（电气工程专业论文）面向对象电网暂态稳定仿真程序中负荷模型扩展方法.pdf

硕士学位论文 摘要 电力系统的数学模型是电力系统数字仿真分析的基础。但是电力系统数字仿 真软件没有必要、也没有可能内置所有元件的数学模型，因此仿真软件如p s a s p 、 p s s e 等提供了用户自定义扩展环境用于元件建模。本文基于面向对象的仿真软 件i n t e r p s s ，采用面向对象的可扩展方法，实现了综合负荷模型的自定义扩展， 并进行了验证。， 首先，分析了电力系统数字仿真软件的可扩展性需求，阐述了面向过程的程 序设计方法及其程序特点，并在此基础上介绍了国内普遍使用的商业化电力系统 综合分析程序p s a s p 的扩展方法u d m 和u p i ，包括它们的开发应用过程、可操 作性和局限性。 其次，阐述了面向对象的程序设计方法及其程序特点，详细介绍了基于i n t e r n e t 技术和面向对象技术的新型电力系统仿真软件i n t e r p s s 。包括i n t e r p s s 的设计思 想、系统结构和其灵活的可扩展性、可扩展方法。 基于i n t e r p s ss c r i p t i n g 可扩展环境，分析了在i n t e r p s s 暂态稳定仿真程序中 扩展综合负荷模型的思想和具体过程，采用j a v a 语言编写了综合负荷模型的扩展 程序。以i n t e r p s s 中的2 机5 节点系统作为暂态稳定算例，以综合负荷模型模拟 其中一负荷节点的动态特性，结果表明：综合负荷模型扩展程序正确接入i n t e r p s s 暂态稳定程序。系统地比较了p s a s p 和i n t e r p s s 的暂态稳定仿真计算结果。比较 研究表明：在同样的暂态稳定仿真计算条件下，i n t e r p s s 的仿真结果具有足够的 可信赖性，可作为电力系统规划设计和运行调度决策的仿真研究工具。 采用i n t e r p s ss c r i p t i n g 扩展程序封装方法，将综合负荷模型的扩展程序封装 为图形化插件，并将该插件集成到了i n t e r p s s 的g u i 之中，在任意暂态稳定仿真 算例中，均可选择该综合负荷模型模拟负荷的动态性，从而在i n t e r p s s 中实现了 综合负荷模型的自定义扩展。 最后，在自定义元件模型的扩展实现和仿真计算结果比较分析的基础上，论 文总结阐述了i n t e r p s s 的性能特点。由于其先进的开源设计理念和面向对象的软 件技术，给用户提供了友好、灵活的可扩展环境，是一个颇具发展前途的电力系 统数字仿真平台。 关键词：电力系统；暂态稳定；仿真软件；i n t e r p s s ；面向对象；自定义扩展； 综合负荷模型 a b s t r a c t t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sa r et h eb a s eo fp o w e rs y s t e ms i m u l a t i o na n da n a l y s i s b u ta np o w e rs y s t e m ss i m u l a t i o ns o f t w a r ed o n tn e e dt oi n c l u d ea l le l e m e n t sm o d e l ， a n dt h e va r en o ta b l et od ot h i st o o a sar e s u l t ，s u c hs o f 觚a r ea sp s a s p ，p s s ea n d s o o n p r o v i d ec u s t o m e x t e n s i o ne n v i r o n m e n tf o fe l e m e n t sm o d e l i n g u s i n g t h e o b j e c t o f i e n t e de x t e n s i o nm e t h o d s ，t h i sp a p e ri m p l e m e n t st h ec u s t o me x t e n s i o no ft h e c o n l p o s i t el o a dm o d e lb a s e d0 ni n t e f