2. 智能电网保护与运行控制国家重点实验室(南瑞集团公司), 南京 211106;
3. 广州思唯奇计算机技术有限公司, 广州 510003
2. State Key Laboratory of Smart Grid Protection and Control(NARI Group Corporation), Nanjing Jiangsu 211106, China;
3. Guangzhou ptSwitch Computer Technology Company Limited, Guangzhou Guangdong 510003, China
智能变电站采用可靠、集成和环保的智能设备，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、计量和检测等基本功能，具备支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策和协同互动等高级功能的变电站[1]。
随着业务智能化需求的不断提高，使得数据采集量和功能节点之间数据交互量大大提高。面对这些应用需求，变电站通信网络作为智能变电站可靠运行的基础，其原有的组网理念以及功能、性能已不能满足建设、运维应用需求。因此，建立一种网络分层管理、业务自动感知、装置即插即用、网络安全可靠、设备通用互换的智能变电站通信网络架构，满足智能变电站网络建设和运维需求，成为了电力科研和管理人员的共识[2-3]。
围绕上述问题，文献[4-5]设计了延时可测技术和业务流量管理的交换机模型，有效解决过程层网络装置过分依赖对时的问题以及智能变电站过程层网络采样值(Sampled Value，SV)报文、SV和GOOSE (Generic Object Oriented Substation Events)报文及GOOSE报文间的相互干扰问题；文献[6-7]提出了一种基于介质访问控制(Media Access Control, MAC)地址匹配的智能变电站网络设备拓扑动态识别方法。该方法通过交换机MAC地址转发表、数据报文和智能变电站全局配置文件(Substation Configuration Description, SCD)，实现了智能变电站交换机网络和智能电子设备的拓扑动态识别；文献[8-9]深入研究了电力二次设备在多种报文共网共口条件下接收和发送的优化处理机制。在接收方向上针对变电站网络风暴条件下的报文特点，提出多级过滤、分组流量控制的方法实现网络风暴抑制，保证了正常报文的接收和处理；在发送方向上提出了以优先级划分为前提的优化调度发送策略，保证了报文发送的实时性并充分利用了网络带宽；文献[10-13]分别研究了软件定义网络(Software Defined Network, SDN)在智能变电站网络中自适应配置、流量主动监控等技术，分析了SDN在智能变电站中应用研究重点和预期，其中文献[10]利用软件定义技术设计了智能电网控制器，实现流量控制检测、拒绝服务(Denial of Service, DoS)攻击检测和负载均衡检测。虽然这些技术能够实现变电站网络设备的采样同步、即插即用、拓扑可视以及流量控制等功能，提高了变电站网络的运行管理水平，为网络的智能化管理提供了很好的思路，但并没有解决站控层网络与过程层网络统一管理与网络安全隔离相互矛盾的问题，更没有解决变电站改造和设备维护过程中设备兼容性和互换性问题，这些都将为变电站运维带来困难。
软件定义网络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，使网络作为管道变得更加智能。本文通过分析智能变电站网络现状和存在问题，结合SDN技术特点，提出了基于IEC 61850和OpenFlow协议的智能变电站网络模型和网络架构，利用OpenFlow控制器管控并隔离各独立子网，解决了全站网络统一管理与网络间安全隔离需求的矛盾，同时也解决了变电站运维过程中对设备兼容性和互换性的应用需求。
1 智能变电站网络现状分析目前，智能变电站网络主要有三层两网和三层一网两种结构形式。在智能变电站IEC 61850体系中采用三层两网架构。在这种架构下，全站系统结构清晰，网络之间相对独立，物理隔离，网络安全性高；但是，站内有多个物理子网，全站信息共享度低，网络管理困难。
针对这种状况当前各智能变电站设备厂商纷纷研制和开发“三层一网”“共网共口”组网装置，MMS (Manufacturing Message Specification)、GOOSE、SV三种数据流接入同一套物理网络，交换机及光口数量大幅减少。虽然这种网络架构简单，能够做到全站信息共享，但也带来了信息安全和流量控制等问题。目前，智能变电站通信网络存在问题如图 1所示。
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图 1 智能变电站通信网络存在问题 Figure 1 Problems in communication network of smart substation |
