配电虚拟网络的制作方法

本发明涉及配电网络，并且更尤其涉及电力变电站中的虚拟网络。

背景技术：

近年来，在配电和输电系统中使用的部件已经变得越来越计算机化，从而促进了这种系统的配置、控制和自动化。许多传统的输电和配电部件(断路器、变压器、逆变器等)现在都结合了软件控制下的微处理器。

现在，基于微处理器的设备通常出现在配电变电站中，或者以其它方式部署在配电网上(例如，在配电杆上)。这些设备允许对配电子系统以及最终电网进行智能且通常自动的监视和控制。

不足为奇的是，已经发展了允许基于微处理器的电力部件相互通信的许多协议。值得注意的是，已经制定了变电站自动化的iec61850标准(其内容通过引用并入本文)，并且定义了通信协议和数据模型，以允许在基于微处理器的设备(称为智能电子设备(ied))之间进行标准化的互操作通信。

随着诸如光伏、风力发电之类的分布式能源的出现，以及电力存储设备的激增，电网中的ied的数量正在增加，并且ied之间的通信需求也在增加。

然而，计算机网络也已经独立发展。随着分组交换网络的出现，许多网络协议和标准得到了发展和完善，允许对计算机网络进行更灵活和复杂的配置和控制以及在这样的网络上更有效地交换流量。例如，时间敏感网络(tsn)和确定性网络(detnet)项目提出了额外的有效负载(即数据)处理能力(例如，数据整形、时间同步)和可控性(例如，流预留类、注册、管理对象)作为传统计算机网络的构建模块。

最值得注意的是，通信网络中的虚拟化将网络从底层硬件中抽象出来，并使虚拟网络能够以各种形式构建在固定安装的硬件上，因此如果网络需要改变，则不需要更换硬件。

不幸的是，在变电站自动化中，不能直接兼容或考虑计算机联网的某些方法。

因此，仍然需要增强配电自动化中的联网方法。

技术实现要素：

根据一个方面，提供了一种配电系统，该系统包括：多个变电站，变电站中的每个包括多个智能电子设备(ied)；以及将该变电站处的多个ied互连的通信网络；其中多个变电站处的通信网络被配置为跨越多个变电站中的多个变电站的至少一个虚拟网络，并且互连多个变电站中的多个变电站内的至少多个ied，使得至少一个虚拟网络上的消息所经历的延迟低于定义的阈值。

根据另一方面，提供了一种配置包括多个变电站的配电系统的方法，该方法包括：将变电站中的每个处的多个智能电子设备(ied)互连到局域网；在至少一个广域网之间互连局域网；使用变电站处的局域网和至少一个广域网来配置多个虚拟网络；建立消息传输延迟阈值，该阈值针对在虚拟网络上在ied之间交换的消息来定义最小的可接受延迟；测量在虚拟网络上在ied之间交换的消息的延迟；以及重新配置多个虚拟网络，以满足消息传输延迟阈值。

结合以下描述根据附图，其它特征将变得显而易见。

附图说明

在示出示例性实施方式的附图中，

图1是实施方式的示例性配电网络的示意图；

图2是智能电子设备的框图；

图3是图1的配电中的局域网和虚拟网的示意性框图；

图4是图1的配电中的网络的简图；以及

图5是示出图1的配电网络中的虚拟网络的建立和(重新)配置的流程图。

具体实施方式

图1示出示例性配电网络10。配电网络10包括高压配电网12，在多个源与接收器之间提供电能。源20可以是水力发电厂的组合；核电厂；燃煤发电厂；以及向电网12供电的其它发电厂(均未具体示出)。源20也可以是位于客户房屋中的光伏、风力或类似源。

来自配电网12的电力被提供给配电变电站14-1、14-2、14-3…(单独或共同的(一个或多个)配电变电站14)。

还描绘了以客户住宅和工厂等形式的典型的能量接收器18。

如应当理解的，一些接收器18可以充当能源，反之亦然。例如，能量消耗者也可以以风力、水力或光伏发电站的形式运行发电设施。它们可以连接在变电站14的下游，也可以向电网输送电力。示例组合的接收器/源被标记为接收器/源20/18。

配电变电站14向配电变压器16-1、16-2、16-3…(单独或共同的(一个或多个)变压器16)提供电力，进而在源20与接收器18之间传输电力。

每个变电站14包括一个或多个智能电子设备(ied)100-1、100-2…(单独或共同的(一个或多个)ied100)。如将理解的，ied100是基于微处理器的电力系统的控制器，并且可以控制断路器、变压器、电容器组、保护继电器等。

