CN102375828A - 一种电网拓扑在关系数据库中的物理存储和优化方法 - Google Patents

一种电网拓扑在关系数据库中的物理存储和优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于电网地理信息系统领域,提供了一种电网拓扑在关系数据库中的物理存储和优化方法,所述方法主要步骤包括:将参与电网拓扑的设备划分为“线段(Segment)”和“元件(Gadget)”,Gadget和Segment定义了设备之间拓扑连接关系;优化线段的存储方式;在电网拓扑中增加“线路(Path)”对象,和“线段(Segment)”的构成“组成关系”模型;采用“超节点元件(HyperGadget)”和站内外连接的管理方式,实现分层的拓扑模型和线路拓扑贯通;采用基于通用关系数据库的数据库表实现这些电网拓扑对象的物理存储。本发明在逻辑模型符合CIM电网拓扑标准的前提下,实现了电网拓扑在通用关系数据库的物理存储,并针对电网GIS的应用特点进行了较多的优化工作。

Description

一种电网拓扑在关系数据库中的物理存储和优化方法
技术领域
[0001] 本发明属于电网地理信息领域,尤其涉及一种电网拓扑在关系数据库中的物理存储和优化方法。
背景技术
[0002] 电网地理信息系统(电网GIS系统),是采用地理信息(GIS)技术管理输电、变电、 配电和低压电网的专业信息系统,主要应用于国家电网和南方电网下属的省、地、县等各级供电局、电力局或者电力公司,实现输、变、配、低压电网的图形管理、档案维护、自动成图和拓扑分析等业务功能。
[0003] 电网GIS系统与通用的地理信息系统(通用GIS系统)有相通之处,但是又有非常大的区别。通用的GIS系统主要面向国土资源、水利、森林等地表地物相关的领域,主要由国外和国内的厂商提供通用化的产品,例如国外的Arc Info、Map Info、Intergraph、 Smallworld等软件厂商,国内的超图(Supermap)、吉奥之星(Geostar)等软件厂商。
[0004] 电网GIS系统利用了通用GIS系统的技术,并且很多电网GIS系统是在通用GIS系统的平台基础之上,二次开发而成。电网GIS系统利用通用GIS系统的技术,把土地、河流、 道路等电子地图作为背景,主体功能是实现对电网中的线路、杆塔、变电所、配电站所、线路上设备的图形化的维护、查询和分析。电网GIS系统主要处理的是具有电网拓扑连接的电网设备,而不是土地、河流、道路等地物对象,因此具有电网相关的突出特点。
[0005] 电网设备之间非常关键是电网拓扑关系,即从电源、经过线路和开关等供给下游的配变和用户的供电关系。电网拓扑的国际标准是IEC 61970/61968所定义的CIM(Common Information Model,公用信息模型)标准,这也是中国电网企业在电网调度系统(EMS系统)所遵循的标准。CIM标准定义的是电网拓扑的逻辑模型(Logical Model),存储于关系数据库中的物理模型(Physical Model)由各个具体实现自行定义,不在CIM标准中规定。 虽然现有商用GIS也有拓扑模型,但是并不符合CIM标准,在功能上也不适用GIS所需要的电网高级分析等拓扑相关应用。
发明内容
[0006] 本发明的目的是实现在通用关系数据库中存储电网拓扑的方法,在逻辑模型符合 CIM标准的基础上,调整和优化物理模型设计、使之能够满足成百上千用户针对大量电网拓扑数据的快速并发读取和更新要求。
[0007] 本发明是一种电网拓扑在关系数据库中的物理存储和优化方法,所述方法包括下述步骤:
[0008] 将参与电网拓扑的设备划分为“线段(Segment) ”和“元件(Gadget),,,Gadget和 Segment定义了设备之间拓扑连接关系;
[0009] 优化线段的存储方式,将首末的两个“端口(Port) ”合并到线段表中进行存储,优化大规模数据量的访问性能;[0010] 在电网拓扑中增加“线路(Path) ”对象,和“线段(Segment),,的构成“组成关系”
模型,更好的表达线路的管理关系;
[0011] 采用“超节点元件(HyperGadget)”和站内外连接的管理方式,实现分层的拓扑模型和线路拓扑贯通;
