基于“电网一张图”的时空数据管理系统

摘要：为解决目前信息系统建设过程中出现的专业壁垒、跨专业流程不贯通、数据共享实时性不强、数据价值未充分挖掘等难题，国家电网有限公司提出要通过“数据一个源、电网一张图、业务一条线”的技术手段，实现泛在电力物联网的建设目标，其中，“电网一张图”正是消除数据孤岛、实现数据全面融合的核心。基于图数据库和图计算技术，文章提出了基于“电网一张图”时空数据管理系统的建设方案。利用图数据结构与实际电网在结构上的一致性、表达上的自然性、展示上的直观性的特点，通过将电网的整体拓扑连接，包括发、输、变、配、用所有环节内部的拓扑结构及其之间的连接关系的电网空间数据融合，打通不同电压等级电网之间的拓扑连接，形成“电网拓扑一张图”。同时，将电网运行、监测、运维、生产和营销等各个业务部门中不同管理角度、不同组织方式、不同时间与空间维度、不同量级的数据进行一体化融合，形成“电网一张图”，构建时空数据管理系统，为泛在电力物联网的建设目标奠定基础。

关键词：数据模式；拓扑融合；数据融合；电网一张图；可视化

引言

电网作为一个由发、输、变、配、用各个环节构成 的统一整体，从运行特性上需要相互协调和统一调度。 随着发电和储电设备的投入量不断增加、输电网安全性与稳定性的保护装置不断完善、需求响应负荷在配用电网的接入不断增多、电动汽车及其充电桩的普及率不断扩大、智能电表和远程测控终端等数据采集装置的覆盖程度不断扩充，区域内的电网规模正在不断扩大，运行方式也日趋复杂，输配电网之间的联系及耦合程度日趋紧密，现有的输配电网自动化系统独立运行的模式已不能完全适应未来区域内电网运行、管理、调度等业务的发展要求，因此，需要电网一体化管理来实现输配电网 的业务融合［1-3］ 。由于电网一体化管理涉及多个业务部门、主体及层级，各业务部门之间的专业壁垒凸显，跨专业流程不贯通且信息相对分散，各业务部门之间数据共享实时性不强，这些都使得电网的数据价值无法得到充分的挖掘与应用，严重制约了电网主动调节能力以及自动化运维管理水平的提升。为了解决这些问题，国家电网有限公司提出要通过加强基础支撑能力建设实现“数据一个源”、通过提升数据共享能力实现“电网一张图”、通过凝练对内对外两种业务实现“业务一条线”来实现构建泛在电力物联网的建设目标［4-5］。

从技术视角看，泛在电力物联网包括感知层、网络层、平台层、应用层4个层次。其中平台层的建设目标是实现数据的充分融合和共享。区别于单一电网业务部门的信息系统，基于“电网一张图”时空数据管理系统的目标是将多个电网业务部门信息系统中的数据进行融合。待实现的平台数据量数以千万甚至亿计，目前普遍采用的关系型数据库无法有效支撑该数据管理系统的数据存储、查询分析与应用，更难以支撑高达60TB的电力物联网日量测数据［4］ 。因此，融合多源数据的时空数据管理系统需要利用图数据库，将发、输、变、配、用所有环节的拓扑关系和运行数据，包括当前和历史的各类相关数据纳入描述范围［6-8］ ，实现数据多种方式的有机结合和直观有效的可视化展示，提高数据准确性和调控运维的管控力，为泛在电力物联网的建设奠定基础。

本文首先讨论基于“电网一张图”时空数据管理系统的设计与构建；然后，基于图数据库，介绍覆盖发、输、变、配、用各个环节的数据建模与“电网一张图”的一体化建模设计；最后，设计基于各种组织方式的多主体互动式可视化界面，包括基于配电网力学拓扑结构图、厂站接线图、基于地理信息拓扑图的互动等，并对相关业务应用及构建意义进行探讨。

时空数据管理系统的设计与构建

基于“电网一张图”的时空数据管理系统需要融合设备使用、监测、运维和生产等元素，支撑电力用户、电网企业、发电企业、供应商及其设备间的广泛互联。具体的系统架构设计分为拓扑融合与数据融合两个部分，包括基于“数据一个源，电网一张图”的理念，将电网各环节的拓扑结构贯通，同时把电网生产管理与运行维护中所涉及的所有相关数据融合在一起，支撑电网对内对外两条业务主线，最大限度地挖掘数据价值，实现能量流、信息流、业务流的平衡与高效互通。