在图2中示出典型的ied100。典型的ied100包括允许ied充当电力电子设备的功能块50、处理器52、网络接口56以及通过一个或多个合适的总线58互连的存储器54。存储器54存储使ied100根据指令执行的处理器可执行指令-这当然取决于ied100的性质。

例如，在处理器控制下的ied100从变电站14的电子传感器和其它电力设备接收数据(如图1所示)，并且可以发出控制命令，例如断路器的跳闸。典型地，控制命令可以被传输到变电站14本地的或另一个变电站中的其它设备(包括其它ied100)，这些设备进而可以对命令作出反应。以这种方式，每个变电站或多个变电站的整体操作可以是自动化的。

如应当理解的，随着网络10上的接收器/源数量的增加，对互通ied的需求也增加了。例如，ied100可以将单独的电源接收器20和电源18与电网12连接或断开。它们同样可以控制提供给每个电源接收器20和来自每个源18的电力的功率因数。因此，ied100控制或影响电网12上的整体电力流动。

为了促进互操作性，示例性ied100可以支持变电站自动化的iec61850标准，其内容通过引用并入本文。iec61850允许标准化通信协议，该标准化通信协议允许在ied100之间的互通。

根据iec61850，ied100可以使用一个或多个通信协议进行通信，该通信协议包括：制造消息规范(mms)；面向通用对象的变电站事件(goose)；以及采样测量值(smv)协议。ied100因此支持这样的通信协议中的一个或多个。

如应当理解的，如果响应时间允许ied100对控制消息的快速(例如，小于4ms)响应，则现有的iec61850协议可以使用ied100处的网络接口在高速交换式以太网帧中传输，或者甚至通过互联网协议(ip)来传输。以这种方式，变电站14(图1)处的一个ied100可以向该变电站处的其它ied100提供控制信号。因此可以实现变电站14的实时(或接近实时)自动控制。这进而可以允许对电网12的整体控制。

因此，每个变电站14还包括一个或多个物理节点120，该物理节点将变电站14本地的ied100互连。物理节点120被组织以形成一个或多个局域网(lan)102或其它计算机通信网络。图3示意性地示出lan102。ied100可以充当lan102上的节点，并且可以与网络上的其它节点集成。物理节点被组织以形成一个或多个局域网(lan)102或其它网络。

变电站14-1处的ied100直接连接到lan102-1。变电站14-2处的ied100连接到lan102-2，以此类推，第n个变电站14-n处的ied100连接到lan102-n。为了便于理解，仅描述了三个变电站和lan。lan102-1、102-2、…单独地和共同地被称为(一个或多个)lan102。lan102例如可以是时间敏感网络(tsn)增强的以太网如在ieeetsn标准(包括tsn的基本标准：ieeestd802.1q-2018：网桥和桥接网络；ieeestd802.1ab-2016：站和媒体访问控制连接发现(指定链路层发现协议(lldp))；ieeestd802.1as-2011：桥接局域网中时间敏感应用的定时和同步；ieeestd802.1ax-2014：链路聚合；ieeestd802.1ba-2011：音频视频桥接(avb)系统；ieeestd802.1cb-2017：为可靠性而进行的帧复制和消除；ieeestd802.1cm-2018：前传的时间敏感网络，其全部内容通过引用并入本文)中描述的，或根据ieee802.1q的以太网或任何其他合适的lan。

多个lan102通过一个或多个广域网(wan)104互连，并形成跨越多个变电站14的通信网络110。wan104例如可以是公共互联网、确定性网络(detnet)增强型互联网或任何其它合适的广域网，并且可以包括多个物理网络节点101。

lan102的每个物理网络节点120和wan104的网络节点101可以采用普通技术人员已知的分组交换机、路由器、计算设备或其它常规网络节点的形式。这样，每个物理网络节点120/101通常可通过其自身的网络地址在网络110上寻址，并且包括其自身的联网逻辑。例如，网络交换机可以包括网络交换结构，该网络交换结构包括端口和控制逻辑。

如上，ied100可以是lan102上的节点120，并且可以包括在其它节点120中。在示例性实施方式中，网络节点120中的至少一些是动态可重配置的。这种可配置性允许重新配置节点120的网络路由和数据传输功能。示例性网络节点120例如可以是tsn和detnet兼容节点。

