大电网未来态一体化模型构建和融合技术研究

摘要：随着中国智能电网规模与复杂性的不断增加，针对未来态电网模型的应用需求日益强烈，现阶段调度自动化系统对于未来态建模缺乏快速高效的建模手段，缺乏上下级调度系统间未来模型的协调融合机制。通过研究电网未来模型管理体系架构，在不影响实时系统安全稳定运行的前提下，通过数据分片技术、分布式文件数据库的应用，通过基于消息中间件数据交互技术和以厂站为粒度的未来模型融合方法，实现模型未来版本维护环境的快速构建，实现网省一体化的未来模型融合的高效管理，满足不同应用对未来图模多版本维护的需求并为应用计算提供了一整套的解决方案。

关键词：未来态 数据分片 模型构建 模型融合 MOM技术

引言

随着智能电网调度控制系统的研发和全面推广建设，配套制定了一系列标准、规范，初步建立了模型数据统一维护管理机制[1-6]。相关分析模块，如状态估计、潮流计算、N-1分析、调度员培训仿真系统(DTS)、自动电压无功控制(AVC)等均是在实时系统中当前时间维度的电网模型基础上开展的，为调度运行分析和辅助决策提供技术支撑，但缺乏在未来模型下的分析研究。同时各种业务调度控制系统迫切需要能够在各种假想方式下提前进行在线建模及分析工作，需要使用不同时期电网模型对电网的静态安全分析结果等进行比对追忆分析，以更好地分析电网的薄弱点，对电网的合理规划布局，从运行角度提出更好的建议。这些业务应用系统对于未来态模型的需求，对电网模型的未来态模型管理提出了更高的要求。

文献[7]重点介绍基于CIM/E的模型信息一体化管理，提出应用多模型、在线和离线模型、上下级调度系统之间公共模型的一体化管理。文献[8]侧重调控中心之间一体化建模具体方案和关键技术。文献[9]提出基于时间维度的调控全业务统一建模方案。但对于未来态建模环境快速构建，未来态模型一体化融合问题等未见论述。

当前模型管理方面的研究提供了较多针对电网当前模型、历史模型的维护手段，但对未来态模型的维护管理缺乏有效技术支撑。在线安全分析、调度计划及安全校核、电网规划相关分析等业务应用需各自维护未来态模型，各业务未来态模型不能充分共享，相互间联动不足，无法有效支撑上述应用对未来态模型管理的需求。特别是满足不同业务应用需求的未来态建模环境快速构建，及上下级间未来模型的一体化融合一直是影响未来态模型实用化的关键。本文通过研究未来态模型环境的快速构建方法，基于消息中间件(message-oriented dleware，MOM[10-11])数据交互技术和以厂站为粒度的未来模型融合方法，可有效解决了上述问题，为各应用业务系统提供未来态模型高效、安全的维护手段。

1 未来态一体化模型构建融合总体架构

1.1 总体方案概述

未来态一体化模型构建融合总体架构，如图1所示。在不影响实时系统安全稳定运行的前提下，支持多个相互独立的未来态模型版本维护环境，以满足预想方式下的在线安全分析、调度计划和安全校核、DTS等不同应用对多个未来态模型版本维护的需求。本文描述的未来态建模系统需要部署在安全I区网络环境中，与在线系统通过网络代理进行通信;系统中不需要安装关系型数据库，对单一版本不同模型表的数据使用多个轻量级文件数据库进行存储，并对不同版本模型采用多机分布式存储;系统不进行前置数据接站工作，可以通过接收运行系统数据转发获取实时数据，通过在线系统CASE数据断面或历史数据导出获取历史数据;系统支持以CIM/E[12-14]格式文件为数据源生成某一版本模型，并支持将某一版本模型导出为CIM/E格式文件供各应用系统使用。同时上下级间的未来态建模系统通过未来态模型一体化融合技术、厂站为粒度的模型融合方法以及MOM技术实现了上下级调度未来态建模系统中模型的高效融合，为后续应用计算提供了一整套的解决方案。

