基于元數(shù)據(jù)的電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)校核方法

劉晴　蔡健挺　姜海　何春濤

摘? ?要：由于缺乏有效管理手段，導(dǎo)致電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)的完整性、一致性、有效性無(wú)法保障，影響電網(wǎng)通信專業(yè)服務(wù)質(zhì)量。為此，提出了基于元數(shù)據(jù)的電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)校核方法。該方法分為三個(gè)過(guò)程：利用網(wǎng)絡(luò)捕包得到電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)，將捕獲的數(shù)據(jù)存入磁盤(pán)列陣內(nèi)和電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)多層次校核。多層次校核內(nèi)的信息層校核將XSD推薦標(biāo)準(zhǔn)作為元數(shù)據(jù)實(shí)施驅(qū)動(dòng)，利用XSD校核引擎實(shí)現(xiàn)信息校核;模型層校核將元數(shù)據(jù)模型內(nèi)同公共信息模型OWL描述的本體文件作為元數(shù)據(jù)，校核電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)各系統(tǒng)資源信息內(nèi)提取的RDF格式模型實(shí)例;數(shù)據(jù)層校核以元數(shù)據(jù)模型內(nèi)拓?fù)湟?guī)則元數(shù)據(jù)作為校核依據(jù)，校核電網(wǎng)各系統(tǒng)中常見(jiàn)的孤島、內(nèi)外環(huán)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所提方法能有效驗(yàn)證電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)的一致性、有效性和完整性，且校核精度較高達(dá)95%以上。

關(guān)鍵詞：元數(shù)據(jù);電網(wǎng);通信資源;數(shù)據(jù)校核;信息校核;模型實(shí)例;拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TM71? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Data Checking Method of Power Network

Communication Resources Based on Metadata

LIU Qing，CAI Jian-ting，JIANG Hai，HE Chun-tao

（Electric Power Dispatching and Control Center of Guizhou Power Grid Co.，Ltd.，Guiyang Guizhou 550002，China）

Absrtact：Due to the lack of effective management means，the integrity，consistency and validity of power grid communication resources data can not be guaranteed，which affects the quality of service of power grid communication profession. To solve this problem，a metadata-based data verification method for power network communication resources is proposed. The method is divided into three processes：using network packet capturing to get the data of power grid communication resources，storing the captured data into disk array and multi-level verification of power grid communication resources data. Information layer verification in multi-level verification uses XSD recommendation standard as metadata driver and XSD verification engine to realize information verification. Model layer verification uses ontology files described by metadata model and public information model OWL as metadata to verify RDF format model extracted from the resource information of each system in nuclear power network communication network. Examples：Data layer checking is based on the metadata of the topological rules in the metadata model to check the common topological structure problems such as islands，inner and outer rings in various systems of nuclear power network. The experimental results show that the proposed method can effectively verify the consistency，validity and integrity of power grid communication resource data，and the verification accuracy is higher than 95%.

Key words：metadata;power grid;communication resources;data verification;information verification;model examples;topology

伴隨電網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)與通信技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模持續(xù)升級(jí)，包含的電路業(yè)務(wù)繁雜，匹配的相應(yīng)物資更為復(fù)雜與分散，不同系統(tǒng)間主要通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互[1]，各系統(tǒng)數(shù)據(jù)缺乏高效的管理手段，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確判斷電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)的完整性、一致性、有效性無(wú)法保障，甚至造成長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法對(duì)外提供數(shù)據(jù)服務(wù)[2]，也不能有效對(duì)外進(jìn)行數(shù)據(jù)交流與互通，帶來(lái)電網(wǎng)通信各系統(tǒng)關(guān)聯(lián)喪失，影響電網(wǎng)通信專業(yè)服務(wù)質(zhì)量，這也是電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)研究領(lǐng)域亟需解決的問(wèn)題。

