李瑋， 喻瑋， 信博翔， 劉娟， 徐春偉

(國家電網(wǎng)有限公司客戶服務中心，天津 300010)

0 引 言

現(xiàn)有技術中，配電網(wǎng)中配變智能終端、開關監(jiān)控終端長期使用后，傳感器可能發(fā)生故障，導致計量數(shù)據(jù)不準、事件漏報和事件誤報。普通實時監(jiān)控系統(tǒng)只有簡單的采集數(shù)據(jù)上下限校驗功能，難以發(fā)現(xiàn)上述問題。如果采集數(shù)據(jù)不準，配電網(wǎng)發(fā)生故障時，管理人員無法根據(jù)實時數(shù)據(jù)及時發(fā)現(xiàn)故障原因，緊急搶修[1-2]。

因此，配電網(wǎng)智能終端設備傳感器故障問題容易釀成重大事故，必須使用有效手段對采集數(shù)據(jù)失真問題進行核查治理。為了解決上述這些問題，需要融合國網(wǎng)公司營銷系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)(production management system, PMS)和地理信息系統(tǒng)(geographic information system, GIS)的臺賬數(shù)據(jù)，構建完整的配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖，基于配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲結構合理性的規(guī)則，對配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖進行核查，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)架拓撲異常問題后追溯到對應的業(yè)務數(shù)據(jù)和治理臺賬數(shù)據(jù)[1]。

1 系統(tǒng)架構設計

本文設計研究應用了圖形數(shù)據(jù)庫的方式，該方式應用最多的是非關系型的數(shù)據(jù)庫，通過該數(shù)據(jù)庫的應用，能夠及時映射圖形理論存儲實體之間的關系，并對不同數(shù)據(jù)之間的信息情況進行分析和計算。在該數(shù)據(jù)庫中，其內設置的基礎數(shù)據(jù)有GIS系統(tǒng)臺賬數(shù)據(jù)、PMS系統(tǒng)臺賬數(shù)據(jù)、營銷系統(tǒng)臺賬數(shù)據(jù)、配網(wǎng)自動化系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)和用采系統(tǒng)抄表數(shù)據(jù)等，這些基礎數(shù)據(jù)是構建配網(wǎng)網(wǎng)架圖譜校核架構的基礎元素[2]。根據(jù)配電網(wǎng)網(wǎng)架業(yè)務的自身屬性，結合現(xiàn)有關系型數(shù)據(jù)庫存儲的各系統(tǒng)臺賬及關系數(shù)據(jù)，利用知識圖譜技術構建配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖，在Neo4j圖數(shù)據(jù)中，對已經(jīng)搭建好的配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲信息進行存儲。為配電網(wǎng)業(yè)務的展示，大數(shù)據(jù)下的設備關系查詢和數(shù)據(jù)質量提升，提供數(shù)據(jù)支撐，建立高效、便捷的檢索和核查方式[3]。網(wǎng)架核查由定時任務觸發(fā)，當每個周期自動生成網(wǎng)架后，系統(tǒng)需自動進行網(wǎng)架核查。系統(tǒng)讀取核查配置表中的核查項，根據(jù)核查項逐項對網(wǎng)架拓撲圖進行邏輯核查，核查結果存至核查結果表中。配網(wǎng)網(wǎng)架圖譜校核模型示意圖如圖1所示。

圖1 配網(wǎng)網(wǎng)架圖譜校核模型示意圖

第一步，對配電網(wǎng)網(wǎng)架元模型進行搭建。配電網(wǎng)網(wǎng)架元模型描述了配電網(wǎng)中存在的各類業(yè)務實體以及各類業(yè)務實體之間的關系。配電網(wǎng)網(wǎng)架元模型的編制遵從國際電工委員會的IEC61970標準、國家電網(wǎng)公司的CIM4.0.3標準[4]。配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖描述了配電網(wǎng)中實際存在的業(yè)務對象之間的包含、連接、部署和監(jiān)控關系，業(yè)務對象具有全維度的屬性信息，能夠滿足所有的信息化項目和科技項目對于配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲的數(shù)據(jù)查詢需求。

第二步，構建配電網(wǎng)網(wǎng)架圖。充分利用營銷系統(tǒng)、PMS系統(tǒng)和GIS系統(tǒng)的結構特點，對不同數(shù)據(jù)庫中的臺賬數(shù)據(jù)進行匹配，并創(chuàng)建單業(yè)務系統(tǒng)配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖，描述配電網(wǎng)中存在的業(yè)務實體及業(yè)務實體之間的相互關系[7]。將三個單業(yè)務系統(tǒng)配電網(wǎng)網(wǎng)架圖融合為融合配電網(wǎng)網(wǎng)架圖，描述完整的配電網(wǎng)網(wǎng)架。