1.1 拓扑融合

电网拓扑连接关系的信息主要集中在企业内部数据中的静态数据，包括电网生产管理系统（PMS）中的设备模型连接关系，电网调度自动化系统（调控云）中的电网公共信息模型数据（CIM），以及电网地理信息系统（GIS）中的拓扑位置信息等。如图1所示，基于“电网一张图”时空数据管理系统的拓扑融合包括发电网、输电网、配电网、用电网内部的拓扑结构及其之间的连接关系、用户与电网之间的物理连接，以及各类传感器与数据采集装置在电网中的具体安装位置等电网空间数据的融合，打通不同电压等级电网之间的拓扑连接，形成“电网拓扑一张图”。

图1

基于“电网一张图”时空数据管理系统的拓扑融合

Fig.1

Topological fusion of spatiotemporal data management system

based on “one graph of power grid”

1.2 数据融合

需集成的数据主要来自发电管理系统（GMS）、能量管理系统（EMS）、配电管理系统（DMS）、高级计量构架（AMI）、分布式电源管理系统（DERMS）和用户信息系统（CIS/CRM）。数据覆盖了电网发、输、变、配、用所有环节的相关信息，包括一次能源管理的信息、变电站及线路电能监测和设备运行信息、电网设备台账信息、设备资产信息、设备缺陷/故障信息、设备检修信息、电网实时与历史运行数据、SCADA数据、智能电表数据等带有时间标识的数据，以及企业外部相关信息（包括电网运行气象信息、社会经济数据、互联网相关信息等可以为电网的运行、维护、管理、服务等提供辅助支撑的数据源）。数据融合与应用的关键是了解并探索数据间的关联关系，而电网的拓扑结构就是数据关联的枢纽。如图2所示，

基于已构建的“电网拓扑一张图”，将各个业务部门中不同管理角度、不同组织方式、不同时间与空间维度、不同量级的数据进行一体化融合，实现“数据一个源，电网一张图”。

图2

基于“电网一张图”时空数据管理系统的数据融合

Fig.2

Data fusion of spatiotemporal data management system based

on “one graph of power grid”

2 支撑时空数据管理系统的图数据库建模利用图数据结构与实际电网在结构上的一致性、表达上的自然性、展示上的直观性的特点，基于主网和配电网拓扑物理连接关系，实现电网一体化的建模机制，包括如何定义节点、节点间关联关系及其属性，实现主网和配电网内部拓扑结构和运行数据的高效融合。

2.1 一次能源管理

如图3所示，一次能源管理图数据模型的节点包括能源管理的相关参数、能源的状态属性、一次能源到二次能源的转化效率，以及其他特性。由于一次能源的类型可分为可持续能源和非可持续能源两大类，同时也可细分为水能、风能（可持续）、煤炭、石油、天然气等（非可持续），因此可持续能源与非可持续能源可作为独立节供用电点直接连接一次能源，同时它们也属于能源类型，需要 建立对应的连接关系。电网运行过程中，一次能源可以为发电提供能量输入，构建一次能源节点与发电机节点的连接关系，使一次能源管理与主网结构相关联。

图3 一次能源管理的数据建模

Fig.3 Data schema for primary energy management

2.2 主网结构

主网结构的图数据模型以主网的拓扑结构以及主网设备的连接关系为基础，融合了从变电站、输电线路到主网设备的近20张表格数据。如图4所示，主网结构的数据模型通过抽象出各主网设备连接关系的物理连接节点，确定主网设备在输电线路中的拓扑连接方式，同时可以在图数据模型中构建各主网设备与所属变电站的从属关系。不同场站间的连接关系可以通过输电线端和T型接线端的标识来判断补充：如果两场站关联的输电线端的标识对应于同一条输电线路的两端，则可以判断这两个场站是通过一条输电线路直接连接的；如果场站不是直接 相连，则会经过T型接线与输电线路相连。所有主网设备的具体运行数据与参数信息则被定义为属性，加载至所对应的设备节点中。在配电网结构中，将馈线上的所有负载（包括负荷和线损）等值为对应的变电站负荷，主网结构通过与变电站负荷的关联关系连接配电网结构。

