基于SDN 的电力通信网集中控制架构

2023-09-02李凡

通信电源技术 2023年14期

李凡

（中通服网盈科技有限公司，江苏南京 210000）

0 引言

电网不仅维持着日常中电能的传输，而且能够优化能源配备。目前，涌现出各种类型的电力通信服务，以往电力通信网络的灵活性已无法适应业务需求。因此，针对统一的管理控制平台的问题亟待解决，以达到电力服务灵活开放目的，进而实现网络架构服务、控制和载体的分离。软件定义网络（Software Defined Network，SDN）受到了很大的关注[1]。传统的通信网往往存在单一分散控制的缺陷，而SDN 技术可以轻松解决这一问题。虽然SDN 技术在许多云计算网络中已经成功应用，但是相对于电力通信网中的应用仍不够成熟。因此，为提升电网集中管理、控制的效率和可靠性，许多学者研究设计了SDN 的配电通信网络集中管理控制体系结构。为了提升控制水平，参照控制器集群技术、南向及北向接口的策略，提出了基于SDN 的电力通信网集中控制网络总体框架。

1 基于SDN 的电力通信网控制架构设计

1.1 复杂终端通信的南向接口方案

本文借助网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）技术并应用在南向接口，通过在通用硬件上的软件化来实现不同的终端硬件功能。针对不同的管控设备和配用电监测，根据NFV 原理进行优化，将独有的硬件集合成为通用硬件，其功能借由软件来完成，并且提供可编程网络接口。硬件功能统一化管控的内容包括：网络功能虚拟化基础设施（Network Functions Virtualization Infrastructure，NFVI）、虚拟网络层（Virtual Network Feature，VNF）和NFV 管理与编排（Management and Orchestration，MANO）。第1 部分主要提供作业环境，以实施虚拟系统功能，包含云系统和通用硬件等；第2 部分与现实网络的功能相同；第3 部分包括NFVI管理系统、VNF 管理系统及业务排编系统，其作用是处理网络业务和对应资源的计算、编排、存储和综合管理控制。

1.2 电力大数据交互的北向接口方案

网络管理与控制功能借助北向接口的简单网管协议（Simple Network Management Protocol，SNMP）技术开发，以满足大数据之间交流可管控化的需要。该方案的特点可以分为2 部分：一是在SNMP 的基础上开发，作业人员操作经验充足；二是拥有相对便捷的信息管理库，管理流程明了。

管理工作站可通过SetRequest、GetRequest 和GetNextRequest 这3 种请求命令，用户使用命令Get得到被管理方的变量数据，然后借助命令Set进行更新。用户发布命令GetResponse 作为应答。SNMP 管理站协议处理的作用是将应答信息发送到需要管理和控制的应用程序中，而错误的消息则通过命令Trap 响应。

借助传输层用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）进行传输，并且为确保SNMP 信息的传输传送的可靠性，需要在上层应用程序中实现重复发送、超时重新传输等操作。因此，SNMP 在可靠管理控制方面的缺点可以借由TL1（Transaction Language 1）协议进行弥补。

1.3 基于集群技术的SDN 高稳定性控制方案

控制器是SDN 控制架构的关键。控制器的设置、功能的实现效果是完成电力通信网络集中控制和管理的重点。因此，利用已较为完备的控制器集群技术来多元化设置架构控制面中不同的控制器。电力通信网络的运营、维护、管理和控制功能借助软件完成，各种控制器之间的信息交互则借助特有的集中通信过程完成。

框架可分为3 层，从上到下依次为集群管理层、根控制器层、本地控制器层。集群管理层核心是实行各种控制器之间的信息同步和任务功能分配；根控制器层的作用是维持稳定的网络状态并实时解决相应的业务；本地控制器层的作用是管理并解决各种各样的本地业务[2]。

控制系统中使用集群技术，可以一定程度降低原控制方案中设备单个失效的概率，并提高处理海量交换机数据的能力。此外，它可以优化网络传输的品质并减少南向接口协议发送数据包时的时延。针对任意网络K，包括3 个部分，即通信链路、拓扑结构和网络节点设备。网络K的可靠性G重点依赖于链路的可靠性N1、拓扑结构L，还有节点设备的可靠性Nn。在此基础上，可以进一步优化控制系统。

