SCD生成的流表規(guī)則，對(duì)關(guān)鍵報(bào)文進(jìn)行優(yōu)先排列或建立專屬通道，以保證SV、GOOSE的實(shí)時(shí)性。

4)報(bào)文離去模塊。記錄報(bào)文離開時(shí)間T2，并計(jì)算出駐留時(shí)間ΔT(ΔT=T2-T1)，寫入報(bào)文內(nèi)部(一般為SV報(bào)文的Reserved字段)，并發(fā)送出去。駐留時(shí)間的計(jì)算能夠有效解決由于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)抖動(dòng)大，影響采樣同步性的問題。

2.3 SDN控制器功能模型

相對(duì)智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行IEC 61850 建模，再進(jìn)行第三方分析，SDN 技術(shù)可直接借助自身網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(Network Operation System, NOS)實(shí)現(xiàn)對(duì)全站通信網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控和實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測，不再依賴于第三方安全設(shè)備或軟件，減少了網(wǎng)絡(luò)安全成本投入，降低了對(duì)不同廠商網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的依賴。

應(yīng)用于智能變電站的OpenFlow控制器首先需要安全可靠，能夠管控各獨(dú)立子網(wǎng)，并且使各獨(dú)立子網(wǎng)仍然保持嚴(yán)格的邏輯隔離，同時(shí)兼容IEC 61850協(xié)議，使其適用于智能變電站應(yīng)用需求。

OpenFlow控制器的功能模型主要包括北向接口、服務(wù)和應(yīng)用、南向接口三個(gè)部分。其中北向接口協(xié)議符合IEC 61850協(xié)議，與變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)議交互；服務(wù)和應(yīng)用包括變電站網(wǎng)絡(luò)需要的轉(zhuǎn)發(fā)策略、地址轉(zhuǎn)換、QoS(Quality of Service)、鏡像以及環(huán)網(wǎng)恢復(fù)等功能，同時(shí)具備接口隔離功能，為滿足智能變電站網(wǎng)絡(luò)配置要求，控制器能夠?qū)CD文件描述內(nèi)容轉(zhuǎn)化為OpenFlow流表；南向接口協(xié)議符合OpenFlow協(xié)議，用于流表下發(fā)。

圖4 OpenFlow控制器功能模型

2.4 API應(yīng)用功能需求模型

應(yīng)用層功能主要從工程建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)兩個(gè)方面出發(fā)，為電力用戶提供訂制化管理功能，目前主要用到的管理功能如圖5所示。工程建設(shè)需求包括：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)測試、告警管理、設(shè)備管理和文件管理；運(yùn)行維護(hù)需求包括：智能檢修、拓?fù)涔芾?、回路檢測、流量管理、告警管理、設(shè)備管理、文件管理、安全分析以及業(yè)務(wù)隔離功能。

圖5 API應(yīng)用功能需求

3 基于SDN的智能變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

作為SDN的核心部分，控制平面的特性對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能有非常大影響。通常來講，軟件定義網(wǎng)絡(luò)的控制平面主要由以下三部分組成：1)控制平臺(tái)，控制平臺(tái)主要負(fù)責(zé)狀態(tài)分發(fā)，如通過特定的接口從/向轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備讀取/發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及在多個(gè)控制器實(shí)例間協(xié)同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息；2)控制應(yīng)用，控制應(yīng)用通過使用控制平臺(tái)提供的編程接口開發(fā)而成，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)具體的網(wǎng)絡(luò)控制邏輯；3)控制網(wǎng)絡(luò)，控制網(wǎng)絡(luò)用于在控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面之間傳遞信息，還用于在不同的控制器實(shí)例間傳遞信息。由于網(wǎng)絡(luò)故障能夠?qū)е耂DN中網(wǎng)絡(luò)組件(如控制器或交換機(jī))間的通信中斷，進(jìn)而影響SDN的功能，因此提高控制網(wǎng)絡(luò)的可靠性十分重要[16-17]。

3.1 獨(dú)立子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分析

智能變電站三層兩網(wǎng)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰，全站有多個(gè)物理子網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)安全程度很高；考慮到網(wǎng)絡(luò)安全在智能變電站重要性，本文重點(diǎn)研究基于三層兩網(wǎng)架構(gòu)下的SDN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)，重點(diǎn)解決全站信息共享和網(wǎng)絡(luò)間安全隔離問題。

