圖數(shù)據(jù)庫技術(shù)在電力系統(tǒng)信息通信資產(chǎn)管理中的應(yīng)用

呂旭明，鄭善奇，曹麗娜，欒敬釗，高 瀟

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006）

圖數(shù)據(jù)庫技術(shù)在電力系統(tǒng)信息通信資產(chǎn)管理中的應(yīng)用

呂旭明，鄭善奇，曹麗娜，欒敬釗，高 瀟

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006）

日益增多的信息通信設(shè)備在電力系統(tǒng)中投入使用，其發(fā)展趨勢使電力系統(tǒng)信息通信資產(chǎn)管理成為電力系統(tǒng)發(fā)展亟待解決的困難與挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫已不能滿足日益復(fù)雜的實際發(fā)展需求。文中對通用流行的圖數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品和信息通信資產(chǎn)管理的需求進行調(diào)研，詳細(xì)介紹了用圖數(shù)據(jù)庫建模實現(xiàn)電力系統(tǒng)信息通信資產(chǎn)管理以及相應(yīng)可視化方案，并選定新型的圖數(shù)據(jù)庫Neo4j存儲、管理、查詢電力系統(tǒng)信息通信資產(chǎn)數(shù)據(jù)。

圖數(shù)據(jù)庫；信息通信設(shè)備；資產(chǎn)管理；診斷

1 概述

電力系統(tǒng)中的信息通信資產(chǎn)設(shè)備的主要功能是實現(xiàn)電力系統(tǒng)高性能控制和自動化管理。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，大量新型電力設(shè)備投入使用，例如分布式能源、智能變電站、電動車充電站等。這些給電力系統(tǒng)信息通信資產(chǎn)管理帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。首先，管理這些電氣設(shè)備需要安裝更多的服務(wù)器、交換機和其他通信設(shè)備，傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫已不能滿足發(fā)展的需求。其次，不同信息通信設(shè)備的關(guān)聯(lián)關(guān)系更加復(fù)雜，直接查詢一類特殊設(shè)備的影響范圍十分困難。為了實現(xiàn)可靠控制和靈活管理，一種創(chuàng)新型的信息通信管理系統(tǒng)亟待開發(fā)。

圖數(shù)據(jù)庫被認(rèn)為是一種有效存儲、管理、分析復(fù)雜關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)以及可視化方案的新型技術(shù)方案［1］。大量數(shù)據(jù)類應(yīng)用可以被建模為圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如社交網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)頁數(shù)據(jù)、生物結(jié)構(gòu)、化工合成以及道路網(wǎng)絡(luò)［2］。圖數(shù)據(jù)庫的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是圖論。圖數(shù)據(jù)庫的3類基本元素分別是節(jié)點、邊和屬性。節(jié)點通常用來定義實體和標(biāo)記屬性，例如人、城市和訂單記錄。圖數(shù)據(jù)庫中的節(jié)點近似于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的一列。邊用來定義2個節(jié)點之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。邊可以是有向邊，也可以是無向邊，可賦予不同含義。邊是圖數(shù)據(jù)庫中的重要元素，因為關(guān)聯(lián)關(guān)系在其他類型數(shù)據(jù)庫中并不能直接表示。關(guān)聯(lián)關(guān)系可以允許數(shù)據(jù)直接相連，而且在大部分應(yīng)用場景下都可以通過簡單操作實現(xiàn)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)檢索。屬性代表節(jié)點的附屬信息，例如在圖數(shù)據(jù)中定義1個節(jié)點 “人”，用戶可以定義節(jié)點的屬性為性別、年齡或教育經(jīng)歷，取決于人的哪類信息在此特定數(shù)據(jù)庫中考慮。

圖結(jié)構(gòu)提供一種自然表達關(guān)聯(lián)關(guān)系的方式。在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系存儲在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫本身，對于此類數(shù)據(jù)的查詢需要使用 “JOIN”操作。復(fù)雜關(guān)聯(lián)關(guān)系數(shù)據(jù)的簡單和快速在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中難以實現(xiàn)，使用圖數(shù)據(jù)庫則能很好地支撐上述功能。