p s s ，a n dd o e ss o m e c e r t i f i c a t i o n s f i r s t l y ， t h i sp a p e ra n a l y z e st h ee x t e n s i b i l i t yr e q u i r e m e n t o fp o w e rs y s t e m s s i m u l a t i o ns o f t w a r e ， r e p r e s e n t s t h e d e s i g n m e t h o da n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f p r o c e s s 0 r i e n t e dp r o g r a m ， m o r et h a nt h i s ， i ti n t r o d u c e st h ee x t e n s i o nm e t h o d s i n c l u d i n gu d ma n du p ii np s a s p ，w h i c hi sac o m m e r c i a lp o w e rs y s t e m ss i m u l a t i o n s o f t w a r ea n du s e du n i v e r s a i l y ， a n dt h e i r d e v e l o p m e n tp r o c e s s ，f e a s i b i l i t y a n d l i m i t a t i o na r ep r e s e n t e di nd e t a i l s s e c o n d l y ， t h i sp a p e rr e p r e s e n t st h ed e s i g nm e t h o da n dt h ec h a r a c t e r i s t i c o f o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m ，- i n t r o d u c e s an e wt y p ep o w e rs y s t e m ss l m u l a t l o ns o f t w a r e i n t e r p s s ，w h i c hb a s e so ni n t e r n e ta n do b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g y a n di tr e p r e s e n t st h e d e s i g ni d e a ，s y s t e ma r c h i t e c t u r e ，f l e x i b l e e x t e n s i b i l i t ya n de x t e n s i b l e m e t h o d so f i n t e r p s sm i n u t e l y t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep a r t i c u l a ri m p l e m e n tp r o c e s so ft h ec o m p o s i t e1 0 a dm o d e l e x t e n s i o ni ni n t e r p s ss c r i p t i n ge n v i r o n m e n tf o rt r a n s i e n ts t a b i l i t ys i m u l a t i o n ，m o r e t h a nt h i s ，i tg i v e st h ej a v ap r o g r a m0 ft h ec o m p o s i t e1 0 a dm o d e lf o rc u s t o me x t e n s i o n a n dt h e nt h ec u s t o me x t e n s i o ni sp r o v e dt ob er i g h tt h r o u g h at r a n s i e n ts t a b 订i t y