图4 主网结构的数据建模

Fig.4 Data schema for main transmission network

2.3 配电网结构

如图5所示，配电网结构图数据模型的构建与主网结构的构建类似，通过抽象出的各配电网设备连接关系的物理连接节点，确定配电网设备在馈线中的拓扑连接方式，同时可以构建各配电网设备与所属馈线的从属关系，通过馈线与变电站从属关系的边，可以确定配电网设备与变电站的从属关系。馈线通过一条表示等值关系的边与变电站负荷相连，同时，考虑到配电网的拓扑重构和计划检修，馈线会存在“手拉手”的现象［2，7］，建立一条指向自 身节点的边来判断馈线是否存在“手拉手”连接状态。

图5 配电网结构的数据建模

Fig.5 Data schema for distribution network

2.4 设备管理

从设备管理角度出发，如图6所示，将设备设为节点，将设备与线路和变电站的拓扑连接关系设为边与主配网拓扑结构相关联［8-9］ 。同时，将设备相关的信息，如设备类型、

设备电压等级、使用设备的供电公司、设备的生产厂家、相关单位、设备的特征参数、设备发生过的故障、缺陷等设为节点，将设备节点与其他节点的关系，如 “安装在”、“设备

类型是”、“电压等级为”、“发生”、“生产厂家是”等设为边，构建以设备为核心，涵盖了从设备设计、生产、监造、运输、管理、运维、调度的设备全生命周期管理图数据模型。

图6 设备管理的数据建模

Fig.6 Data schema for power equipment management供用电 2019.11

15

DISTRIBUTION & UTILIZATION

特别策划

2

2.5 用户管理

如图7所示，用户管理的图数据模型通过从用户信息中抽取出来的用电网物理拓扑连接关系与配电网结构的馈线相连，同时馈线端的远程终端设备（RTU/FRTU）则可以记录馈线上的运行数据。除了智能表计在用户侧记录的正常用电信息，检测到的窃电信息同样需要建立 相应的连接关系，为未来偷窃电的预防与检测提供数据支撑［10-11］ 。随着分布式发电和储电设备的投入量不断增加，分布式电源的相关节点也应该纳入描述范围。虽然用户管理侧的数据模型相对简单，但由于用户端智能电表的数量庞大［12-13］ ，因此，用户管理的数据量较其他模型也更为庞大。

图7 用户管理的数据建模

Fig.7 Data schema for users management

2.6 电力市场

如图8所示，电力市场的数据模型通过母线节点与主网结构相关联，同时针对电力市场的各种机组参数与报价信息构建机组、水电站和虚拟电厂节点。电力市场运行中各时间断面的信息，包括边际电价信息、市场负荷需求信息，以及市场机组发电计划信息等，都存储于市场时间段信息节点中。

图8 电力市场的数据建模

Fig.8 Data schema for electricity market

2.7 时序数据库

时序数据库（TSDB）是为处理时间序列数据而优化的软件系统，它的系统设计与其他数据库不同，通过对时间（时间点或时间范围）的索引，实现了涵盖包括时序数据存储和压缩、数据全生命周期管理、数据汇总、大规模时间序列数据扫描与查询等针对包含时间戳数据

的分析处理功能。传统电网的分析和计算，例如负荷预测、运行分析、分布式能源优化管理等，一般是在单一时间断面的条件下通过串行计算得以实现。由于已构建的图数据模型的每个时间断面都是一张图，从连续时间轴来看即反映了电网的时空变化，形成电网时空演化图，因此，图模型在一段时间内的演化可以认为是一组图快照的集合。时序数据库用于存储快照的集合，而快照在时间点中具体可以呈现为一组节点和一组边的集合，因此，对于时序数据库快照的存储，只需要存储节点和边两种数据类型，即拓扑连接关系，而这两种数据结构与已构建的图数据模型共通［14］。

2.8“电网一张图”

