摘要：隨著中國智能電網(wǎng)規(guī)模與復雜性的不斷增加，針對未來態(tài)電網(wǎng)模型的應用需求日益強烈，現(xiàn)階段調度自動化系統(tǒng)對于未來態(tài)建模缺乏快速高效的建模手段，缺乏上下級調度系統(tǒng)間未來模型的協(xié)調融合機制。通過研究電網(wǎng)未來模型管理體系架構，在不影響實時系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下，通過數(shù)據(jù)分片技術、分布式文件數(shù)據(jù)庫的應用，通過基于消息中間件數(shù)據(jù)交互技術和以廠站為粒度的未來模型融合方法，實現(xiàn)模型未來版本維護環(huán)境的快速構建，實現(xiàn)網(wǎng)省一體化的未來模型融合的高效管理，滿足不同應用對未來圖模多版本維護的需求并為應用計算提供了一整套的解決方案。

關鍵詞：未來態(tài) 數(shù)據(jù)分片 模型構建 模型融合 MOM技術

引言

隨著智能電網(wǎng)調度控制系統(tǒng)的研發(fā)和全面推廣建設，配套制定了一系列標準、規(guī)范，初步建立了模型數(shù)據(jù)統(tǒng)一維護管理機制[1-6]。相關分析模塊，如狀態(tài)估計、潮流計算、N-1分析、調度員培訓仿真系統(tǒng)(DTS)、自動電壓無功控制(AVC)等均是在實時系統(tǒng)中當前時間維度的電網(wǎng)模型基礎上開展的，為調度運行分析和輔助決策提供技術支撐，但缺乏在未來模型下的分析研究。同時各種業(yè)務調度控制系統(tǒng)迫切需要能夠在各種假想方式下提前進行在線建模及分析工作，需要使用不同時期電網(wǎng)模型對電網(wǎng)的靜態(tài)安全分析結果等進行比對追憶分析，以更好地分析電網(wǎng)的薄弱點，對電網(wǎng)的合理規(guī)劃布局，從運行角度提出更好的建議。這些業(yè)務應用系統(tǒng)對于未來態(tài)模型的需求，對電網(wǎng)模型的未來態(tài)模型管理提出了更高的要求。

文獻[7]重點介紹基于CIM/E的模型信息一體化管理，提出應用多模型、在線和離線模型、上下級調度系統(tǒng)之間公共模型的一體化管理。文獻[8]側重調控中心之間一體化建模具體方案和關鍵技術。文獻[9]提出基于時間維度的調控全業(yè)務統(tǒng)一建模方案。但對于未來態(tài)建模環(huán)境快速構建，未來態(tài)模型一體化融合問題等未見論述。

當前模型管理方面的研究提供了較多針對電網(wǎng)當前模型、歷史模型的維護手段，但對未來態(tài)模型的維護管理缺乏有效技術支撐。在線安全分析、調度計劃及安全校核、電網(wǎng)規(guī)劃相關分析等業(yè)務應用需各自維護未來態(tài)模型，各業(yè)務未來態(tài)模型不能充分共享，相互間聯(lián)動不足，無法有效支撐上述應用對未來態(tài)模型管理的需求。特別是滿足不同業(yè)務應用需求的未來態(tài)建模環(huán)境快速構建，及上下級間未來模型的一體化融合一直是影響未來態(tài)模型實用化的關鍵。本文通過研究未來態(tài)模型環(huán)境的快速構建方法，基于消息中間件(message-oriented dleware，MOM[10-11])數(shù)據(jù)交互技術和以廠站為粒度的未來模型融合方法，可有效解決了上述問題，為各應用業(yè)務系統(tǒng)提供未來態(tài)模型高效、安全的維護手段。