2 关键技术

2.1 未来态模型版本构建技术

2.1.1 未来态模型集定义方法

未来态模型维护版本内容构建功能，支持将未来态模型数据表划分为不同业务应用的模型集，用户可根据未来态模型维护需求将不同业务应用模型集组合构建成一个未来态模型维护版本。同一张未来态模型数据表只能属于一种业务应用模型集。未来态模型维护版本逻辑上是一个封装了该版本模型全量及变更内容的数据包，物理上是一个以CIM/E、轻量级文件数据库[15-17]为数据存取介质的文件目录。

以电网模型(电网设备及拓扑结构)为管理的核心模型，各业务私有模型为补充，形成应用维度模型集;用户可以根据维护、应用分析反演的需求灵活组合需要的模型，如图2所示。

模型集是对应不同业务应用模型类及其属性的集合，模型类中不同属性可分类划归至相应业务模型集中，模型类中同一属性不能属于多种业务模型。

电网模型在应用维度上总体分为电网公共模型集与应用模型集。电网公共模型集主要包括设备、设备拓扑及设备基本参数的物理模型，是满足数据采集、监控等调控业务所需要电网模型的公共部分。应用模型集则由保护整定计算、离线方式计算、网络分析等业务特有模型集构成。

系统采用模型集配置信息表对不同模型集所包含的模型类、属性以及属性间的关联关系进行定制，配置信息表由模型集类型名、模型类名、模型类属性名、引用属性4列构成，并按行对模型集信息存储。

业务维护与管理的模型可由公共模型集与业务特有模型集组合形成，在此基础上实现应用维度的电网模型统一构建与管理功能。

2.1.2 未来态模型的定义与维护方式

未来模型版本创建时，必须依据规划或基建任务维护设备的计划投运时间，人工对业务所属模型集和预计投运使用时间进行定义，系统支持以当前时刻运行系统模型或已存在的未来模型版本中相同类别模型作为数据来源创建不同规划投运时间的未来态模型版本。系统通过模型版本生成服务抽取并生成相应模型数据文件，将文件数据装载到该版本目录的文件数据库中。后续用户可使用建模界面工具对创建的未来态模型开展维护定义工作。

2.1.3 未来模型高效存取技术

用户可定义不同应用模型集合并将模型表进行归类，同一模型表只能属于一种类型模型集，未来版本模型生成时只需按照所需维护模型集类型选择即可。模型存储类型信息内容如表1所示。

每一张模型表使用一个或多个数据库文件进行存储，采用数据分片常量(默认为5万条)对大表进行水平切分存储，数据表结构与在线系统保持一致。模型数据存储分片信息如表2所示。模型存取服务采用自身实现的SQL-92语法解析器，对分片存储模型表的查询请求进行语法重组、分片查询、结果合并处理，以断路器breaker为例查询语句为

id, name from breaker;

模型存取服务根据分片信息使用语法解析器进行语法重组：

breaker_0.id, breaker_0.name from breaker as breaker_0;

breaker_1.id, breaker_1.name from breaker as breaker_1;

…

breaker_n.id, breaker_n.name from breaker as breaker_n;

在得到重组的分片语句后，服务开启线程池并发访问语句对应的数据文件，在所有线程数据获取完毕后进行结果合并。模型记录INSERT、UPDATE、DELETE操作时，服务先进行语法重组，执行阶段时对多数据文件进行attach连接，在全数据集中进行WHERE条件匹配更新。

用户可以方便、快捷地根据需求将不同类型的模型集组合构建成一个模型版本，模型版本包含了模型集中所有模型表对应的数据库文件、模型维护增量信息，与之对应的是操作系统中物理存储目录，是存储单个模型版本模型数据的逻辑单位。在生成未来模型版本时，分布式存储元数据服务在多机中选择一台已存储版本较少、系统资源占用率较低的机器，达到多版本存储的负载均衡，并在这台机器上分配模型版本的唯一目录路径;根据该版本包含模型集的数据表范围在该目录中生成相应的数据库文件。模型版本分布式存储元信息表如表3所示。

2.1.4 未来模型建模技术

未来态模型维护环境中包含模型版本的CIM/E文件、存储CIM/E模型数据的文件数据库、供模型编辑工具展示与编辑的未来态应用实时库，不同模型维护环境中上述3种数据资源相互独立。