如图9所示，“电网一张图”的数据建模将上述所有模块通过电网的拓扑连接关系相互关联，实现了覆盖电网发、输、变、配、用所有环节的拓扑结构与相关时间和空间信息的数据融合，为构建基于“电网一张图”的时空数据管理系统提供数据支撑。

图9 “电网一张图”的整体数据建模

Fig.9 Data schema for “one graph of power grid”

3 多主体互动式可视化界面设计

已构建的基于“电网一张图”时空数据管理系统融合了某网省公司超过250 万台以上的设备及其对应的主配网连接关系，在进行大量模型的拓扑管理时，传统方法面临拓扑搜索速度慢，展示不直观等问题。应用图数据库和图计算技术，在解决查询计算速度慢问题的同时，实现了多主体互动式的配电网时空数据管理系统可视化界面。

3.1 时空数据管理系统拓扑分析可视化设计

由于电网网络结构复杂且设备数量繁多，在电网时供用电空数据管理系统拓扑分析的可视化设计过程当中，需要对拓扑结构的初始图进行删减并去冗余。以该省公司电网中的一条馈线为例，在配电网侧获得馈线内部设备信息与物理连接点信息，内部设备包含了断路器、母线、变压器、电缆段、接地刀闸、隔离开关、导线、熔断器等。一般而言，一个设备的两端各会存在一个物理连接点，一个物理连接点可能会与其他多个设备相连。在生成拓扑结构图的过程中，以所有设备与物理连接点作为节点，生成初始化的拓扑关系图。由于初始图中设备过多可能会影响可视化效果，在该示例中选择保留断路器、电网母线、变压器与熔断器这4类主要连接设备进行展示。在初始拓扑关系图中，保留上述4类设备以及出度大于3的物理连接点作为拓扑关系图中的节点，其余设备和出度等于2的物理连接点则简化成边，最终生成馈线内部的拓扑连接关系。

3.1.1 电网接线图

在电网调控管理过程中，调度员需要通过准确清晰的电网接线图来掌握电网内的设备运行状态、开关连接状态、电源点情况等信息，以便确保电网安全经济的运行。根据图数据库融合的电网PMS系统中的设备模型连接关系、电网调控云系统中的场站、线路、相关设备的连接状态，和电网地理信息系统中的拓扑位置信息，可以通过图计算平台准确且快速地自动生成主配网场站内部的接线图。

3.1.2 力学拓扑结构图

力学拓扑结构图可以用最直观的方式展示配电网中的物理连接关系，它可以将电网拓扑结构中的节点（电网设备和电网物理连接节点）定位在二维或三维空间中，使得所有连接节点的边具有近似相等的长度，并且在可视化中尽可能少的产生交叉。一旦定义了拓扑节点和边上的力，基于节点和边在电网物理连接中的相对位置，在可视化过程中，模拟节点和边的在力的作用下的运动或最小化各节点和边中的力，直到拓扑结构达到平衡状态，即节点和边的在可视化展示中的相对位置不再发生改变。图10展示了时空数据管理系统互动式力学拓扑分析可视化界面，以力学拓扑结构图为初始形式展示主网侧所有500 kV场站的连接关系，点击目标节点（变电站）即可逐层显示直到目标配电网侧馈线。图10中，选择某500 kV变电站，点击显示下层节点可展示与之连接的所有220 kV变电站；点击目标220 kV变电站显示下层节点，可展示所有连接到该场站的110 kV变电站；继续显示下层节点操作，即可显示与目标110 kV变电站相连的全部10 kV大馈线；点击大馈线节点，显示包括配电变压器和拓扑节点的全部馈线树状结构；同时，还可以通过配电网馈线接线图展示该大馈线的拓扑结构。

