分布式配電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)中CIM模型的構(gòu)建

麥家怡,嚴(yán)嘉棟,王 超,陳建鈿,楊葉昕,丘冠新,謝 虎

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000;2.南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

隨著科技革命的蓬勃興起，經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人們對(duì)電力系統(tǒng)的的要求不斷增加，由此帶來的環(huán)境壓力使得國(guó)家不得不提出適應(yīng)當(dāng)代社會(huì)的智能電網(wǎng)。由于地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)具有較強(qiáng)的拓?fù)浞治瞿芰Γ軌驅(qū)﹄娋W(wǎng)及二次智能等具備大量空間及屬性數(shù)據(jù)的設(shè)施進(jìn)行高效管理，因此其在基于電網(wǎng)拓?fù)浼翱臻g位置等電力企業(yè)分析業(yè)務(wù)上的應(yīng)用越來越廣泛，是電網(wǎng)企業(yè)中電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及拓?fù)溆?jì)算服務(wù)的提供者[1]。21世紀(jì)的電力系統(tǒng)十分復(fù)雜，需要不斷地對(duì)其運(yùn)行過程進(jìn)行調(diào)整。因此在分析控制過程中，要求電力系統(tǒng)在降低運(yùn)行速度的基礎(chǔ)上，能夠提高分析的準(zhǔn)確性[2]。

作為電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行控制的重要中樞，調(diào)度控制系統(tǒng)正在不斷朝著“全、快、準(zhǔn)”等特征發(fā)展。由于物理電網(wǎng)的發(fā)展，對(duì)調(diào)度控制系統(tǒng)也相應(yīng)地提出了更高要求[3]。其核心數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)主要包括實(shí)時(shí)和商用兩種數(shù)據(jù)庫(kù)[4]。相關(guān)文獻(xiàn)表明，已有學(xué)者在分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型的分布式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，并且可以進(jìn)行拓?fù)渲治鯷5]。

圖數(shù)據(jù)庫(kù)(graph database,GDB)作為一種處理分析互聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)的技術(shù)，在近年來得到了廣泛應(yīng)用。在對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)，使用圖數(shù)據(jù)庫(kù)可以有效提高電力系統(tǒng)處理海量數(shù)據(jù)的計(jì)算效率。相關(guān)文獻(xiàn)在圖數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，對(duì)電網(wǎng)拓?fù)浞治鲞M(jìn)行了研究。研究表明，相對(duì)于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)而言，GDB在進(jìn)行分析時(shí)確實(shí)存在一定優(yōu)勢(shì)，但其拓?fù)洳⑽瓷婕暗交A(chǔ)計(jì)算模型，模型還可以進(jìn)行進(jìn)一步地優(yōu)化。基于電力系統(tǒng)公用數(shù)據(jù)模型——E(common information model-easy/efficiency/electric-power,CIM/E)語言規(guī)范，在GDB的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一種新型電網(wǎng)模型，并通過電網(wǎng)拓?fù)鋵?duì)GDB的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了驗(yàn)證。

本文首先對(duì)GDB的理論知識(shí)進(jìn)行了相關(guān)的論述；然后對(duì)CIM/E模型數(shù)據(jù)規(guī)范進(jìn)行了描述；最后對(duì)CIM模型的構(gòu)建及應(yīng)用分析進(jìn)行了研究討論。本文研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于融合了GDB和CIM/E模型，提高了分布式配電網(wǎng)GIS CIM/E模型的綜合應(yīng)用效果。本文研究不僅為CIM/E模型的構(gòu)建和優(yōu)化提供了技術(shù)支持，同時(shí)也為分布式配電網(wǎng)GIS的綜合發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。

1 相關(guān)理論分析

1.1 圖數(shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)介

本文主要從數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)查詢?cè)L問兩個(gè)方面，對(duì)GDB進(jìn)行介紹。

