引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大,傳統(tǒng)的基于關系數(shù)據(jù)庫的配電網(wǎng)關系模型極大地限制了配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)檢索的性能,給電網(wǎng)設備及其拓撲連接查詢帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。圖數(shù)據(jù)庫作為一種新型的非關系數(shù)據(jù)庫,更適合處理網(wǎng)絡類型數(shù)據(jù),為大規(guī)模電網(wǎng)拓撲查詢問題提供了新的解決方案。文獻提出了一種基于Neo4j的變電站數(shù)據(jù)管理方法,并驗證了在數(shù)據(jù)檢索中使用圖數(shù)據(jù)庫管理變電站設備的優(yōu)勢。文獻驗證了Neo4j圖數(shù)據(jù)庫在遍歷數(shù)據(jù)方面的優(yōu)勢,但沒有提供配電網(wǎng)圖模型的具體建模方法。

圖數(shù)據(jù)建模的常用方法有Neo4j圖數(shù)據(jù)建模、Graphx圖數(shù)據(jù)建模等。圖數(shù)據(jù)庫常用技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)、圖索引機制、圖查詢分析技術(shù)等,圖數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)主要是利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲和表達圖,圖數(shù)據(jù)庫的基本存儲單元是節(jié)點、關系、屬性。由于圖數(shù)據(jù)庫符合電力系統(tǒng)網(wǎng)絡特點的技術(shù)優(yōu)勢,其在電網(wǎng)計算中的應用越來越受到重視。文獻在繼承CIM模型的基礎上,提出了一種Neo4j圖數(shù)據(jù)庫中功率數(shù)據(jù)的建模方法,但沒有進一步分析這種方法的優(yōu)越性。文獻基于Neo4j圖數(shù)據(jù)庫提出了3種不同配電網(wǎng)圖模型的建模方法,但沒有與對應關系型數(shù)據(jù)庫進行一些數(shù)據(jù)檢索性能方面的對比。

因此,本文結(jié)合Neo4j圖數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢,提出了一種面向配電網(wǎng)CIM模型的拓撲建模方法。

1圖數(shù)據(jù)庫和Neo4j

圖數(shù)據(jù)庫是以"圖"的形式存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫,其中數(shù)據(jù)存儲的形式主要是節(jié)點和關系。這種設計模式可以快速解決復雜的關系問題,而不需要使用傳統(tǒng)的關系數(shù)據(jù)庫,因此圖數(shù)據(jù)庫非常適用于存儲配電網(wǎng)拓撲等網(wǎng)絡特征數(shù)據(jù)。而傳統(tǒng)的關系數(shù)據(jù)庫需要進行大量的連接表操作來查找數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)。

Neo4j是圖形數(shù)據(jù)庫中的一種流行產(chǎn)品,它具有性能好、可擴展性強、可靠性高等特點。如圖1所示,Neo4j通過定義兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(節(jié)點和關系）來進行信息建模。一個節(jié)點可以有一個或多個標簽,一個關系只能有一種類型:同時,節(jié)點和關系可以定義多個鍵值對的屬性特征。

2配電網(wǎng)圖模型的建模原理

配電網(wǎng)CIM模型主要由連接節(jié)點類、設備端子類和設備類組成。圖2顯示了配電網(wǎng)CIM模型中最基本的拓撲連接方式,這些設備類節(jié)點將連接到0～2個設備端子,每個設備端子節(jié)點只連接一個連接節(jié)點,形成最終的拓撲結(jié)構(gòu)。

以圖2為例,"導線"設備連接到"分段開關"設備。如果使用原CIM模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行計算,需要先查找與"導線"相連的設備端子節(jié)點T1的1D,然后根據(jù)設備端子節(jié)點T1查找連接節(jié)點C1,再根據(jù)連接節(jié)點C1查找所連接設備T4的設備端子節(jié)點,最終找到"分段開關"設備節(jié)點。整個過程涉及4次搜索,數(shù)據(jù)規(guī)模是冗余的。因此,考慮到配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)分析方法要求的高遍歷性能,在CIM原理建模方法的基礎上,可以剔除對象類中的連接節(jié)點類、設備端子類節(jié)點,僅保留設備類節(jié)點。

因此,為了提高對配電網(wǎng)拓撲設備的連通性查詢效率,保證配電網(wǎng)圖模型的完整性和一致性,在使用Neo4j建模配電網(wǎng)圖模型的過程中,應遵循配電網(wǎng)CIM模型,將模型中的對象類建模為圖數(shù)據(jù)庫中的節(jié)點數(shù)據(jù)格式,將對象之間的連接關系建模為圖數(shù)據(jù)庫中的關系數(shù)據(jù)格式,映射關系如表1所示。

表1 映射關系

3算例分析

為驗證基于圖數(shù)據(jù)庫的配電網(wǎng)圖建模方法的有效性,選取一個10kV的簡單配電網(wǎng)為例。如圖3所示,系統(tǒng)由11條線路、8個開關等組成。

根據(jù)CIM模型的規(guī)則,只保留配電網(wǎng)中的每個設備節(jié)點,不包括設備終端節(jié)點、連接節(jié)點等。基于Neo4j構(gòu)建的圖模型如圖4所示,圖模型由31個節(jié)點和30條邊組成

配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)是研究設備之間連通性的基礎,因此,有必要驗證圖建模方法與關系數(shù)據(jù)庫相比在最短路徑查詢性能方面的優(yōu)勢。以母線到負載組LP3的最短路徑查詢?yōu)槔?圖5所示為關系數(shù)據(jù)庫中圖3所對應的配電網(wǎng)拓撲數(shù)據(jù)的表達式,不同類型的設備存儲在不同的元件表中,元件之間的連接關系存儲在連接表中。

在關系數(shù)據(jù)庫Mys0L和圖數(shù)據(jù)庫Neo4j中查詢l0kV配電網(wǎng)母線到負載組LP3的最短路徑所需時間結(jié)果如表2所示,從中可以看出,在關系數(shù)據(jù)庫中,查詢時間為8.46s:而在圖數(shù)據(jù)庫中,查詢最短路徑只需要2.23s,由此可對比出圖模型遍歷的高效性。

4結(jié)語

圖數(shù)據(jù)庫存儲方法因其適應了電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的特點,正逐漸應用于電力系統(tǒng)領域。因此,本文在遵循電網(wǎng)CIM模型的基礎上,提出了一種基于圖數(shù)據(jù)庫的配電網(wǎng)圖模型建模方法。首先,基于Neo4j圖數(shù)據(jù)庫,將CIM模型中的設備類對象建立為圖模型中的頂點,將設備之間的連接關系建立為圖模型中的邊。其次,基于某l0kV配電網(wǎng)算例,通過與關系數(shù)據(jù)庫的比較,證明了基于圖模型的最短路徑搜索是更有效的。