（机械电子工程专业论文）基于opc技术的变电站监控系统设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 随着计算机技术、电子技术、网络技术与通信技术的飞速发展，集多 种技术于一身的变电站综合自动化系统也得到了突飞猛进的发展。在变电 站综合自动化系统中汇集了各个厂商，各种不同型号的设备，使变电站综 合自动化系统的功能日趋丰富。然而目前国内变电站自动化系统传输规约 的使用还较为混乱，各个生产厂家基本上没有统一的标准，不同厂家设备 通信联接困难，给系统维护和升级造成很大钓隐患。由于不同的硬件厂商 开发的硬件之间通常采用不同的传输规约，信息集成与共享非常困难。设 备越多系统就会越复杂，信息的集成也就越困难，因此如何实现信息的共 享与信息的有效集成便成为变电站综合自动化系统的一个重要的研究课 题。 信息技术的发展促进了中国工业自动化技术的发展在以“以信息化 带动工业化，以工业化促进信息化”的战略构想的指引下，中国的电力企 业信息化正在获得快速发展。为了适应新时期发展的需要，本文对工业自 动控制领域的规范一o p c 技术( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 和变电站监控 系统进行了深入的研究，根据目前变电站监控系统的发展及其现状以 及我国电力行业的发展及需求，针对传统的变电站综合自动化系统存在 的问题，提出了在变电站监控系统中弓l 入o p c 技术的方案，解决了设备 实时数据的共享问题，使多个不同的应用可以以统一的方式获取设备 的实时数据避免了由予多个不同驱动程序访问同一个设备所造成的 系统不稳定。 同时为满足变电站综合自动化系统的发展及其对交互性与分布 性以及信息共享与集成的要求，本文探讨了b s 与c s 两种软件的体系 结构，提出了基于o p c 技术的b s 与c s 混合的变电站监控系统体系结构， 为变电站监控系统中二次设备提供o p c 服务器，通过对二次设备的监控达 到对变电站中的运行实时参数及设备豹运行状态进行实时监控，在系统发 生故障时及时通知用户，避免了给企业造成巨大的损失。文中给出了 系统的软件实现结构，对系统中的关键部分一o p c 服务器与o p c 客 户端部分进行了具体的设计与实现。 关键词：o p c 技术，变电站，综合自动化，b s ，c s 体系结构 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h es p e e d i n gd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c e ，e l e c t r o n i c s ，n e t w o r k t e c h n o l o g y a n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，t r a n s f o r m e r s u b s t a t i o n c o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o ns y s t e mw h i c hi n t e g r a t e d a nk i n d so ft e c h n i q u e s a b o v ea l s oh a sb e e nd e v e l o p e ds or a p i d l y o w i n gt og r e a tv a r i e t i e so fv e n d e r s a n da l ls o r t so fd i f f e r e n th a r d w a r e ，t h ef u n o t i o n so ft r a n s f o f i n e rs u b s t a t i o n c o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o ns y s t e mh a v eb e e ne n r i c h e dg r a d u a l l y p r e s e n t l y , h o w e v e r , t h eu s a g eo ft r a n s m i t t e ds t i p u l a t i o n so fa na g r e e m e n ti nd o m e s t i c t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mh a sb e e nc o n f u s e d b a s i c a l l y , e a c h v e n d e rh a sn o tu s e du n i f i e ds t a n d a r d ，s ot h a td e v i c e s c o m m u n i c a t i o nb e t w e e n d i f f e r e n tv e n d e r si sd i f f i c u l t a n dt h a tm a k e sg r e a th i d d e nt