以220 kV變電站交換機(jī)配置原則為例，Q/GDW 393—2009 110(66) kV～220 kV智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定：1)站控層(含MMS、GOOSE)交換機(jī)要求：站控層應(yīng)冗余配置2臺(tái)中心交換機(jī)；2)間隔層宜按設(shè)備室或電壓間隔配置；3)過程層網(wǎng)絡(luò)當(dāng)GOOSE和SV均采用網(wǎng)絡(luò)方式傳輸時(shí)，220 kV電壓等級(jí)宜每兩個(gè)間隔配置兩臺(tái)交換機(jī)，110(66) kV電壓等級(jí)宜每兩間隔配B網(wǎng)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)數(shù)量在10臺(tái)左右，其中中心交換置2臺(tái)交換機(jī)。主變各側(cè)可配置2臺(tái)交換機(jī)，35 kV及以下交換機(jī)宜按母線段配置[18]。依據(jù)Q/GDW 393—2009，圖6為簡化的220 kV三層兩網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

圖6 220kV變電站網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

可以看出，智能變電站網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立子網(wǎng)較多，站控層網(wǎng)絡(luò)分為站控層A網(wǎng)和站控層B網(wǎng)；過程層網(wǎng)絡(luò)按電壓等級(jí)劃分，一般分為220 kV GOOSE A網(wǎng)、220 kV GOOSE B網(wǎng)、220 kV SV A網(wǎng)、220 kV SV B網(wǎng)、110 kV GOOSE網(wǎng)和110 kV SV網(wǎng)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)2～3臺(tái)交換機(jī)。

根據(jù)以上原則，將網(wǎng)絡(luò)簡化為圖6所示，在現(xiàn)有的智能站三層兩網(wǎng)架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)采用星形接線、A/B網(wǎng)冗余方式，充分考慮了網(wǎng)絡(luò)的可靠性問題。

3.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮控制器的部署位置、網(wǎng)絡(luò)路徑的冗余配置和子網(wǎng)間安全隔離三個(gè)方面。

1)控制器的部署位置：由于控制器既要控制站控層網(wǎng)絡(luò)，又要控制過程層網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)保證站內(nèi)架構(gòu)清晰，以此將控制器設(shè)計(jì)在間隔層；再考慮到控制器對(duì)過程層網(wǎng)絡(luò)的控制，以及連接線纜的便捷性，將控制器設(shè)計(jì)在主變保護(hù)間隔。

2)網(wǎng)絡(luò)路徑的冗余配置：由于星形網(wǎng)絡(luò)不具有數(shù)據(jù)通信路徑冗余功能，考慮到網(wǎng)絡(luò)控制路徑冗余性，需要至少2臺(tái)以上控制器部署在網(wǎng)絡(luò)的不同交換機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)控制路徑的冗余。

3)子網(wǎng)間安全隔離：控制器部署后的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖7所示，考慮到網(wǎng)絡(luò)隔離和安全性需求，SDN控制器在各子網(wǎng)間應(yīng)當(dāng)滿足嚴(yán)格邏輯隔離要求，這一點(diǎn)需要在控制器設(shè)計(jì)中各獨(dú)立接口采用獨(dú)立控制芯片。

本文研究的基于SDN的智能變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，滿足三層兩網(wǎng)的智能站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)要求，符合智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰，采用星形接線、A/B網(wǎng)冗余方式，充分考慮了網(wǎng)絡(luò)的可靠性問題；其中SDN控制器采用多端口設(shè)計(jì)，布置于變電站間隔層，各端口間嚴(yán)格邏輯隔離，滿足各子網(wǎng)內(nèi)業(yè)務(wù)流和子網(wǎng)間控制流通信需求。在第4章將對(duì)SDN控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)隔離和數(shù)據(jù)過濾的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

圖7 基于SDN的智能變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4 測試驗(yàn)證

目前國內(nèi)還沒有智能變電站工業(yè)交換機(jī)支持OpenFlow協(xié)議，因此本項(xiàng)目在研究過程中挑選了一款支持Openflow協(xié)議的商用交換機(jī)，采用開源SDN控制器進(jìn)行適合智能變電站應(yīng)用的流表開發(fā)[19]，搭建了測試驗(yàn)證平臺(tái)，進(jìn)行了SV、GOOSE數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)隔離驗(yàn)證。智能變電站OpenFlow流表設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖8 OpenFlow流表設(shè)計(jì)

為便于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測試裁剪了某330kV智能變電站全站配置文件SCD，僅保留了4種IED(Intelligent Electronic Device)設(shè)備，發(fā)送SV、GOOSE的組播地址分別為：

—A：01-0C-CD-04-00-20

—B：01-0C-CD-01-00-30

—C：01-0C-CD-01-00-31

—D：01-0C-CD-04-00-21

通過SDN控制器下發(fā)組表和流表項(xiàng)，指定流量輸出端口，實(shí)現(xiàn)SV、GOOSE報(bào)文的訂閱關(guān)系。下發(fā)組表和流表的語句示例如下。