[0012] 采用基于通用关系数据库的数据库表实现这些电网拓扑对象的物理存储。
[0013] 本发明提供了一种完全基于通用关系数据库、不使用商用GIS系统平台的电网拓扑存储的解决方案,在逻辑模型符合CIM电网拓扑标准的前提下,实现了电网拓扑在通用关系数据库的物理存储,并针对电网GIS的应用特点进行了较多的优化工作。
附图说明
[0014] 图1是本发明实施例提供的物理存储和优化方法的实现流程图;
[0015] 图2CIM标准的电网拓扑的原理图;
[0016] 图3本发明实施例电网拓扑使用CIM逻辑模型的表达方法示意图;
[0017] 图4常规方式将CIM逻辑模型转换到数据库物理模型存储的示意图;
[0018] 图5本发明实施例电网拓扑的逻辑表达方式示意图;
[0019] 图6本发明实施例线段拓扑的优化方式示意图;
[0020] 图7本发明实施例增加的线路和线段的组成关系模型示意图;
[0021] 图8本发明实施例增加的站内外拓扑关系的表达方式示意图;
[0022] 图9本发明实施例Oracle数据库中的电网拓扑表的结构示意图;
[0023] 图10本发明实施例线路模型示意图;
[0024] 图11本发明实施例站内模型示意图。
具体实施方式
[0025] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案,下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
[0026] 在本发明实施例中,IEC 61970/61968所定义的CIM标准定义是电网拓扑的逻辑模型(Physical Model),存储于关系数据库中的物理模型由各个具体实现自行定义,不在 CIM标准中规定。在说明本发明的电网拓扑在关系数据库的物理模型存储之前,先简要介绍CIM标准的电网拓扑逻辑模型,参照图2是CIM标准的电网拓扑的原理图,CIM标准的电网拓扑逻辑模型由导电设备(Conducting Equipment)、终端点(Terminal)和连接节点 (Connectivity Node)构成。每个导电设备都有1个或者多个Terminal (终端点),不同设备的终端点通过连接相同的Connectivity Node(连接点)相互连接在一起。
[0027] 举个例子来说明CIM逻辑模型,参照图3是本发明实施例电网拓扑使用CIM逻辑模型的表达方法示意图,该实施例在后续的说明中将用来对比本发明的物理模型。从IiOkV 城北变出1回IOkv线路到1#杆塔、接入IOkV配变。图3a)是一次接线图:从IlOkV城北变的城北206开关出一回电缆线路到1#杆,经过配变跌落接入一个IOkV配变。图3b)是 CIM逻辑模型表示:共有4个导电设备,分别为开关、出口电缆、1#配变跌落、1#配变;导电设备由终端点(黑色小圆圈)组成,开关、出口电缆、1#配变跌落具有两个终端点,1#配变有1个端点;共有4个连接点(Node),分别为NodeU Node2,Node3,Node4 ;4个导电设备通过这四个连接点相互连接。
[0028] 如果使用常规做法,直接把CIM逻辑模型转换到物理模型,将分别为导电设备、终端点和连接节点各建立一个数据库表进行存储,参照图4是常规方式将CIM逻辑模型转换到数据库物理模型存储的示意图,说明了图3中的实施例电网拓扑的常规物理存储方式。 导电设备表中有4条记录,分别存储了城北206开关、出口电缆、1#配变跌落和1#配变等4 个设备。终端点表有7条记录,分别存储4个导电设备的7个终端点,其中城北206开关具有Tl和T2两个终端点,出口电缆具有T3和T4两个终端点,1#配变跌落具有T5和T6两个终端点,1#配变具有T7 —个终端点。节点表具有4条记录,分别为Nodel、Node2、Node3、 Node4。在终端点表中,通过“所属的导电设备表编号”字段来记录与导电设备表的关联关系,通过“连接的节点表编号”字段来记录与节点表记录的关联关系。
[0029] 对于电网GIS系统来说,直接把CIM逻辑模型转换到物理模型的方式并不合适,因为存在如下问题:
[0030] 问题1,直接把CIM逻辑模型作为物理模型存储,数据量较大,影响性能。对于电网GIS系统来说,50 %的设备都是架空线段、电缆线段和配变高压引下线等线状元件,对于配电站所中还存在大量电气连接线。如果直接套用CIM的逻辑模型来存储,每个线状元件需要1条导电设备表记录、2条终端口表记录、2条连接节点表记录(和邻接的其他导电设备共有)。一般地区局的配电GIS系统具有10万-100万条线段状元件,如果按CIM方式来存储于数据库中,需要50万-500万条记录来存储,读取、保存和并发编辑的开销都很大。
[0031] 问题2,在CIM模型,是不区分站内设备(变电所或者配电站)和站外设备(地理图)的,所有设备的拓扑都处于同一个空间中,用一个层次来表达,即不适应管理上的传统习惯,又扩大了可能并发编辑的对象范围、造成技术实现的困难。在具体应用中,站内设备和站外设备一般都是由不同的部门来维护,比如变电所是变电运行工区的人员来维护,站外线路是由线路工区的人员来维护。因此最好能够把站内和站外的设备使用不同的画面来维护,相应的存储最好也能够分开,这样无论是数据维护管理还是并发编辑的技术实现都容易一些。
[0032] 问题3,在CIM模型中,没有把线路和线段的管理关系独立出来进行管理和存储, 不适应电网GIS系统的需求。事实上,线路和线路所包含的架空线段和电缆线段是具有非常典型的组成关系,线路是由若干线段所组成,线路的属性(例如名称)是所有线段的共同属性,线路的走向是所有线段位置的集合。对于电网GIS而言,特别需要维护好线路和线段的管理关系,因此需要在模型和物理存储上支持这个关系。
[0033] 由于直接把CIM逻辑模型转换到数据库物理模型存在以上的缺陷和问题,本发明对电网拓扑在关系数据库中的存储方法进行了扩展和优化,以满足全省集中、地县集中的电网GIS应用的需求。
[0034] 参照图1是本发明实施例提供的物理存储和优化方法的实现流程图,详述如下:
[0035] 步骤1 :将参与电网拓扑的设备划分为“线段(Segment)”和“元件(Gadget)”, Gadget和Segment定义了设备之间拓扑连接关系。
[0036] 本发明是实现了电网拓扑的数据库物理模型,这是在CIM的逻辑模型基础上、 进行优化和扩充得来的。参与电网拓扑的导电设备进一步划分为线段Segment和元件 Gadget,针对线段和元件采用不同的物理存储模型,分别进行优化。[0037] Gadget和Segment定义了元件之间拓扑连接关系。Gadget用来表达变电所、配电站、配变、开关等具有一个或者多个端口的设备对象。Segment用来表示架空线段(每个杆之间)、电缆线段、电气连接线、母线段等两个端口的线状的设备对象。
[0038] 本发明中的电网拓扑的逻辑表达方式参照图5所示。从Entity (设备对象基类) 派生多种设备=Gadget是具有η个端口的元件。η是设备与其它设备电气相连的阶数,可以是0、1、2或者更多。Gadget派生负荷(单端元件)、开关(双端元件)、开闭所(多端元件) 等等。Gadget聚合了 η个Port (端口),类似于CIM的终端点Terminal。Segment是为电网拓扑中大量的零阻抗连接线、架空线、电缆等专门优化出来的线状几何形式的双端元件, 它具有首末两个端口(即有且只有两个cim:: terminal,并且有首尾的方向)。Gadget和 Segment都通过June (电气连接点、对应于CIM中的Node)连接在一起。
[0039] 本发明的拓扑表达方式是对CIM模型的扩充,将导电设备划分为Gadget元件和 Segment线状元件后,能够实现比CIM模型具有更好的存储效率和访问性能。
[0040] 步骤2 :优化线段的存储方式,将首末的两个“端口(Port) ”合并到线段表中进行存储,优化大规模数据量的访问性能。
[0041] 本发明的电网拓扑模型为大规模数据量的输配电GIS进行了专门的优化,参照图 6是本发明实施例线段拓扑的优化方式,对于地理图来说,50%的设备都是架空线段、电缆线段和配变高压引下线等线状元件,对于配电站所中还存在大量电气连接线。由于线状对象的端口数目是2个,这是固定不变的,因此在本发明中使用Segment对象来表达和存储。 在关系数据库存储中,首末端的Segment Port是作为Segment整体的2个属性来存贮,不需要采用另外的关系来表示和查找,从而大幅度提高了系统的效率。