1.1.1 數(shù)據(jù)模型

GDB也可稱之為面向圖的數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)與層次性、關(guān)系型等多種傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)一致，都可以采用額定容量和額定電壓等屬性集描述并聯(lián)補(bǔ)償器[6]。但在對(duì)實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行描述時(shí)，層次性數(shù)據(jù)庫(kù)在進(jìn)行一對(duì)多關(guān)聯(lián)描述時(shí)較為容易，但難以對(duì)多對(duì)多之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行描述；關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)與層數(shù)據(jù)庫(kù)均可以對(duì)一對(duì)多、多對(duì)多之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行描述，但GDB可以對(duì)邊賦予屬性[7-8]。GDB與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的不同點(diǎn)在于：GDB的作用并不是存儲(chǔ)圖片，而是通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)“圖”對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和查詢。

在不同類型的數(shù)據(jù)庫(kù)中，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)相較于其他數(shù)據(jù)庫(kù)而言應(yīng)用更為廣泛。相較于其他類型數(shù)據(jù)庫(kù)，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)相對(duì)比較容易。除關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)外，GDB也能對(duì)電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行表達(dá)，并且與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)相比更易于進(jìn)行拓展。

1.1.2 數(shù)據(jù)查詢?cè)L問

作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中的計(jì)算引擎，數(shù)據(jù)查詢主要由程序接口及與其相關(guān)的支撐服務(wù)組成。其中，程序接口主要用于數(shù)據(jù)的訪問。GDB的數(shù)據(jù)模型中，由于其各個(gè)頂點(diǎn)均可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，因此它不僅可以作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，還可以作為動(dòng)態(tài)計(jì)算單元。目前，整體同步并行(bulk synchronous parallel,BSP)計(jì)算模型在并行圖計(jì)算框架中的應(yīng)用較為廣泛[9]。

BSP模型如圖1所示。

圖1 BSP模型示意圖

由圖1可知，BSP模型的迭代過程包括3個(gè)階段。第一階段計(jì)算存儲(chǔ)于本地內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，因此又稱本地計(jì)算階段。第二階段為全局通信階段。在這一階段，不同處理器之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并且可以對(duì)非本地的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。第三階段為柵欄同步階段。在這一階段，GDB結(jié)束所有通信行為[10]。在數(shù)據(jù)查詢方面，GDB相較于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)在于其并行化較為簡(jiǎn)單，且對(duì)大型圖進(jìn)行查詢時(shí)效率較高。

1.2 CIM/E模型數(shù)據(jù)規(guī)范描述

由于使用通用信息模型/可擴(kuò)展標(biāo)記語言(common information model/extensible markup lanuage,CIM/XML)模型對(duì)電網(wǎng)拓?fù)溥M(jìn)行描述的效率較低，因此在CIM的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一種新型、高效的電力系統(tǒng)描述規(guī)范CIM/E模型。CIM/E模型在對(duì)廠站、基準(zhǔn)電壓等26類電力系統(tǒng)對(duì)象進(jìn)行描述時(shí)，采用形式的類似的關(guān)系表。

1.3 圖劃分與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由開關(guān)、線路、刀閘、變壓器等元件構(gòu)成，采用物理連接節(jié)點(diǎn)將這些元件聯(lián)系起來。模型系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模型系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2中：N為零線；D為火線。圖2中的GDB模型可以記為式(1)：

G=(V,E)

(1)

式中：G為圖2中的GDB模型；V為G的頂點(diǎn)集合；E為G的邊集合，且頂點(diǎn)和邊均賦予屬性。

則p路分區(qū)可以使用集合{Vi?V|1≤i≤p}表示。任何1個(gè)Vi都可以稱之為G的子圖，均為分區(qū)的一部分。可以通過1條或多條邊對(duì)子圖中的任意2個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行連接，且子圖中的所有頂點(diǎn)均不與子圖外的頂點(diǎn)進(jìn)行連接，那么此時(shí)可以將其稱為1個(gè)連通分量G；對(duì)劃分子圖間的連接線進(jìn)行刪除，即可以形成連通分量。連通分量形成過程如圖3所示。