未来态建模示意如图3所示。未来态模型的维护操作不对实时运行系统的模型产生影响，未来态模型版本生成环境与实时运行环境相对独立。未来态模型版本生成环境采用独立模型存储和独立的模型版本编辑与校验环境。此外，考虑到不同应用的需求，支持对多个模型版本同时进行编辑和维护，多个模型版本维护环境之间相互独立、互不影响。支持上下级调度多用户同时维护未来模型，并且相互具有隔离性。

2.2 基于MOM和厂站粒度的未来态模型融合应用

未来模型的融合特别是在上下级调度系统间的模型融合，一直缺乏高效、安全的技术手段。传统上下级间模型融合大多采用全模型拼接的方式，需要提供全模型文件，定义边界，后续接入应用所需的数据时还需要维护转发点表，该工作还需要大量的人工操作。本文介绍的未来态建融合技术借助MOM的相关技术和开源工具，以及以厂站为粒度的模型交互方式，为上下级间未来态模型融合提供高效安全的手段。图4为上下级调度系统间未来态模型的融合流程。

2.2.1 MOM技术介绍

MOM是解决分布式系统中通信和排队问题的中间件技术。MOM的优势：MOM本身是异步的，往队列里发送消息后无需等待，不同于通信协议。在高并发应用来不及处理，且实时性要求不高，多应用之间异步通信的情况下，通过MOM相关技术可对上下级间未来态模型的融合及应用提供高效的通信手段。

根据MOM规范，交互消息由3部分组成。(1)消息头(header)：消息头包含消息的识别信息和路由信息。(2)消息属性(properties)：如果需要除消息头字段以外的值，那么可以使用消息属性。(3)消息体(body)：MOM定义的消息类型有TextMessage、MapMessage、BytesMessage、StreamMessage和ObjectMessage，其中TextMessage是String对象字符串内容;MapMessage是名/值对的集合，名是String对象，值类型可以是任何基本类型;BytesMessage是字节流内容;StreamMessage是输入输出流;ObjectMessage为可序列化对象。

2.2.2 基于厂站粒度模型的上下级未来态模型融合

在本文中描述的上下级间未来模型融合采用厂站粒度的电网模型进行融合。整个融合过程如下：在未来模型版本初始建立阶段，上级调度会获取下级调度指定应用和时间的未来态全模型创建全网未来态大模型的初始版本。在后续运行阶段上级调度根据需要，下发指定应用和时间的未来模型版本信息给下级调度，下级调度根据通过MOM查询上级调度中心定义的边界厂站信息，根据本地对应未来模型版本变化情况借助MOM以TextMessage类型的消息体字符流发布方式推送相关变化厂站模型给上级调度中心。上级调度中心未来态模型服务接收下级调度中心模型发生变化的厂站未来模型后，与本地未来模型映射、边界切割、比较差异后自动入库，从而形成最新的区域全网未来态电网大模型。

厂站模型具备模型颗粒度小的优点，在边界切割、模型增量比较、模型问题定位等方面，相比全模型有非常明显的优势[18-20]。因此在上下级调度间采用厂站粒度进行未来态模型的融合保证了未来模型融合过程的高效、安全。

2.2.3 基于MOM技术的实时数据共享

上级调度要接受下级调度侧发送过来的SCADA量测数据，为约定双方交互过程，这里参考E格式规约[21]，采用发布订阅到方式并通过TextMessage类型的消息体以文本字符流进行数据通信，这样有其他系统也需要某调度的数据时，可以加入分配给该调度中心与上级调度中心通信的主题(topic)获取数据，主题的命名需要全局唯一，以上下级调度系统的ip作为主题命名方式。

全数据基于E格式字符串，发送端需要在发送端启动时进行一次全数据发送，全数据发送周期为30 min/60 min。数据发送端主动发送全部遥测和遥信数据。数据格式参考“E语言格式”，同时考虑E格式到解析效率，将E格式类型实体的属性数目尽量减少，遥测数据用AnalogValue标记，按照标志-值-量测质量码即ID-Value-Quality来交换遥测数据，而遥信数据用DiscreteValue标记，按照标志-状态-状态质量码即ID-Status-Quality交换遥信数据;标志属性ID的值需对应CIM模型中量测Measurement的rdf:ID属性值，以便将量测值与系统中的量测记录匹配;两大类的质量码Quality都是1表示有效，0表示无效，遥信的状态Status是1表示合，0表示分。