[0042] 举例来说,在某地市局的地区电网拓扑中,包含IOkV及以上电压等级的架空和电缆线段约有25万个线段对象,每个对象一条G_SEGMENTS记录(包括首末端的Port)就能够表达电网拓扑关系。如果采用CIM的方式,需要25万条线段记录、50万条Terminal记录和约25万条Connectivity Node记录,存储的记录条数合计为100万条,是本发明方法的 4倍。由于CIM模型的数据量大,访问性能和数据一致性的维护都更为困难,因此优化线段的存储是必要的。
[0043] 步骤3 :在电网拓扑中增加“线路(Path) ”对象,和“线段(Segment) ”的构成“组成关系”模型,更好的表达线路的管理关系。
[0044] 本发明在CIM模型之外扩充的“Path-Segment”的两级模型,参照图7是本发明实施例增加的线路和线段的组成关系模型示意图,Path(线路、路径)表示一条线路主干或者分支,也可以表示一整条母线。Segment (线段)是实际的对象,代表每一段电缆或者每对电杆之间的架空线段,也可以表示组成母线的多个母线段。线路路径由若干个分组组成。直接电气相连,或者经过开关、开闭所等元件相连的线段,构成一个分组。分组中记录线段的首尾顺序。分组之间的拓扑可以是中断的。本发明的Path-Segment两级抽象模型更适合解决以下问题:
[0045] 1、线路和每个线段都在数据库中具有存储记录,因此可以分别具有属性。这样线路可以存储整体层面的属性,例如线路名称、线路层次关系、线路整体导线型号;线段可以存储每个档距的属性,例如电缆或者架空线型号,可以参与关系,例如挂在线路上的绝缘线接地点、故障指示仪;[0046] 2、不需要特殊处理,就能够描述穿过开关等双端元件、开闭所等多端元件的线路;
[0047] 3、允许线路分成不连续的几段,例如线路中间拆除几档线段,在线路施工作业中, 这是常见的现象。
[0048] 步骤4 :采用“超节点元件(HyperGadget) ”和站内外连接的管理方式,实现分层的拓扑模型和线路拓扑贯通。
[0049] CIM标准的电网拓扑模型,是不区分站内设备(变电所或者配电站)和站外设备 (地理图)的,所有设备的拓扑都处于同一个空间中,用一个层次来表达。本发明对此进行了扩展,增加了站内和站外的分层的拓扑模型,从而支持层次可伸缩的网络拓扑建模的过程。本发明主要考虑覆盖输变配低通的GIS系统的数据量是非常巨大的,需要管理输电、 10kV、0. 4kV、通信网络的设备信息和用户信息,其设备的种类和数量远远大于CIM所面向的EMS系统所维护的输电和变电系统。因此,在GIS系统的建设过程中,需要采用分层次、分粒度的建模方式:先为某一层的网络建模并投入运行,在需要时,再为该层次之上或者之下的网络建模,而不是强制要求必须一次性的完全建模。例如,在GIS分阶段实施过程中,第一个阶段是为输电和IOkV线路建模,变电所、配电站所只是地理图上的一个元件;第二个阶段是变电站和配电站的内部接线建模;第三个阶段是低压台区网络建模。在第一个阶段, 变电站和配电站只是作为一个设备而存在,拓扑分析程序进行的网络追踪中止于该终端设备,该设备相应地显示带电或者不带电状态。在第二个阶段,建立内部接线图,拓扑分析程序进行的网络追踪进入到变、配电站内部。第三个阶段,拓扑分析程序进一步追踪到每个配电站开关能够供电的低压网络。
[0050] 为了支持分层次的建模,本发明把变电所、开闭所、箱变等定义为组合设备,具有内部一次接线图,参照图8是本发明实施例增加的站内外拓扑关系的表达方式示意图,站所外部的拓扑连接关系在GIS图中维护,其内部拓扑连接关系在内部一次图中维护,内外部的电气贯通通过“组合设备端口 -超节点元件”的关联关系实现。在GIS图上,组合设备的每个端口 G_P0RT的INTERNAL_GADGET_ID字段对应于内部一次图的一个超节点元件,从而实现拓扑贯通。
[0051] 在本发明中采用超节点元件来实现站内外连接,而不是CIM中的 CormectivityNode。本发明中的超节点用于如下用途:
[0052] 1、超节点元件具有图符显示,能够在一次接线图中更清楚的让用户看清楚站内外连接关系的存在,用户可以新增、移动和删除超节点,查询超节点的信息,从而可视化的编辑站内外连接。