1 未來態(tài)一體化模型構建融合總體架構

1.1 總體方案概述

未來態(tài)一體化模型構建融合總體架構，如圖1所示。在不影響實時系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下，支持多個相互獨立的未來態(tài)模型版本維護環(huán)境，以滿足預想方式下的在線安全分析、調度計劃和安全校核、DTS等不同應用對多個未來態(tài)模型版本維護的需求。本文描述的未來態(tài)建模系統(tǒng)需要部署在安全I區(qū)網(wǎng)絡環(huán)境中，與在線系統(tǒng)通過網(wǎng)絡代理進行通信;系統(tǒng)中不需要安裝關系型數(shù)據(jù)庫，對單一版本不同模型表的數(shù)據(jù)使用多個輕量級文件數(shù)據(jù)庫進行存儲，并對不同版本模型采用多機分布式存儲;系統(tǒng)不進行前置數(shù)據(jù)接站工作，可以通過接收運行系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉發(fā)獲取實時數(shù)據(jù)，通過在線系統(tǒng)CASE數(shù)據(jù)斷面或歷史數(shù)據(jù)導出獲取歷史數(shù)據(jù);系統(tǒng)支持以CIM/E[12-14]格式文件為數(shù)據(jù)源生成某一版本模型，并支持將某一版本模型導出為CIM/E格式文件供各應用系統(tǒng)使用。同時上下級間的未來態(tài)建模系統(tǒng)通過未來態(tài)模型一體化融合技術、廠站為粒度的模型融合方法以及MOM技術實現(xiàn)了上下級調度未來態(tài)建模系統(tǒng)中模型的高效融合，為后續(xù)應用計算提供了一整套的解決方案。

2 關鍵技術

2.1 未來態(tài)模型版本構建技術

2.1.1 未來態(tài)模型集定義方法

未來態(tài)模型維護版本內容構建功能，支持將未來態(tài)模型數(shù)據(jù)表劃分為不同業(yè)務應用的模型集，用戶可根據(jù)未來態(tài)模型維護需求將不同業(yè)務應用模型集組合構建成一個未來態(tài)模型維護版本。同一張未來態(tài)模型數(shù)據(jù)表只能屬于一種業(yè)務應用模型集。未來態(tài)模型維護版本邏輯上是一個封裝了該版本模型全量及變更內容的數(shù)據(jù)包，物理上是一個以CIM/E、輕量級文件數(shù)據(jù)庫[15-17]為數(shù)據(jù)存取介質的文件目錄。

以電網(wǎng)模型(電網(wǎng)設備及拓撲結構)為管理的核心模型，各業(yè)務私有模型為補充，形成應用維度模型集;用戶可以根據(jù)維護、應用分析反演的需求靈活組合需要的模型，如圖2所示。

模型集是對應不同業(yè)務應用模型類及其屬性的集合，模型類中不同屬性可分類劃歸至相應業(yè)務模型集中，模型類中同一屬性不能屬于多種業(yè)務模型。

電網(wǎng)模型在應用維度上總體分為電網(wǎng)公共模型集與應用模型集。電網(wǎng)公共模型集主要包括設備、設備拓撲及設備基本參數(shù)的物理模型，是滿足數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控等調控業(yè)務所需要電網(wǎng)模型的公共部分。應用模型集則由保護整定計算、離線方式計算、網(wǎng)絡分析等業(yè)務特有模型集構成。

系統(tǒng)采用模型集配置信息表對不同模型集所包含的模型類、屬性以及屬性間的關聯(lián)關系進行定制，配置信息表由模型集類型名、模型類名、模型類屬性名、引用屬性4列構成，并按行對模型集信息存儲。

業(yè)務維護與管理的模型可由公共模型集與業(yè)務特有模型集組合形成，在此基礎上實現(xiàn)應用維度的電網(wǎng)模型統(tǒng)一構建與管理功能。

2.1.2 未來態(tài)模型的定義與維護方式

未來模型版本創(chuàng)建時，必須依據(jù)規(guī)劃或基建任務維護設備的計劃投運時間，人工對業(yè)務所屬模型集和預計投運使用時間進行定義，系統(tǒng)支持以當前時刻運行系統(tǒng)模型或已存在的未來模型版本中相同類別模型作為數(shù)據(jù)來源創(chuàng)建不同規(guī)劃投運時間的未來態(tài)模型版本。系統(tǒng)通過模型版本生成服務抽取并生成相應模型數(shù)據(jù)文件，將文件數(shù)據(jù)裝載到該版本目錄的文件數(shù)據(jù)庫中。后續(xù)用戶可使用建模界面工具對創(chuàng)建的未來態(tài)模型開展維護定義工作。

2.1.3 未來模型高效存取技術

用戶可定義不同應用模型集合并將模型表進行歸類，同一模型表只能屬于一種類型模型集，未來版本模型生成時只需按照所需維護模型集類型選擇即可。模型存儲類型信息內容如表1所示。

每一張模型表使用一個或多個數(shù)據(jù)庫文件進行存儲，采用數(shù)據(jù)分片常量(默認為5萬條)對大表進行水平切分存儲，數(shù)據(jù)表結構與在線系統(tǒng)保持一致。模型數(shù)據(jù)存儲分片信息如表2所示。模型存取服務采用自身實現(xiàn)的SQL-92語法解析器，對分片存儲模型表的查詢請求進行語法重組、分片查詢、結果合并處理，以斷路器breaker為例查詢語句為

id, name from breaker;