数据头部使用system标记，内容包括标志区域(area)、数据类型(type)，顺序号(number)、数据时间。区域(area)表示生成数据的区域英文缩写，见“区域简称表”;数据类型(type)用于区分变化数据和全数据，全数据填写“all”，变化数据填写“change”;顺序号(number)应是连续的数字，用于表示数据包号，用于丢包检测，顺序号变化数据和全数据分开编号(1~65 535)，循环使用。数据时间按照“YYYY-MM-DDThh:mm:ss”格式表示精确到秒。

数据发送端主动发送变化的遥测、遥信数据，且周期≤2s，并带上量测状态上送，格式与全断面数据相同;对于其中某个遥信状态连续变化的，则DiscreteValue中的量测点需按照发生时间前后顺序对应由上到下输出到MOM消息字符流中。

基于MOM技术的实时数据共享方式最大的优点就是免维护。不同于传统的模型拼接交互转发点表的方式，基于MOM技术的实时数据共享根据模型融合后的RDF标志自动匹配实时数据，减少了人工维护的工作量并且能够做到上下级未来态模型的同时启用。

3 应用实践

本文介绍的大电网未来态一体化模型构建和融合技术已在国家电网公司华北分部投入应用。图5是华北网省未来态一体化建模系统的系统配置。

华北网省未来态一体化建模系统由网调未来态建模服务器、应用服务器、MOM服务器和省调未来态模型服务器构成。上述服务器都独立部署在安全I区。网省未来态建模服务器上均部署了轻量级的文件数据库。应用服务器上部署了public、data_srv、Scada等少数几个基本应用，以满足建模以及模型静态验证需要。通过MOM服务器，网调未来态建模服务器获取各省调的未来态模型，并自动进行融合操作。网调在线和各省调在线系统通过MOM服务器转发实时数据给网调未来态建模系统。

网省未来态建模系统在新建模型版本初始化操作时，通过并发访问的方式从网省在线系统数据库中抽取所需模型集，并写入未来态建模系统的文件数据库中。后续网省未来态建模系统可根据各自需要在未来版本上进行模型维护和计算。

网调未来态系统如需要省调未来模型，则通过MOM服务器获取省调相关未来模型版本，并自动融合。

未来态建模系统模型维护后，增量模型可能需要投入在线系统实际应用。图6是华北未来态建模系统未来模型投在线的流程示意。在华北未来态建模系统上完成模型维护操作后，可进行模型的发布操作。模型发布操作首先比较出华北未来态建模系统商用库模型与在线系统商用库模型的差异，并生成差异文件。然后根据差异文件生成实时库更新语句，并从在线系统中选择一台优先级最低的应用服务器备机，在该备机上执行实时库更新语句，将新模型发布到应用备机。模型发布过程仅修改指定的实时库应用备机，不修改实时库主机和其他备机以及商用库。

在运行系统主备机验证完毕后，进行华北未来态建模系统到在线系统的模型确认操作。新模型经过2次验证确认无误后，则可以进行新模型的确认操作。模型确认操作一旦开始，则不能再进行模型的回退操作。新模型的确认首先会将应用主机上的新模型同步到所有的应用备机，然后再根据模型发布过程中产生的模型差异文件，生成商用库模型更新语句，更新在线系统的商用库。商用库更新完成后，即完成模型确认操作。

通过未来模型投在线机制解决了未来模型投在线的安全性问题。华北网省一体化未来态建模系统为网省未来模型的构建、融合、应用提供了手段，极大提高了调度自动化系统在预想方式下的建模和计算能力，同时保证了在线运行系统的安全性。

4 结语

本文中介绍的大电网未来态一体化模型构建和融合技术，通过基于轻量级数据库的模型快速抽取生成方法为未来态建模提供高效安全的建模环境，同时通过基于MOM和厂站粒度的未来态模型融合技术实现了上下级电网间未来态模型高效融合。大电网未来态模型一体化模型构建融合技术，解决了因未来电网基建投产不确定、电网改造频繁等给模型管理带来的问题，具备灵活的未来电网建模及管理功能，为提升大电网规划及运行的辅助分析决策智能化水平打下坚实基础。

作者：杨启京 , 张勇 , 翟明玉 , 宁剑 , 季学纯 , 李昊

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