s i m u l a t i o nc a s e ，w h i c hi sa5b u s e ss y s t e mi n c l u d i n g2g e n e r a t o r s u n d e rt h es a m e t r a n s i e n ts t a b i l i t yc a l c u l a t i o ns i t u a t i o n ， t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e d s v s t e m a t i c a u yb e t w e e ni n t e r p s sa n dp s a s p t h ec o m p a r i s o n sd e m o n s t r a t et h a tt h e t h es i m u l a t i o n si ni n t e r p s si sc f e d i b l e ，i tc a nb eu s e da sap o w e r f u it o o if o rp o w e r s y s t e m sp l a n n i n g ，d e s i g na n d t h ed e c i s i o no fo p e r a t i o ns c h e d u l i n g t h ec u s t o me x t e n s i o np r o g r a m0 ft h ec o m p o s i t e1 0 a dm o d e li se n c a p s u l a t e da s p l u g i nb yu s i n gi n t e r p s ss c r i p t i n gp a c k a g i n gm e t h o d s of a f t h ep l u g i ni sp a no f i n t e r p s sn o 、矾i tc a nb es e l e c t e di ni n t e r p s sg u ia n du s e d f o rt r a n s i e n ts t a b i l i t y s i m u l a t i o nc a s et os i m u l a t et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c o f1 0 a d ，a n dt h ec u s t o m e x t e n s i o ni sc o m p i e t ea n ds u c c e s s f u ln o w 硕上学位论文 i nt h ee n d ，a f t e rt h ec u s t o me x t e n s i o ni m p l e m e n t a t i o no fl o a da n dt h ec o m p a r i s o n s 0 fs i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ep a p e rr e p r e s e n t sa n dg e n e r a l i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d p e r f o r m a n c eo fi n t e r p s s b a s e do ni t so p e n s o u r c ea r c h i t e c t u r ea n do b j e c t o r i e n t e d t e c h n o l o g y ，i n t e r p s si s a b l et 0p r o v i d eaf r i e n d l ya n dn e x i b l ec u s t o me x t e n s i o n e n v i r o n m e n t ，a n di ti saq u i t ep r o m i s i n gp o w e rs y s t e m ss i m u l a t i o ns o f 俩a r e k e y 、r d s ： p o w e rs y s t e m s ；t r a