基于圖數(shù)據(jù)庫(kù)的配電網(wǎng)拓?fù)浣７椒ㄑ芯?/h1>
2022-03-29 21:49:29周嘉劉飛王棟
機(jī)電信息 2022年5期
周嘉 劉飛 王棟
摘要：針對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)越來(lái)越不能滿(mǎn)足電網(wǎng)對(duì)大數(shù)據(jù)快速訪(fǎng)問(wèn)和分析需求的問(wèn)題，提出了一種基于Neo4j的配電網(wǎng)拓?fù)浣７椒?。在遵循電網(wǎng)CIM模型的基礎(chǔ)上，將CIM模型中的設(shè)備類(lèi)對(duì)象建模為圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的節(jié)點(diǎn)，將對(duì)象之間的連接關(guān)系建模為圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的關(guān)系。最后，通過(guò)一個(gè)10 kV配電網(wǎng)算例的最短路徑查詢(xún)性能對(duì)比，驗(yàn)證了所提建模方法的有效性。
關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)拓?fù)?圖數(shù)據(jù)庫(kù);最短路徑查詢(xún)
中圖分類(lèi)號(hào)：TM711? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）05-0013-03
DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.05.003
引言
隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的配電網(wǎng)關(guān)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(shè)備及其拓?fù)溥B接查詢(xún)帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。圖數(shù)據(jù)庫(kù)作為一種新型的非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，更適合處理網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型數(shù)據(jù)，為大規(guī)模電網(wǎng)拓?fù)洳樵?xún)問(wèn)題提供了新的解決方案。文獻(xiàn)[1]提出了一種基于Neo4j的變電站數(shù)據(jù)管理方法，并驗(yàn)證了在數(shù)據(jù)檢索中使用圖數(shù)據(jù)庫(kù)管理變電站設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[2]驗(yàn)證了Neo4j圖數(shù)據(jù)庫(kù)在遍歷數(shù)據(jù)方面的優(yōu)勢(shì)，但沒(méi)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[3]、GraphX圖數(shù)據(jù)建模[4]等。圖數(shù)據(jù)庫(kù)常用技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)技術(shù)[5]、圖索引機(jī)制[6]、圖查詢(xún)分析技術(shù)[7]等，圖數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)技術(shù)主要是利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)和表達(dá)圖，圖數(shù)據(jù)庫(kù)的基本存儲(chǔ)單元是節(jié)點(diǎn)、關(guān)系、屬性。由于圖數(shù)據(jù)庫(kù)符合電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其在電網(wǎng)計(jì)算中的應(yīng)用越來(lái)越受到重視。文獻(xiàn)[8]在繼承CIM模型的基礎(chǔ)上，提出了一種Neo4j圖數(shù)據(jù)庫(kù)中功率數(shù)據(jù)的建模方法，但沒(méi)有進(jìn)一步分析這種方法的優(yōu)越性。文獻(xiàn)[9]基于Neo4j圖數(shù)據(jù)庫(kù)提出了3種不同配電網(wǎng)圖模型的建模方法，但沒(méi)有與對(duì)應(yīng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行一些數(shù)據(jù)檢索性能方面的對(duì)比。
因此，本文結(jié)合Neo4j圖數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)勢(shì)，提出了一種面向配電網(wǎng)CIM模型的拓?fù)浣７椒ā?/p>
1? ? 圖數(shù)據(jù)庫(kù)和Neo4j
圖數(shù)據(jù)庫(kù)是以“圖”的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，其中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的形式主要是節(jié)點(diǎn)和關(guān)系。這種設(shè)計(jì)模式可以快速解決復(fù)雜的關(guān)系問(wèn)題，而不需要使用傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，因此圖數(shù)據(jù)庫(kù)非常適用于存儲(chǔ)配電網(wǎng)拓?fù)涞染W(wǎng)絡(luò)特征數(shù)據(jù)。而傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)需要進(jìn)行大量的連接表操作來(lái)查找數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)。