r o u b l et os y s t e m m a i n t e n a n c ea n du p d a t e g e n e r a l l y , d i f f e r e n th a r d w a r ew h i c hh a sb e e n d e v e l o p e db yd i f f e r e n tv e n d e r sa d o p td i f f e r e n ts t i p u l a t i o n so fa na g r e e m e n t ， i n f o r m a t i o nc a nn o tb es h a r e da n di n t e g r a t e de f f e c t i v e l y t h em o r ed e v i c e st h e m o r ec o m p l i c a t e ds y s t e mw o u l db e ，t h ei n t e g r a t i o no fi n f o r m a t i o nw i l lb e m o r ed i f f i c u l t ，s oh o wt or e a l i z ei n f o r m a t i o ns h a r i n ga n di n t e g r a t i o nw i l l b e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c ht a s ko ft r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nc o m p r e h e n s i v e a u t o m a t i o ns y s t e m t h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n i q u ep r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to f i n d u s t r ya u t o m a t i o ni nc h i n a c h i n e s ep o w e re n t e r p r i s ei n f o r m a t i o n i z a t i o ni s d e v e l o p i n gi n c r e a s i n g t yi nt h es t r a t a g e mo f “u s ei n f o r m a t i o n i z a t i o nt od r i v e i n d u s t r i a l i z a t i o na n du t h el a t t e rt oe x p e d i t et h ef o r m e r ”i no r d e rt o a c c o m m o d a t et ot h en e e do ft h i sn e w t i m e ，o p c ( o l ef o rp r o c e s s c o n t r 0 1 ) - - c r i t e r i o na ti n d u s t r yf i e l da n ds u p e r v i s ec o n t r o ls y s t e mo fs u b s t a t i o n a r er e s e a r c h e dd e e p l y ，o nt h eb a s i so ft h ep r e s e n td e v e l o p m e n ta n di t ss t a t u s q u oa n dt h ed e v e l o p m e n ta n dr e q u i r e m e n ti np o w e re n t e r p r i s e ，a i m i n ga tt h e e x i s t e n tp r o b l e mo ft r a d i t i o n a ls u b s t a t i o nc o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o ns y s t e m ， t h et h e s i sp u t sf o r w a r dac a s ew h i c hi n t r o d u c eo p ci nt h es u b s t a t i o ns u p e r v i s e c o n t r o ls y s t e m t h a n k st oi n t r o d u c eo p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) ，t h ep a p e r h a ss o l v e dt h es h a r i n gp r o b l e mo fr e a lt i m ed a t ao fd i f f e r e n td e v i c e s ，w h i c h m a k e