第三步，基于配電網(wǎng)網(wǎng)架圖進行網(wǎng)架核查，根據(jù)核查結果發(fā)現(xiàn)對應的臺賬數(shù)據(jù)質量問題?；谂潆娋W(wǎng)網(wǎng)架合理性的業(yè)務邏輯，對三個單業(yè)務系統(tǒng)配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖和融合配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖進行核查，發(fā)現(xiàn)違背配電網(wǎng)網(wǎng)架合理性的拓撲關系，發(fā)現(xiàn)營配貫通錯誤導致的融合配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖中的拓撲異常問題。由于配電網(wǎng)網(wǎng)架圖是基于GIS系統(tǒng)、PMS系統(tǒng)和營銷系統(tǒng)臺賬數(shù)據(jù)構建的，因此，配電網(wǎng)網(wǎng)架圖核查發(fā)現(xiàn)的拓撲異常問題都可以追溯到對應的臺賬數(shù)據(jù)質量問題。因此，可以根據(jù)配電網(wǎng)網(wǎng)架核查結果發(fā)現(xiàn)GIS系統(tǒng)、PMS系統(tǒng)和營銷系統(tǒng)臺賬數(shù)據(jù)質量問題，并進行治理[5]。

第四步，基于配電網(wǎng)網(wǎng)架圖及載波抄表采集數(shù)據(jù)進行戶變關系核查。引入了戶變關系錯誤的概念，該概念能夠反映營銷系統(tǒng)中用電客戶與變壓器的數(shù)據(jù)關系與實際情況匹配程度，在配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖中，錯誤的戶變關系不違反配電網(wǎng)網(wǎng)架合理性的業(yè)務邏輯，因此網(wǎng)架核查無法發(fā)現(xiàn)戶變關系錯誤的問題。戶變關系核查采用分析載波抄表情況(分析配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖中載波抄表通信路徑及抄表結果)、比較站-線-變-戶停電事件、比較變壓器的供電范圍與用電客戶所在位置的距離等方法判斷營銷系統(tǒng)中戶變關系是否與真實情況相符[9]。

第五步，應用配電網(wǎng)網(wǎng)架圖對各種方式采集到的數(shù)據(jù)信息實施核查和評估。在通過配電網(wǎng)網(wǎng)架核查及核查問題治理之后，配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖會更加清楚，也會逐漸好用。因此，在具體應用過程中，可以根據(jù)相對準確的配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖情況進行應用，然后比較配電網(wǎng)網(wǎng)架中相鄰的導電設備的電壓、電流和事件之間的計算關系，判斷是否符合配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖中導電設備的拓撲關系[6]，發(fā)現(xiàn)并記錄電壓、電流不準問題和事件缺報、誤報問題，進而發(fā)現(xiàn)造成采集數(shù)據(jù)失準故障的智能終端設備。

2 關鍵技術設計

2.1 配電網(wǎng)網(wǎng)架元模型

本文的配電網(wǎng)網(wǎng)架元模型包括了諸多內容，比如變電站、饋線、主線、配電線段、導線、運行桿塔、柱上斷路器、柱上隔離開關、柱上負荷開關、站內斷路器、站內隔離開關、站內負荷開關、柱上變壓器、配電變壓器、環(huán)網(wǎng)柜、開閉所、電纜分支箱、箱式變電站、計量點、電能表、用電客戶、高壓關口表、低壓關口表、關口表用戶、接入點、臺區(qū)、電表箱、配變智能終端、集中器和開關監(jiān)控終端等。元模型中定義了關聯(lián)、包含、部署、監(jiān)控、連接和監(jiān)控五類關系數(shù)據(jù)。通過上述元素能夠定義30多種設備之間可能存在的拓撲關系[7]，配電網(wǎng)網(wǎng)架元模型結構示意圖如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)網(wǎng)架元模型結構示意圖

2.2 配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖

配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖包括單業(yè)務系統(tǒng)配電網(wǎng)網(wǎng)架圖和融合配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖。

在構建單業(yè)務系統(tǒng)配電網(wǎng)網(wǎng)架圖時，依據(jù)配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲元模型，使用營銷、GIS和PMS臺賬數(shù)據(jù)，構建營銷配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖、GIS配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖和PMS配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖[8]。構建完成的配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖存儲在圖數(shù)據(jù)庫中。其步驟為：