n s i e n ts t a b i l i t y ；s i m u l a t i o ns o f t w a r e ；i n t e r p s s ； o b je c t - o r i e n t e d ； c u s t o me x t e n s i o n ； c o m p o s i t el o a dm o d e l 面向对象电网哲态稳定仿真程序中负荷模型扩展方法 插图索引 图1 1 过程式程序函数调用关系6 图1 2 类的u m l 图示7 图1 3 类的继承关系8 图1 4 基本功能框9 图2 1i n t e r p s s 桌面版1 6 图2 2i n t e r p s s 网络版1 6 图2 3 元件类的继承关系1 7 图2 4 网络拓扑关系1 8 图2 5 各网络类的继承关系1 9 图2 6 各节点类的继承关系2 0 图2 7 各线路类的继承关系2 1 图2 8 门面模式示意图2 1 图2 9 门面类与各仿真对象类的关系2 2 图2 1 0i n t e r p s s 系统结构2 2 图3 1 综合负荷构成2 4 图3 2 综合负荷构成等值电路2 4 图3 3 综合负荷等效电压源暂态等值电路2 5 图3 4 综合负荷等效电流源暂态等值电路2 5 图3 5 综合负荷模型暂态稳定仿真过程2 8 图3 6 暂态稳定分析中的电力系统模型的结构3 0 图3 7 暂态稳定计算中综合负荷模型方程处理过程3 1 图4 1c m ls c r i p t i n g 扩展环境3 5 图4 2 暂态稳定仿真中动态节点的s c r i p t i n g 扩展环境3 6 图4 3 典型节点模型3 7 图4 4 潮流计算中节点的s c r i p t i n g 扩展环境3 7 图4 5 典型线路模型3 8 图4 6 潮流计算中线路的s c r i p t i n g 扩展环境3 8 图4 7 短路计算中节点的s c r i p t i n g 扩展环境3 8 图4 8 短路计算中线路的s c r i p t i n g 扩展环境3 9 图4 9 自定义运行的s c r i p t i n g 扩展环境3 9 图4 1 0 暂态稳定仿真中动态节点的成员方法执行过程4 2 v 硕士学位论文 图4 1 1 综合负荷模型的s c r i p t i n g 扩展实现4 6 图4 1 2w i n d o w s 系统下j a v a 版本查看4 7 图4 1 3n e t b e a n si d e 中的j a v a 开发环境4 7 图4 1 4i n t e r p s s 插件开发目录4 8 图4 1 5n e t b e a n si d e 中构建的综合负荷模型g u i 4 8 图4 1 6i n t e r p s s 中综合负荷模型的插件实现g u i 5 0 图4 1 7 检验用2 机5 节点系统模型- 5 1 图4 1 8 综合负荷模型节点电压幅值曲线51 图4 1 9 综合负荷模型节点的电压相角曲线5 2 图4 2 0 综合负荷模型节点有功功率曲线5 2 图4 2 1 综合负荷模型节点无功功率曲线5 2 图4 2 2 有功功率曲线比较5 3 图4 2 3 无功功率曲线比较5 3 图4 2 4 不同仿真平台的综合负荷模型节点电压曲线比较5 4 v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：咯年夕月舻日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期： 啊年岁月舻日 日期：印9 年夕月g 日 硕士学位论文 1 1 选题背景 第1 章绪论 1 1 1 电力系统数字仿真及其意义 1 1 1 1电力系统仿真研究工具 电力系统是由发电、变电、输电、配电等各个环节构成的复杂动态大系统，分 布地域广，电能生产和消费之间没有中间存储环节，时间常数变化范围很大，动 态行为特别复杂。电力系统在国民经济中有着非常重要的作用，其安全运行至关 重要。为了保证电力系统的安全、经济运行，在规划、设计、运行时要对其静态 和动态特性进行充分的研究。 。 由于经济性、安全性等因素，在实际系统上进行试验和研究常常会遇到很多困 难，甚至是不可能的。因此，利用模型系统进行试验和研究是一种有效的途径。 