基于IEC61850的TSN网络配置方法、装置、设备及介质

技术领域

本申请涉及工业通信技术领域，特别是涉及一种基于IEC61850的TSN网络配置方法、装置、设备及介质。

背景技术

为了增强变电站自动化系统的互连、互通和互操作性，国际电工委员会针对变电站的功能架构、设备部署、抽象建模、数据规整和通信服务制定了IEC61850系列标准。该标准是电力系统自动化领域唯一的全球通用标准，通过该标准可以实现变电站自动化系统的工程运作标准化，使得变电站自动化系统的工程实施变得规范和统一。

目前，我国新建的智能变电站和光伏站均采用了IEC61850体系标准。如图1和图2所示，在上述两个系统中，同时存在SV（Sampled Value，采样值）、GOOSE（Generic ObjectOriented Substation Event，面向通用对象的变电站事件）、MMS（Manufacturing MessageSpecification，制造报文规范）和IEEE1588对时报文。其中，SV报文、GOOSE报文和IEEE1588事件报文是典型的周期报文，对确定性要求较高；MMS报文和IEEE 1588 BMC（Best MasterClock，最佳主时钟算法）报文为非周期报文，对确定性无要求。

然而，相关技术中上述两个系统仍然通过传统以太网交换机构建网络，由于传统以太网交换机为基于存储转发机制实现的数据处理和交换，存储转发机制固有的抖动和时延会给变电站网络带来极大的不确定性，因此传统以太网交换机并不适用于对实时性和确定性要求较高的场景。

发明内容

基于此，有必要针对上述缺陷或不足，提供一种基于IEC61850的TSN网络配置方法、装置、设备及介质，能够保障网络传输的实时性和确定性，提高电力场景速动性，同时实现网络的自动配置。

第一方面，本申请实施例提供了一种基于IEC61850的TSN网络配置方法，所述方法包括：

解析变电站配置描述SCD文件，所述SCD文件包括全站虚连接关系和流属性；

获取TSN交换机的网络拓扑，并确定每个所述TSN交换机直连的智能电子设备IED的应用标识符APPID与端口号的对应关系；

基于所述全站虚连接关系和流属性以及所述智能电子设备IED的应用标识符APPID与端口号的对应关系进行端到端流模型分析和排程计算，并生成配置信息；

下发所述配置信息至各所述TSN交换机。

在一个实施例中，所述基于所述全站虚连接关系和流属性以及所述智能电子设备IED的应用标识符APPID与端口号的对应关系进行端到端流模型分析和排程计算，并生成配置信息，包括：

根据所述全站虚连接关系和流属性，生成全站流转发路径表；

根据所述流转发路径表和所述智能电子设备IED的应用标识符APPID与端口号的对应关系，生成每个所述TSN交换机的流需求表；

根据所述流需求表，计算各所述TSN交换机的配置信息。

在一个实施例中，所述配置信息包括流量调度参数、流抢占参数和流量监控参数中的至少一者。

在一个实施例中，所述下发所述配置信息至各所述TSN交换机之后，所述方法还包括：

对各所述TSN交换机所形成网络进行监控，若所述网络拓扑发生变化和/或所述网络性能不满足预设条件，则重新计算并生成配置信息。

在一个实施例中，所述对各所述TSN交换机所形成网络进行监控，还包括：

当所述网络中流量异常和/或配置计算异常时，生成告警信息并进行日志记录。

第二方面，本申请实施例提供了一种基于IEC61850的TSN网络配置装置，所述装置包括：

解析模块，配置用于解析变电站配置描述SCD文件，所述SCD文件包括全站虚连接关系和流属性；

获取模块，配置用于获取TSN交换机的网络拓扑，并确定每个所述TSN交换机直连的智能电子设备IED的应用标识符APPID与端口号的对应关系；

计算模块，配置用于基于所述全站虚连接关系和流属性以及所述智能电子设备IED的应用标识符APPID与端口号的对应关系进行端到端流模型分析和排程计算，并生成配置信息；