在一些实施方式中，网络节点120是在例如通过sdn控制器(如网络控制器140)的集中控制下的软件定义网络(sdn)节点。如应当理解的，sdn指的是基于软件的网络配置以及通过诸如opendaylight之类的控制器平台、诸如openflow之类的协议以及其它诸如由opennetworkingfoundation当前标准化的协议而与之兼容的物理或虚拟节点。例如，示例性网络节点120可以是tsn和detnet兼容节点，它们也是网络控制器140的集中控制下的sdn节点。

在其它实施方式中，网络节点120可以例如通过中间系统到中间系统(is-is)协议而处于分布式操作控制之下。每种方法都允许在每个网络节点120处使用路由/转发表的远程和/或动态配置，以将流量切换或路由到相邻节点。

一个或多个网络控制器140可以与节点120通信。用于lan(例如，lan102-1)的网络控制器140可以位于该lan102-1的变电站14-1的本地，或者可以位于另一个变电站。因此，网络控制器140的数量可能少于lan102的数量。替代地，在存在冗余的情况下，可能有更多这样的控制器140，其中在出现故障或不可用的情况下一个控制器140能够代替另一个控制器操作。

用于wan104的网络控制器140可以位于wan104中或其它地方，例如在变电站14中。网络控制器140的域可以是物理网络诸如lan102、wan104或者虚拟网络，建立在物理网络节点上或建立在另一个虚拟网络上，如下。

网络控制器140可以包括软件和硬件，以允许节点120和101的网络功能由管理员配置或者由网络管理员以自动化方式配置。为此，网络控制器140可以包括软件，该软件支持由节点120和101所理解的合适网络配置/管理协议并且允许在节点120和101处重新配置网络功能。合适的网络配置协议包括openflow、opendaylight的边界网关协议(bgp)插件、opendaylight的开放式最短路径优先(ospf)插件、网络配置协议(netconf)。网络控制器140(以及节点120和101)例如可以是与sdn架构兼容的控制器/节点。

实施方式的示例中，在lan102和wan104上建立多个虚拟网络。在网络102、wan104上并且因此在网络110上建立的示例性虚拟网络111(vnet111)、虚拟网络121(vnet121)、虚拟网络131(vnet131)和虚拟网络141(vnet141)在图4中示出。wan104上的节点101之间的链路未被示出。

示出了节点120之间的物理链路上的虚拟链路。如应当理解的，每个物理链路可以承载多个虚拟链路，并且每个物理节点120可以充当一个或多个虚拟网络中的虚拟节点。

此外，虚拟网络可以跨越多个lan102和wan104，从而跨越网络110。在示例性实施方式中，每个lan102可以被分成几个虚拟网络。另外，虚拟网络111、121和131可以跨越多个lan102和wan104。

如上，虚拟网络被建立在物理节点120和101上。此外，虚拟网络可以被建立在其它虚拟网络上。

换句话说，虚拟网络可以彼此层叠，并且每个物理节点120或101可以形成一个或多个虚拟网络的一部分。每个虚拟网络又包括建立在物理节点120上的虚拟节点。虚拟网络通常包含的虚拟节点的数量小于网络110上的物理节点的数量。此外，建立在已构建的虚拟网络上的任何虚拟网络包括其自身的虚拟网络节点，这些虚拟网络节点基于底层虚拟和物理网络(并因此基于物理节点)的虚拟。例如，在图4中，虚拟网络141被建立在虚拟网络121上。

建立虚拟网络的每个lan102的节点120的配置可以例如在网络控制器140处执行的软件的控制下例如由网络控制器140来控制。网络虚拟化可以通过使用已知协议或这种协议的扩展配置物理节点120来建立。例如，参与流量再分配的每个节点120可以与合适的网络虚拟化协议或标准兼容。支持虚拟化的示例性网络协议包括多协议标签交换(mpls)、openflow、opendaylight的bgp插件、opendaylight的ospf插件、netconf、ieee802.1q边缘控制协议、多vlan注册协议、互联网协议安全(ipsec)或is-is。