目前，圖數(shù)據(jù)庫還未在電力系統(tǒng)中廣泛使用，但電力系統(tǒng)中的信息和通信系統(tǒng)可以建模為屬性圖。信息通信設(shè)備，例如服務(wù)器、存儲設(shè)備和網(wǎng)關(guān)等可以建模為節(jié)點；傳輸線路以及邏輯業(yè)務(wù)連接可以建模成邊；設(shè)備的配置，設(shè)備所屬的電力信息系統(tǒng)，實際地址等可以建模為屬性。這是首次應(yīng)用圖數(shù)據(jù)庫建模電力系統(tǒng)信息通信管理系統(tǒng)。

本文通過調(diào)查對電力系統(tǒng)信息通信資產(chǎn)管理的實際應(yīng)用需求完成建模，調(diào)查了市場上常見的圖數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品：Neo4j、GraphFrame和GraphSQL，并完成電力系統(tǒng)信息通信資產(chǎn)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)建模，實現(xiàn)了信息通信資產(chǎn)管理的可視化功能。

2 針對圖數(shù)據(jù)處理平臺應(yīng)用于電力網(wǎng)絡(luò)的調(diào)研

隨著圖數(shù)據(jù)庫平臺的快速發(fā)展，一系列圖數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品應(yīng)運而生，滿足存儲大型圖數(shù)據(jù)的市場需求。它們中的絕大多數(shù)系統(tǒng)通過一系列并不十分嚴(yán)謹(jǐn)公平的比較獲取結(jié)論，例如，有些比較并未同時采用雙方產(chǎn)品的最新版本，有些比較采用的是社區(qū)版本而不是商業(yè)版本。

大量不同圖數(shù)據(jù)庫的比較通過測試圖數(shù)據(jù)載入、PageRank算法和最短路徑算法等功能獲取性能表現(xiàn)。在眾多圖數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品中，本文選擇Neo4j、GraphFrame和GraphSQL作為設(shè)計電力系統(tǒng)信息通信資產(chǎn)管理系統(tǒng)的備選技術(shù)方案［3－10］。

a. Neo4j

Neo4j是Neo科技公司開發(fā)的一款圖數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，被認(rèn)為是最流行的圖數(shù)據(jù)庫之一。第一個版本在2010年發(fā)布，最新版本3.0在2016年發(fā)布。Neo4j支持的圖模型被稱作屬性圖，屬性圖包括節(jié)點、邊、屬性。Neo4j采用Java語言寫成，提供多個 API接口，并支持多類開發(fā)語言：Java、Python、 Ruby、 JavaScript、 PHP 和.NET， C 和 C＋＋不在支持開發(fā)語言之列。Cypher是專為Neo4j設(shè)計的描述性數(shù)據(jù)遍歷查詢語言，類似于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的類SQL語言。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用Blue-prints接口和自然Rest接口，擴展數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用范圍。Neo4j提供3個版本：社區(qū)版本、企業(yè)版本和政府版本。社區(qū)版本提供給開發(fā)者學(xué)習(xí)圖數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)知識，實現(xiàn)小型系統(tǒng)的開發(fā)，不支持大規(guī)模高性能系統(tǒng)的開發(fā)，且不包含專業(yè)支持和系統(tǒng)服務(wù)。企業(yè)版本提供更強功能和更靈活的開發(fā)范圍，支持企業(yè)級別數(shù)據(jù)的存儲、管理和分析能力，也提供具有競爭性的內(nèi)部應(yīng)用，例如主數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)和信息操作管理、系統(tǒng)和詐騙識別。