電網(wǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用是當(dāng)前電網(wǎng)系統(tǒng)信息化建設(shè)的熱點(diǎn)，更是難點(diǎn)[3]。元數(shù)據(jù)也叫做中介數(shù)據(jù)，其本質(zhì)為介紹、定位不同形態(tài)的數(shù)據(jù)與信息資源，同時(shí)使其更便于搜索、使用或管理的數(shù)據(jù)或信息[4]，具有指引存儲(chǔ)位置、搜索資源以及記載文件等作用，是數(shù)據(jù)共享與交換的前提條件，可提升數(shù)據(jù)管理質(zhì)量?；诖艘勒针娋W(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)校核的標(biāo)準(zhǔn)化與完整性原則，提出基于元數(shù)據(jù)的電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)校核方法，通過(guò)語(yǔ)法規(guī)則、數(shù)據(jù)模型等方法對(duì)電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性、一致性、有效性校核，提升通信數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1? ?電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)校核

基于元數(shù)據(jù)的電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)校核方法中，利用網(wǎng)絡(luò)捕包得到電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)[5]，對(duì)這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)校核?；谠獢?shù)據(jù)的電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)校核方法主要包括三個(gè)過(guò)程[6]：電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)捕獲、磁盤(pán)列陣存儲(chǔ)和電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)多層次校核。圖1描述基于元數(shù)據(jù)的電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)校核方法的邏輯結(jié)構(gòu)。

1.1? ?電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)捕獲

利用網(wǎng)絡(luò)捕包得到電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)過(guò)程中主要采用FPGA，其利用邏輯單元陣列概念[7]，內(nèi)部包含可配置邏輯模塊、輸入輸出模塊與內(nèi)部連線三個(gè)主要部分，各邏輯并行執(zhí)行同時(shí)處理不同任務(wù)。獲取電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)PGA定制數(shù)字電路，可開(kāi)啟所有過(guò)濾與觸發(fā)作用的全線速率，在此條件下不間斷捕獲8個(gè)Gbit/s鏈接或4個(gè)10Gbit/s鏈接，可確保捕獲的電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)不出現(xiàn)遺漏現(xiàn)象。

捕獲電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳輸至磁盤(pán)列陣內(nèi)實(shí)施存儲(chǔ)，便于后期數(shù)據(jù)校核。電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)校核過(guò)程中，可隨時(shí)提取網(wǎng)絡(luò)捕包得到電網(wǎng)通信資源數(shù)，形成實(shí)時(shí)校核圖、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)圖表以及報(bào)警等。應(yīng)用程序級(jí)分析引擎基于元數(shù)據(jù)模型在網(wǎng)絡(luò)捕包得到的電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)內(nèi)提取用于校核的數(shù)據(jù)。

1.2? ?磁盤(pán)列陣存儲(chǔ)

磁盤(pán)列陣內(nèi)存儲(chǔ)容量高達(dá)55 T，可存儲(chǔ)1 Gbit/s鏈接45天的資源數(shù)據(jù)。由于磁盤(pán)列陣采用先入先出隊(duì)列技術(shù)，因此在保存電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)時(shí)不受緩存高低對(duì)數(shù)據(jù)捕獲能力的限制[8]，使網(wǎng)絡(luò)捕包不間斷捕獲數(shù)據(jù)，并且可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)故障狀態(tài)下資源數(shù)據(jù)全部抓取。

1.3? ?電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)多層次校核

電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互時(shí)，利用網(wǎng)絡(luò)捕包得到電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)后，需要利用相應(yīng)的方法校核捕獲的數(shù)據(jù)，保障交互數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化與完整性。

以借助IEC 61968數(shù)據(jù)交互總線實(shí)施電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)模型交互為例校核其數(shù)據(jù)流，整體過(guò)程中重點(diǎn)環(huán)節(jié)包括：（1）電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)各系統(tǒng)資源信息交互;（2）由網(wǎng)絡(luò)捕包得到電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)中提出模型信息解析處理;（3）模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