防火墙202可以进一步形成通信网络110的一部分，并且可以在一个或多个变电站14处找到，并在这些变电站处与相应的(一个或多个)lan102物理互连。可选地，可以提供多个防火墙202作为冗余。防火墙202可以作为虚拟网络111、121、131、141中的一个或多个的防火墙进行操作。每个防火墙202包括可由硬件辅助的软件功能，并且基于变电站网络和wan104中的硬件资源可用性来创建、维护和破坏这种功能。防火墙202的位置可以基于通信网络110中的可用资源来动态建立，并且因此可以迁移。防火墙202可以拦截去往相关联的虚拟网络111、121、131、141的流量，以确保只有授权的流量到达虚拟网络。来自和去往虚拟网络111、121、131、141的goose消息可以例如通过(一个或多个)防火墙202传输。openflow和类似的协议可以用于配置和迁移防火墙。同样，配置可以由控制器140在软件控制下启动。

ied100使用vnet111、121中的一个或多个的服务的goose消息进行通信，以与那些vnet或其它vnet(例如，vnet131)上的其它ied100进行通信。vnet111、121、131、141为这些goose消息以及其它消息和应用提供通信服务。vnet121通过使用一个或多个底层vnet141的服务来提供通信服务，并且每个这样的vnet141又可以使用其它底层vnet(未示出)的服务，直到使用物理节点120为止。

例如，存在作为lan的tsn增强物理网络和作为一个或多个物理wan的增强的detnet。此外，在软件控制下，使用openflow协议的网络控制器140可以配置连接某些ied的虚拟网络121。这种网络与其它虚拟网络(例如，vnet131)以及物理和虚拟网络上的其它流量隔离。所得到的虚拟网络121可以用于goose和mms业务，其中具体的goose类型消息具有最严格的实时要求和服务。此外，detnet可以在其上配置另一个虚拟网络。除了这些虚拟网络，可能存在承载虚拟局域网(vlan)的一个或多个虚拟网络，该虚拟局域网被标记为带有一个vlan标识符(即每种goose类型的vlan标签)的goose消息。

现在，为了有效，goose消息必须符合使用goose消息的端到端延迟最大值。使用goose消息进行通信的应用可以被归类为最严格的实时应用。在示例性实施方式中，取决于goose消息的类型和其它参数，端到端延迟最大值可以不同于其它应用，并且这可以通过一个或多个qos类别来实现，通常通过分配具有与在网络上提供最严格延迟的qos类别相对应的最严格延迟要求(即，最严格实时应用)的goose消息来实现。ied100可以使用goose消息托管一些这种最严格的实时应用。

例如，驻留在ied100上的应用，使用goose消息与其它ied100进行通信，可能携带电路跳闸命令或需要在定义的阈值内在ied100之间传输的其它数据，例如使用goose消息的最严格实时应用的端到端延迟的阈值a和阈值b，其中阈值a是期望的延迟，阈值b是最大容许延迟。阈值a和阈值b都可以表示为具有多个参数的向量，这些参数包括：延时[以时间单位测量]、频率、频率的时间间隔[以时间单位测量]以及其它可选参数。ied100的这种端到端延迟阈值用于确定每个vnet111、121、131、141的同类阈值。信息交换和这方面的任何协商(即，为每个vnet建立vnet阈值)可以在使用openflow或其它合适协议的网络控制器140之间发生。因此，我们具有用于每个vnet(例如，vnet111)的理想延迟阈值，即阈值a，以及用于每个vnet(例如，vnet111)的最大容许延迟阈值，即阈值b，阈值a和阈值b都用于使用goose消息的最严格的实时应用。

频率表示延迟大于频率时间间隔中的延时的出现次数除以延迟的所有出现次数。阈值a和阈值b可以例如使用openflow、安全超文本传输协议(https)、netconf或其它合适的协议由ied100传送到网络110，例如传送到网络控制器140，或者网络110例如网络控制器140可以基于由ied100传送的或者由控制ied的实体(未示出)传送的其它数据，例如使用https、netconf、iec61850或其它合适的协议来计算阈值a和阈值b。

每个ied100的不同应用或功能也可能需要不同的服务质量。

根据示例性实施方式，如图5所示，在框s502中，ied100在lan102中互连并跨越wan104。在框s504中，可以如上建立虚拟网络。在框s506中，可以建立合适的消息延迟阈值，该消息延迟阈值定义在ied100之间以及通过每个虚拟网络(例如，vnet111、121、131、141)交换的消息的最小可接受延迟。这些阈值可能是协议和vnet特定的。在框s508中，可以测量在虚拟网络上在ied之间交换的消息的延迟。

如果不满足vnet或ied端到端阈值，则可以在框s510中重新配置vnet111、121、131、141，以满足消息传输延迟阈值。例如，对于使用goose消息的最严格实时应用，可以重新配置vnet以满足阈值a和阈值b。可以使用openflow、netconf、is-is或其它合适的协议来完成重新配置。

