一种电网拓扑在关系数据库中的物理存储和优化方法 技术领域 本发明属于电网地理信息领域, 尤其涉及一种电网拓扑在关系数据库中的物理存 储和优化方法。
背景技术 电网地理信息系统 ( 电网 GIS 系统 ), 是采用地理信息 (GIS) 技术管理输电、 变电、 配电和低压电网的专业信息系统, 主要应用于国家电网和南方电网下属的省、 地、 县等各级 供电局、 电力局或者电力公司, 实现输、 变、 配、 低压电网的图形管理、 档案维护、 自动成图和 拓扑分析等业务功能。
电网 GIS 系统与通用的地理信息系统 ( 通用 GIS 系统 ) 有相通之处, 但是又有非 常大的区别。通用的 GIS 系统主要面向国土资源、 水利、 森林等地表地物相关的领域, 主 要由国外和国内的厂商提供通用化的产品, 例如国外的 ArcInfo、 MapInfo、 Intergraph、 Smallworld 等软件厂商, 国内的超图 (Supermap)、 吉奥之星 (Geostar) 等软件厂商。
电网 GIS 系统利用了通用 GIS 系统的技术, 并且很多电网 GIS 系统是在通用 GIS 系 统的平台基础之上, 二次开发而成。电网 GIS 系统利用通用 GIS 系统的技术, 把土地、 河流、 道路等电子地图作为背景, 主体功能是实现对电网中的线路、 杆塔、 变电所、 配电站所、 线路 上设备的图形化的维护、 查询和分析。电网 GIS 系统主要处理的是具有电网拓扑连接的电 网设备, 而不是土地、 河流、 道路等地物对象, 因此具有电网相关的突出特点。
电网设备之间非常关键是电网拓扑关系, 即从电源、 经过线路和开关等供给下游 的配变和用户的供电关系。 电网拓扑的国际标准是 IEC 61970/61968 所定义的 CIM(Common Information Model, 公用信息模型 ) 标准, 这也是中国电网企业在电网调度系统 (EMS 系 统 ) 所遵循的标准。CIM 标准定义的是电网拓扑的逻辑模型 (Logical Model), 存储于关系 数据库中的物理模型 (Physical Model) 由各个具体实现自行定义, 不在 CIM 标准中规定。 虽然现有商用 GIS 也有拓扑模型, 但是并不符合 CIM 标准, 在功能上也不适用 GIS 所需要的 电网高级分析等拓扑相关应用。
发明内容
本发明的目的是实现在通用关系数据库中存储电网拓扑的方法, 在逻辑模型符合 CIM 标准的基础上, 调整和优化物理模型设计、 使之能够满足成百上千用户针对大量电网拓 扑数据的快速并发读取和更新要求。
本发明是一种电网拓扑在关系数据库中的物理存储和优化方法, 所述方法包括下 述步骤 :
将参与电网拓扑的设备划分为 “线段 (Segment)” 和 “元件 (Gadget)” , Gadget 和 Segment 定义了设备之间拓扑连接关系 ;
优化线段的存储方式, 将首末的两个 “端口 (Port)” 合并到线段表中进行存储, 优 化大规模数据量的访问性能 ;在电网拓扑中增加 “线路 (Path)” 对象, 和 “线段 (Segment)” 的构成 “组成关系” 模型, 更好的表达线路的管理关系 ;
采用 “超节点元件 (HyperGadget)” 和站内外连接的管理方式, 实现分层的拓扑模 型和线路拓扑贯通 ;
采用基于通用关系数据库的数据库表实现这些电网拓扑对象的物理存储。
本发明提供了一种完全基于通用关系数据库、 不使用商用 GIS 系统平台的电网拓 扑存储的解决方案, 在逻辑模型符合 CIM 电网拓扑标准的前提下, 实现了电网拓扑在通用 关系数据库的物理存储, 并针对电网 GIS 的应用特点进行了较多的优化工作。 附图说明
图 1 是本发明实施例提供的物理存储和优化方法的实现流程图 ;
图 2CIM 标准的电网拓扑的原理图 ;
图 3 本发明实施例电网拓扑使用 CIM 逻辑模型的表达方法示意图 ;
图 4 常规方式将 CIM 逻辑模型转换到数据库物理模型存储的示意图 ;
图 5 本发明实施例电网拓扑的逻辑表达方式示意图 ;