起先阶段，人们把实际电力系统的各个组成部分，如发电机、变压器、输电线路、 负荷等按照相似理论设计成物理模型，并组成一个电力系统模型，即将实际电力 系统按照物理结构等比例缩小，来代替实际电力系统进行各种正常和故障状态的 试验和研究，也称为电力系统动态模拟。 随着电力系统的发展，系统规模和复杂程度发生了很大变化，动态模拟在应用 中受到了很大限制，如规模难以做得很大，一些破坏性试验也不可以做等。目前 我国正大力开发西部水、火电能源基地，实施西电东送、南北互济、全国联网， 在全国范围内进行能源优化配置是我国能源战略的重要组成部分。随着经济的快 速增长，我国电网建设正以前所未有的速度向前发展，东北电网、华北电网、华 中电网和川渝电网已经实现互联，三峡电厂的投产进一步促进了全国联网的进程。 当今世界，中国电网已经成为世界上规模最大的同步交流互联系统之一。大规模 互联电网能够实现资源的优化配置，增强事故支援能力，极大的提高了输电的经 济性和可靠性。但是，大规模停电事故却时有发生，其波及范围广，造成的经济 损失极大，对人民生活和国民经济发展影响极大。近年来，美国连续发生大规模 停电事故，损失难以估计，这使人们更加关注互联电网的安全运行【卜5 1 。此外，全 国联网系统中既有交流线路，又有直流线路，还包括诸如无功静止补偿器之类的 电力电子设备和f a c t s ( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 装置，从而使电网安 全稳定运行控制变得十分复杂。更加深入地理解稳定机理，建立准确的稳定分析 方法，进而提出有效的控制措施已经成为电力系统面临的迫切任务。显然，针对 大规模互联电网的试验和分析很难或者无法通过传统的电力系统动态模拟试验完 面向对象电网哲态稳定仿真程序中负荷模型扩展方法 成，而为了提高电网安全稳定运行水平，对电力系统仿真技术提出了更高的要求。 2 0 世纪5 0 年代以来，数字计算机和数值计算技术突飞猛进，随之出现了用数学模 型代替物理模型的新型模拟系统，通过软件在计算机上复现电力系统的内在特性， 即电力系统数字仿真。 1 1 1 2电力系统数字仿真概述 ( 1 ) 数字仿真的基本问题 电力系统的物理构成包括各种一次、二次电气设备和控制装置，其数学模型包 括描述设备动态特征的微分方程和描述设备之间电气联系的代数方程。其中，设 备的电气联系关系在运行中可能改变，如机组的启停、负荷的投切、线路的开断 等，并带有连续或离散的时便参数；扰动现场也可能非常复杂，不但网络拓扑和 参数可能相继突变，而且存在分层分散的人工干预和自动控制。一般可将电力系 统数学模型用高维非线性、分时段微分代数方程组来描述。 电力系统数字仿真可分为建立数学模型和对数学模型求解两部分i 们。建模是根 据系统仿真的目的由物理原型抽象出数学模型。建模过程应考虑以下几个问题： ( a ) ，依据研究问题的侧重点不同，对原型进行不同程度的简化。( b ) ，在不同的 仿真要求和条件下，同时兼顾仿真的快速性和准确性，就必须对同一装置或设备 采用多种不同复杂程度的电力系统数学模型，如在保证精度的前提下，忽略发电 机定子暂态对电力系统机电暂态的影响很小，将定子电压方程由微分方程简化为 代数方程，简化计算过程。( c ) ，电力系统由若干子系统组成，应保证整个系统数 学模型的统一性。其中，发电机一般采用d q 0 坐标下的基本方程，即派克方程； 负荷异步电动机采用额定频率同步旋转的直角坐标，即x y 0 坐标，其数学模型与 发电机相似；电力系统数学模型的获取可通过理论分析或系统辨识的方法，文献1 7 】 给出了电力系统各元件的数学模型。 电力系统数学模型求解可采用适当的数值计算方法。目前这类算法很多：单步 法如e u l e r 法、m o d i f i e de u l e r 法和r u n g e k u t t a 法；多步法如h a m m i n g 法和a d a m s 法；针对病态方程的g e a r 法、向后差分法、隐式及半隐式r u n g e k u t t a 法等。单 步法的优点可以自起步，即由稳态值出发，用通用公式一步一步求取数值解，而 多步法则不能自起步，因而需要多于一步的状态信息。算法虽多，不同算法的适 应性不同，需根据具体的仿真系统与仿真要求选用。一般应依据以下原则：( a ) ， 算法的数值稳定性高；( b ) ，算法的健壮性好；( c ) ，算法简单且收敛性好。电力 系统仿真计算一般采用单步法。