Neo4j是圖形數(shù)據(jù)庫(kù)中的一種流行產(chǎn)品，它具有性能好、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)。如圖1所示，Neo4j通過(guò)定義兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（節(jié)點(diǎn)和關(guān)系）來(lái)進(jìn)行信息建模。一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有一個(gè)或多個(gè)標(biāo)簽，一個(gè)關(guān)系只能有一種類(lèi)型;同時(shí)，節(jié)點(diǎn)和關(guān)系可以定義多個(gè)鍵值對(duì)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(diǎn)類(lèi)、設(shè)備端子類(lèi)和設(shè)備類(lèi)組成。圖2顯示了配電網(wǎng)CIM模型中最基本的拓?fù)溥B接方式，這些設(shè)備類(lèi)節(jié)點(diǎn)將連接到0～2個(gè)設(shè)備端子，每個(gè)設(shè)備端子節(jié)點(diǎn)只連接一個(gè)連接節(jié)點(diǎn)，形成最終的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
以圖2為例，“導(dǎo)線(xiàn)”設(shè)備連接到“分段開(kāi)關(guān)”設(shè)備。如果使用原CIM模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，需要先查找與“導(dǎo)線(xiàn)”相連的設(shè)備端子節(jié)點(diǎn)T1的ID，然后根據(jù)設(shè)備端子節(jié)點(diǎn)T1查找連接節(jié)點(diǎn)C1，再根據(jù)連接節(jié)點(diǎn)C1查找所連接設(shè)備T4的設(shè)備端子節(jié)點(diǎn)，最終找到“分段開(kāi)關(guān)”設(shè)備節(jié)點(diǎn)。整個(gè)過(guò)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?fù)浣Y(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(chǔ)上，可以剔除對(duì)象類(lèi)中的連接節(jié)點(diǎn)類(lèi)、設(shè)備端子類(lèi)節(jié)點(diǎn)，僅保留設(shè)備類(lèi)節(jié)點(diǎn)。
因此，為了提高對(duì)配電網(wǎng)拓?fù)湓O(shè)備的連通性查詢(xún)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(guò)程中，應(yīng)遵循配電網(wǎng)CIM模型，將模型中的對(duì)象類(lèi)建模為圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)格式，將對(duì)象之間的連接關(guān)系建模為圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的關(guān)系數(shù)據(jù)格式，映射關(guān)系如表1所示。
3? ? 算例分析
為驗(yàn)證基于圖數(shù)據(jù)庫(kù)的配電網(wǎng)圖建模方法的有效性，選取一個(gè)10 kV的簡(jiǎn)單配電網(wǎng)為例。如圖3所示，系統(tǒng)由11條線(xiàn)路、8個(gè)開(kāi)關(guān)等組成。
根據(jù)CIM模型的規(guī)則，只保留配電網(wǎng)中的每個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，不包括設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)、連接節(jié)點(diǎn)等?；贜eo4j構(gòu)建的圖模型如圖4所示，圖模型由31個(gè)節(jié)點(diǎn)和30條邊組成。
配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是研究設(shè)備之間連通性的基礎(chǔ)，因此，有必要驗(yàn)證圖建模方法與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)相比在最短路徑查詢(xún)性能方面的優(yōu)勢(shì)。以母線(xiàn)到負(fù)載組LP3的最短路徑查詢(xún)?yōu)槔?，圖5所示為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中圖3所對(duì)應(yīng)的配電網(wǎng)拓?fù)鋽?shù)據(jù)的表達(dá)式，不同類(lèi)型的設(shè)備存儲(chǔ)在不同的元件表中，元件之間的連接關(guān)系存儲(chǔ)在連接表中。
在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL和圖數(shù)據(jù)庫(kù)Neo4j中查詢(xún)10 kV配電網(wǎng)母線(xiàn)到負(fù)載組LP3的最短路徑所需時(shí)間結(jié)果如表2所示，從中可以看出，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，查詢(xún)時(shí)間為8.46 s;而在圖數(shù)據(jù)庫(kù)中，查詢(xún)最短路徑只需要2.23 s，由此可對(duì)比出圖模型遍歷的高效性。
4? ? 結(jié)語(yǔ)
圖數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)方法因其適應(yīng)了電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，正逐漸應(yīng)用于電力系統(tǒng)領(lǐng)域。因此，本文在遵循電網(wǎng)CIM模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于圖數(shù)據(jù)庫(kù)的配電網(wǎng)圖模型建模方法。首先，基于Neo4j圖數(shù)據(jù)庫(kù)，將CIM模型中的設(shè)備類(lèi)對(duì)象建立為圖模型中的頂點(diǎn)，將設(shè)備之間的連接關(guān)系建立為圖模型中的邊。其次，基于某10 kV配電網(wǎng)算例，通過(guò)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的比較，證明了基于圖模型的最短路徑搜索是更有效的。
[參考文獻(xiàn)]
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收稿日期：2021-12-06