图 6 本发明实施例线段拓扑的优化方式示意图 ; 图 7 本发明实施例增加的线路和线段的组成关系模型示意图 ; 图 8 本发明实施例增加的站内外拓扑关系的表达方式示意图 ; 图 9 本发明实施例 Oracle 数据库中的电网拓扑表的结构示意图 ; 图 10 本发明实施例线路模型示意图 ; 图 11 本发明实施例站内模型示意图。具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案, 下面结合附图和实施 方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
在本发明实施例中, IEC 61970/61968 所定义的 CIM 标准定义是电网拓扑的逻辑 模型 (Physical Model), 存储于关系数据库中的物理模型由各个具体实现自行定义, 不在 CIM 标准中规定。在说明本发明的电网拓扑在关系数据库的物理模型存储之前, 先简要介 绍 CIM 标准的电网拓扑逻辑模型, 参照图 2 是 CIM 标准的电网拓扑的原理图, CIM 标准的 电网拓扑逻辑模型由导电设备 (Conducting Equipment)、 终端点 (Terminal) 和连接节点 (Connectivity Node) 构成。每个导电设备都有 1 个或者多个 Terminal( 终端点 ), 不同设 备的终端点通过连接相同的 Connectivity Node( 连接点 ) 相互连接在一起。
举个例子来说明 CIM 逻辑模型, 参照图 3 是本发明实施例电网拓扑使用 CIM 逻辑 模型的表达方法示意图, 该实施例在后续的说明中将用来对比本发明的物理模型。 从 110kV 城北变出 1 回 10kV 线路到 1# 杆塔、 接入 10kV 配变。图 3a) 是一次接线图 : 从 110kV 城北 变的城北 206 开关出一回电缆线路到 1# 杆, 经过配变跌落接入一个 10kV 配变。图 3b) 是 CIM 逻辑模型表示 : 共有 4 个导电设备, 分别为开关、 出口电缆、 1# 配变跌落、 1# 配变 ; 导电 设备由终端点 ( 黑色小圆圈 ) 组成, 开关、 出口电缆、 1# 配变跌落具有两个终端点, 1# 配变 有 1 个端点 ; 共有 4 个连接点 (Node), 分别为 Node1、 Node2、 Node3、 Node4 ; 4 个导电设备通过这四个连接点相互连接。
如果使用常规做法, 直接把 CIM 逻辑模型转换到物理模型, 将分别为导电设备、 终 端点和连接节点各建立一个数据库表进行存储, 参照图 4 是常规方式将 CIM 逻辑模型转换 到数据库物理模型存储的示意图, 说明了图 3 中的实施例电网拓扑的常规物理存储方式。 导电设备表中有 4 条记录, 分别存储了城北 206 开关、 出口电缆、 1# 配变跌落和 1# 配变等 4 个设备。终端点表有 7 条记录, 分别存储 4 个导电设备的 7 个终端点, 其中城北 206 开关具 有 T1 和 T2 两个终端点, 出口电缆具有 T3 和 T4 两个终端点, 1# 配变跌落具有 T5 和 T6 两个 终端点, 1# 配变具有 T7 一个终端点。节点表具有 4 条记录, 分别为 Node1、 Node2、 Node3、 Node4。在终端点表中, 通过 “所属的导电设备表编号” 字段来记录与导电设备表的关联关 系, 通过 “连接的节点表编号” 字段来记录与节点表记录的关联关系。
对于电网 GIS 系统来说, 直接把 CIM 逻辑模型转换到物理模型的方式并不合适, 因 为存在如下问题 :
问题 1, 直接把 CIM 逻辑模型作为物理模型存储, 数据量较大, 影响性能。对于电 网 GIS 系统来说, 50%的设备都是架空线段、 电缆线段和配变高压引下线等线状元件, 对于 配电站所中还存在大量电气连接线。如果直接套用 CIM 的逻辑模型来存储, 每个线状元件 需要 1 条导电设备表记录、 2 条终端口表记录、 2 条连接节点表记录 ( 和邻接的其他导电设 备共有 )。一般地区局的配电 GIS 系统具有 10 万 -100 万条线段状元件, 如果按 CIM 方式来 存储于数据库中, 需要 50 万 -500 万条记录来存储, 读取、 保存和并发编辑的开销都很大。