下发模块，配置用于下发所述配置信息至各所述TSN交换机。

在一个实施例中，所述计算模块包括：

第一生成单元，配置用于根据所述全站虚连接关系和流属性，生成全站流转发路径表；

第二生成单元，配置用于根据所述流转发路径表和所述智能电子设备IED的应用标识符APPID与端口号的对应关系，生成每个所述TSN交换机的流需求表；

计算单元，配置用于根据所述流需求表，计算各所述TSN交换机的配置信息。

在一个实施例中，所述装置还包括：

监控模块，配置用于对各所述TSN交换机所形成网络进行监控，若所述网络拓扑发生变化和/或所述网络性能不满足预设条件，则向所述计算模块发送重新计算并生成配置信息的指令。

第三方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本申请任意实施例所提供的基于IEC61850的TSN网络配置方法的步骤。

第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本申请任意实施例所提供的基于IEC61850的TSN网络配置方法的步骤。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请实施例所提供的基于IEC61850的TSN网络配置方法、装置、设备及介质，通过在变电站系统中使用TSN交换机替换传统以太网交换机，由于TSN交换机对时间敏感，适合处理周期性数据，从而能够确保网络传输的实时性和确定性，提高了电力场景速动性，同时根据变电站配置描述SCD文件中全站虚连接关系和流属性以及网络拓扑中每个TSN交换机直连的智能电子设备IED的应用标识符APPID与端口号的对应关系，可以自动生成配置信息，提高了处理效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请实施例提供的一种智能变电站网络拓扑示意图；

图2为本申请实施例提供的一种光伏站网络拓扑示意图；

图3为本申请实施例提供的一种基于IEC61850的TSN网络配置方法的基本流程示意图；

图4为本申请实施例提供的一种TSN交换机的IEC61850分层模型示意图；

图5为本申请实施例提供的另一种基于IEC61850的TSN网络配置方法的流程示意图；

图6为本申请实施例提供的一种基于IEC61850的TSN网络配置装置的基本结构示意图；

图7为本申请实施例提供的另一种基于IEC61850的TSN网络配置装置的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的又一种基于IEC61850的TSN网络配置装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

为了便于理解和说明，下面通过图3至图8详细地阐述本申请实施例提供的基于IEC61850的TSN网络配置方法、装置、设备及介质。

在一个实施例中，如图3所示，提供了一种基于IEC61850的TSN网络配置方法，该方法包括以下步骤：

S101，解析变电站配置描述SCD文件，该SCD文件包括全站虚连接关系和流属性。

示例性地，本申请实施例通过解析SCD（Substation ConfigurationDescription，变电站配置描述）文件中比如Inputs/ExtRef元素来获取每条虚连接的流属性，可以包括但不限于发送周期、源端发送时间窗、目的端接收时间窗、确定性需求比如时延离散度等。其中，这些信息可以由Inputs/ExtRef元素的desc属性携带，也可以定义Private标签携带。另外，本申请实施例还可以通过解析比如Inputs标签获取发布者iedName与订阅者iedName的对应关系，以及提取iedName与APPID（ApplicationIdentifier，应用标识符）的对应关系。

S102，获取TSN交换机的网络拓扑，并确定每个TSN交换机直连的智能电子设备IED的应用标识符APPID与端口号的对应关系。

需要说明的是，IED是指智能电子设备（Intelligent Electronic Device）。TSN（Time Sensitive Network，时间敏感型网络）技术能够通过时钟同步（IEEE 802.1as）、流量调度（IEEE 802.1Qbv）、流抢占（IEEE 802.1Qbu）、流整形（IEEE 802.1Qav）、流量监控（IEEE 802.1Qci）和流预留（IEEE 802.1Qat）等一系列操作解决网络实时性和确定性的问题，提高了电力场景速动性。同时，TSN技术还满足IT（Information Technology）和OT（Operation Technology）融合的工业场景，可以实现SV、GOOSE、MMS以及IEEE 1588报文的共网传输。