sa l lk i n d so fd e v i c e sc a na c q u i r er e a lt i m ed a t ai nu n i f o r mm a n n e ra n d l i 武汉理工大学硕士学位论文 a v o i d s i n s t a b i l i t yo fs y s t e mt h a td e r i v e sf r o md i f f e r e n td r i v i n gp r o g r a m a c c e s s i n gt h es a m ed e v i c e a tt h es a m et i m e ，w i t hav i e wt ot h ed e v e l o p m e n t t r e n do ft r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nc o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o ns y s t e ma n di t s r e q u e s t so fi n t e r a c t i o na n dd i s t r i b u t i o na n dt h en e e do fi n f o r m a t i o ns h a r i n g a n di n t e g r a t i o n ，t w os y s t e mc o n s t r u c t i o n so f b sa n dc sw e r ed i s c u s s e d a n db sa n dc st e m p i i c a t e ds u b s t a t i o ns u p e r v i s es y s t e mw h i c hb a s e so no p c t e c h n i q u ew a sb r o u l g h tf o r w a r d o p cs e v e rf o rs e c o n d a r yd e v i c e si ns u b s t a t i o n s y s t e m ，r u n n i n gr e a lt i m ep a r a m e t e r sa n dt h er u n n i n gs t a t u sa r es u p e r v i s e d t h r o u g ht h es u p e r v i s i o no ft h es e c o n d a r yd e v i c e s a n da l s oi tw i l li n f c l r m c u s t o m e ri ft h e r eh a p p e n e ds o m ef a i l u r ei n l e s tt om a k eg r e a tl o s s s o f t w a r e r e a l i z e dc o n s t r u c t i o no ft h es y s t e mw a s # y e n a n d ，a i m i n ga tt h ek e yp a r t 一o p cs e v e ra n do p c c l i e n t ，t h ep a p e rg i v e sc o n c r e t ed e s i g na n dm a k e st h e m c o m et r u e k e y w o r d s ：o p c ，t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n ，c o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o n s y s t e m ，b s ，c s 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 变电站综合自动化系统的发展及现状 随着市场经济的发展以及观念的变化，电力公司正经历着一场深刻的 变革。面对复杂多交的挑战，电力公司不得不采取新豹策略、新的技术和 管理措施，转变经营理念，增强市场竞争实力因此保证各个环节高效稳 定的发展对电力公司丽言是极其重要的。 变电站自动化指应用自动控制技术和信息处理与传输技术，通过计算 机硬软件系统或自动装置代替人工对变电站迸行监控、测量和运行操作的 一种自动化系统。变电站自动化以信号数字纯和计算机通信技术为标志， 进入传统的交电站二次设备领域，使变电站运行和监控发生了翻天覆地的 交化，并取得了显著韵效益。 变电站是电力系统正常运行串的一个重要的环节，它完成电能的传输、 电压的变换和电能分配等多方面的功能。正因为变电站的特殊地位，使得 变电站自动化成为配电系统自动化的一个投其重要的部分。 电力系统是一个连续运行的系统，电能的生产、传输、分配和消耗都 是同时完成的因此。变电站的运行也是连续豹1 1 1 。为了掌握变电站运行 状态，需要对有关屯气量进行连续测量，供运行监视、记录；为了保障变 压器、输电线路的安全运行，需要实现过流、过压等故障的安全保护：为 了向电网调度提供系统运行状态，需要将表征电网运行的有关信息向上级 调度传送# 为了向用户提供合格的电能，需要进行有关的控制调节。