问题 2, 在 CIM 模型, 是不区分站内设备 ( 变电所或者配电站 ) 和站外设备 ( 地理 图 ) 的, 所有设备的拓扑都处于同一个空间中, 用一个层次来表达, 即不适应管理上的传统 习惯, 又扩大了可能并发编辑的对象范围、 造成技术实现的困难。在具体应用中, 站内设备 和站外设备一般都是由不同的部门来维护, 比如变电所是变电运行工区的人员来维护, 站 外线路是由线路工区的人员来维护。 因此最好能够把站内和站外的设备使用不同的画面来 维护, 相应的存储最好也能够分开, 这样无论是数据维护管理还是并发编辑的技术实现都 容易一些。
问题 3, 在 CIM 模型中, 没有把线路和线段的管理关系独立出来进行管理和存储, 不适应电网 GIS 系统的需求。事实上, 线路和线路所包含的架空线段和电缆线段是具有非 常典型的组成关系, 线路是由若干线段所组成, 线路的属性 ( 例如名称 ) 是所有线段的共同 属性, 线路的走向是所有线段位置的集合。对于电网 GIS 而言, 特别需要维护好线路和线段 的管理关系, 因此需要在模型和物理存储上支持这个关系。
由于直接把 CIM 逻辑模型转换到数据库物理模型存在以上的缺陷和问题, 本发明 对电网拓扑在关系数据库中的存储方法进行了扩展和优化, 以满足全省集中、 地县集中的 电网 GIS 应用的需求。
参照图 1 是本发明实施例提供的物理存储和优化方法的实现流程图, 详述如下 :
步骤 1 : 将参与电网拓扑的设备划分为 “线段 (Segment)”和 “元件 (Gadget)” , Gadget 和 Segment 定义了设备之间拓扑连接关系。
本发明是实现了电网拓扑的数据库物理模型, 这是在 CIM 的逻辑模型基础上、 进行优化和扩充得来的。参与电网拓扑的导电设备进一步划分为线段 Segment 和元件 Gadget, 针对线段和元件采用不同的物理存储模型, 分别进行优化。Gadget 和 Segment 定义了元件之间拓扑连接关系。Gadget 用来表达变电所、 配电 站、 配变、 开关等具有一个或者多个端口的设备对象。Segment 用来表示架空线段 ( 每个杆 之间 )、 电缆线段、 电气连接线、 母线段等两个端口的线状的设备对象。
本发明中的电网拓扑的逻辑表达方式参照图 5 所示。从 Entity( 设备对象基类 ) 派生多种设备 : Gadget 是具有 n 个端口的元件。n 是设备与其它设备电气相连的阶数, 可以 是 0、 1、 2 或者更多。Gadget 派生负荷 ( 单端元件 )、 开关 ( 双端元件 )、 开闭所 ( 多端元件 ) 等等。Gadget 聚合了 n 个 Port( 端口 ), 类似于 CIM 的终端点 Terminal。Segment 是为电 网拓扑中大量的零阻抗连接线、 架空线、 电缆等专门优化出来的线状几何形式的双端元件, 它具有首末两个端口 ( 即有且只有两个 cim::terminal, 并且有首尾的方向 )。Gadget 和 Segment 都通过 Junc( 电气连接点、 对应于 CIM 中的 Node) 连接在一起。
本发明的拓扑表达方式是对 CIM 模型的扩充, 将导电设备划分为 Gadget 元件和 Segment 线状元件后, 能够实现比 CIM 模型具有更好的存储效率和访问性能。
步骤 2 : 优化线段的存储方式, 将首末的两个 “端口 (Port)” 合并到线段表中进行 存储, 优化大规模数据量的访问性能。
本发明的电网拓扑模型为大规模数据量的输配电 GIS 进行了专门的优化, 参照图 6 是本发明实施例线段拓扑的优化方式, 对于地理图来说, 50%的设备都是架空线段、 电缆 线段和配变高压引下线等线状元件, 对于配电站所中还存在大量电气连接线。由于线状对 象的端口数目是 2 个, 这是固定不变的, 因此在本发明中使用 Segment 对象来表达和存储。 在关系数据库存储中, 首末端的 Segment Port 是作为 Segment 整体的 2 个属性来存贮, 不 需要采用另外的关系来表示和查找, 从而大幅度提高了系统的效率。