假設(shè)第一個(gè)環(huán)節(jié)中交互的信息數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤，那么上述三個(gè)環(huán)節(jié)中的數(shù)據(jù)都可能存在問(wèn)題，造成電網(wǎng)通信交互不成功。假設(shè)交互信息未依照IEC 61968標(biāo)準(zhǔn)格式封裝，將存在信息不能為總線解析輸出或不能準(zhǔn)確傳輸?shù)侥繕?biāo)的可能;假設(shè)由網(wǎng)絡(luò)捕包得到電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)中提取出的模型實(shí)例沒(méi)有依照信息模型內(nèi)的語(yǔ)義定義，或電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各系統(tǒng)設(shè)定的公共信息模型有所差異，那么將存在模型實(shí)例解析不成功的可能[9];假設(shè)模型數(shù)據(jù)內(nèi)出現(xiàn)問(wèn)題，那么將存在由拓?fù)潢P(guān)系混亂等現(xiàn)象造成模型存儲(chǔ)不成功的可能。

基于以上分析，針對(duì)上述三個(gè)重點(diǎn)環(huán)節(jié)，需從信息層、模型層和數(shù)據(jù)層三個(gè)不同層面對(duì)電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)交互的資源數(shù)據(jù)實(shí)施多層次校核。構(gòu)建校核工具，校核流程層層遞進(jìn)，由信息格式、數(shù)據(jù)模型、模型質(zhì)量三個(gè)層面按照信息模式、本體模型和拓?fù)湟?guī)則對(duì)交互數(shù)據(jù)實(shí)施全面校核[10]。圖2描述校核工具三個(gè)層面間的關(guān)系。

信息層、模型層和數(shù)據(jù)層三個(gè)不同層面的電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)校核緊緊圍繞電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)由淺至深的完成一體化整體校核。

1.3.1? ?信息層校核

校核總線上交互的數(shù)據(jù)時(shí)采用IEC 61968信息一致性校核，此層面上的校核著重于交互信息的語(yǔ)法與格式[11]。IEC 61968信息作為XML（The Extensible Markup Language，可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言）格式信息，其格式由XSD（XML Schema definition）推薦標(biāo)準(zhǔn)定義規(guī)范。校核工具將XSD推薦標(biāo)準(zhǔn)作為元數(shù)據(jù)實(shí)施驅(qū)動(dòng)[12]，在元數(shù)據(jù)模型內(nèi)設(shè)定IEC 61968規(guī)范信息格式XSD同關(guān)聯(lián)規(guī)范子集XSD，利用XSD校核引擎實(shí)現(xiàn)信息校核，同時(shí)將IEC 61968有關(guān)規(guī)范作為前提，經(jīng)由設(shè)置擴(kuò)展規(guī)則庫(kù)對(duì)交互信息進(jìn)行拓展校核，例如IEC 61968信息動(dòng)名詞校核等。圖3描述信息層校核功能架構(gòu)與校核流程。

信息層校核是基于電網(wǎng)設(shè)備屬性信息及層次結(jié)構(gòu)的屬性校核，校核的主要內(nèi)容包括電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各系統(tǒng)間交互信息內(nèi)容，如：（1）電網(wǎng)下饋線設(shè)備名稱;（2）名稱一致編號(hào)有所差異、編號(hào)一致名稱有所差異的設(shè)備;（3）電網(wǎng)各系統(tǒng)中配電網(wǎng)母線、開(kāi)關(guān)和變壓器設(shè)備;（4）電網(wǎng)各系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)無(wú)電壓等級(jí)的設(shè)備;（5）電網(wǎng)各系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)號(hào)為-1的設(shè)備;（6）負(fù)載名稱及負(fù)載所處饋線名稱一致性不足半數(shù)的負(fù)載設(shè)備。