[0053] 2、超节点的图符使用,图8是所示的箭头符号,这个箭头符号的朝向用来指向电源供电的方向。例如图8中,上面的超节点箭头向下,表示供电电源从该端口流入母线,下面的两个超节点的箭头方向向下,表示电源从母线流出组合设备。
[0054] 步骤5 :采用基于通用关系数据库的数据库表实现这些电网拓扑对象的物理存储。
[0055] 本发明电网拓扑在通用关系数据库(例如Oracle)的物理存储方式,参照图9是本发明实施例Oracle数据库中的电网拓扑表的结构示意图,变电所、配电站、配变、开关、 电杆、电缆井等元件存储于g_gadgetS表中,元件的端口存储于g_ports表,一个元件可以有0到η个端口。线路主干和分支、母线存储。架空线段、电缆线段、母线段、电气连接线、电缆井等用g_segments存储。G_segments与G_paths为部分和整体的关系,即一条线路主干或者分支可以由多个架空或者电缆线段组成。
[0056] 基于该物理存储方式,本发明使用相同的Gadgets/Segments方式来存储线路模型(站外模型)和变电站内部模型。还是参照图3中的实施例电网拓扑来进行说明,按照步骤4),本发明用把该电网拓扑分成站外模型(参照图10)和站内模型(参照图11)两部分,两部分都使用图9所示的G_GADGETS表、G_P0RTS表、G_SEGMENTS表来进行存储。
[0057] 参照图10本发明实施例线路模型的存储方式示意图,在线路模型中,变电所以一个封闭的黑盒子的形式出现,变电所具有一个端口,端口与电缆线段建立拓扑关系。
[0058] 在G_GADGETS元件表中,记录所有的元件,在示例中包括配变、杆塔、跌落和变电所等4个记录。
[0059]
Figure CN102375828AD00081
[0060] 最后一行代表变电所,图形ID (GADGET_ID)为716387,CLASS_ID等于200 (即变电所)。
[0061] 在G_P0RTS端口表中,记录所有元件的端口,在示例中包括三个普通端口(即没有属性表记录的端口,用于开关和配变的端口),1个杆塔端口和1个变电所出口。
[0062]
Figure CN102375828AD00082
[0063]
Figure CN102375828AD00091
[0064] 最后一行就是变电所出口,P0RT_ID是图形内码,CLASS_ID等于201 (代表变电所出口),GADGET_ID等于716387(即变电所的图形内码),JUNC等于14275446是电气连接点的内码。
[0065] 在G_SEGMENTS线段表中,记录所有的线状元件,在示例中包括一段电缆(变电所出口到1#杆)和一段电气连接线(从1#杆到配变跌落,代表高压引下线)。
[0066]
Figure CN102375828AD00092
[0067] 最后一行代表电缆,SEG_ID为图形内码,CLASS_ID等于157代表电缆线段,PATH_ ID指向G_PATHS路径表的主键,HEAD_JUNC = 14275446为首端电气连接点,TAIL_JUNC为末端电气连接点。
[0068] 以电缆的首端和变电所出口的电气连接为例,变电所出口 G_P0RTS表的JUNC与电缆G_SEGMENTS表的HEAD_JUNC的值都是14275446,表示该变电所出口和电缆首端电气连接。
[0069] 参照图11是本发明实施例站内模型的存储方式示意图,站内外拓扑模型的贯通是通过在G_P0RTS表中变电所端口的INTERNAL_GADGET_ID字段保存了站内超节点 ID(3399327)来实现。
[0070]
Figure CN102375828AD00093
[0071] 与此类似,站内超节点的ID也可以保存在变电所端口的属性表的字段中,作用是类似的。
[0072] 城北206开关对应G_GADGETS表的GADGET_ID = 3399324记录,具有两个端口在 G_P0RTS 表中。
[0073]
Figure CN102375828AD00094
Figure CN102375828AD00101
[0074]其中,端口 P0RT_ID = 3399326 的 JUNC = 3709305。
[0075] 开关下端的电气连接线在G_SEGMENT表中,SEG_ID = 3709189,该记录的HEAD. JUNC = 3709305。