圖3 連通分量形成過程

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，電力系統(tǒng)在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)，可以分為以下2個(gè)階段。第一階段為計(jì)算母線的形成階段，主要形成物理節(jié)點(diǎn)集合。第二階段為電氣島的形成階段，電氣島主要是將變壓器等支路元件進(jìn)行連接形成的計(jì)算母線集合[11]。計(jì)算母線與電氣島均可以看作對(duì)不同階段的圖進(jìn)行劃分后形成的子圖。因此，可以將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋯栴}看作不同階段的圖劃分問題[12-13]。

基于BSP模型的計(jì)算母線搜索過程如圖4所示。

圖4 基于BSP模型的計(jì)算母線搜索過程

目前，常用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌惴òㄉ疃然驈V度優(yōu)先法，往往采用廠站、分區(qū)級(jí)別的并行方式實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行。對(duì)連通分量進(jìn)行搜索后形成子圖，進(jìn)而對(duì)圖進(jìn)行劃分，可以求解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。使用上述方法搜索一般的連通分量相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)大規(guī)模的連通分量進(jìn)行搜索時(shí)所需要的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。本文在BSP模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了1種細(xì)粒度的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞椒āＲ韵聫挠?jì)算母線及電氣島搜索這2個(gè)方面對(duì)這一拓?fù)浞椒ㄟM(jìn)行介紹。

作為G的子圖，計(jì)算母線中的頂點(diǎn)可以通過刀閘和開關(guān)所在的邊進(jìn)行連接。需要注意的是，在進(jìn)行連接時(shí)不能跨越支路元件，如變壓器和線路。以圖2的物理節(jié)點(diǎn)模型圖為例，廠站2中的開關(guān)均為閉合狀態(tài)。

由圖4可知，廠站2中的物理節(jié)點(diǎn)分別用9、10、11、12的初始物理節(jié)點(diǎn)標(biāo)志(bugtray identity document,BID)表示。計(jì)算母線搜索步驟如圖5所示。

圖5 計(jì)算母線搜索步驟

圖5中的各個(gè)計(jì)算母線類頂點(diǎn)均可以對(duì)自身BID的大小進(jìn)行評(píng)估。選取其中BID的最小值對(duì)其進(jìn)行更新；將相互獨(dú)立的處理器工作進(jìn)程分配給各個(gè)頂點(diǎn)后，各個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，通過邊將得到的結(jié)果發(fā)送到與其相鄰的頂點(diǎn)。通過處理器對(duì)各個(gè)頂點(diǎn)的計(jì)算進(jìn)程進(jìn)行控制，明確各頂點(diǎn)的狀態(tài)及計(jì)算進(jìn)程。

經(jīng)過3次迭代，即經(jīng)過3個(gè)超步后，可以發(fā)現(xiàn)各頂點(diǎn)的BID值均發(fā)生改變，具體值為9。這說明通過閉合開關(guān)及刀閘將各個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行了連接。

試驗(yàn)可以同時(shí)啟動(dòng)G中所有節(jié)點(diǎn)類頂點(diǎn)，對(duì)計(jì)算母線進(jìn)行搜索。在所有變電站均完成這一過程后，相應(yīng)的計(jì)算母線模型就會(huì)在GDB中構(gòu)建完成。

2 CIM模型構(gòu)建及應(yīng)用分析

2.1 模型構(gòu)建結(jié)果

2.1.1 CIM數(shù)據(jù)模式設(shè)計(jì)

基于應(yīng)用場(chǎng)景、定義頂點(diǎn)及相關(guān)屬性對(duì)數(shù)據(jù)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要滿足以下2個(gè)條件。

①條件1：保證電網(wǎng)模型的完整性與一致性。對(duì)電力系統(tǒng)的描述能夠與已有的定義保持一致。對(duì)于電力系統(tǒng)的拓?fù)鋵傩远裕褂脠D數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)模型可以對(duì)其進(jìn)行相對(duì)直觀的描述。以圖2所示的模型系統(tǒng)為例。該模型由2個(gè)廠站構(gòu)成。廠站內(nèi)部包括開關(guān)、發(fā)電機(jī)、負(fù)荷(Load,LD)及母線等設(shè)備。將廠站內(nèi)部的電力設(shè)備定義為頂點(diǎn)，設(shè)備之間的連接線定義為邊，得到的全頂點(diǎn)建模的物理節(jié)點(diǎn)模型如圖6所示。