图10

时空数据管理系统互动式力学拓扑图可视化界面

Fig.10

Multi-agent interactive mechanical topology analysis

visualization interface for spatiotemporal data management system

3.1.3 基于地理信息的电网拓扑图

区别于电网接线图和力学拓扑结构图可以直观地显示拓扑实体间的逻辑关系，基于地理信息的电网拓扑图能准确显示拓扑实体的具体地理位置，还可以显示电网能量传输的真实走向，有助于调度员准确快速地执行配电网的运行监视、故障定位、抢修指挥等操作。图11是目标时空数据管理系统的地理图同步展示，以百度地图为图层，初始化界面显示了500 kV场站的真实地理位置与物理连接方式，逐级缩放地图比例尺，可以依次显示从500、220、110、35 kV到10 kV的场站及线路，继续缩放至馈线侧，系统会显示相应的馈线真实的地理走向并隐藏其他电压等级的线路。除了可以显示拓扑实体的具体地理位置、基本信息以及关联的主配网接线图，还包括了搜索、供电区域查询、供电路径追踪的功能。此外，根据计算分析获得的实时、预测或历史的潮流信息可以对电网的安全性（包括变压器和线路负载率）和供电能力（包括容载比和负荷转移能力）进行评估，分析电网能量传输的真实走向与负载容量，为电网的运行监视和抢修指挥提供支持。

图11 时空数据管理系统互动式地理拓扑图可视化界面

3.2 配电网时空数据管理系统功能模块可视化设计除了潮流分析，已实现的时空数据管理系统还具备供电路径追踪和供电区域查询的功能。

3.2.1 供电路径追踪

供电路径追踪是面向电网中某个或多个配变或用户进行的电源路径分析，分析出的电源路径列表可为电网故障监视、停电区域隔离、故障检修、供电恢复等应用提供方案［2］ ，是电网可靠性运行的基础。在电力调配自动化系统中，利用输电网与配电网的一体化模型，可以对配电网中的重要负荷或关键设备实现从主网到配电网再到地区电网供电电源（或分布式电源）的全网追踪。供电路径搜索方法主要基于电网全路径的搜索方法和基于母线分段的搜索方法。多路径或全路径的供电路径搜索实现需要以地理信息系统提供的拓扑结构作为支撑，并可以通过结合电源路径列表，确定最短供电路径。供电路径追踪的可视化展示由某一指定的10 kV配电网变压器或某一指定的用户作为起始点，搜索在拓扑结构中所有电压等级高于或者等于该起始点的连接点，以此确定供电的电源路径。由于高于220 kV的主网拓扑结构存在大量环路，无法精准确定供电场站，因此，供电路径的搜索过程在首次出现220 kV的场站时结束，并以此场站作为主网供电场站。在一些主配网连接关系中，110 kV的场站可能直接与500 kV的场站相连而并未经过220 kV的场站，在该情况下，首次出现的500 kV场站即为主网供电场站。图12为某省公司某一配电网变压器基于力学图的供电路径示例。选定配电网侧的目标变压器节点，高亮显示该变压器供电路径。此外，也支持查询该供电路径中的设备清单与所有潜在供电路径。

图12 某省公司某一配电网变压器基于力学图的供电路径示例

3.2.2 供电区域查询

供电区域查询可以为调度员提供当前区域的负荷密度信息，帮助调度员估算该区域的电压偏差，判断供电的可靠性，为电力系统规划提供辅助策略。供电区域查询的可视化展示以电网的网络拓扑结构为基础，指定某一场站或节点作为供电区域查询的节点，断开该节点在拓扑结构中的连接，在此过程中，所有与网络主体结构隔离的部分即为该节点的供电区域。图13为某省公司某一变电站基于力学图的电网供电区域查询示例，高亮该供电区域，并在页面右侧显示详细的供电区域信息，包括从220kV到大馈线的所有场站及馈线。

图13

某省公司某一配电网变电站基于力学图的供电区域

4 基于“电网一张图”时空数据管理系统的先进性

基于 “电网一张图” 时空数据管理系统，除了可以有效提升电网安全经济运行水平并提高电网规划的精准性，还具备优化电网资产管理、提升用户服务水平、促进源网荷互动等构建意义，为泛在电力物联网的建设目标奠定基础。

4.1 优化电网调度运行

通过该系统可以掌控电网实时的运行状态和电力设备的工作情况。在电网调度运行期间，时空数据管理系统可以及时通报网络或设备故障的预警信号，实时分析网络监控信息，及时反馈故障原因和定位，节约故障排除时间［15］ 。同时，通过融合不同拓扑、系统和设备的安全信息数据，实现对电网调度运行中隐患的全面掌控，将可能出现的紧急情况从被动排查转变为主动预防，提升电网调度自动化的自愈能力，最大限度地降低电网的安全风险［16］ 。时空数据管理系统还会进一步对电网全景的信息来源进行拓展，以生产服务的全过程为基础，对系统中所有潜在的内部和外部信息源进行整合，并同时对电网的业务流实现动态的分析、诊断和优化，针对调度运行过程中拟制定的应对方案和实施策略，给出相应的辅助决策，从而在最大程度上优化电网的调度运行和供用电 2019.1118