通过图 1本文可以将智能变电站通信网络问题归结为以下两类：1) 网络设备(交换机)自身能力不足：问题4、5、7、8反映了交换机对智能站业务感知能力差，未规定标准网络管理协议，兼容性差；2) 网络架构需要改进：问题1、2、3、6反映了网络管理、数据共享与网络安全之间的矛盾。
针对上述两点问题，本文提出的基于IEC 61850和OpenFlow协议的智能变电站网络架构能够满足全站网络统一管理与子网间安全隔离需求。
2 基于SDN的智能站网络模型SDN本质上具有控制和转发分离、设备资源虚拟化和通用硬件及软件可编程三大特性[14]，其在智能变电站通信网络中的应用，可使智能变电站通信网络设备摆脱对硬件供应商及私有协议的依赖，功能更加专一化；控制器统一对网络设备进行配置，可缩短电力业务的开通时间。电力用户通过对智能站自身特性及所承载业务属性分析，开发相应的网络交换机和控制器功能模型和流表，可以实现网络的即插即用、自动配置以及智能管控等功能。
2.1 网络基本构成基于SDN的智能变电站网络主要分为网络交换机、SDN控制器和应用程序接口(Application Programming Interface, API)三个部分[15]，具体如图 2所示。其中转发平面与控制平面通信采用南向接口协议OpenFlow协议，控制平面和应用平面采用北向接口协议IEC 61850协议，通过采用国际标准协议，解决设备通用互换问题。
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图 2 基于SDN的智能站网络基本结构 Figure 2 Basic structure of smart station network based on SDN |
图 3为网络交换机的模型，模型分为4个模块：分别为业务流输入、路径选择(映射/筛选)、排队规则和报文离去，路径选择(映射/筛选)模块和排队规则模块一般由专用芯片完成。
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图 3 网络交换机功能模型 Figure 3 Functional model of network switch |
针对图 3所示的各个模块说明如下：
1) 业务流输入模块。主要功能为记录报文进入时刻T1，以及端口物理特性识别，如光功率、温度等。
2) 路径选择(映射/筛选)模块。依据IEC 61850全站配置文件(SCD)生成的流表规则，对输入业务流进行筛选，流量进行控制，建立端口间关联链路，并建立链路间虚拟隔离通道；业务流特征过程层可以包括：MAC、以太网类型、APPID (Application Identifier)、发送频率、流量等；站控层可包括：TCP (Transmission Control Protocol)及UDP (User Datagram Protocol)协议属性以及MMS、NTP (Network Time Protocol)的会话关系等。
3) 排队规则模块。依据IEC 61850全站配置文件SCD生成的流表规则，对关键报文进行优先排列或建立专属通道，以保证SV、GOOSE的实时性。
4) 报文离去模块。记录报文离开时间T2，并计算出驻留时间ΔT (ΔT=T2-T1)，写入报文内部(一般为SV报文的Reserved字段)，并发送出去。驻留时间的计算能够有效解决由于网络延时抖动大，影响采样同步性的问题。
2.3 SDN控制器功能模型相对智能变电站通信网络中所有网络设备进行IEC 61850建模，再进行第三方分析，SDN技术可直接借助自身网络操作系统(Network Operation System, NOS)实现对全站通信网络的监控和实时状态监测，不再依赖于第三方安全设备或软件，减少了网络安全成本投入，降低了对不同厂商网络设备的依赖。
应用于智能变电站的OpenFlow控制器首先需要安全可靠，能够管控各独立子网，并且使各独立子网仍然保持严格的逻辑隔离，同时兼容IEC 61850协议，使其适用于智能变电站应用需求。
OpenFlow控制器的功能模型主要包括北向接口、服务和应用、南向接口三个部分。其中北向接口协议符合IEC 61850协议，与变电站一体化监控系统等应用系统进行协议交互；服务和应用包括变电站网络需要的转发策略、地址转换、QoS (Quality of Service)、镜像以及环网恢复等功能，同时具备接口隔离功能，为满足智能变电站网络配置要求，控制器能够将SCD文件描述内容转化为OpenFlow流表；南向接口协议符合OpenFlow协议，用于流表下发。
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图 4 OpenFlow控制器功能模型 Figure 4 Functional model of OpenFlow controller |