电力系统数字仿真通过软件程序在计算机上实现， 电力系统仿真程序应具有直观友好的人机界面，较好的可靠性、可扩展性，方便 维护。 2 0 世纪5 0 年代，第一代电力系统稳定分析数字计算程序即电力系统动态仿真 硕士学位论文 程序开发成功。6 0 年代以来，随着数值方法和数字计算技术的发展，电力工作者 开发出了强有力的暂态稳定程序，能用于很大的系统并举要详尽的设备模型。该 成果有力地支持了当时刚刚出现的大规模电网的稳定运行。7 0 年代，中国电力科 学研究院也开发出大型电力系统暂态仿真程序p s a s p ，目前以推广应用至各层电 力调研部门。电力系统数字仿真取得的巨大进步，除上述因素外，数字仿真的独 特优势也是促使其快速发展的重要因素：( a ) ，不受系统规模和复杂性的限制。组 建几十台、几百条线路的动态模拟试验已经非常困难，而优秀的电力系统数字仿 真软件可以计算几千台、几万条支路的超大规模系统，而且其模型适应能力远远 强于前者。( b ) ，保证被研究系统的安全性。许多试验，例如稳定性破坏试验，直 接在原型系统上进行有很大危险性，甚至是不允许的，数字仿真是唯一可行的途 径。( c ) ，经济性。动态模拟试验需要专职人员进行大量准备工作，而且存在设备 折旧费用，数字仿真只需要少数计算人员参与，过程短，花费少。( d ) ，可用于电 力系统规划和前瞻性研究。在电力系统设计和规划阶段，需要对未来系统做预测 性分析研究，其很难通过动态模拟试验实现，而数字仿真却可以对设计方案进行 大量计算、校核，进行经济、技术指标的比较和优化。 ( 2 ) 数字仿真的发展趋势 电力系统数字仿真面临着新的机遇和挑战：( a ) ，大电网互联要求仿真软件能 够很好的处理大规模系统。跨大区联网的实现，高效远方大机组越来越重要，联 络线从紧急支援延伸到经济换电而接近稳定极限，大机组、重负荷大区互联系统 的动态特性对设备模型和参数更加敏感，从而需要对数字仿真的准确性及提高准 确度的措施进行研究【8 1 0 】。( b ) ，环保压力和土地资源紧张导致新建输电线路比较 困难，随着负荷的增长，应用新技术提高电网的利用率显得格外重要。( c ) ，各种 新型设备的不断出现要求电力系统仿真软件具有灵活的扩展性，以保证这些设备 的性能进行研究，在电力系统仿真中反映其对系统的影响【1 1 l2 1 。( d ) ，电力工业体 制的转变，对传统电力系统运行、调度方式提出了新的要求，为了更加准确、快 速的得到电力系统的安全、稳定信息，需要相应的电力系统动态安全、稳定分析 方法的支持【” 1 5 1 。( e ) ，电力市场的形成要求建立具有经营管理、经济分析、运 行决策功能的仿真系统，这就要求仿真软件能够考虑经济系统的动态行为，甚至 是物理系统和经济系统的相互影响【1 6 2 0 1 。 一方面，越来越多的电力系统新技术的产生和应用，人们对电力系统内在规律 的认识逐步深入，将推动电力系统数字仿真的向前发展；另一方面，计算机技术、 数值计算方法的发展将使仿真软件能够处理大规模的系统成为可能：此外，软件 技术如面向对象技术【2 卜2 3 1 、并行计算技术【2 4 2 6 1 和网格计算技术【2 7 2 9 】等的蓬勃发 展和其在电力系统仿真中的应用，将大大提高数字仿真软件的灵活性、可扩展性 和协同计算能力等等。未来的一段时间，将是电力系统仿真软件不断革新，寻求 面向对象电网暂态稳定仿真程序中负荷模型扩展方法 突破的时期，计算机硬件和软件技术将为此提供强大的支持。 1 1 1 3数字仿真的意义 电力系统数字仿真在电网规划、静态和动态系统分析、继电保护装置校验、辅 助决策等领域具有不可替代的地位。依据数字仿真的结果，可以直接对设计方案、 控制系统性能、运行方式等给出肯定或否定的判断。电力系统仿真软件已经成为 电力系统分析不可或缺的有力工具。 1 1 2 负荷模型对暂态稳定计算的影响 电力系统分析计算是电力部门设计、规划、运行、生产调度和决策管理的基础， 而电力系统的数学模型和参数则是分析计算的主要依据。负荷作为电力系统的四 大元件( 即发电机、励磁系统、调速系统和负荷) 之一，其数学模型对电力系统 规划、运行和控制等都有很大的影响，表现在不同的负荷模型对电力系统的暂态 稳定、小信号动态稳定、电压稳定和潮流计算具有不同程度的影响，在临界情况 下，计算结果可能发生质的变化【3 0 3 4 1 。 电力系统暂态稳定计算中，在系统受扰动后的第1 、2 功角摇摆周期内，一般 会出现电压降低的情况，特别是在振荡中心。