b.GraphFrame

GraphFrame是一個可管理圖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。它是在Spark平臺上通過Spark SQL模塊實現(xiàn)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基于 Spark Reslient分布式數(shù)據(jù)庫（RDD）。GraphFrame的數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換傳輸?shù)絊park GraphX平臺。GraphX是一種基于Apache Spark的分布式圖數(shù)據(jù)處理框架。GraphX將ETL、探索式分析和遍歷計算集中在1臺計算機或服務(wù)器。數(shù)據(jù)可以表示成圖或是集合。RDDs可有效支持圖的轉(zhuǎn)換和加成。開發(fā)者可以使用Pregel API設(shè)計客戶需求的迭代式圖算法。GraphX支撐一類圖算法：PageRank、連通分支、SVD＋＋、強連通分支和三角計數(shù)。因為GraphX是基于Spark實現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫，因此不需要針對Spark的基礎(chǔ)功能進行修改。為實現(xiàn)超越其他圖數(shù)據(jù)分析平臺的性能，GraphX引入了mrTriplets等一系列優(yōu)化技術(shù)。GraphX在處理大規(guī)模電網(wǎng)潮流計算具有極大的潛力。

c.GraphSQL

GraphSQL數(shù)據(jù)庫以及配套的分析引擎被認(rèn)為是一個完整的、分布式的、并行的、旨在解決網(wǎng)絡(luò)級別大規(guī)模數(shù)據(jù)的實時分析平臺。Map Reduce機制和并行圖數(shù)據(jù)處理方法在GraphSQL平臺上集成，加速大規(guī)模并行圖算法。以節(jié)點為中心的、Map Reduce方式的API支持用戶自定義函數(shù)。另外，GraphSQL用來提供圖數(shù)據(jù)的ad－h(huán)oc式遍歷和迭代式分析。GraphSQL采用獨特的分布式計算機制實現(xiàn)大規(guī)模的圖數(shù)據(jù)處理?；谏鲜黾夹g(shù)，GraphSQL實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)載入重構(gòu)原圖，快速的并行圖算法具備大規(guī)模數(shù)據(jù)處理能力和實時分析功能。

GraphSQL具有獨特特征：實時處理流數(shù)據(jù)的加載和更新功能。通常意義下，GraphSQL平臺具有3個關(guān)鍵功能組件：圖引擎實時分析平臺、企業(yè)級數(shù)據(jù)引擎以及客戶智能解決方案。圖引擎實時分析平臺收集、存儲、分析大量數(shù)據(jù)并形成屬性圖。企業(yè)級數(shù)據(jù)引擎支持圖論算法的魯棒式實現(xiàn)?？蛻糁悄芙鉀Q方案集中支撐系統(tǒng)以及各類可視化工具，如支持Tableau。Neo4j、GraphX和GraphSQL的主要特征和區(qū)別見表1。

表1 Neo4j、GraphX和GraphSQL的主要特征和區(qū)別

3 應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)建模

3.1 物理元素

電力系統(tǒng)信息通信資產(chǎn)建模過程中的所有設(shè)備和設(shè)備間的關(guān)聯(lián)關(guān)系都需要精確地通過圖模型進行。

a. 節(jié)點建模

電力系統(tǒng)信息通信資產(chǎn)建模中共有3類物理設(shè)備節(jié)點，包括服務(wù)器節(jié)點、存儲設(shè)備節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點。其中服務(wù)器節(jié)點包含應(yīng)用服務(wù)器 （App）、數(shù)據(jù)服務(wù)器 （Data）、接口服務(wù)器 （Port）、地圖服務(wù)器 （Map）、代理服務(wù)器 （Agent） 和F5負(fù)載平衡設(shè)備 （F5）。存儲設(shè)備與其中的數(shù)據(jù)服務(wù)器相連，而網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在電力系統(tǒng)信息通信資產(chǎn)建模中單指交換機。圖模型不同類型的節(jié)點包含不同屬性，節(jié)點對應(yīng)的屬性見表2。