具体地，建立的阈值b可以用于监视网络并触发vnet111、121、131、141的重新配置/重新计算。为此，控制器140在软件控制下可以测量和监视vnet111、121、131和141上的网络延迟，以确保vnet111、121、131和141中的每个上的节点间通信都满足阈值b。例如，可以测量vnet上的所有节点对之间的消息延迟。如果在vnet111、121、131或141上的节点之间未满足阈值b，则sdn控制器140可以重新配置lan102的底层节点120和wan104的底层节点101，以便满足阈值，例如，使用goose消息的最严格实时应用的阈值a和阈值b。

具体地，在vnet111、121、131、141的计算中，使用网络102的底层节点120和wan104的底层节点101，输入使用goose消息的最严格实时应用的端到端延迟的阈值a和阈值b。在一个这样的实施方式中，作为期望延迟的阈值a是计算的直接输入，例如是对应vnet的最短路径算法(并且将测得的延迟与阈值b进行比较，阈值b是最大容许延迟)的直接输入。

可选地，建立在另一个虚拟网络(例如，vnet121)上的虚拟网络(例如，vnet141)的网络控制器140可以向vnet121的网络控制器140传递消息，以重新配置由vnet141和vnet121使用的底层物理节点。这可能导致vnet的控制器140之间进一步的信息交换和协商。网络控制器140可以使用opendaylight或适应网络控制器之间的这种通信和信息交换的另一个合适的平台。openflow或其它合适的协议可以用于这种通信。

针对消息在虚拟网络中的两个端点(例如，与ied100连接的节点120的两个交换机/路由器端口)之间传输时经历的延迟，确定vnet阈值并测量延迟。可以在ied102或路由节点120的虚拟或物理端口处直接测量延迟。

例如，可以通过在ied100处的始发goose消息中包括时间戳，通过vnet(例如，vnet111、121、131或141)发送消息并且将该时间戳与接收ied处的接收时间进行比较，从而在每个ied100处测量消息延迟。替代地，可以检查数据包以识别goose消息，并在vnet的每个入口和出口点将其与时间戳相关联。这种时间戳可以用于确定延迟。

最终，接收和/或发送ied100可以观察到延迟，并且可以通知在其上观察到延迟的vnet的网络控制器140。例如，如果在任何ied100处测量的延迟大于用于最严格实时应用的端到端阈值b，则该ied100可以向其网络控制器140发起消息。这些消息和数据可以由ied100传送到网络控制器140，或者由控制ied的实体(未示出)传送，例如使用https、netconf、iec61850或其它合适的协议。网络控制器140进而可以通过计算新的拓扑做出反应，并重新配置vnet。

如果测量的具体vnet111、121、131、141的goose消息的端到端延迟大于最严格实时应用的阈值b，则可以计算用于适用的具体vnet的新vnet拓扑(包括新的资源分配)，以确保端到端延迟小于vnet111、121、131、141中的每个的阈值a。阈值a和b对于每个vnet111、121、131、141可以具有具体不同的值。可选地，阈值a和b可以在流量属性发生变化或类似的情况下进行更改，目的是为使用goose的最严格实时应用提供端到端阈值。例如，如果vnet(例如vnet131)遇到服务质量下降，则将vnet131的新阈值相应地设置为例如超过阈值b中的最小容许延迟的稍微更大的频率。可以使用在阈值b和可能的阈值a中具有更严格延迟和频率的新阈值来配置其它vnet121和vnet111。

方便地，控制器140处的软件可以设置阈值并计算具有更低延迟的、网络110上节点120与节点101之间的替代拓扑/路由。为此，可以使用opendaylight、is-is、协议和利用最短路径算法的计算、mpls和其它协议。替代地，控制器140可以使用合适的协议(使用qos约束)，例如is-is，发起节点120和101的分布式重新配置。因此，可以使用另一协议来建立替代拓扑。

每个vnet111、121、131、141可以使用其控制器140来确定路由并处理资源分配，并将信息传递给节点120(例如，交换机/路由器)，该节点针对vnet111、121、131、141安装虚拟路由/转发表。

框s506-s510可以周期性地或者根据需要重复，以确保随着网络条件的变化，已建立的vnet继续满足消息传递阈值。

当然，上述实施方式仅是说明性的，决非限制性的。所描述的实施方式易于对形式、部件布置、细节和操作顺序进行许多修改。本发明旨在包括由权利要求书限定的范围内的所有这种修改。