作者簡(jiǎn)介：周嘉（1982—），男，江蘇南通人，高級(jí)工程師，研究方向：電網(wǎng)規(guī)劃、電網(wǎng)建設(shè)。
周嘉 劉飛 王棟
摘要：針對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)越來(lái)越不能滿(mǎn)足電網(wǎng)對(duì)大數(shù)據(jù)快速訪(fǎng)問(wèn)和分析需求的問(wèn)題，提出了一種基于Neo4j的配電網(wǎng)拓?fù)浣７椒?。在遵循電網(wǎng)CIM模型的基礎(chǔ)上，將CIM模型中的設(shè)備類(lèi)對(duì)象建模為圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的節(jié)點(diǎn)，將對(duì)象之間的連接關(guān)系建模為圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的關(guān)系。最后，通過(guò)一個(gè)10 kV配電網(wǎng)算例的最短路徑查詢(xún)性能對(duì)比，驗(yàn)證了所提建模方法的有效性。
關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)拓?fù)?圖數(shù)據(jù)庫(kù);最短路徑查詢(xún)
中圖分類(lèi)號(hào)：TM711? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）05-0013-03
DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.05.003
引言
隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的配電網(wǎng)關(guān)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(shè)備及其拓?fù)溥B接查詢(xún)帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。圖數(shù)據(jù)庫(kù)作為一種新型的非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，更適合處理網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型數(shù)據(jù)，為大規(guī)模電網(wǎng)拓?fù)洳樵?xún)問(wèn)題提供了新的解決方案。文獻(xiàn)[1]提出了一種基于Neo4j的變電站數(shù)據(jù)管理方法，并驗(yàn)證了在數(shù)據(jù)檢索中使用圖數(shù)據(jù)庫(kù)管理變電站設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[2]驗(yàn)證了Neo4j圖數(shù)據(jù)庫(kù)在遍歷數(shù)據(jù)方面的優(yōu)勢(shì)，但沒(méi)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[3]、GraphX圖數(shù)據(jù)建模[4]等。圖數(shù)據(jù)庫(kù)常用技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)技術(shù)[5]、圖索引機(jī)制[6]、圖查詢(xún)分析技術(shù)[7]等，圖數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)技術(shù)主要是利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)和表達(dá)圖，圖數(shù)據(jù)庫(kù)的基本存儲(chǔ)單元是節(jié)點(diǎn)、關(guān)系、屬性。由于圖數(shù)據(jù)庫(kù)符合電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其在電網(wǎng)計(jì)算中的應(yīng)用越來(lái)越受到重視。文獻(xiàn)[8]在繼承CIM模型的基礎(chǔ)上，提出了一種Neo4j圖數(shù)據(jù)庫(kù)中功率數(shù)據(jù)的建模方法，但沒(méi)有進(jìn)一步分析這種方法的優(yōu)越性。文獻(xiàn)[9]基于Neo4j圖數(shù)據(jù)庫(kù)提出了3種不同配電網(wǎng)圖模型的建模方法，但沒(méi)有與對(duì)應(yīng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行一些數(shù)據(jù)檢索性能方面的對(duì)比。
因此，本文結(jié)合Neo4j圖數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)勢(shì)，提出了一種面向配電網(wǎng)CIM模型的拓?fù)浣７椒ā?/p>
1? ? 圖數(shù)據(jù)庫(kù)和Neo4j
圖數(shù)據(jù)庫(kù)是以“圖”的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，其中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的形式主要是節(jié)點(diǎn)和關(guān)系。這種設(shè)計(jì)模式可以快速解決復(fù)雜的關(guān)系問(wèn)題，而不需要使用傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，因此圖數(shù)據(jù)庫(kù)非常適用于存儲(chǔ)配電網(wǎng)拓?fù)涞染W(wǎng)絡(luò)特征數(shù)據(jù)。而傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)需要進(jìn)行大量的連接表操作來(lái)查找數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)。