(1) 整理出業(yè)務系統(tǒng)的臺賬數(shù)據(jù)關系圖。例如，營銷系統(tǒng)的臺賬數(shù)據(jù)關系圖。

(2) 根據(jù)配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲元模型，將元模型中的節(jié)點類型對應到臺賬數(shù)據(jù)。然后進行元模型節(jié)點→臺賬數(shù)據(jù)的對應，元模型中的“變電站”對應到營銷臺賬中的“g_subs(變電站)”表，元模型中的“饋線”對應到營銷臺賬中的“g_line(饋線)”表。

(3) 根據(jù)配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲元模型，將元模型中的對象關系對應到營銷臺賬數(shù)據(jù)。例如，元模型中的“變電站”→“饋線”關系對應到營銷臺賬中的數(shù)據(jù)關系。

(4) 根據(jù)配電網(wǎng)網(wǎng)架元模型與臺賬數(shù)據(jù)的對應關系，使用業(yè)務系統(tǒng)臺賬數(shù)據(jù)創(chuàng)建節(jié)點實例、關系實例，存儲到圖數(shù)據(jù)庫，形成單業(yè)務系統(tǒng)的配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖，單業(yè)務系統(tǒng)配電網(wǎng)網(wǎng)架示意圖如圖3所示。

圖3 單業(yè)務系統(tǒng)配電網(wǎng)網(wǎng)架示意圖

綜上，營銷系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)和PMS系統(tǒng)的臺賬數(shù)據(jù)單獨都不足以覆蓋整個配電網(wǎng)網(wǎng)架，必須要融合三個業(yè)務系統(tǒng)的臺賬數(shù)據(jù)，才能形成覆蓋整個配電網(wǎng)的臺賬數(shù)據(jù)。因此，要構建描述全部配電網(wǎng)的配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖，必須要融合營銷網(wǎng)架圖、GIS網(wǎng)架圖和PMS網(wǎng)架圖，得到融合配電網(wǎng)網(wǎng)架圖，融合配電網(wǎng)網(wǎng)架圖具有配電網(wǎng)中所有的業(yè)務對象，圖中業(yè)務對象的屬性覆蓋了全部的屬性維度。融合配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖如圖4所示。

圖4 融合配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖

2.3 大數(shù)據(jù)算法模型

本文還應用了電網(wǎng)拓撲分析算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析，例如，并行廣度優(yōu)先搜索算法、并行深度優(yōu)先搜索算法和程度中心性算法等。基于篇幅的限制，本文應用關聯(lián)模型實現(xiàn)了各種數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)運算。 在關聯(lián)數(shù)據(jù)的存儲管理方面，圖數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以圖結構為核心數(shù)據(jù)結構，對各種關聯(lián)所形成的圖進行存儲管理[20]?，F(xiàn)有的圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)種類繁多，按照所采用的邏輯數(shù)據(jù)模型，本文將它們大致歸納為四大類：基于Property Graph、RDF、超圖的系統(tǒng)以及基于其他模型的系統(tǒng)。下文通過邏輯模型進行說明。

定義1 (特征關聯(lián)圖)：給定實體oi∈E，設Fi為oi表示特征集合，實體oi的特征關聯(lián)圖定義為ξ(oi)={oi,Fi,Ri}，記為ξi。式中：oi為實體，用連接所有特征的虛擬節(jié)點表示；Ri為特征之間的關聯(lián)集合。

定義2 (多視圖關聯(lián)模型)：多視圖關聯(lián)模型表示為多個關聯(lián)視圖及特征關聯(lián)圖的集合G={δi,ξj}。式中：δi(i∈[1,M])為某類型數(shù)據(jù)源所形成的關聯(lián)視圖；ξj為實體oj的特征關聯(lián)圖。

基于上述定義，構建如圖5所示的視圖關聯(lián)模型示意圖。

圖5 多視圖關聯(lián)模型示意圖

在圖5中，如果存在M類數(shù)據(jù)源，則在G中存在M個視圖，每類數(shù)據(jù)源中的特征是實體在某個側面的表征，兩個實體之間的關聯(lián)通過特征表示。若將這些視圖以某種方式組合起來，則會形成實體之間關系的多維視角，利于對問題的全面分析。如交通網(wǎng)絡中的多模式網(wǎng)絡，不同模式的網(wǎng)絡之間存在某些節(jié)點用于模式之間的轉換。而在G中，通過特征關聯(lián)圖表示不同視圖中特征屬于同一個實體的不同描述。如圖5所示M個不同視圖，每個視圖上的實線表示某個數(shù)據(jù)源中特征之間的關系，而多個視圖上特征之間的虛線則表示這些特征描述同一個實體，如實體α和實體β。實體的特征可能出現(xiàn)在某個視圖，也可在多個視圖中出現(xiàn)；若某個實體沒有特征可以提取，則可以認為該實體在用戶關注視角與其他實體之間不存在關聯(lián)關系，是孤立的。實際應用中，實體及其相互關系類型多樣，無法對所有實體及關系進行建模，故需要根據(jù)應用需求，對實體及實體間關系進行定義和約束，即關聯(lián)模式。