圖6 全頂點(diǎn)建模的物理節(jié)點(diǎn)模型圖

圖6中，CN、LN、LD、G、CB、Bus Bar分別代表物理節(jié)點(diǎn)、線路、負(fù)荷、發(fā)電機(jī)、開關(guān)和母線。

②條件2：保證電網(wǎng)模型的高效性，能夠適應(yīng)GDB中的一些特有屬性，以提高數(shù)據(jù)的訪問效率。條件2與當(dāng)前所設(shè)計(jì)的GDB訪問查詢方法基本一致。基于該方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢時(shí)具有以下2個(gè)特點(diǎn)。其一，對(duì)頂點(diǎn)和邊進(jìn)行訪問的差別較大，訪問邊時(shí)需要以頂點(diǎn)作為起點(diǎn)進(jìn)行查詢，而對(duì)頂點(diǎn)進(jìn)行訪問時(shí)則不需要通過上述步驟。其二，遍歷查詢所花費(fèi)的時(shí)間與遍歷過程所經(jīng)過的跳數(shù)有關(guān)。圖6中所含頂點(diǎn)及邊的數(shù)量越多，則查詢所要花費(fèi)的時(shí)間就越長(zhǎng)。兩者之間成正比關(guān)系。因此，所構(gòu)建的模型要在條件1的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)頂點(diǎn)和邊進(jìn)行優(yōu)化。例如，圖2中開關(guān)、刀閘的數(shù)量明顯多于變壓器、線路、發(fā)電機(jī)等設(shè)備的數(shù)量。若將圖6模型中的開關(guān)、刀閘等數(shù)量較多的設(shè)備修改為邊，那么從起始到目標(biāo)頂點(diǎn)所經(jīng)歷的邊的個(gè)數(shù)也相應(yīng)削減，極大地縮短了完全遍歷所需要的時(shí)間。開關(guān)與刀閘建模為邊的物理節(jié)點(diǎn)模型如圖7所示。

圖7 開關(guān)與刀閘建模為邊的物理節(jié)點(diǎn)模型圖

CIM/E模型不僅可以對(duì)拓?fù)潢P(guān)聯(lián)進(jìn)行描述，還可以對(duì)設(shè)備中發(fā)電機(jī)中的基準(zhǔn)電壓、廠站標(biāo)志等其他關(guān)聯(lián)進(jìn)行描述。對(duì)設(shè)備中的其他關(guān)聯(lián)進(jìn)行描述時(shí)，首先要建立基準(zhǔn)電壓和廠站等類型的頂點(diǎn)，然后從發(fā)電機(jī)的頂點(diǎn)連接到基準(zhǔn)電壓和廠站等類型的頂點(diǎn)，并對(duì)頂點(diǎn)的邊進(jìn)行設(shè)置，從而使頂點(diǎn)對(duì)設(shè)備中的其他關(guān)聯(lián)進(jìn)行描述。描述過程與拓?fù)潢P(guān)聯(lián)基本一致。

2.1.2 CIM數(shù)據(jù)模型裝載

數(shù)據(jù)模型裝載首先對(duì)CIM/E文件進(jìn)行解析，并將其定義為頂點(diǎn)或者邊的數(shù)據(jù)集。GDB會(huì)存儲(chǔ)解析后的數(shù)據(jù)。基于數(shù)據(jù)模型的相關(guān)概念及理論，可以從CIM/E文件中抽取出基準(zhǔn)電壓、發(fā)電機(jī)、負(fù)荷、變壓器、并聯(lián)補(bǔ)償器、廠站等頂點(diǎn)。這類頂點(diǎn)構(gòu)成數(shù)據(jù)集后，會(huì)形成其數(shù)據(jù)文件并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。由于CIM/E文件中缺少與物理類頂點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的對(duì)象類文件，因此需要花費(fèi)一定的時(shí)間對(duì)所有含物理類頂點(diǎn)的對(duì)象進(jìn)行掃描，進(jìn)而形成其數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)集形成完畢后，對(duì)對(duì)象所含有的屬性進(jìn)行讀取，進(jìn)而形成邊的數(shù)據(jù)及文件。頂點(diǎn)和邊的數(shù)據(jù)集文件均形成后，GDB開始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裝載。此過程可以同時(shí)進(jìn)行，極大地縮短了數(shù)據(jù)裝載所花費(fèi)的時(shí)間。