組表示例：

{ "version" : "1.3.0",

"group" : {

"id" : 1,

"type" : "all",

"command" : "add",

"buckets" : [

{ "weight" : 0,

"watch_group" : 4294967295,

"watch_port" : 4294967295,

"actions" : [{"output" : 26}]

},

{ "weight" : 0,

"watch_group" : 4294967295,

"watch_port" : 4294967295,

"actions" : [{"output" : 27}]

}]}}

流表示例：

{ "flow":{

"priority": 1,

"table_id": 0,

"idle_timeout":60,

"match":[

{"eth_dst":"00:00:cd:04:00:20"}],

"instructions":

[{"write_actions":[{"group":1}]}]

}}

在示例中，將交換機(jī)的端口26、27作為組表group 1的動(dòng)作輸出端口，可類比為傳統(tǒng)交換機(jī)的組播轉(zhuǎn)發(fā)端口。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證拓?fù)淙鐖D9所示。

圖9 測試實(shí)驗(yàn)拓?fù)?/p>

網(wǎng)絡(luò)測試儀端口13～15分別連接交換機(jī)端口25～27，測試儀端口13模擬4種IED設(shè)備的流量進(jìn)行流表轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)的驗(yàn)證。

SDN控制器與交換機(jī)建立安全通道后，向交換機(jī)下發(fā)組表和流表。測試過程中，先下發(fā)組表和A、B兩條流表，測試儀發(fā)送流量驗(yàn)證OpenFlow流表配置的正確性及流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性。SDN控制器上查詢到的組表、流表以及測試儀的測試結(jié)果分別見圖10～12。

圖10 SDN控制器上的組表

圖11 SDN控制器上的流表

圖12 SDN控制器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖10～12中可看出，數(shù)據(jù)按流表和組表正確轉(zhuǎn)發(fā)到分配的接口，每條流量的轉(zhuǎn)發(fā)可按字節(jié)和包數(shù)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。流表中沒有的條目，數(shù)據(jù)不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)。

繼續(xù)下發(fā)C、D兩條流表，發(fā)送相同的流量驗(yàn)證，在交換機(jī)上查詢到的組表、流表如下，測試結(jié)果見圖13。

1)交換機(jī)上的組表數(shù)據(jù)如下。

Instance 1 group table information:

Group count:1

Group entry 1:

Type:All,byte count:--,packet count:--

Bucket 1 information:

Action count 1,watch port:any,watch group:any

Byte count--,packet count--

Output interface:XGE1/0/26

Bucket 2 information:

Action count 1,watch port:any,watch group:any

Byte count--,packet count--

Output interface:XGE1/0/27

Referenced information:

Count:4

Flow table:0

Flow entry:18,19,20,21

2)交換機(jī)上的流表數(shù)據(jù)如下。

Flow entry 18 information:

Cookie:0X0,priority:30000,hard time:0,idle time:0, flags:none,

Byte count:19988608,packet count:156161

Match information:

Ethernet destimation MAC address:010c-cd04-0020

Ethernet destimation MAC address mask:ffff-ffff-ffff

Instruction information:

Write actions:

Group:1

Flow entry 19 information:

Cookie:0X0,priority:30000,hard time:0,idle time:0, flags:none,

Byte count:499840,packet count:3905

Match information:

Ethernet destimation MAC address:010c-cd01-0030

Ethernet destimation MAC address mask:ffff-ffff-ffff

Flow entry 20 information:

Cookie:0X0,priority:30000,hard time:0,idle time:0, flags:none,

Byte count:169088,packet count:1321

Match information:

Ethernet destimation MAC address:010c-cd01-0031

Ethernet destimation MAC address mask:ffff-ffff-ffff

Flow entry 21 information:

Cookie:0X0,priority:30000,hard time:0,idle time:0, flags:none,

Byte count:6760576,packet count:52817

Match information:

Ethernet destimation MAC address:010c-cd01-0021

Ethernet destimation MAC address mask:ffff-ffff-ffff

3)交換機(jī)上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖13所示。

由圖13可看出，進(jìn)入交換機(jī)的數(shù)據(jù)嚴(yán)格按照組表和流表項(xiàng)轉(zhuǎn)發(fā)，并能實(shí)現(xiàn)同類數(shù)據(jù)流量的累加統(tǒng)計(jì)。