另外 变电站作为电力系统的一个重要环节，其运行具有电力系统中电能快速变 化和电气过程快速传播的特点。因此，当系统运行出现异常情况时，变电 站必须做出快速的反应和及时的处理。这些工作大部分不可能由人工来完 成，必须采用变电站综合自动化技术。 变电站综合自动化系统是利用先进的计算机技术、现代电子技术、通 信技术和信息处毽技术等实现对变电站二次设备( 包括继电保护、控制、 测量、信号、故障录波、自动装置及远动装置等) 的功能进行重新组合、 优化设计，对变电站全部设备的运行情况执行监视、测量、控制和协调的 武汉理工大学硕士学位论文 一种综合性的自动化系统。通过变电站综合自动化系统内各设备间相互交 换信息，数据共享，完成变电站运行监视和控制任务。变电站自动化源于 在变电站中普遍使用基于计算机技术的智能设备( i n t e l l i g e n te l e c t r o n i c d e v i c e ，缩写为i e d ) ，它不仅将现场的数据数字化，而且分析出很多难 以直接测量的数据( 如谐波分量、序电流、序电压) ，具有计算机数据通 信接口，利用计算机的存储能力完成统计记录功能。 变电站作为整个电网中的一个节点，担负着电能传输、分配的监测、 控制和管理的任务。变电站继电保护、监控自动化是傈证上述任务完成的 基础。作为变电站自动化系统，应确保能实现以下要求： ( i ) 检测电网故障，尽快隔离故障部分。 ( 2 ) 采集变电站运行实时信息，对变电站运行进行监视、计量和控制 ( 3 ) 采集一次设备状态数据，供维护一次设备参考。 ( 4 ) 实现当地后备控制和紧急控制。 ( 5 ) 确保通信要求。 因此要求变电站综合自动化系统运行高效、实时、可靠，对变电站内 设备进行统一监测、管理、协调和控制。同时，又必须与电网系统进行实 时、有效的信息交换、共享，优化电网操作，提高电网安全稳定运行水平， 提高经济效益，并为电弼自动化的迸一步发展留下空间。 传统的变电站，其自动化系统存在诸多问题，难以满足上述要求，主 要体现在以下几个方蕊： 。 它将高敏感度的实时数据从普通实时数据中分离。提供一种由服务器 程序将现场的报警和事件通知给客户程序的机制，使工控软件可以按照统 一的标准处理现场的各种事件。 ( 3 ) h i s t o r i c a ld a t a a c c e s s ( 历史数据访问接口规范) 。 它用于趋势显示、历史报表的数据分析。o p c 历史数据存取规范提供 一种通用的历史数据引擎，可以向感兴趣的用户和客户程序提供额外的数 据信息。 ( 4 ) o p cs e c u r i t y ( 安全性的标准) 。 o p c 服务器为应用提供了重要的现场数据，如果这些参数被误修改将 会产生无法预料韵后果，因此需要防止未授权的操作。o p c 安全性规范就 提供了这样一种专门的机制来保护这些敏感数据。 ( 5 ) o p cb a t c h ( 批处理的标准) 。 批量过程规范是基于o p c 数据存取规范和i e c 6 1 5 1 2 。1 国际批量控制 标准制定的它提供了一种存取实时批量数据和设备信息的方法。 ( 6 ) o p cx m l ( 过程数据的x m l 标准) 。 o p c x m l 规范主要是通过i n t e r n e t 实现数据访问，实现跨平台( 非微 软) 的o p c 应用。 武汉理工大学硬士学位论文 ( 7 ) o p cd a t ae x c h a n g e ( 服务器间数据交换标准) 。 o p c 数据交换规范主要是为满足o p c 服务器之间的数据通信而定义 的，使不同厂家的设备之间的o p c 服务器能够相互通信。 3 2 3o p c 规范的接口类型 3 2 3 1 必选接口 为了保证o p c 服务器的通用性，与互操作性0 p c 基金会定义了o p c 对象必须实现哪些接口，哪些接口可以不实现。必须实现的接口为必选接 口，o p c 服务器开发者必须实现所有的必选接口。o p c 客户通过调用必选 接嗣与服务器交互，获得基本的服务功能。服务器设计者可以选择实现可 选接口的功能。一旦o p c 服务器支持某一可选接口，则必须保证该接口内 部对应的所有函数都能够被正确调用。在进行o p c 客户端设计时不能假设 o p c 服务器已经实现了可选接口的功能，必须对服务器进行接口查询，确 认服务器支持某个接口时才能调用相应的接口函数。 3 2 3 2 定糊接口和自动化接口 o p c 规范通常包括两类接口：定制接口( c u s t o m i n t c r f a c c ) ：和自动化接 口( a u t o m a t i o ni n t e r f a c e ) 。o p c 客户程序可以通过这两种接口同服务器进 行通信。两种接口分别为不同的编程语言环境提供访问机制。 ( 1 ) 定制接口。 定制接口是o p c 服务器必须实现的接口，专门为c + + 等高级编程语言 而制定的标准接口，使用定制接口能够使客户端与服务器端的通信具有更 高的效率i9 1 。 ( 2 ) 自动化接口。 