S103，基于全站虚连接关系和流属性以及智能电子设备IED的应用标识符APPID与端口号的对应关系进行端到端流模型分析和排程计算，并生成配置信息。

示例性地，本申请实施例首先根据全站虚连接关系和流属性，生成全站流转发路径表，同时也可以生成冗余替代路径，比如路径划分方式可以包括但不限于VLAN（VirtualLocal Area Network）和open flow流表等技术；然后，根据流转发路径表和智能电子设备IED的应用标识符APPID与端口号的对应关系，生成每个TSN交换机的流需求表；进而，根据流需求表，计算各TSN交换机的配置信息，比如配置信息可以包括但不限于流量调度参数Qbv、流抢占参数Qbu和流量监控参数Qci中的至少一者。由于该问题涉及全局最优路径规划，对于最短路径和冗余替代路径的计算可采用最短路径算法比如Dijkstra等算法得出，而在流路径确定后可采用贪心算法、短作业优先、最高需求优先（最短延迟）等调度算法或AI辅助等手段实现流路径上每台交换机的TSN时隙配置计算。

可选地，如图4所示，其为本申请实施例提供的一种TSN交换机的IEC61850分层模型示意图。具体地，本申请实施例通过将一台物理的TSN交换机看成一个IED，其IEC61850标准分层模型可以包括服务、逻辑设备、逻辑节点、数据对象、数据属性和数据集等。

需要说明的是，服务是指将TSN交换机映射为一个服务器，TSN交换机所具有的网络能力通过服务的方式对外展现为电网应用。逻辑设备是指将TSN交换机映射为至少两个逻辑设备，其中TSN功能单独映射为一个逻辑设备，并定义为TSN逻辑设备，而其它交换机基础功能业界已经有成熟的IEC61850建模方案，此处不再赘述。

逻辑节点是指将每个TSN子功能映射为TSN逻辑设备的一个逻辑节点，如表1所示，可以包括但不限于以下逻辑节点：

表1 逻辑节点

数据对象（Data Object，DO）是指将构成每个TSN子功能的功能元素映射为数据对象，可以包括但不限于Qbv、Qbu、Qci，具体请参考表2至表6所示。

表2 Qbv数据对象

表3 Qbu数据对象

表4 Qci流过滤数据对象

表5 Qci流门实例数据对象

其中，PSFP是指基于每条流的过滤和策略（Per-Stream Filtering andPolicing）。

表6 Qci流meter实例数据对象

数据属性（Data Attribute，DA）是指数据对象的属性，比如周期值、速率、状态等。

数据集是指某个逻辑节点可以操作的数据对象实例的多个集合，其与数据控制块关联，用于客户端和服务器之间的信息交换。

本申请实施例中TSN交换机通过IEC61850通信协议栈，基于上述模型实现了变电站应用和TSN基础设施之间的数据通信。控制器可以基于IEC61850协议监控TSN网络，并依据其运行状态对网络配置做出实时调整，从而实现了TSN交换机与变电站既有系统之间的互操作性以及深度融合。

S104，下发配置信息至各TSN交换机。

可选地，如图5所示，本申请一些实施例在下发配置信息至各TSN交换机之后，该方法还包括以下步骤：S105，对各TSN交换机所形成网络进行监控，若网络拓扑发生变化和/或网络性能不满足预设条件，则重新计算并生成配置信息。这样设置的好处在于，本申请实施例能够根据网络的实时流量和状态，同时结合不同流量的特点和性能需求进行网络的动态规划和配置，极大地提高了网络的利用效率、确定性以及业务的实时性。

可选地，本申请一些实施例对各TSN交换机所形成网络进行监控的过程中，还包括以下步骤：S106，当网络中流量异常和/或配置计算异常时，生成告警信息并进行日志记录，这样设置的好处在于能够方便后续查找和维护。

上述基于IEC61850的TSN网络配置方法中，通过在变电站系统中使用TSN交换机替换传统以太网交换机，由于TSN交换机对时间敏感，适合处理周期性数据，从而能够确保网络传输的实时性和确定性，提高了电力场景速动性，同时根据变电站配置描述SCD文件中全站虚连接关系和流属性以及网络拓扑中每个TSN交换机直连的智能电子设备IED的应用标识符APPID与端口号的对应关系，可以自动生成配置信息，提高了处理效率。