圖13 交換機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以上實(shí)驗(yàn)證明，Openflow交換機(jī)和開源的SDN控制器通過簡單的流表編輯和下發(fā)即可完成SV/GOOSE數(shù)據(jù)流的特定轉(zhuǎn)發(fā)，由SDN控制器調(diào)度交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面解耦，交換機(jī)沒有復(fù)雜的功能配置，數(shù)據(jù)進(jìn)入交換機(jī)后直接根據(jù)流表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，提高了交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)效率，也不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁塞的情況，在某種程度上實(shí)現(xiàn)了交換機(jī)的“即插即用”和安全隔離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的基于SDN的智能站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在流量控制和數(shù)據(jù)安全隔離方面，實(shí)現(xiàn)了基于業(yè)務(wù)類型和流量的精準(zhǔn)控制，對(duì)于提升變電站運(yùn)行和維護(hù)水平有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)語

從網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展來看，SDN提出的流量轉(zhuǎn)發(fā)與控制的分離技術(shù)，有利于專用網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)部署，用戶可以自定義來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由和傳輸規(guī)則策略，從而使網(wǎng)絡(luò)更加靈活和智能。本文針對(duì)智能站網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理、子網(wǎng)間安全隔離以及設(shè)備兼容性、互換性的應(yīng)用需求，提出了一種基于SDN技術(shù)的變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將IEC61850和OpenFlow協(xié)議用于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，利用OpenFlow控制器管控和隔離各獨(dú)立子網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理和子網(wǎng)安全隔離，對(duì)于提升變電站運(yùn)行和維護(hù)水平有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值。IEC 61850體系SCD文件中規(guī)定了全站IED設(shè)備之間的訂閱關(guān)系，展望SDN技術(shù)在智能變電站的應(yīng)用，對(duì)于面向智能變電站應(yīng)用的SDN控制器設(shè)計(jì)，使SCD文件轉(zhuǎn)化為高效的流表來調(diào)度全站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，將成為SDN網(wǎng)絡(luò)在智能變電站應(yīng)用的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

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Networkarchitecturedesignofsmartsubstationbasedonsoftwaredefinednetwork

HUANG Xin1,2*, LI Qin1,2, YANG Gui1,2, ZHU Zhihan3, LI Wenmeng1, SHI Yuxiang1,2

(1.NARIGroupCorporation(StateGridElectricPowerResearchInstitute),NanjingJiangsu211106,China;2.StateKeyLaboratoryofSmartGridProtectionandControl(NARIGroupCorporation),NanjingJiangsu211106,China；3.GuangzhouptSwitchComputerTechnologyCompanyLimited,GuangzhouGuangdong510003,China)

With the improvement of standardization and intelligence level of secondary equipment, a kind of communication network more efficient and smarter is needed in smart substation to meet the substation operation and maintenance requirements, to achieve equipment plug and play, intelligent monitoring, subnet secure isolation and element interchange. For the application needs of substation network unified management, security isolation between subnets and equipment compatibility and interchangeability, a Software Defined Network (SDN)-based substation network architecture was proposed. IEC 61850 and OpenFlow protocols were used for network architecture design. OpenFlow controller was used to control and isolate the individual subnets to implement network device management and subnet secure isolation. The experimental results show that precise traffic control based on service types, and securely data isolation can be implemented with the proposed substation SDN-based network architecture. It has a very important application value for promoting the operation and maintenance level of smart substation.

smart substation; Software Defined Network (SDN); OpenFlow; network switch

2017- 03- 08;

2017- 05- 03。

黃鑫(1980—)，男，吉林長春人，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向：電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信； 李芹(1976—)，女，江蘇沭陽人，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向：電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信； 楊貴(1976—)，男，吉林柳河人，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向：變電站自動(dòng)化； 竹之涵(1970—)，男，浙江嵊州人，工程師，碩士，主要研究方向：電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信； 李文猛(1989—)，男，河南新鄉(xiāng)人，工程師，碩士，主要研究方向：電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信； 施玉祥(1968—)，男，浙江寧波人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化。

1001- 9081(2017)09- 2512- 06

10.11772/j.issn.1001- 9081.2017.09.2512

TN915.853

A

HUANGXin, born in 1980, M. S., senior engineer. His research interests include power system network communication.

LIQin, born in 1976, M. S., senior engineer. Her research interests include power system network communication.

YANGGui, born in 1976, M. S., senior engineer. His research interests include substation automation.

ZHUZhihan, born in 1970, M. S., engineer. His research interests include power system network communication.

LIWenmeng, born in 1989, M. S., engineer. His research interests include power system network communication.

SHIYuxiang, born in 1980, M. S., professor-level senior engineer. His research interests include power system automation.