自动化接口通常是为基于脚本编程语言丽定义的标准接口，支持使用 v i s u a lb a s i c 、d e l p h i 、p o w e r b u i l d c r 等编程语言开发o p c 服务器的客户应 用程序。 通过o p c 基金会提供的自动化包装器可将定制接口转化为自动化接 口，用c + + 高级语言编写的客户程序可采用定制接口与服务器进行高效的 数据传输。本文客户端的实现就是采用的定制接口，从而使客户端与服务 器端的通信有更高的效率。 图3 - 9 为o p c 定制接口与o p c 自动化接口之间的相互关系。 2 9 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 9o p c 定制接口与o p c 自动化接口 3 2 4o p cd a 2 0 服务器对象必选接口 在o p c 服务器的开发中必须实现o p c 基金会所定义的必选接口。表 3 1 0 为o p cd a 2 0 规范要求的必选接口。 表3 1 0o p cd a 2 0 规范必选接口 o p cd a2 0 o p cs e “e r 对象 o p c g r o u p 对象 i u n k n o w ni u n k n o w n i o p c s e r v e r l o p c i t e m m g t 1 0 p c c o m m o n i o p c g r o u p s t a t e m g t i c ：o n n c c t i o n p o i n t c o n t a i n e r i o p c s y n c i o i o p c i t e m p r o p e r t i e si o p c a s y n c l 0 2 i c o n n e c t i o n p o i n t c o n t a i n e r 3 3 本章小节 本章主要介绍了在基于o p c 技术的变电站监控系统中涉及到的相关 技术。 由于o p c 技术是以c o m d c o m 技术为基础的，因此在介绍o p c 技 术之前首先介绍了接口，然后介绍了c o m 技术包括c o m 技术的概要， c o m 的接口以及c o m 的工作模型。在介绍c o m 技术基础上介绍了d c o m 的工作原理以及d c o m 的工作流程，最后介绍了o p c 技术，包括o p c 技 术的产生，o p c 规范，o p c 的必选接口，o p c 定制接口与自动化接口以 及两种接口之间的相互关系。 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章变电站监控系统总体设计 4 1 监控系统的体系结构 4 1 1 客户服务器( c s ) 结构 图4 - 1 为c s ( 客户服务器) 体系结构图。c s 计算技术在信息产业 中占有重要的地位，网络计算经历了从基于宿主机计算模型到客户服务器 计算模型的演变。随着计算机网络技术的发展，以大型机d , 型机计算模型 的集中式计算机逐渐被以p c 机为主的微机网络所取代。c s 软件体系结 构是基于资源不对等，为实现共享而提出来的，并在2 0 世纪9 0 年代成熟 起来。c s 体系结构定义了工作站如何与服务器相连，以实现数据和应用 分布到多个处理机上。c s 体系结构有兰个主要组成部分：数据库服务器、 客户应用程序和网络。 图4 - 1c s 体系结构图 服务器负责有效地管理系统的资源，其主要任务是： ( 1 ) 数据库安全性的要求； 武汉理工大学硕士学位论文 f 2 1 数据库访问并发性的控制； ( 3 ) 数据库前端的客户应用程序的全局数据完整性规则； ( 4 ) 数据库备份与恢复； 客户应用程序的主要任务是： ( 1 ) 提供用户与数据库交互的界面。 ( 2 ) 向数据库服务器提交用户请求并接收来自数据库服务器的信息。 ( 3 ) 利用客户应用程序对存在于客户端的数据执行应用逻辑要求。 网络通信软件的主要作用是完成数据库服务器和客户应用程序之间 的数据传输。 4 1 1 1 两层客户服务器结构 c s 体系结构将应用一分为二，服务器( 后台) 负责数据管理，客户 机( 前台) 完成与用户的交互任务。服务器为多个客户应用程序管理数据， 而客户程序发送、请求和分析从服务器接收的数据，这是一种“胖客户机 ( f a tc l i e n t ) ”或“瘦服务器( t h i ns e l w o r ) ”的体系结构即传统的两 层c ，s 体系结构，图4 2 为二层的c $ 体系结构图： 图4 2 二层c s 体系结构图 在一个c s 体系结构的软件系统中，客户应用程序是针对一个小的、 特定的数据集，如一个表的行来进行操作，而不是像文件服务器那样针对 整个文件进行，对某一条记录进行封锁，而不是对整个文件进行封锁，因 此保证了系统的并发性，并使网络上传输的数据量减到最少，从丽改善了 武汉理工大学硕士学位论文 系统性能。 c s 体系结构的优点主要在于系统的客户应用程序和服务器构件分别 运行在不同的计算机上，系统中每台服务器都可以适合各构件的要求，这 对于硬件和软件的变化显示出极大的适应性和灵活性，而且易于对系统进 行扩充和缩小。