模型存取服務根據(jù)分片信息使用語法解析器進行語法重組：

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;

在得到重組的分片語句后，服務開啟線程池并發(fā)訪問語句對應的數(shù)據(jù)文件，在所有線程數(shù)據(jù)獲取完畢后進行結果合并。模型記錄INSERT、UPDATE、DELETE操作時，服務先進行語法重組，執(zhí)行階段時對多數(shù)據(jù)文件進行attach連接，在全數(shù)據(jù)集中進行WHERE條件匹配更新。

用戶可以方便、快捷地根據(jù)需求將不同類型的模型集組合構建成一個模型版本，模型版本包含了模型集中所有模型表對應的數(shù)據(jù)庫文件、模型維護增量信息，與之對應的是操作系統(tǒng)中物理存儲目錄，是存儲單個模型版本模型數(shù)據(jù)的邏輯單位。在生成未來模型版本時，分布式存儲元數(shù)據(jù)服務在多機中選擇一臺已存儲版本較少、系統(tǒng)資源占用率較低的機器，達到多版本存儲的負載均衡，并在這臺機器上分配模型版本的唯一目錄路徑;根據(jù)該版本包含模型集的數(shù)據(jù)表范圍在該目錄中生成相應的數(shù)據(jù)庫文件。模型版本分布式存儲元信息表如表3所示。

2.1.4 未來模型建模技術

未來態(tài)模型維護環(huán)境中包含模型版本的CIM/E文件、存儲CIM/E模型數(shù)據(jù)的文件數(shù)據(jù)庫、供模型編輯工具展示與編輯的未來態(tài)應用實時庫，不同模型維護環(huán)境中上述3種數(shù)據(jù)資源相互獨立。

未來態(tài)建模示意如圖3所示。未來態(tài)模型的維護操作不對實時運行系統(tǒng)的模型產(chǎn)生影響，未來態(tài)模型版本生成環(huán)境與實時運行環(huán)境相對獨立。未來態(tài)模型版本生成環(huán)境采用獨立模型存儲和獨立的模型版本編輯與校驗環(huán)境。此外，考慮到不同應用的需求，支持對多個模型版本同時進行編輯和維護，多個模型版本維護環(huán)境之間相互獨立、互不影響。支持上下級調度多用戶同時維護未來模型，并且相互具有隔離性。

2.2 基于MOM和廠站粒度的未來態(tài)模型融合應用

未來模型的融合特別是在上下級調度系統(tǒng)間的模型融合，一直缺乏高效、安全的技術手段。傳統(tǒng)上下級間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，定義邊界，后續(xù)接入應用所需的數(shù)據(jù)時還需要維護轉發(fā)點表，該工作還需要大量的人工操作。本文介紹的未來態(tài)建融合技術借助MOM的相關技術和開源工具，以及以廠站為粒度的模型交互方式，為上下級間未來態(tài)模型融合提供高效安全的手段。圖4為上下級調度系統(tǒng)間未來態(tài)模型的融合流程。

2.2.1 MOM技術介紹

MOM是解決分布式系統(tǒng)中通信和排隊問題的中間件技術。MOM的優(yōu)勢：MOM本身是異步的，往隊列里發(fā)送消息后無需等待，不同于通信協(xié)議。在高并發(fā)應用來不及處理，且實時性要求不高，多應用之間異步通信的情況下，通過MOM相關技術可對上下級間未來態(tài)模型的融合及應用提供高效的通信手段。

根據(jù)MOM規(guī)范，交互消息由3部分組成。(1)消息頭(header)：消息頭包含消息的識別信息和路由信息。(2)消息屬性(properties)：如果需要除消息頭字段以外的值，那么可以使用消息屬性。(3)消息體(body)：MOM定義的消息類型有TextMessage、MapMessage、BytesMessage、StreamMessage和ObjectMessage，其中TextMessage是String對象字符串內容;MapMessage是名/值對的集合，名是String對象，值類型可以是任何基本類型;BytesMessage是字節(jié)流內容;StreamMessage是輸入輸出流;ObjectMessage為可序列化對象。