4.2 提升电网资产管理

通过该系统将对设备全景质控的规划设计、运行状态、检修维护、制造过程等数据进行全面管控，对电网设备管理主要有3点提升：①将电力设备的质量管理延伸至生产制造环节，通过相关数据的分析与推理，快速发现并消除电力设备家族性缺陷，避免电力设备质量问题导致的运行风险，以及继续制造生产而导致的大量成本浪费，并在电力采购招标环节充分考虑质量因素，正面引导供应商质量管控意识，促进电力设备质量全面提升；②促进传统电力装备制造模式向“新制造”方式改进，通过设备运行环境分析和用户意见反馈，实现电力设备制造的定制化、个性化、智能化，达到用户和制造企业在成本、运营等方面的双赢；③通过电力设备的运行状态、检修记录、零部件耗损情况的数据分析，实现采购需求动态预测，充分考虑制造厂商的生产能力和库存信息［7］ ，改变传统电力设备采购方式，建立基于数据驱动的信息共享新型交易机制，为智慧供应链的建设奠定基础。

4.3 提升用户服务水平

在用户管理的数据模型中，通过对各种用户侧用电数据的管理，可以分析不同用户的用电行为并预测用户消费需求，提供精准化营销服务。同时以用户为中心，融通业扩报装、智能电网、电动汽车、分布式能源等新兴业务，从而提升用户电力营销过程中的参与度和满意度，优化计量计费等供电服务业务，实现用电数据的实时全面共享，加快买桩、安桩、接电等多类业务的办理进度，加速综合能源等新兴业务发展［4，17］。

4.4 促进源网荷互动

随着分布式可再生能源设备的投入量不断增加、需求响应负荷在配用电网的接入不断增多、电动汽车及其充电桩的普及率不断扩大，单纯从源网协调、网荷互动、电动汽车及其充电桩与电网的互动无法支撑对电网运行控制影响的整体思考与系统性分析，因此，需要通过电源、电网、负荷的“源-网-荷”全面互动才能满足未来电网的发展需求［18-19］ 。通过基于“电网一张图”数据管理系统，可以将可再生分布式电源的信息、电网运行过程中各线路及设备容量的历史当前及预测信息、用户侧可控负荷的信息以及电力市场相关信息相关联，通过虚拟电厂和多能互补方法提升新能源并网承受能力，提高电网可调控容量占比，通过市场引导用户参与调峰调频，并基于电力市场实现集中式新能源省间交易和分布式新能源省内交易，缓解弃风弃光，促进清洁能源消纳［4，20］。

5 结语

本文在图计算平台的基础上，讨论了基于“电网一张图”的时空数据管理系统的设计与构建，从力学拓扑结构图、电网接线图和基于地理信息的电网拓扑图的互动展示了“电网一张图”的可视化界面，并在“电网一张图”功能模块中设计了潮流分析、供电路径追踪和供电区域查询的可视化展示。基于大数据分析技术，待实现的时空数据管理系统的功能模块还要集成面向电网规划的电力负荷时间和空间分布的精准预测、面向电网可靠性运行的状态评估与预警、电能质量监测和停电优化等分析与展示。目前的电网运行不仅要面对安全性与稳定性的考验，也正在面临着经济性、环保性、能源利用的多样性、调峰作用、电力市场、边远地区的供电等方面的考虑和问题的影响与冲击，传统的电网企业正在向综合能源服务公司转型。因此，时空数据管理系统中所融合的准确、完整、有效、实时的数据资产将成为未来电力业务的重要支撑。多源异构数据的融合、高效准确的数据存储与查询、直观友好的可视化设计、深入全面的数据挖掘等可以充分发挥数据黄金价值的关键技术和相关研究成果正在受到越来越多的关注。