定義3 (關聯(lián)模式)：關聯(lián)模式是關聯(lián)模型的元數(shù)據(jù)描述，表示為圖Sm=(E,R,W)包含T個節(jié)點，其中節(jié)點Xi∈E表示第i種類型的實體集合；邊rij∈R表示實體類型之間可以存在的關系類型集合。用邊rij∈R上的權重wij∈W表示實體類型i相對實體類型j的關系權重。

關聯(lián)模型構建流程框如圖6所示。

圖6 關聯(lián)模型構建流程圖

3 試驗結果與分析

在試驗時，通過將圖數(shù)據(jù)庫支撐與非圖數(shù)據(jù)庫支撐的配網(wǎng)網(wǎng)架進行對比分析，在選用的非圖數(shù)據(jù)庫為常規(guī)的計算機數(shù)據(jù)庫。在采用圖數(shù)據(jù)庫支撐時，服務器的硬件配置的CPU為8核，內存為64 GB，硬盤為1 TB，安裝軟件有RedHat 6.8、JDK1.8、Tomcat 8.5或Neo4j 3.4.0。常規(guī)的計算機數(shù)據(jù)庫處理器是Intel(R) Core(TM) i5-2520M CPU @ 2.50 GHz (4 CPUs)，內存：8 GB RAM，操作系統(tǒng)是Microsoft Windows 2007 64位中文專業(yè)版。為了試驗的方便，采用MATLAB 2015b版的仿真平臺，數(shù)據(jù)庫為SQLServer2007，用于用戶信息和電力數(shù)據(jù)的存儲。

下面從實效性上進行說明。假設抽取的配網(wǎng)電力數(shù)據(jù)類型均為10 000 MB，分別通過圖數(shù)據(jù)庫和常規(guī)的計算機數(shù)據(jù)庫分析支配網(wǎng)上的數(shù)據(jù)類型。為了提高數(shù)據(jù)分析的準確性，上文應用到的常規(guī)計算機數(shù)據(jù)庫為方案一，常規(guī)超級計算機數(shù)據(jù)庫為方案二，其中計算機數(shù)據(jù)庫處理器是Intel(R) Core(TM) i5-2520M CPU @ 2.50 GHz (4 CPUs)，內存：16 GB RAM，操作系統(tǒng)是Microsoft Windows 2015 64位中文專業(yè)版，得到如表1所示的數(shù)據(jù)耗時分析表。

表1 用電量數(shù)據(jù)分析耗時對比結果

從表1的試驗結果可以看出，本文方法數(shù)據(jù)耗時最小。再觀察數(shù)據(jù)分析誤差百分比，對50 h內測量的數(shù)據(jù)進行分析，得到如圖7所示的誤差對比數(shù)據(jù)。

圖7 數(shù)據(jù)分析誤差百分比

通過圖7可以看到，通過50 h的測量，本文方法誤差百分比比其他方法低。通過誤差測量，再進行穩(wěn)定性試驗，在進行穩(wěn)定性試驗時，通過10次測量，觀察每次測量的誤差波動，得出如圖8所示的誤差曲線圖。

圖8 穩(wěn)定性誤差曲線圖

從圖8可以看出，本文研究的方法在10次測量的過程，方案一和方案二在測量過程每次測量的誤差都不相同，并且測量過程中，波動比較大。本文方法在10次測量的過程中，波動比較小，說明本文研究的方法穩(wěn)定性較好。

綜上所述，本文方法在數(shù)據(jù)分析耗時、數(shù)據(jù)分析誤差以及穩(wěn)定性上都具有突出的技術優(yōu)勢。

4 結束語

本文基于準確的配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲，利用知識圖譜技術構建配電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲圖。對比相鄰導電設備的采集數(shù)據(jù)，驗證這些采集數(shù)據(jù)之間的計算關系是否符合導電設備相互之間拓撲關系，從而發(fā)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)失真的問題，及時找到造成采集數(shù)據(jù)失真問題的終端設備進行維修，保障配電網(wǎng)采集數(shù)據(jù)真實、可靠、準確，為各業(yè)務部門的信息化項目、科技項目提供基礎數(shù)據(jù)支撐。