2.2.2 基于廠站粒度模型的上下級未來態(tài)模型融合

在本文中描述的上下級間未來模型融合采用廠站粒度的電網(wǎng)模型進行融合。整個融合過程如下：在未來模型版本初始建立階段，上級調度會獲取下級調度指定應用和時間的未來態(tài)全模型創(chuàng)建全網(wǎng)未來態(tài)大模型的初始版本。在后續(xù)運行階段上級調度根據(jù)需要，下發(fā)指定應用和時間的未來模型版本信息給下級調度，下級調度根據(jù)通過MOM查詢上級調度中心定義的邊界廠站信息，根據(jù)本地對應未來模型版本變化情況借助MOM以TextMessage類型的消息體字符流發(fā)布方式推送相關變化廠站模型給上級調度中心。上級調度中心未來態(tài)模型服務接收下級調度中心模型發(fā)生變化的廠站未來模型后，與本地未來模型映射、邊界切割、比較差異后自動入庫，從而形成最新的區(qū)域全網(wǎng)未來態(tài)電網(wǎng)大模型。

廠站模型具備模型顆粒度小的優(yōu)點，在邊界切割、模型增量比較、模型問題定位等方面，相比全模型有非常明顯的優(yōu)勢[18-20]。因此在上下級調度間采用廠站粒度進行未來態(tài)模型的融合保證了未來模型融合過程的高效、安全。

2.2.3 基于MOM技術的實時數(shù)據(jù)共享

上級調度要接受下級調度側發(fā)送過來的SCADA量測數(shù)據(jù)，為約定雙方交互過程，這里參考E格式規(guī)約[21]，采用發(fā)布訂閱到方式并通過TextMessage類型的消息體以文本字符流進行數(shù)據(jù)通信，這樣有其他系統(tǒng)也需要某調度的數(shù)據(jù)時，可以加入分配給該調度中心與上級調度中心通信的主題(topic)獲取數(shù)據(jù)，主題的命名需要全局唯一，以上下級調度系統(tǒng)的ip作為主題命名方式。

全數(shù)據(jù)基于E格式字符串，發(fā)送端需要在發(fā)送端啟動時進行一次全數(shù)據(jù)發(fā)送，全數(shù)據(jù)發(fā)送周期為30 min/60 min。數(shù)據(jù)發(fā)送端主動發(fā)送全部遙測和遙信數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式參考“E語言格式”，同時考慮E格式到解析效率，將E格式類型實體的屬性數(shù)目盡量減少，遙測數(shù)據(jù)用AnalogValue標記，按照標志-值-量測質量碼即ID-Value-Quality來交換遙測數(shù)據(jù)，而遙信數(shù)據(jù)用DiscreteValue標記，按照標志-狀態(tài)-狀態(tài)質量碼即ID-Status-Quality交換遙信數(shù)據(jù);標志屬性ID的值需對應CIM模型中量測Measurement的rdf:ID屬性值，以便將量測值與系統(tǒng)中的量測記錄匹配;兩大類的質量碼Quality都是1表示有效，0表示無效，遙信的狀態(tài)Status是1表示合，0表示分。

數(shù)據(jù)頭部使用system標記，內容包括標志區(qū)域(area)、數(shù)據(jù)類型(type)，順序號(number)、數(shù)據(jù)時間。區(qū)域(area)表示生成數(shù)據(jù)的區(qū)域英文縮寫，見“區(qū)域簡稱表”;數(shù)據(jù)類型(type)用于區(qū)分變化數(shù)據(jù)和全數(shù)據(jù)，全數(shù)據(jù)填寫“all”，變化數(shù)據(jù)填寫“change”;順序號(number)應是連續(xù)的數(shù)字，用于表示數(shù)據(jù)包號，用于丟包檢測，順序號變化數(shù)據(jù)和全數(shù)據(jù)分開編號(1~65 535)，循環(huán)使用。數(shù)據(jù)時間按照“YYYY-MM-DDThh:mm:ss”格式表示精確到秒。

數(shù)據(jù)發(fā)送端主動發(fā)送變化的遙測、遙信數(shù)據(jù)，且周期≤2s，并帶上量測狀態(tài)上送，格式與全斷面數(shù)據(jù)相同;對于其中某個遙信狀態(tài)連續(xù)變化的，則DiscreteValue中的量測點需按照發(fā)生時間前后順序對應由上到下輸出到MOM消息字符流中。

基于MOM技術的實時數(shù)據(jù)共享方式最大的優(yōu)點就是免維護。不同于傳統(tǒng)的模型拼接交互轉發(fā)點表的方式，基于MOM技術的實時數(shù)據(jù)共享根據(jù)模型融合后的RDF標志自動匹配實時數(shù)據(jù)，減少了人工維護的工作量并且能夠做到上下級未來態(tài)模型的同時啟用。