設(shè)備ID、子類別、設(shè)備型號和設(shè)備位置是通用屬性。服務(wù)器設(shè)備和存儲設(shè)備的IP地址和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 （交換機）的接口是一一對應(yīng)的，但是具體的對應(yīng)關(guān)系不會由節(jié)點的IP地址或接口屬性表示出來。1個節(jié)點可能有超過1個IP地址或超過1個接口。

表2 節(jié)點對應(yīng)屬性

操作系統(tǒng)、硬件配置和集群方式是服務(wù)器設(shè)備的特有屬性。操作系統(tǒng)可以為任意版本的Windows或Linux；硬件配置主要記載了服務(wù)器的CPU核心、主頻和內(nèi)存大??；集群方式指1個服務(wù)器集群的拓?fù)潢P(guān)系 （如F5或RAC），同1個集群中的所有服務(wù)器的集群方式屬性是相同的。

b.邊建模

電力系統(tǒng)信息通信建模中使用雙向邊對設(shè)備間的連接關(guān)系進行建模，每1條邊對應(yīng)1根光纜。邊兩端可以連接的設(shè)備類型見表3。

表3 邊兩端連接的設(shè)備類型 （邊的類型）

3.2 虛擬元素

為了描述設(shè)備的功能關(guān)系，兩類虛擬節(jié)點被引入電力系統(tǒng)信息通信建模中。一類為系統(tǒng)節(jié)點和從屬邊，另一類為業(yè)務(wù)邏輯邊。

a. 系統(tǒng)節(jié)點和從屬邊

每個系統(tǒng)都可以被看作為1個圖中的超級節(jié)點，每個系統(tǒng)超級節(jié)點都包含了屬于該系統(tǒng)的子圖。在電力系統(tǒng)信息通信設(shè)備的圖建模中，1個特殊的虛擬節(jié)點和1組從屬邊被用來表示這些系統(tǒng)級的節(jié)點。

b. 業(yè)務(wù)邏輯邊

另一類虛擬邊為業(yè)務(wù)邏輯邊。這類邊表述了2個設(shè)備間的業(yè)務(wù)聯(lián)系，故障影響范圍可以通過這類業(yè)務(wù)邊進行確定。

4 通信設(shè)備可視化

可視化目的是展示通信設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和連接狀況，有利于設(shè)備管理、通信系統(tǒng)分析和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。通過可視化展示可使工作人員較好地觀察所有運行設(shè)備和其工作狀態(tài)。讀取設(shè)備連接狀況，利用圖數(shù)據(jù)信息通信資產(chǎn)管理模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。本文所使用的數(shù)據(jù)根據(jù)真實的設(shè)備連接圖手動生成。

社區(qū)版Neo4j和GraphSQL都提供可視化工具。因為Neo4j使用的Cypher語言是聲明型查詢語言，開發(fā)者可高效編寫查詢和更新圖數(shù)據(jù)，避免對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的針對性修正。使用者可編寫Cypher語言查詢并在Neo4j的編輯框中運行。Neo4j自動在結(jié)果框中生成可視化效果用以展示查詢結(jié)果。在GraphSQL平臺中，使用者可在瀏覽器中提交已經(jīng)創(chuàng)建好的查詢?nèi)蝿?wù)，查詢結(jié)果的可視化展示隨之生成?？紤]到Cypher語言的靈活性和高度可定制性的可視化效果，本文選擇Neo4j進行下一步的工作。

本文使用Neo4j來創(chuàng)建圖和實現(xiàn)圖數(shù)據(jù)的可視化。數(shù)據(jù)讀取前，已根據(jù)不同設(shè)備的實際連接情況創(chuàng)建好CSV格式的數(shù)據(jù)。圖數(shù)據(jù)庫平臺Neo4j和GraphSQL均可讀入CSV格式文件。節(jié)點代表信息通信設(shè)備，邊代表設(shè)備間物理連接。主要步驟如下：

a.讀取節(jié)點數(shù)據(jù)→創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點→讀取物理連接數(shù)據(jù)→創(chuàng)建邊