举例来说, 在某地市局的地区电网拓扑中, 包含 10kV 及以上电压等级的架空和电 缆线段约有 25 万个线段对象, 每个对象一条 G_SEGMENTS 记录 ( 包括首末端的 Port) 就能 够表达电网拓扑关系。如果采用 CIM 的方式, 需要 25 万条线段记录、 50 万条 Terminal 记录 和约 25 万条 Connectivity Node 记录, 存储的记录条数合计为 100 万条, 是本发明方法的 4 倍。由于 CIM 模型的数据量大, 访问性能和数据一致性的维护都更为困难, 因此优化线段 的存储是必要的。
步骤 3 : 在电网拓扑中增加 “线路 (Path)” 对象, 和 “线段 (Segment)” 的构成 “组 成关系” 模型, 更好的表达线路的管理关系。
本发明在 CIM 模型之外扩充的 “Path-Segment” 的两级模型, 参照图 7 是本发明实 施例增加的线路和线段的组成关系模型示意图, Path( 线路、 路径 ) 表示一条线路主干或者 分支, 也可以表示一整条母线。 Segment( 线段 ) 是实际的对象, 代表每一段电缆或者每对电 杆之间的架空线段, 也可以表示组成母线的多个母线段。线路路径由若干个分组组成。直 接电气相连, 或者经过开关、 开闭所等元件相连的线段, 构成一个分组。分组中记录线段的 首尾顺序。分组之间的拓扑可以是中断的。本发明的 Path-Segment 两级抽象模型更适合 解决以下问题 :
1、 线路和每个线段都在数据库中具有存储记录, 因此可以分别具有属性。这样线 路可以存储整体层面的属性, 例如线路名称、 线路层次关系、 线路整体导线型号 ; 线段可以 存储每个档距的属性, 例如电缆或者架空线型号, 可以参与关系, 例如挂在线路上的绝缘线 接地点、 故障指示仪 ;2、 不需要特殊处理, 就能够描述穿过开关等双端元件、 开闭所等多端元件的线路; 3、 允许线路分成不连续的几段, 例如线路中间拆除几档线段, 在线路施工作业中, 这是常见的现象。
步骤 4 : 采用 “超节点元件 (HyperGadget)” 和站内外连接的管理方式, 实现分层的 拓扑模型和线路拓扑贯通。
CIM 标准的电网拓扑模型, 是不区分站内设备 ( 变电所或者配电站 ) 和站外设备 ( 地理图 ) 的, 所有设备的拓扑都处于同一个空间中, 用一个层次来表达。本发明对此进行 了扩展, 增加了站内和站外的分层的拓扑模型, 从而支持层次可伸缩的网络拓扑建模的过 程。本发明主要考虑覆盖输变配低通的 GIS 系统的数据量是非常巨大的, 需要管理输电、 10kV、 0.4kV、 通信网络的设备信息和用户信息, 其设备的种类和数量远远大于 CIM 所面向 的 EMS 系统所维护的输电和变电系统。 因此, 在 GIS 系统的建设过程中, 需要采用分层次、 分 粒度的建模方式 : 先为某一层的网络建模并投入运行, 在需要时, 再为该层次之上或者之下 的网络建模, 而不是强制要求必须一次性的完全建模。例如, 在 GIS 分阶段实施过程中, 第 一个阶段是为输电和 10kV 线路建模, 变电所、 配电站所只是地理图上的一个元件 ; 第二个 阶段是变电站和配电站的内部接线建模 ; 第三个阶段是低压台区网络建模。 在第一个阶段, 变电站和配电站只是作为一个设备而存在, 拓扑分析程序进行的网络追踪中止于该终端设 备, 该设备相应地显示带电或者不带电状态。在第二个阶段, 建立内部接线图, 拓扑分析程 序进行的网络追踪进入到变、 配电站内部。 第三个阶段, 拓扑分析程序进一步追踪到每个配 电站开关能够供电的低压网络。
为了支持分层次的建模, 本发明把变电所、 开闭所、 箱变等定义为组合设备, 具有 内部一次接线图, 参照图 8 是本发明实施例增加的站内外拓扑关系的表达方式示意图, 站 所外部的拓扑连接关系在 GIS 图中维护, 其内部拓扑连接关系在内部一次图中维护, 内外 部的电气贯通通过 “组合设备端口 - 超节点元件” 的关联关系实现。在 GIS 图上, 组合设备 的每个端口 G_PORT 的 INTERNAL_GADGET_ID 字段对应于内部一次图的一个超节点元件, 从 而实现拓扑贯通。