[0076]
Figure CN102375828AD00102
[0077] 这样开关的下面这个端口和电气连接线的首端的JUNC相同,电气相互连接。
[0078] 本发明经过步骤1至5的5个处理过程后,实现了电气拓扑从CIM逻辑模型到关系数据库物理存储模型的转换。该物理模型的存储和优化方法具有如下特点:
[0079] 1、将CIM的导电设备进一步划分为线段和元件,从而能够根据线段和元件的拓扑特点分别进行存储优化后保存于G_SEGMENTS线段表和G_GADGETS元件表。
[0080] 2、线段的存储采取了特别的优化方式,将线段、线段端口、电气连接点等合并到6_ SEGMENTS表来进行存储,记录数目降低到CIM逻辑模型记录数目的1/4,大幅度提高电网 GIS系统的存储性能和并发编辑效率。
[0081] 3、相比CIM模型,扩充了“线路”模型,与线段形成组成关系,把线路和线段的管理关系用G_PATHS和G_SEGMENTS的扩展拓扑关系来表达,在存储上确保了电网GIS系统所要求的线路所属线段关系的准确表达和引用完整性。
[0082] 4、把元件进一步划分为普通元件和组合元件,组合元件中能够定义站内一次接线图,从而把电网拓扑划分为站外线路模型和站内模型;使用组合设备端口的属性中记录站内超节点ID的方式,来实现拓扑贯通;采用箭头形式的超节点元件图符,在可视化表达站内外连接的同时,也能够清晰表达电源供电方向。这些处理方式都是在CIM标准以外的扩展,更适合电网GIS的特点和应用要求。
[0083] 以上对本发明实施例进行了详细介绍,本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及方法;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1. 一种电网拓扑在关系数据库中的物理存储和优化方法,其特征在于,所述方法包括下述步骤:将参与电网拓扑的设备划分为线段(Segment)和元件(Gadget),线段和元件定义了设备之间拓扑连接关系; 优化线段的存储方式,将首末的两个端口(Port)合并到线段表中进行存储,优化大规模数据量的访问性能;在电网拓扑中增加线路(Path)对象和线段(Segment)构成组成关系模型表达线路的管理关系;采用超节点元件(HyperGadget)和站内外连接的管理方式,实现分层的拓扑模型和线路拓扑贯通;采用基于通用关系数据库的数据库表实现这些电网拓扑对象的物理存储。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法将CIM标准的导电设备进一步划分为线段和元件,从而能够根据线段和元件的拓扑特点分别进行存储优化后保存于线段表 (G_SEGMENTS)和元件表(G_GADGETS)中。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:线段的存储采取了特别的优化方式,将线段、线段端口、电气连接点等合并到线段表(G_SEGMENTS)中进行存储。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述超节点元件(HyperGadget)是CIM标准的电网拓扑模型的扩展,增加了站内和站外的分层的拓扑模型,站所外部的拓扑连接关系在GIS图中维护,其内部拓扑连接关系在内部一次图中维护,内外部的电气贯通通过组合设备端口-超节点元件的关联关系实现。
5.根据权利要求1-4所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:在CIM模型之外扩充的Path-Segment两级抽象模型,线路、路径(Path)表示一条线路主干或者分支,也可以表示一整条母线。线段(Segment)是实际的对象,代表每一段电缆或者每对电杆之间的架空线段,也可以表示组成母线的多个母线段;线路路径由若干个分组组成;直接电气相连,或者经过开关、开闭所等元件相连的线段,构成一个分组;分组中记录线段的首尾顺序。分组之间的拓扑可以是中断的。
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