2.2 基于圖數(shù)據(jù)庫(kù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

目前，GDB已發(fā)展為NoSQL中頗受學(xué)者們關(guān)注，且發(fā)展趨勢(shì)較為明顯的數(shù)據(jù)庫(kù)。各數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展趨勢(shì)分析如圖8所示。

圖8 各數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展趨勢(shì)分析

因此，基于GDB的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲芯恳沧兊弥陵P(guān)重要。在完成2.3節(jié)中所述的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥^程后，需要通過支路元件連通所構(gòu)建的計(jì)算母線。其過程為：以各條線路的頂點(diǎn)作為出發(fā)點(diǎn)；以計(jì)算母線類頂點(diǎn)作為終點(diǎn)進(jìn)行搜索；查找結(jié)束后，對(duì)應(yīng)計(jì)算支路(bose-chaudhuri-hocquenghem,BCH)編碼類型的邊會(huì)增加到圖數(shù)據(jù)庫(kù)中，最終形成計(jì)算母線模型。計(jì)算母線模型如圖9所示。

圖9 計(jì)算母線模型圖

2.3 拓?fù)渚S護(hù)

配電網(wǎng)GIS中的拓?fù)渚S護(hù)主要包括變電站中的電壓等級(jí)等類對(duì)象之間關(guān)系的維護(hù)，以及各元件所形成的電氣連接關(guān)系維護(hù)。在日常工作中，可以通過端點(diǎn)類、導(dǎo)電設(shè)備類和連接點(diǎn)類三者之間的連接關(guān)系對(duì)網(wǎng)絡(luò)元件之間的電氣連接關(guān)系進(jìn)行維護(hù)。網(wǎng)絡(luò)元件之間的電氣連接關(guān)系主要受到導(dǎo)電設(shè)備的影響。簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)如圖10所示。

圖10 簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)示意圖

在圖10所示的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)在安裝導(dǎo)電設(shè)備時(shí)，可以分為以下3種安裝情況：①安裝在如C5和Tb這樣的連接點(diǎn)和端點(diǎn)之上；②安裝在直接連接的端點(diǎn)和連接點(diǎn)之間；③需要對(duì)連接的2個(gè)端點(diǎn)或參數(shù)進(jìn)行指定。

3 結(jié)論

相關(guān)研究表明，GDB在對(duì)規(guī)模較大的電力系統(tǒng)進(jìn)行分析處理時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行直觀表達(dá)。因此，本文在GDB的基礎(chǔ)上，提出了1種新型電網(wǎng)數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)方法，并對(duì)數(shù)據(jù)模型的裝載工具進(jìn)行了研究。通過分析發(fā)現(xiàn)，采用所提出的方法對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的GDB模型進(jìn)行構(gòu)建時(shí)，模型相對(duì)完整且訪問效率有所提高。基于電網(wǎng)GDB模型，實(shí)現(xiàn)了1種基于圖劃分和BSP模型的并行化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鏊惴āＭㄟ^將所提出的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌惴ㄅc傳統(tǒng)算法進(jìn)行對(duì)比后可以發(fā)現(xiàn)，所提算法是1種細(xì)粒度的節(jié)點(diǎn)級(jí)并行算法。目前的研究重點(diǎn)在于構(gòu)建針對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)一次設(shè)備的GDB模型及其拓?fù)浞治觥６谑褂猛ㄐ偶夹g(shù)的同時(shí)，如何優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)、保證網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性，是下一步的主要研究方向。