1.3.2? ?模型層校核

以信息模型角度出發(fā)的校核即為模型層校核，其主要目的是校核交互信息模型語(yǔ)法格式的兼容性和語(yǔ)義是否相同[13]。模型層校核工具以本體理論為基礎(chǔ)，將元數(shù)據(jù)模型內(nèi)同公共信息模型OWL（Web Ontology Language，網(wǎng)絡(luò)本體語(yǔ)言）描述的本體文件作為元數(shù)據(jù)，校核電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)各系統(tǒng)資源信息內(nèi)提取的RDF格式模型實(shí)例。以校核RDF語(yǔ)法格式為基礎(chǔ)，利用JEXA推理機(jī)校核RDF格式文檔內(nèi)不同元素的三元組，確定其同OWL描述語(yǔ)義有所差異處。圖4描述模型層校核功能架構(gòu)與校核流程。

模型層校核是以電網(wǎng)內(nèi)各系統(tǒng)設(shè)備基礎(chǔ)模型信息及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的信息模型校核，校核的主要內(nèi)容包括電網(wǎng)各系統(tǒng)中：（1）沒(méi)有同母線相連的設(shè)備;（2）沒(méi)有同饋線段相連的主網(wǎng)負(fù)載;（3）任意端同設(shè)備相連的饋線段;（4）兩端均同設(shè)備相連的配變;（5）同某饋線直接鏈接的其他饋線信息等。

1.3.3? ?數(shù)據(jù)層校核

數(shù)據(jù)層校核的主要目的是校核電網(wǎng)通信交互信息中描述的拓?fù)?，著重校核電網(wǎng)中各系統(tǒng)設(shè)備連接是否準(zhǔn)確，以及指導(dǎo)模型消缺、使電網(wǎng)通信資源信息模型存儲(chǔ)的精度上升[14]。利用數(shù)據(jù)層校核工具進(jìn)行信息模型拓?fù)湫：诉^(guò)程中以元數(shù)據(jù)模型內(nèi)拓?fù)湟?guī)則元數(shù)據(jù)作為校核依據(jù)，基于拓?fù)鋽?shù)據(jù)，通過(guò)深度遍歷結(jié)合前推回代法，校核電網(wǎng)各系統(tǒng)中常見(jiàn)的孤島、內(nèi)外環(huán)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問(wèn)題。圖5描述數(shù)據(jù)測(cè)校核功能架構(gòu)與校核流程。

數(shù)據(jù)層校核是以電網(wǎng)各系統(tǒng)設(shè)備基礎(chǔ)模型信息和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及層次結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫：薣15]，校核的主要內(nèi)容包括電網(wǎng)各系統(tǒng)內(nèi)：（1）電源點(diǎn)構(gòu)成環(huán)網(wǎng)的數(shù)量;（2）節(jié)點(diǎn)號(hào)不為-1，卻無(wú)法搜索到電源點(diǎn)的設(shè)備;（3）線路上成環(huán)的設(shè)備及數(shù)量;（4）未確定電源點(diǎn)的電網(wǎng)設(shè)備;（5）一個(gè)電源點(diǎn)下全部未變壓設(shè)備內(nèi)同電源點(diǎn)電壓有所差異的設(shè)備等。

2? ?實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)為測(cè)試本文提出的基于元數(shù)據(jù)的電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)校核方法的有效性，以我國(guó)某市電網(wǎng)為研究對(duì)象，在PDZ900系列終端上采用本文校核方法進(jìn)行電網(wǎng)通信資源校核，結(jié)果如下所示。

2.1? ?電網(wǎng)配電線路校核

圖6所示為研究對(duì)象中一個(gè)系統(tǒng)的配電線路，其在正常運(yùn)行狀態(tài)下，M7處于分閘狀態(tài)，也就是聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，R1與R2均表示環(huán)網(wǎng)柜。在配電線路分段開(kāi)關(guān)數(shù)量上漲和配電線路不同位置出現(xiàn)故障的條件下分別進(jìn)行10次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