在 本 发 明 中 采 用 超 节 点 元 件 来 实 现 站 内 外 连 接,而 不 是 CIM 中 的 ConnectivityNode。本发明中的超节点用于如下用途 :
1、 超节点元件具有图符显示, 能够在一次接线图中更清楚的让用户看清楚站内外 连接关系的存在, 用户可以新增、 移动和删除超节点, 查询超节点的信息, 从而可视化的编 辑站内外连接。
2、 超节点的图符使用, 图 8 是所示的箭头符号, 这个箭头符号的朝向用来指向电 源供电的方向。例如图 8 中, 上面的超节点箭头向下, 表示供电电源从该端口流入母线, 下 面的两个超节点的箭头方向向下, 表示电源从母线流出组合设备。
步骤 5 : 采用基于通用关系数据库的数据库表实现这些电网拓扑对象的物理存 储。
本发明电网拓扑在通用关系数据库 ( 例如 Oracle) 的物理存储方式, 参照图 9 是 本发明实施例 Oracle 数据库中的电网拓扑表的结构示意图, 变电所、 配电站、 配变、 开关、 电杆、 电缆井等元件存储于 g_gadgets 表中, 元件的端口存储于 g_ports 表, 一个元件可以
有 0 到 n 个端口。线路主干和分支、 母线用 g_paths 存储。架空线段、 电缆线段、 母线段、 电 气连接线、 电缆井等用 g_segments 存储。G_segments 与 G_paths 为部分和整体的关系, 即 一条线路主干或者分支可以由多个架空或者电缆线段组成。
基于该物理存储方式, 本发明使用相同的 Gadgets/Segments 方式来存储线路模 型 ( 站外模型 ) 和变电站内部模型。还是参照图 3 中的实施例电网拓扑来进行说明, 按照 步骤 4), 本发明用把该电网拓扑分成站外模型 ( 参照图 10) 和站内模型 ( 参照图 11) 两部 分, 两部分都使用图 9 所示的 G_GADGETS 表、 G_PORTS 表、 G_SEGMENTS 表来进行存储。
参照图 10 本发明实施例线路模型的存储方式示意图, 在线路模型中, 变电所以一 个封闭的黑盒子的形式出现, 变电所具有一个端口, 端口与电缆线段建立拓扑关系。
在 G_GADGETS 元件表中, 记录所有的元件, 在示例中包括配变、 杆塔、 跌落和变电 所等 4 个记录。
GADGET_ID 14275449 14275442 14275453 716387
CLASS_ID 107 150 151 200 CLASS_NAME 配变 杆塔 跌落 变电所 DEV_ID 3592845 3592840 3592847 88177 DITER 0 0 0 22805 X 508321 508332 508332 508420 Y 3413330 3413339 3413331 3413280最后一行代表变电所, 图形 ID(GADGET_ID) 为 716387, CLASS_ID 等于 200( 即变电所 )。 在 G_PORTS 端口表中, 记录所有元件的端口, 在示例中包括三个普通端口 ( 即没有 属性表记录的端口, 用于开关和配变的端口 ), 1 个杆塔端口和 1 个变电所出口。
最后一行就是变电所出口, PORT_ID 是图形内码, CLASS_ID 等于 201( 代表变电所 出口 ), GADGET_ID 等于 716387( 即变电所的图形内码 ), JUNC 等于 14275446 是电气连接点 的内码。
在 G_SEGMENTS 线段表中, 记录所有的线状元件, 在示例中包括一段电缆 ( 变电所 出口到 1# 杆 ) 和一段电气连接线 ( 从 1# 杆到配变跌落, 代表高压引下线 )。
SEG_ID 14275452 14275445
CLASS_ID 106 157 CLASS_NAME 电气连接线 电缆线段 DEV_ID 3592846 3592843 14275444 PATH_ID HEAD_JUNC 14275448 14275446 TAIL_JUNC 14275457 14275448最后一行代表电缆, SEG_ID 为图形内码, CLASS_ID 等于 157 代表电缆线段, PATH_ ID 指向 G_PATHS 路径表的主键, HEAD_JUNC = 14275446 为首端电气连接点, TAIL_JUNC 为 末端电气连接点。