在c s 体系结构中，系统中的功能构件充分隔离，客户应 用程序的开发集中于数据的显示和分析，而数据库服务器的开发姆集中于 数据的管理，不必在每一个新的应用程序中都要对一个d b m s ( 数据库管 理系统) 进行编码。将大的应用处理任务分布到许多通过网络连接到低成 本计算机上，这样可以节约大量费用。 尽管c s 体系结构具有强大的数据操作和事务处理能力，模型思想简 单，易于人们理解和接受，但随着企业规模的日益扩大，软件的复杂程度 不断提高，传统的二层c s 结构存在以下局限： ( 1 ) 二层c s 结构是单- - n 务器且以局域网为中心的，所以难以扩展 到大型企业广域网或i n t e r a c t 。 ( 2 ) 软硬件的组台及集成能力有限，系统升级维护困难。 ( 3 客户机负荷太重，难以管理大量的客户机，系统的性能容易变坏。 ( 4 ) 由于客户端程序可以直接访问数据库服务器，在客户端计算机上 的其他程序也可想办法访闯数据库服务器，从而使数据库的安全 性受到威胁。 4 。1 1 2 三层c s 体系结构 正是因为二层c s 体系结构具有如上缺点所以三层c s 体系结构应 用# a t 角户2用户n 图4 - 3 三层c s 体系结构 运而生。图4 - 3 为三层c s 体系结构图：与二层c s 相比，在三层c s 体 3 3 武汉理工大学硕士学位论文 系结构中，增加了一个应用服务器。可以将整个应用逻辑驻留在应用服务 器上，而只有表示层存在于客户机上，这种结构称为“瘦客户机”。三层 c s 体系结构是将应用功能分成表示层、功能层和数据层三个部分： ( 1 ) 表示层。 表示层是应用的用户接口部分，担负着用户与应用问的对话功能。它 用于检查用户从键盘等设备输入的数据，显示应用输出的数据。为使用户 能直观地进行操作一般要使用图形用户服务界面，操作简单，易学易用。 在变更用户界面时，只需要改写显示控制和数据检查程序，而不影响其他 两层。检查的内容也只限于数据的形式和取值的范围，不包括有关业务本 身的处理逻辑。 ( 2 ) 功能层。 功能层相当于应用的本体，它是将具体的业务处理逻辑编入程序中。 例如：在制作订购合同时要计算合同金额，按照定好的格式配置数据、打 印订购合同，丽需要的数据则要从表示层或数据层取得。表示层和功能层 之间的数据要尽可能简洁。如；用户检索数据时，要将有关检索要求的信 息一次性地传送给功能屡，丽由功能层处理过的检索结果数据也一次性地 传送给表示层。 通常，在功能层中包含有确认用户对应用和数据存取权限的功能，以 及记录系统处理日志的功能。功能层的程序大多是用可视化编程工具开发 的，也有使用c o b o l 和c 语言开发的。 ( 3 ) 数据层。 数据层就是数据库管理系统，负责管理对数据库数据的读写。数据库 管理系统必须能迅速执行大蠢数据的更新和检索。现在的主流是关系型数 据库管理系统( r d b m s ) ，因此，一般从功能层传送到数据层的要求大都 使用s q l 语言。 三层c s 的解决方案是：对这三层进行明确分割，并在逻辑上使其独 立a 原来的数据层作为数据库管理系统已经独立出来，所以，关键是要将 表示层和功能层分离成各自独立的程序， 并且还要使这两层间的接口简 洁明了。 一般情况是只将表示层配置在客户机中，c s 体系结构各层的配置通 常有以下三种配置方式，图4 - 4 为通常的三层体系结构的各层配置方式： 武汉理工大学硕士学位论文 图4 - 4 三层c i s 体系结构中各层的配置 如果像图4 。4 中c 那样连功能层也放在客户机中，与两层g s 体系结 构相比，其程序的可维护性要好得多，但是其他问题并未得到解决。客户 机的负荷太重，其业务处理所需要的数据要从服务器传给客户机，所以系 统的性能容易降低。如果将功能层和数据层分别放在不同服务器中，如图 4 - 4 中b 所示，则服务器和服务器之间也要进行数据传送。但是，由于在 这种形态中三层是分别放在各自不同的硬件系统上的，所以灵活性很高， 能够适应客户机数目的增加和处理负荷的变动。例如，在追回新业务处理 时，可以相应增加装载功能层的服务器。因此，系统规模越大这种配景 的优点就越显著。 与两层结构相比，三层c s 结构具有以下优点： ( 1 ) 允许台理地划分三层结构的功能，使之在逻辑上保持相对独立性，从 而使整个系统的逻辑结构更为清晰，能提高系统和软件的可维护性和 可扩展性。 ( 2 ) 允许更灵活有效地选用相应平台和硬件系统，使之在处理负荷能力上 武汉理工大学硕士学位论文 与处理特性上分别适应结构清晰的三层；并且这些平台和各个组成部 分可以具有良好的可升级性和开放性。 ( 3 ) 三层c s 结构中，应用的各层可以并行开发，各层也可以选择各自最 适合的开发语言，使之能并行且高效地进行开发，达到较高的性能价 格比：对每一层的处理逻辑的开发和维护也会更容易些。 ( 4 ) 允许充分利用功能层有效地隔离表示层与数据层，未授权的用户难以 绕过功能层而利用数据库工具或黑客手段非法地访问数据层，这便为 严格的安全管理奠定了坚实的基础；整个系统的管理层次也就更加合 理和便于控制。 但三层c s 结构各层间的通信效率若是不高，即使分配给各层的硬件 能力很强，其作为整体来说也达不到所要求的性能。此外，设计时必须慎 重考虑三层间的通信方法、通信频率及数据量。 4 1 2 浏览器服务器( b s ) 结构 在三层c s 体系结构中，表示层负责处理用户的输入和向客户的输出。 