在此期间，负荷模型对暂态稳定计 算的影响主要通过负荷功率随电压、频率的变化影响作用于加速或减速发电机转 子的过剩转矩来表现的，也就是说，负荷消耗的功率随电压的变化将影响发电机 的输入输出功率的不平衡，进而影响功角的偏移和系统的暂态稳定性。在对实际 负荷特性缺乏了解的情况下，人们一直认为采用保守的负荷模型可以确保系统的 安全运行。实际上由于电力系统的复杂性，同一种负荷模型处于系统的不同地点 和不同的故障条件下对系统稳定的影响不同，很难找到一个负荷模型使得系统的 分析结果总是偏于保守或总是偏于乐观【3 5 】。例如实际负荷特性为恒电流，其功率 随电压幅值变化，而采用恒阻抗来表示时则负荷功率随电压的平方变化。当负荷 点位于加速的发电机附近时，得到的分析结果偏于悲观，因为恒阻抗模型加剧了 发电机输出功率和负荷消耗功率的不平衡；若负荷位于减速发电机附近，得到的 分析结果则偏于保守【3 6 】。所以有必要建立切合实际的负荷模型，而不能根据经验 一概采用某种负荷模型。另外，研究结果表面，采用静态负荷模型不足以准确描 述系统在电压和频率变化较大情况下的负荷特性，例如文献【3 7 】在研究加拿大安大 略西北部一个局部系统从互联大系统解列后的动态行为时，发现采用静态负荷模 型和采用动态负荷模型的计算结果相去甚远，所以该文献特别强调在较大电压、 频率波动情况下的暂态稳定计算中采用动态负荷模型的必要性。 硕士学位论文 1 2 程序设计方法 计算机语言的发展过程，一般认为是：从机器语言、汇编语言到高级语言。高 级语言如f o r t r a n 、c 、j a v a 等，其中c 和f o r t r a n 属于面向过程的程序语言，采用 此类语言编写的程序以过程或函数为基础的；j a v a 属于面向对象的程序设计语言， 一切操作都以对象为基础，它是由面向过程语言发展而来的。每一种语言的产生、 革新和发展都需要两个基本因素的驱动：适应正在变化的环境和需求、实现编程 艺术的完善和提高【4 9 1 。 我们知道，所有的计算机程序都有两类元素组成：代码和数据。此外，从概念 上讲，程序还可以以它的代码或是数据为核心进行组织编写。也就是说，一些程 序围绕“正在发生什么编写，而另一些程序围绕“谁将被影响 编写。这两种 类型决定了程序的构建方法。第一种方法被称为面向过程的编程( p r o c e 踌o r i e n t e d p r o g r a m m i n g ) 方法，第二种方法被成为面向对象的编程( o b j e c t o r i e n t e d p r o g r a m m i n g ) 方法。 1 2 1 面向过程的程序设计 4， 面向过程的程序设计是一种自上而下的程序设计方法，设计者用一个主过程 ( 也称函数) 概括出整个应用程序需要做的事，而主过程由对一系列子过程的调 用组成。对于主过程中的每一个子过程，都描述了某一个小问题的解决方法。在 对复杂问题的求解过程中，对主过程的分解一直进行到参与设计和编程的人员可 以理解的步骤为止。其特征是：以过程为中心，用过程来作为程序的基本组成单 位，数据在面向过程的程序设计中处于从属的位置。 面向过程的程序设计的优点是易于理解和掌握，这种逐步细化问题的设计方法 和人们的思维方式比较接近。然而，面向过程的程序设计对于比较复杂的问题， 或是开发过程中需求变化比较多的时候，往往显得力不从心。这是因为这种设计 方式是自上而下的，这就要求设计者在程序开发初期就要对需要解决的问题有充 分的了解，当问题比较复杂的时候，要做到这一点比较困难，如在此阶段有不周 到的地方，将给后期的代码编写带来巨大的麻烦。如果此时没有弄清用户的需求， 可能导致整个开发重来。另一方面，当开发过程中用户的需求变化的时候，以前 对问题的理解也许会变得不再适用，但是需求和计划有时是连用户也难以在一个 具体时间内说清楚的。事实上，开发一个系统的过程往往也是一个对系统不断了 解和学习的过程，而面向过程的设计方法却忽略了这一点。 面向过程的程序设计的另一个缺陷就是其程序架构的依赖关系问题，一个典型 的面向过程的程序往往如图( 1 1 ) 所示： 面向对象电网暂态稳定仿真程序中负荷模型扩展方法 图1 1 过程式程序函数调用关系 图中的箭头代表了函数间的调用关系，也是函数间的依赖关系。如图所示， m a i n ( ) 函数依赖于其子函数，这些子函数又依赖于更小的子函数，而在程序中，越 小的函数处理的往往是细节实现，这些具体的实现，又常常变化。