本文采用3類物理節(jié)點，所有邊都為無向邊。3類節(jié)點分別表示服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲設(shè)備。每個節(jié)點有若干屬性，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點具有的屬性為設(shè)備ID、子類別、設(shè)備型號、設(shè)備位置和接口。

在讀取數(shù)據(jù)并創(chuàng)建節(jié)點時依次創(chuàng)建每類節(jié)點。節(jié)點全部建立好后進行邊的創(chuàng)建。這里所有的邊都是無向的，因為邊只意味著其兩端的節(jié)點所代表的設(shè)備有物理連接。然而本次創(chuàng)建圖中的邊都是有向邊，在此不必關(guān)注邊的方向。

b. 運行查詢→自定義可視化效果

針對不同的應(yīng)用場景可編寫相應(yīng)的查詢。通過全圖的可視化可方便地對所有設(shè)備進行詳細(xì)展示。查詢所有節(jié)點類別為服務(wù)器的節(jié)點，可以對所有服務(wù)器設(shè)備進行可視化展示。查詢所有與PMS系統(tǒng)節(jié)點相連的節(jié)點可以對所有PMS系統(tǒng)的節(jié)點進行可視化展示。用戶可方便地編寫類似查詢，并得到想要的可視化展示。

Neo4j提供的圖樣式列表可以方便對圖的樣式進行改動。在圖樣式列表中可設(shè)置節(jié)點和邊的顏色、名稱顯示、文字顏色、字體等。用戶可導(dǎo)入已編輯好的圖樣式列表實現(xiàn)自定義可視化效果?？梢暬瘯r節(jié)點的分布位置較混亂，使用者需拖拽節(jié)點到合適的位置得到想要的效果。

使用Neo4j可在瀏覽器中實現(xiàn)圖數(shù)據(jù)的可視化，圖中包含有設(shè)備狀態(tài)和設(shè)備間連接情況等信息?？梢暬瘜楣收嫌绊懛秶治鎏峁┲С?，節(jié)點可設(shè)置成醒目顏色提示工作人員故障情況。

5 結(jié)束語

圖數(shù)據(jù)庫技術(shù)作為一種新型的計算方法，具有邏輯性強、效率高、并發(fā)性好等特點。電力系統(tǒng)信息通信網(wǎng)絡(luò)具有天然的網(wǎng)絡(luò)特性，其物理關(guān)系、資產(chǎn)關(guān)系可形成較龐大的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為圖數(shù)據(jù)庫提供良好的應(yīng)用前景。本文對3款通用流行的圖數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品：GraphSQL、GraphFrame以及Neo4j進行調(diào)研分析，結(jié)合電力系統(tǒng)企業(yè)信息通信資產(chǎn)特點，最終選定Neo4j產(chǎn)品建立電力系統(tǒng)信息通信資產(chǎn)存儲和管理的圖數(shù)據(jù)模型，并實現(xiàn)了可視化功能，提高了電力系統(tǒng)企業(yè)信息通信資產(chǎn)管理水平及信息通信系統(tǒng)運行水平。

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Application of Graph Databases in the Communication and Information Asset Management in Power Grid

Lü Xuming， ZHENG Shanqi， CAO Lina， LUAN Jingzhao， GAO Xiao

（State Grid Liaoning Electric Power Co.， Ltd.， Shenyang， Liaoning 110006， China）

With an increasing amount of communication and information equipment added to the power grid， the new situation brings great challenges to the communication and information assetmanagement in the power grid.Traditional database could notmanage the complex relations in a reasonable efficiency.An exploration ismade to use a popular graph database.Neo4j can store，manage and query those data in the paper.The requirement of the management and several graph products are surveyed.Besides，a graph model of communication and information asset in the power system and their's visualization are presented in detail.

graph databases； communication and information asset； assetmanagement； diagnosis

TP311.13

A

1004－7913（2017）11－0027－04

呂旭明 （1981），男，碩士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)信息通信專業(yè)管理及新技術(shù)研究工作。

2017－08－30）