应用层功能主要从工程建设和运行维护两个方面出发，为电力用户提供订制化管理功能，目前主要用到的管理功能如图 5所示。工程建设需求包括：网络拓扑发现、网络测试、告警管理、设备管理和文件管理；运行维护需求包括：智能检修、拓扑管理、回路检测、流量管理、告警管理、设备管理、文件管理、安全分析以及业务隔离功能。
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图 5 API应用功能需求 Figure 5 Functional requirements of API application |
作为SDN的核心部分，控制平面的特性对整个网络的性能有非常大影响。通常来讲，软件定义网络的控制平面主要由以下三部分组成：1) 控制平台，控制平台主要负责状态分发，如通过特定的接口从/向转发设备读取/发送状态数据，以及在多个控制器实例间协同网络状态信息；2) 控制应用，控制应用通过使用控制平台提供的编程接口开发而成，负责实现具体的网络控制逻辑；3) 控制网络，控制网络用于在控制平面和转发平面之间传递信息，还用于在不同的控制器实例间传递信息。由于网络故障能够导致SDN中网络组件(如控制器或交换机)间的通信中断，进而影响SDN的功能，因此提高控制网络的可靠性十分重要[16-17]。
3.1 独立子网节点分析智能变电站三层两网架构，网络结构清晰，全站有多个物理子网，网络安全程度很高；考虑到网络安全在智能变电站重要性，本文重点研究基于三层两网架构下的SDN网络构，重点解决全站信息共享和网络间安全隔离问题。
以220 kV变电站交换机配置原则为例，Q/GDW 393—2009 110(66) kV~220 kV智能变电站设计规范中规定：1) 站控层(含MMS、GOOSE)交换机要求：站控层应冗余配置2台中心交换机；2) 间隔层宜按设备室或电压间隔配置；3) 过程层网络当GOOSE和SV均采用网络方式传输时，220 kV电压等级宜每两个间隔配置两台交换机，110(66) kV电压等级宜每两间隔配B网，每个网络交换机数量在10台左右，其中中心交换置2台交换机。主变各侧可配置2台交换机，35 kV及以下交换机宜按母线段配置[18]。依据Q/GDW 393—2009，图 6为简化的220 kV三层两网网络架构。
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图 6 220kV变电站网络节点 Figure 6 Network nodes of 220kV substation |
可以看出，智能变电站网络独立子网较多，站控层网络分为站控层A网和站控层B网；过程层网络按电压等级划分，一般分为220 kV GOOSE A网、220 kV GOOSE B网、220 kV SV A网、220 kV SV B网、110 kV GOOSE网和110 kV SV网，每个网络2~3台交换机。
根据以上原则，将网络简化为图 6所示，在现有的智能站三层两网架构中，网络采用星形接线、A/B网冗余方式，充分考虑了网络的可靠性问题。
3.2 网络架构设计智能变电站网络架构设计主要考虑控制器的部署位置、网络路径的冗余配置和子网间安全隔离三个方面。
1) 控制器的部署位置：由于控制器既要控制站控层网络，又要控制过程层网络，同时保证站内架构清晰，以此将控制器设计在间隔层；再考虑到控制器对过程层网络的控制，以及连接线缆的便捷性，将控制器设计在主变保护间隔。
2) 网络路径的冗余配置：由于星形网络不具有数据通信路径冗余功能，考虑到网络控制路径冗余性，需要至少2台以上控制器部署在网络的不同交换机上，以实现控制路径的冗余。
3) 子网间安全隔离：控制器部署后的网络架构如图 7所示，考虑到网络隔离和安全性需求，SDN控制器在各子网间应当满足严格逻辑隔离要求，这一点需要在控制器设计中各独立接口采用独立控制芯片。
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图 7 基于SDN的智能变电站网络架构 Figure 7 Network architecture of smart substation based on SDN |
本文研究的基于SDN的智能变电站网络架构，满足三层两网的智能站网络架构要求，符合智能变电站设计规范，网络结构清晰，采用星形接线、A/B网冗余方式，充分考虑了网络的可靠性问题；其中SDN控制器采用多端口设计，布置于变电站间隔层，各端口间严格逻辑隔离，满足各子网内业务流和子网间控制流通信需求。在第4章将对SDN控制器对网络隔离和数据过滤的有效性进行验证。
4 测试验证目前国内还没有智能变电站工业交换机支持OpenFlow协议，因此本项目在研究过程中挑选了一款支持Openflow协议的商用交换机，采用开源SDN控制器进行适合智能变电站应用的流表开发[19]，搭建了测试验证平台，进行了SV、GOOSE数据转发和网络隔离验证。智能变电站OpenFlow流表设计流程如图 8所示。