功能层负责建立数据库的连接，根据用户的请求生成访问数据库的s o l 语 句，并把结果返回给客户端。数据层负责实际的数据库存储和检索，响应 功能层的数据处理请求，并将结果返回给功能层。 浏览器服务器( b s ) 风格就是上述三层应用结构的一种实现方式， 其具体结构为：浏览器w e b 服务器，数据库服务器。图4 5 为采用b s 结 构的应用系统的基本框架； 图4 - 5b s 模式体系结构图 3 6 武汉理工大学硕士学位论文 b s 体系结构主要是利用不断成熟的w w w 浏览器技术，结合浏览器 的多种脚本语言，用通用浏览器就能实现原来需要复杂的专用软件才能实 现的强大功能，并节约了开发成本。从某种程度上来说，b s 结构是一种 新的软件体系结构。 在b s 结构中，除了数据库服务器外，应用程序以网页形式存放于 w e b 服务器上，用户运行某个应用程序对只需要在客户端上的浏览器中键 入相应的网址( u r l ) ，调用w e b 服务器上的应用程序并对数据库进行操 作完成相应的数据处理工作，最后将结果通过浏览器显示给用户。可以说， 在b s 模式的计算机应用系统中，应用在一定程度上具有集中特征。 基于b s 体系结构的软件，系统安装、修改和维护全在服务器端解决。 用户在使用系统时，仅仅需要一个测览器就可运行全部的模块真正达到 了“零客户端”的功能，很容易在运行时自动升级。b s 体系结构还提供 了异种机、异种网、异种应用服务的联机、联网、统一服务的开放性基础。 b s 结构如现之前，管理信息系统的功能覆盖范围主要是组织内部。 b s 结构的“零客户端”方式，使组织韵供应商和客户( 这些供应商和客 户有可能是潜在的，也就是说可能是事先未妇朗) 的计算机方便遮成为管 理信息系统的客户端，进而在限定的功能范围内查询组织相关信息完成与 组织的各种业务往来的数据交换和处理工作，扩大了组织计算机应用系统 的功能覆盖范围，可以更加充分利用网络上的各种资源，同时应用程序维 护的工作量也大大减少。另外，b s 结构的计算机应用系统与i n t e r n e t 的结 合也使新近提出的一些新的企事业计算机应用( 如电子商务、客户关系管 理) 的实现成为可能。 与c ，s 体系结构相比，b i s 体系结构也有许多不足之处： ( 1 ) b ，s 体系结构缺乏对动态页面的支持能力，没有集成有效的数据库 处理功能。 ( 2 ) b l s 体系结构的系统扩展能力差，安全性难以控制。 ( 3 ) 采用b i s 体系结构的应用系统，在数据查询等响应速度上，要远远 低于c s 体系结构。 ( 4 ) b s 体系结构的数据提交一般以页面为单位，数据的动态交互性不 强，不利于在线事务处理应用。 因此，虽然b s 结构的计算机应用系统有如此多的优越性。但由于 c s 结构的成熟性且c s 结构的计算机应用系统网络负载较小，因此，未 来一段时间内，将是b ，s 结构和c s 结构共存的情况。但是，计算机应用 系统计算模式的发展趋势是向b s 结构转变。 3 7 武汉理工大学硕士学位论文 4 2 基于o p c 的变电站监控系统体系结构 基于以上讨论，c s ，b s 结构各有优缺点。c s 体系结构根深蒂固， 技术成熟，原有的大多数软件大多采用c s 结构。新发展起来的b s 结构 要在软件开发中占据主导地位还需要相当长的路要走。本文充分考虑到交 电站的分布管理以及交电站监控系统与管理调度部门信息集成的需求，采 用了c s 与b s 混合的体系结构。 根据交电站外部的功能以及不同功能访问变电站内部系统的方式，可 以有如下两种解决方案： ( 1 ) 变电站内外有别体系结构。 图4 - 6 变电站内外有别体系结构 在图4 - 6 体系结构中所有通过i n t c r n e t 访问系统的外部用户，无论是 查询浏览都必须通过w e b 服务器访问系统中的数据库服务器，而所有的 3 8 茎堡望三查堂堕主兰篁堡苎 一 变电站内用户都通过系统中的应用服务器访问数据库服务器，即站外采用 b ，s 结构，站内采用c s 结构。 采用该方案外部用户w e b 服务器访问数据库，变电站的内部用户可以 通过内部的应用服务器直接访问数据库服务器，使系统具有很好的交互性 与实时性，但是当变电站外部修改和维护系统时速度较慢，过程繁琐，动 态交互性较差。 ( 2 ) 变电站外功能有别系统结构。 图4 7 为变电站外功能有别系统结构： 图4 - 7变电站外功能有别系统结构 在该体系结构中，所有在变电站外需要进行系统的维护都通过变电站 内部的应用服务器访问数据库，即c s 结构。对于变电站外的其它用户均 采用b s 结构，对于变电站内则不加以区分。采用这样的结构系统的站外 维护的交互性能较变电站内外有别结构要好一些，但是站内的应用服务暴 露，使系统的安全性收到一定的威胁。 基于变电站的安全性考虑，我们放弃了站外部维护的灵活性与交互 武汉理工大学硕士学位论文 性，选择了变电站内外有别体系结构，给出了基于o p c 技术的变电站监控 系统的体系结构。图4 - 8 为基于o p c 技术的变电站监控系统体系结构： 图4 培基于o p c 技术的变电站监控系统体系结构 基于o p c 技术的变电站监控系统是一个典型的b s 与c s 混合的三层 体系结构。 由客户端应用服务器数据库服务器构成了c s 模式的三层体系结构。 