分析表1得到，采用本文方法校核配電線路分段開(kāi)關(guān)數(shù)量上漲條件下線路拓?fù)淠Ｐ褪欠褚恢?，結(jié)果顯示10次實(shí)驗(yàn)中除出現(xiàn)一次拓?fù)淠Ｐ筒黄ヅ洮F(xiàn)象外，其余均表現(xiàn)為拓?fù)淠Ｐ拖嗥ヅ?校核結(jié)果與實(shí)際情況完全一致。采用本文方法校核配電線路出現(xiàn)故障條件下線路是否出現(xiàn)異常，結(jié)果顯示10次實(shí)驗(yàn)中，除一次饋線維護(hù)范圍異常和一次聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息異常外，其余均表現(xiàn)為未出現(xiàn)異常;校核結(jié)果與實(shí)際情況完全一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文方法能夠有效檢測(cè)電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)的有效性與一致性。

2.2? ?電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)校核

利用網(wǎng)絡(luò)捕包獲取實(shí)驗(yàn)對(duì)象通信資源中某58節(jié)點(diǎn)饋線某時(shí)刻三項(xiàng)電壓、電流和有功功率和有功電量等交互數(shù)據(jù)，并采用本文方法對(duì)捕獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，實(shí)驗(yàn)對(duì)象各節(jié)點(diǎn)中，節(jié)點(diǎn)14、節(jié)點(diǎn)19和節(jié)點(diǎn)39的交互數(shù)據(jù)存在量測(cè)不相容問(wèn)題，采用本文方法對(duì)這三個(gè)節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，校核得到的數(shù)據(jù)同基于負(fù)載歷史數(shù)據(jù)的電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)校核方法和基于上下電壓等級(jí)數(shù)據(jù)量測(cè)的電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)校核方法得到的校核數(shù)據(jù)一致，說(shuō)明本文方法能夠有效校核電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)，并補(bǔ)全數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)完整。

2.3? ?校核精度對(duì)比

為驗(yàn)證本方法的校核精度，采用三種不同校核方法對(duì)研究對(duì)象通信資源262704條數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)錯(cuò)，對(duì)比不同校核方法的報(bào)錯(cuò)率，結(jié)果如表3所示。

分析表3得到，本方法的關(guān)鍵性錯(cuò)誤報(bào)錯(cuò)率均在95%以上，最高達(dá)到100%，且誤報(bào)率為0%;而基于負(fù)載歷史數(shù)據(jù)的校核方法報(bào)錯(cuò)率僅在90%左右，但誤報(bào)情況較為嚴(yán)重，而基于上下電壓等級(jí)數(shù)據(jù)測(cè)量的校核方法報(bào)錯(cuò)率稍低于基于負(fù)載歷史數(shù)據(jù)的校核方法，但誤報(bào)率與其相比下降幅度較為顯著。對(duì)比之下可知本方法的校核精度顯著高于兩種對(duì)比方法。

2.4? ?校核效果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證本方法的校核效果，對(duì)比研究對(duì)象中5個(gè)電廠采用本方法后的交易電量，對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，采用本方法后研究對(duì)象的五個(gè)電廠交易電量均有不同程度的增長(zhǎng)，增長(zhǎng)比例分別為8.38%、20.86%、7.92%、13.64%和6.47%。其中2號(hào)電廠交易電量的增長(zhǎng)幅度最為顯著，說(shuō)明其在未使用本方法前受電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)混亂問(wèn)題影響嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本方法能夠有效提升電網(wǎng)交易電量。

3? ?結(jié)? ?論

隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，電網(wǎng)通信資源越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)其的管理也越來(lái)越困難，導(dǎo)致電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)內(nèi)出現(xiàn)越來(lái)越多的問(wèn)題，影響電網(wǎng)通信質(zhì)量?；诖?，提出了基于元數(shù)據(jù)的電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)校核方法，構(gòu)建多層次的交互模型校核工具，從信息層、模型層和數(shù)據(jù)層三個(gè)層面對(duì)電網(wǎng)通信資源數(shù)據(jù)進(jìn)行校核。將本方法應(yīng)用在我國(guó)某市的電網(wǎng)中，結(jié)果驗(yàn)證了本方法的可行性。

參考文獻(xiàn)

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