Neo4j是圖形數(shù)據(jù)庫(kù)中的一種流行產(chǎn)品，它具有性能好、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)。如圖1所示，Neo4j通過(guò)定義兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（節(jié)點(diǎn)和關(guān)系）來(lái)進(jìn)行信息建模。一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有一個(gè)或多個(gè)標(biāo)簽，一個(gè)關(guān)系只能有一種類(lèi)型;同時(shí)，節(jié)點(diǎn)和關(guān)系可以定義多個(gè)鍵值對(duì)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(diǎn)類(lèi)、設(shè)備端子類(lèi)和設(shè)備類(lèi)組成。圖2顯示了配電網(wǎng)CIM模型中最基本的拓?fù)溥B接方式，這些設(shè)備類(lèi)節(jié)點(diǎn)將連接到0～2個(gè)設(shè)備端子，每個(gè)設(shè)備端子節(jié)點(diǎn)只連接一個(gè)連接節(jié)點(diǎn)，形成最終的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
以圖2為例，“導(dǎo)線(xiàn)”設(shè)備連接到“分段開(kāi)關(guān)”設(shè)備。如果使用原CIM模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，需要先查找與“導(dǎo)線(xiàn)”相連的設(shè)備端子節(jié)點(diǎn)T1的ID，然后根據(jù)設(shè)備端子節(jié)點(diǎn)T1查找連接節(jié)點(diǎn)C1，再根據(jù)連接節(jié)點(diǎn)C1查找所連接設(shè)備T4的設(shè)備端子節(jié)點(diǎn)，最終找到“分段開(kāi)關(guān)”設(shè)備節(jié)點(diǎn)。整個(gè)過(guò)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?fù)浣Y(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(chǔ)上，可以剔除對(duì)象類(lèi)中的連接節(jié)點(diǎn)類(lèi)、設(shè)備端子類(lèi)節(jié)點(diǎn)，僅保留設(shè)備類(lèi)節(jié)點(diǎn)。
因此，為了提高對(duì)配電網(wǎng)拓?fù)湓O(shè)備的連通性查詢(xún)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(guò)程中，應(yīng)遵循配電網(wǎng)CIM模型，將模型中的對(duì)象類(lèi)建模為圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)格式，將對(duì)象之間的連接關(guān)系建模為圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的關(guān)系數(shù)據(jù)格式，映射關(guān)系如表1所示。
3? ? 算例分析
為驗(yàn)證基于圖數(shù)據(jù)庫(kù)的配電網(wǎng)圖建模方法的有效性，選取一個(gè)10 kV的簡(jiǎn)單配電網(wǎng)為例。如圖3所示，系統(tǒng)由11條線(xiàn)路、8個(gè)開(kāi)關(guān)等組成。
根據(jù)CIM模型的規(guī)則，只保留配電網(wǎng)中的每個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，不包括設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)、連接節(jié)點(diǎn)等?；贜eo4j構(gòu)建的圖模型如圖4所示，圖模型由31個(gè)節(jié)點(diǎn)和30條邊組成。
配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是研究設(shè)備之間連通性的基礎(chǔ)，因此，有必要驗(yàn)證圖建模方法與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)相比在最短路徑查詢(xún)性能方面的優(yōu)勢(shì)。以母線(xiàn)到負(fù)載組LP3的最短路徑查詢(xún)?yōu)槔?，圖5所示為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中圖3所對(duì)應(yīng)的配電網(wǎng)拓?fù)鋽?shù)據(jù)的表達(dá)式，不同類(lèi)型的設(shè)備存儲(chǔ)在不同的元件表中，元件之間的連接關(guān)系存儲(chǔ)在連接表中。
在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL和圖數(shù)據(jù)庫(kù)Neo4j中查詢(xún)10 kV配電網(wǎng)母線(xiàn)到負(fù)載組LP3的最短路徑所需時(shí)間結(jié)果如表2所示，從中可以看出，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，查詢(xún)時(shí)間為8.46 s;而在圖數(shù)據(jù)庫(kù)中，查詢(xún)最短路徑只需要2.23 s，由此可對(duì)比出圖模型遍歷的高效性。
4? ? 結(jié)語(yǔ)
圖數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)方法因其適應(yīng)了電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，正逐漸應(yīng)用于電力系統(tǒng)領(lǐng)域。因此，本文在遵循電網(wǎng)CIM模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于圖數(shù)據(jù)庫(kù)的配電網(wǎng)圖模型建模方法。首先，基于Neo4j圖數(shù)據(jù)庫(kù)，將CIM模型中的設(shè)備類(lèi)對(duì)象建立為圖模型中的頂點(diǎn)，將設(shè)備之間的連接關(guān)系建立為圖模型中的邊。其次，基于某10 kV配電網(wǎng)算例，通過(guò)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的比較，證明了基于圖模型的最短路徑搜索是更有效的。
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收稿日期：2021-12-06
作者簡(jiǎn)介：周嘉（1982—），男，江蘇南通人，高級(jí)工程師，研究方向：電網(wǎng)規(guī)劃、電網(wǎng)建設(shè)。