由浏览器w e b 服务器数据服务器构成了b s 模式的三层体系结构。 武汉理工大学硕士学位论文 在变电站内部采用的是c s 模式的体系结构，各功能层次配置模型采 用的是如图4 - 4 中b 所示，但是由于变电站监控系统的特殊性，使变电站 的三层体系结构的功能配置又不同于传统的配置方案。在变电站监控系统 中底层的数据层的数据一部分来源于现场的实时数据，另一部分来源于普 通的商用数据库，图4 - 9 为我们的功能层次配置结构图： 表示层 功能层 数据层 客户潴 应用服务嚣 现场设备 商用数据库 图4 9 各层次配置结构圈 将表示层配景与客户端，将功能层配置与应用服务器，而数据层则配 置在数据库服务器与现场设备的o p c 服务器。 对于变电站外部则使用了基于b s 模式的三层体系结构。w e b 页面通 过w e b 服务器获得必要的持久化数据，通过嵌入到w e b 页面内的a c t i v e x 控件( o p c 客户端) 来连接o p c 服务器，获取实时数据，进行显示与分 析。 4 3 基于o p t 的变电站监控系统软件体系结构 根据本变电站监控系统的特点与功能的实现要求，并结合以上基于 o p c 技术的变电站监控系统体系结构，给出了如图4 1 0 所示的基于o p c 技术的变电站监控系统软件体系结构图。 4 l 武汉理工大学硕士学位论文 b ，s 羹式 表示层c 翻；采瓮 i 碴羽览器客户端10 p i i l 曼 口 0 p c 客户端 珏c f o s 0 ai i s 曲线显示ii a 。唑煳件 0 p c 户端 w e b 页面 j 疆蜊腻， 再 撼ra c 丑件i 数据层 | o i i d a t a b a s 8l l i 。三二j l i s a v a 一 l l 设备 l 图4 - 1 0 基于o p c 的软件系统体系结构图 从变电站监控系统软件体系结构来看，系统从下至上共分为三个层 次，数据层，功能层，表示层。 ( 1 ) 数据层。 数据层由商用数据库与o p c 服务器两部分组成： 1 ) 商用数据库。商用数据库为w e b 服务器与应用服务器提供持久数 据，包括系统中的设备信息，用户信息等，配置于变电站内部的数据库服 务器上，通过数据库使得c s 与b s 两种体系结构联系在一起。 2 ) o p c 服务器。o p c 服务器负责为o p c 客户端提供实时数据，客户 端可以位于变电站内部，也可以位于浏览器页面上。o p c 服务器可以根据 4 2 武汉理工大学硕士学位论文 需要配置于变电站监控系统内部任何部位，通过通信介质接入变电站内部 网络。 f 2 ) 功能层。 功能层分成两部分： 1 ) 由w e b 服务器提供，负责变电站外部访问的业务逻辑，包括用户权 限验证，用户查询处理，以及设备信息查询与维护、历史数据查询分析等。 2 ) 由应用服务器提供。应用服务器提供的功能主要面向变电站内部， 保证站内访问与维护韵实时性，负责接收处理来自站内的命令，向数据库 发出读写命令，返回处理的结果等。 ( 3 ) 表示层。 表示层向功能层发出命令并将命令的处理结果显示给客户，包括历史 数据的曲线分析、柱状图分析、表格分析、以及实时数据的曲线分析、柱 状图分析、表格分析等。 4 4 持久数据的存储方案 4 。4 1 持久化对象与持久化机制 在面向对象的应用程序中必然要劬建并管理一系射的对象。在这些对 象中有一些对象是临时韵，这些对象在程序运行时会在适当的时候被创建 和销毁，当程序运行结束后不需要保存，即不需要在下次程序运行时加载， 这些对象为非持久化对象。而有的对象在程序一开始运行时需要从文件或 数据库等其他介质中读取并创建，并且这些对象在程序运行结束后要保存 它们的当前属性这些对象称为持久化对象。 持久化对象可以保存在文件中，关系数据库，或面向对象的数据库中， 把这些存储媒介称为持久化机制1 2 s l 。由于面向对象的数据库并未发展成 熟，目前通常的持久化机制为文件或关系数据库，不同的持久化机制有不 同的殃射方法。 由于对象到文件的映射，没有统一的格式，对象的存入与取出规则都 需要自己定义，缺乏灵活性与安全性并且数据共享能力差，数冗余易混乱， 管理起来相当复杂。对于数据库，减少了数据冗余，提高了数据的一致性， 改善了数据的管理与控制。对于一个拥有大量持久化对象的系统中，最好 采用现成的商用数据库，本文在对象的持久化机制中选取了商用数据库。 武汉理工大学硕士学位论文 4 4 2 数据库的选择 目前市场上流行的数据库有d b 2 ，o r a c l e ，s o ls e r v e r ，m i c r o s o f t a c c e s s ，等等。我们选择了基于客户机服务器的中大型数据库s o ls e r v e r 2 0 0 0 作为数据库平台。s q ls e r v e r2 0 0 0 在查询的性能，事务处理，可靠 性，扩展性，互操作性都有良好的性能，适应中大型数据处理需要的应用。 s o ls e r v e r2 0 0 0 拥有丰富的客户端开发工具，许多开发工具如 v c v b d e l p h i 等和数据库紧密结合具有良好的开发环境。 4 5 系统的运行与开发环境 ( 1 ) o p c 服务器运行平台。 o p c 服务器要求运行于w i