3 應用實踐

本文介紹的大電網(wǎng)未來態(tài)一體化模型構建和融合技術已在國家電網(wǎng)公司華北分部投入應用。圖5是華北網(wǎng)省未來態(tài)一體化建模系統(tǒng)的系統(tǒng)配置。

華北網(wǎng)省未來態(tài)一體化建模系統(tǒng)由網(wǎng)調未來態(tài)建模服務器、應用服務器、MOM服務器和省調未來態(tài)模型服務器構成。上述服務器都獨立部署在安全I區(qū)。網(wǎng)省未來態(tài)建模服務器上均部署了輕量級的文件數(shù)據(jù)庫。應用服務器上部署了public、data_srv、Scada等少數(shù)幾個基本應用，以滿足建模以及模型靜態(tài)驗證需要。通過MOM服務器，網(wǎng)調未來態(tài)建模服務器獲取各省調的未來態(tài)模型，并自動進行融合操作。網(wǎng)調在線和各省調在線系統(tǒng)通過MOM服務器轉發(fā)實時數(shù)據(jù)給網(wǎng)調未來態(tài)建模系統(tǒng)。

網(wǎng)省未來態(tài)建模系統(tǒng)在新建模型版本初始化操作時，通過并發(fā)訪問的方式從網(wǎng)省在線系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中抽取所需模型集，并寫入未來態(tài)建模系統(tǒng)的文件數(shù)據(jù)庫中。后續(xù)網(wǎng)省未來態(tài)建模系統(tǒng)可根據(jù)各自需要在未來版本上進行模型維護和計算。

網(wǎng)調未來態(tài)系統(tǒng)如需要省調未來模型，則通過MOM服務器獲取省調相關未來模型版本，并自動融合。

未來態(tài)建模系統(tǒng)模型維護后，增量模型可能需要投入在線系統(tǒng)實際應用。圖6是華北未來態(tài)建模系統(tǒng)未來模型投在線的流程示意。在華北未來態(tài)建模系統(tǒng)上完成模型維護操作后，可進行模型的發(fā)布操作。模型發(fā)布操作首先比較出華北未來態(tài)建模系統(tǒng)商用庫模型與在線系統(tǒng)商用庫模型的差異，并生成差異文件。然后根據(jù)差異文件生成實時庫更新語句，并從在線系統(tǒng)中選擇一臺優(yōu)先級最低的應用服務器備機，在該備機上執(zhí)行實時庫更新語句，將新模型發(fā)布到應用備機。模型發(fā)布過程僅修改指定的實時庫應用備機，不修改實時庫主機和其他備機以及商用庫。

在運行系統(tǒng)主備機驗證完畢后，進行華北未來態(tài)建模系統(tǒng)到在線系統(tǒng)的模型確認操作。新模型經(jīng)過2次驗證確認無誤后，則可以進行新模型的確認操作。模型確認操作一旦開始，則不能再進行模型的回退操作。新模型的確認首先會將應用主機上的新模型同步到所有的應用備機，然后再根據(jù)模型發(fā)布過程中產(chǎn)生的模型差異文件，生成商用庫模型更新語句，更新在線系統(tǒng)的商用庫。商用庫更新完成后，即完成模型確認操作。

通過未來模型投在線機制解決了未來模型投在線的安全性問題。華北網(wǎng)省一體化未來態(tài)建模系統(tǒng)為網(wǎng)省未來模型的構建、融合、應用提供了手段，極大提高了調度自動化系統(tǒng)在預想方式下的建模和計算能力，同時保證了在線運行系統(tǒng)的安全性。

4 結語

本文中介紹的大電網(wǎng)未來態(tài)一體化模型構建和融合技術，通過基于輕量級數(shù)據(jù)庫的模型快速抽取生成方法為未來態(tài)建模提供高效安全的建模環(huán)境，同時通過基于MOM和廠站粒度的未來態(tài)模型融合技術實現(xiàn)了上下級電網(wǎng)間未來態(tài)模型高效融合。大電網(wǎng)未來態(tài)模型一體化模型構建融合技術，解決了因未來電網(wǎng)基建投產(chǎn)不確定、電網(wǎng)改造頻繁等給模型管理帶來的問題，具備靈活的未來電網(wǎng)建模及管理功能，為提升大電網(wǎng)規(guī)劃及運行的輔助分析決策智能化水平打下堅實基礎。

作者：楊啟京 , 張勇 , 翟明玉 , 寧劍 , 季學純 , 李昊

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