应该理解的是，虽然图3的流程图中各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图3中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，如图6所示，提供了一种基于IEC61850的TSN网络配置装置，该装置100包括解析模块101、获取模块102、计算模块103和下发模块104。其中：

解析模块101，配置用于解析变电站配置描述SCD文件，该SCD文件包括全站虚连接关系和流属性；

获取模块102，配置用于获取TSN交换机的网络拓扑，并确定每个TSN交换机直连的智能电子设备IED的应用标识符APPID与端口号的对应关系；

计算模块103，配置用于基于全站虚连接关系和流属性以及智能电子设备IED的应用标识符APPID与端口号的对应关系进行端到端流模型分析和排程计算，并生成配置信息；

下发模块104，配置用于下发配置信息至各TSN交换机。

可选地，在本申请一些实施例中，如图7所示，计算模块103包括：

第一生成单元1031，配置用于根据全站虚连接关系和流属性，生成全站流转发路径表；

第二生成单元1032，配置用于根据流转发路径表和智能电子设备IED的应用标识符APPID与端口号的对应关系，生成每个TSN交换机的流需求表；

计算单元1033，配置用于根据流需求表，计算各TSN交换机的配置信息。

可选地，在本申请一些实施例中，配置信息包括流量调度参数、流抢占参数和流量监控参数中的至少一者。

可选地，在本申请一些实施例中，如图8所示，该装置100还包括：

监控模块105，配置用于对各TSN交换机所形成网络进行监控，若网络拓扑发生变化和/或网络性能不满足预设条件，则向计算模块103发送重新计算并生成配置信息的指令。

可选地，在本申请一些实施例中，监控模块105还配置用于当网络中流量异常和/或配置计算异常时，生成告警信息并进行日志记录。

上述基于IEC61850的TSN网络配置装置中，解析模块配置用于解析变电站配置描述SCD文件，该SCD文件包括全站虚连接关系和流属性；获取模块配置用于获取TSN交换机的网络拓扑，并确定每个TSN交换机直连的智能电子设备IED的应用标识符APPID与端口号的对应关系；计算模块配置用于基于全站虚连接关系和流属性以及智能电子设备IED的应用标识符APPID与端口号的对应关系进行端到端流模型分析和排程计算，并生成配置信息；下发模块配置用于下发配置信息至各TSN交换机。本申请实施例通过在变电站系统中使用TSN交换机替换传统以太网交换机，能够确保网络传输的实时性和确定性，提高了电力场景速动性，同时可以自动生成配置信息，提高了处理效率。

需要说明的是，关于TSN网络配置装置的具体限定可以参见上文中对于TSN网络配置方法的限定，在此不再赘述。上述TSN网络配置装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于电子设备的处理器中，也可以以软件形式存储于电子设备的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种电子设备，该电子设备包括存储器和处理器，其中存储器存储有计算机程序，而处理器执行计算机程序时能够实现上述实施例中的基于IEC61850的TSN网络配置方法的步骤。需要说明的是，本申请实施例中电子设备可以支持集中式部署或者分布式部署，这样设置的好处是部署方式可以根据实际场景进行调整和变化，灵活性高。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

S101，解析变电站配置描述SCD文件，该SCD文件包括全站虚连接关系和流属性；

S102，获取TSN交换机的网络拓扑，并确定每个TSN交换机直连的智能电子设备IED的应用标识符APPID与端口号的对应关系；

S103，基于全站虚连接关系和流属性以及智能电子设备IED的应用标识符APPID与端口号的对应关系进行端到端流模型分析和排程计算，并生成配置信息；

S104，下发配置信息至各TSN交换机。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：根据全站虚连接关系和流属性，生成全站流转发路径表；

根据流转发路径表和智能电子设备IED的应用标识符APPID与端口号的对应关系，生成每个TSN交换机的流需求表；

根据流需求表，计算各TSN交换机的配置信息。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：

对各TSN交换机所形成网络进行监控，若网络拓扑发生变化和/或网络性能不满足预设条件，则重新计算并生成配置信息。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：

当网络中流量异常和/或配置计算异常时，生成告警信息并进行日志记录。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器（Read-Only Memory，ROM）、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器（RandomAccess Memory，RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，比如静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）和动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。