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图 8 OpenFlow流表设计 Figure 8 Flow graph design of OpenFlow |
为便于实验验证，测试裁剪了某330kV智能变电站全站配置文件SCD，仅保留了4种IED (Intelligent Electronic Device)设备，发送SV、GOOSE的组播地址分别为：
—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
通过SDN控制器下发组表和流表项，指定流量输出端口，实现SV、GOOSE报文的订阅关系。下发组表和流表的语句示例如下。
组表示例：
{ "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，将交换机的端口26、27作为组表group 1的动作输出端口，可类比为传统交换机的组播转发端口。实验验证拓扑如图 9所示。
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图 9 测试实验拓扑 Figure 9 Topology of test experiment |
网络测试仪端口13~15分别连接交换机端口25~27，测试仪端口13模拟4种IED设备的流量进行流表转发项的验证。
SDN控制器与交换机建立安全通道后，向交换机下发组表和流表。测试过程中，先下发组表和A、B两条流表，测试仪发送流量验证OpenFlow流表配置的正确性及流量数据统计的准确性。SDN控制器上查询到的组表、流表以及测试仪的测试结果分别见图 10~12。
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图 10 SDN控制器上的组表 Figure 10 Group table on SDN controller |
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图 11 SDN控制器上的流表 Figure 11 Flow table on SDN controller |
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图 12 SDN控制器实验结果 Figure 12 Experimental result on SDN controller |
从图 10~12中可看出，数据按流表和组表正确转发到分配的接口，每条流量的转发可按字节和包数分别进行统计。流表中没有的条目，数据不会转发。
继续下发C、D两条流表，发送相同的流量验证，在交换机上查询到的组表、流表如下，测试结果见图 13。
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图 13 交换机实验结果 Figure 13 Experimental result on switch |
1) 交换机上的组表数据如下。
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) 交换机上的流表数据如下。
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) 交换机上的实验数据如图 13所示。
由图 13可看出，进入交换机的数据严格按照组表和流表项转发，并能实现同类数据流量的累加统计。
以上实验证明，Openflow交换机和开源的SDN控制器通过简单的流表编辑和下发即可完成SV/GOOSE数据流的特定转发，由SDN控制器调度交换机的转发动作，实现控制平面与转发平面解耦，交换机没有复杂的功能配置，数据进入交换机后直接根据流表进行转发，提高了交换机的转发效率，也不会出现数据拥塞的情况，在某种程度上实现了交换机的“即插即用”和安全隔离。实验结果表明，提出的基于SDN的智能站网络架构，在流量控制和数据安全隔离方面，实现了基于业务类型和流量的精准控制，对于提升变电站运行和维护水平有着非常重要的应用价值。
5 结语从网络技术的发展来看，SDN提出的流量转发与控制的分离技术，有利于专用网络的业务部署，用户可以自定义来实现网络路由和传输规则策略，从而使网络更加灵活和智能。本文针对智能站网络统一管理、子网间安全隔离以及设备兼容性、互换性的应用需求，提出了一种基于SDN技术的变电站网络架构，将IEC61850和OpenFlow协议用于网络架构设计，利用OpenFlow控制器管控和隔离各独立子网，实现了网络设备管理和子网安全隔离，对于提升变电站运行和维护水平有着非常重要的应用价值。IEC 61850体系SCD文件中规定了全站IED设备之间的订阅关系，展望SDN技术在智能变电站的应用，对于面向智能变电站应用的SDN控制器设计，使SCD文件转化为高效的流表来调度全站网络数据，将成为SDN网络在智能变电站应用的重点和难点。
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