1.4 电力通信网络集中控制总体框架

提出南向接口、北向接口及集中控制策略，并在此基础上借助SDN 技术设计了一套电通信网络体系框架，其总体结构如图1 所示。

图1 电力通信网集中控制框图

本框架分为3 个部分，分别为软件化电力业务层、SDN 集群控制系统和电力业务数据转发层。多域接入网的交换机等设备借助NFV 技术优化改进，OpenFlow协议则被运用到集中控制系统，对基层设备的域间切换、带宽分配及路由选择等功能的实行统筹管理。基层的设备只需负责流表匹配任务和信息转发。南向接口则给其提供信息渠道和控制系统实现信息交互。各种不同的业务通过基层的硬件设备与数据转发层相连，控制系统可以及时实现管理控制和监察[3]。

整个系统由集群管理系统、根控制器、本地控制器以及Flowvisor 物理网络虚拟化平台组成。这些组件负责全局网络资源的掌控和调度、动态调整带宽资源、网络链路以及拓扑管理等。

本地控制器只需执行接入网的控制任务，并把接入网的信息即时发送至根控制器，数据的分发全在虚拟化平台上完成。来自本地控制器转发的信息由根控制器处理解析，以此保障网络状态稳定性，并且对域间切换业务进行数据传送的管理和控制。集群管理层同时处理所有的根控制器数据，然后划分底层控制器的功能范围，并借助协调管控以防止网络信息不能及时交互。此外，SDN 控制系统可以将多控制器协同、网络监测等功能封装成软件应用接口，方便调用。

2 SDN 电力通信网集群控制系统总体设计

基于总体框架和控制功能实现方案设计，提出配电通信网络的集群控制基础系统平台。此平台借助了ODL（OpenDayLight）架构设计控制器，并基于北向接口设计各项重要应用程序。通过优化Openflow来定义用于电网通信与控制器的南向接口的标准[4]。集群控制基础系统平台在配电通信网络中，使用SDN体系架构提升传输网络的业务创新能力和控制灵活度。系统框架如图2 所示。

图2 配电通信网络集群控制基础系统平台架构

3 实现集中式通信链路管理与频谱分配的过程

配电通信网络集中控制系统接口关系如图3所示，描述了集群控制系统的关键控制部分，包括外部的连接逻辑和内部不同功能之间的连接关系。

图3 配电通信网络集中控制系统接口关系

控制器系统主要由拓扑和链路资源管理器、连接控制器、路由控制器、带宽控制器、域间倒换控制器、Restful 应用程序接口以及英特尔针对Wi-Fi 和蓝牙无线电提供的新型专有连接接口CVNI（Connectivity I/O Interface）南向协议模块组成，可降低成本并简化其无线模块[5-7]。其中：拓扑和链路资源管理器进行网络拓扑数据的接收、存储和管理；连接控制器实现模块间逻辑的建立、修改和删除；路由控制器运算处理得出网络中路由之间的路径；带宽控制器动态调节服务层网络的带宽；域间倒换控制器应对业务在多域网络间切换的问题；Restful 应用程序接口处理与应用程序之间的通信管理；CVNI 南向协议实现OpenFlow协议的控制功能。

根据上述的集中控制器，可以建立配电通信网络的集中控制基础系统平台[8]。其核心功能主要包括以下4 个方面，即网络拓扑和链路资源的管理、在多域网络间进行电力业务转换、面向电力服务的路由选择以及带宽资源的动态调节。本设计借助了集群控制器系统中这些关键功能的相互协作，完成对配电通信网络的集中管理控制。

4 SDN 集中控制系统的应用

提出基于SDN 的集中控制系统稳定性论证方案，使用主动拨测技术，通过在网络关键节点设置探针对通信通道的性能和状态进行主动监察，以保证配电通信系统稳定安全运转[9,10]。具体实施方案如下：基于广东省茂名市的配电网实际情况，采用特定的设置策略，其中包括在网络节点设置主动探针进行拨测。为了监测网络质量，可以通过拨测代理主动提交Ping 或Trace指令测量数据包丢失率和网络延迟等信息。此外，可以模拟用户行为来监测网络质量，例如发送超文本传输协议（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）、DNS、TCP SYN、文件传输协议（File Transfer Protocol，FTP）等请求来测量连接成功率、解析时间、连接时间以及响应时间等指标。值得注意的是，拨测终端必须与不同的虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN）进行连接，访问对应的服务器，模拟实际的业务操作以进行测试。建议同时部署多个拨测终端，分别对应各个VPN 并配置网口，其管理端口与全局路由进行连接，以达到数据传输至管理平台的目的。