以电缆的首端和变电所出口的电气连接为例, 变电所出口 G_PORTS 表的 JUNC 与电 缆 G_SEGMENTS 表的 HEAD_JUNC 的值都是 14275446, 表示该变电所出口和电缆首端电气连 接。
参照图 11 是本发明实施例站内模型的存储方式示意图, 站内外拓扑模型的贯 通 是 通 过 在 G_PORTS 表 中 变 电 所 端 口 的 INTERNAL_GADGET_ID 字 段 保 存 了 站 内 超 节 点 ID(3399327) 来实现。
GADGET_ID 3399327 3399324 CLASS_ID 97 101 CLASS_NAME 站内超节点 开关 DEV_ID 849727 849726 X 80 80 Y 280 360
与此类似, 站内超节点的 ID 也可以保存在变电所端口的属性表的字段中, 作用是 类似的。
城北 206 开关对应 G_GADGETS 表的 GADGET_ID = 3399324 记录, 具有两个端口在 G_PORTS 表中。
PORT_ID 3399328 CLASS_ID 1 CLASS_NAME 缺省端口 DEV_ID 0 GADGET_ID 3399327 JUNC 3709306 X 80 Y 2809102375828 A CN 102375835 3399326 3399325
1 1 缺省端口 缺省端口说明0 0书3399324 3399324 3709305 3709304 80 808/8 页 340 360其中, 端口 PORT_ID = 3399326 的 JUNC = 3709305。
开关下端的电气连接线在 G_SEGMENT 表中, SEG_ID = 3709189, 该记录的 HEAD_ JUNC = 3709305。
SEG_ID 3709189 3709302
CLASS_ID 106 106 CLASS_NAME 电气连接线 电气连接线 DEV_ID 0 0 PATH_ID HEAD_JUNC 3709305 3709301 TAIL_JUNC 3709306 3709304这样开关的下面这个端口和电气连接线的首端的 JUNC 相同, 电气相互连接。
本发明经过步骤 1 至 5 的 5 个处理过程后, 实现了电气拓扑从 CIM 逻辑模型到关 系数据库物理存储模型的转换。该物理模型的存储和优化方法具有如下特点 :
1、 将 CIM 的导电设备进一步划分为线段和元件, 从而能够根据线段和元件的拓扑 特点分别进行存储优化后保存于 G_SEGMENTS 线段表和 G_GADGETS 元件表。
2、 线段的存储采取了特别的优化方式, 将线段、 线段端口、 电气连接点等合并到 G_ SEGMENTS 表来进行存储, 记录数目降低到 CIM 逻辑模型记录数目的 1/4, 大幅度提高电网 GIS 系统的存储性能和并发编辑效率。
3、 相比 CIM 模型, 扩充了 “线路” 模型, 与线段形成组成关系, 把线路和线段的管理 关系用 G_PATHS 和 G_SEGMENTS 的扩展拓扑关系来表达, 在存储上确保了电网 GIS 系统所要 求的线路所属线段关系的准确表达和引用完整性。
4、 把元件进一步划分为普通元件和组合元件, 组合元件中能够定义站内一次接线 图, 从而把电网拓扑划分为站外线路模型和站内模型 ; 使用组合设备端口的属性中记录站 内超节点 ID 的方式, 来实现拓扑贯通 ; 采用箭头形式的超节点元件图符, 在可视化表达站 内外连接的同时, 也能够清晰表达电源供电方向。这些处理方式都是在 CIM 标准以外的扩 展, 更适合电网 GIS 的特点和应用要求。
以上对本发明实施例进行了详细介绍, 本文中应用了具体实施方式对本发明进行 了阐述, 以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及方法 ; 同时, 对于本领域的 一般技术人员, 依据本发明的思想, 在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处, 综上所 述, 本说明书内容不应理解为对本发明的限制。