这样的结果， 就是程序的核心逻辑依赖于外延的细节，程序中本来应该是比较稳定的核心逻辑， 也因为依赖于易变化的部分，而变得不稳定起来，一个细节上的小小改动，也有 可能在依赖关系上引发一系列变动。可以说这种依赖关系也是过程式设计不能很 好处理变化的原因之一，而一个合理的依赖关系，应该是倒过来，由细节实现依 赖于核心逻辑才对。 。 在面向过程的设计语言中，一般既有定义数据的元素，如c 语言中的结构， 也有定义对数据操作的元素，如c 语言中的函数。这样做的结果是数据和对数据 的操作分开，容易导致对一种数据的操作分布在整个程序的各个角落，而一个操 作也可能会用到很多种数据，在这种情况下，对数据和操作的任何一部分进行修 改都会变得很困难。也就是说，面向过程的程序设计方法缺乏数据和对数据操作 的保护机制。 面向过程的程序设计的这些缺陷，对于大型软件设计经常是不允许的，2 0 世 纪8 0 年代初期，人们开始进行新的程序设计方法的探索，面向对象的程序设计方 法的产生水到渠成。 1 2 2 面向对象的程序设计 ( 1 ) 面向对象的基本思想 面向对象是一种从组织结构上模拟客观世界的方法，它从客观世界的基本成分 对象出发，通过抽象来实现对客观世界的模拟，并通过抽象提取出对象之间 的相互联系和相互作用。 面向对象编程的一个实质性的要素是抽象。人们通过抽象处理复杂性。例如， 人们不会把一辆汽车想象为几万个相互独立的部分所组成的一套装置，而是把汽 车想象为一个具有自己独特行为的对象。他们可以忽略引擎、传动及刹车系统的 工作细节，将汽车作为一个整体加以利用。使用层级分类是管理抽象的一个有效 方法。它允许人们根据物理意义将复杂的系统分解为更多更易处理的小块。从外 表看，汽车是一个独立的对象。一旦到了内部，便知汽车由若干子系统组成：驾 驶系统、制动系统、音响系统等等。再进一步细分，这些子系统由更多的元件组 硕二七学位论文 成。通过层级抽象便可以对复杂的汽车或任何复杂的系统进行管理。 ( 2 ) 面向对象的基本概念 对象：是面向对象的核心，是描述客观事物的数据结构及其有关对这些数据的 操作的结合体。 类：是具有相同数据结构和操作行为的一组对象共性的抽象。一个给定类的每 个对象都包含这个类定义的数据和操作行为，由于这个原因，对象有时被看做是 类的实例。所以，类是一种逻辑结构。 数据( 成员变量) ：是对客观事物数据结构的描述，有类定义，也称成员变量。 方法( 成员方法) ：是对客观事物数据结构的操作行为的描述，有类定义，也 称成员方法。与面向过程程序中的函数相对应。 ( 3 ) 面向对象的设计原则 面向对象的程序设计是一种自下而上的程序设计方法。它允许开发者从问题的 局部开始，在开发过程中逐步加深对系统的理解。这些新的理解以及开发中遇到 的需求变化，都会再作用到系统开发本身，形成一种螺旋式的开发方式。面向对 象的设计以数据为中心，类为表现数据的工具，是划分程序的基本单位，而方法 作为类的接口与外界联系。面向对象编程的三个原则如下： 1 ) 封装：封装是一种把数据和对数据的操作( 方法) 捆绑在一起，使两者不 受外界干扰和误用的机制。它可以阻止在外部定义的方法随意访问内部的方法和 数据，对内部方法和数据的访问通过一个适当定义的接口严格控制。 c i a s s v 撕a b l e l ：d o u b l e + m e t h o d l ( ) ：d o u b l e - m e m o d 2 ( ) ：d o u b l e 图1 2 类的u m l 图示 在面向对象的程序中，类是封装的基本单元。类中定义的每个方法和变量都可 以被标记为私有( p r i v a t e ) 或公共( p u b l i c ) 的。私有的变量或方法只能被同一个 类的方法访问，公共的变量或方法才可被外部程序访问，公共的方法才可以作为 接口。那么这样就可以防止不正常的数据修改或者方法调用，保证程序的正常执 行流程。类对变量和方法的封装u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 图如图所示： 2 ) 继承：继承是一个对象获得另一个对象的属性的过程。重要的是，继承支 持了按层分类的概念。使用了继承，一个对象就只需要定义使它在所属类中独一 无二的属性即可，因为它可以从它的父类那儿继承所有的通用属性。所以，正是 继承机制使一个对象成为一个更具有通用类的一个特定实例成为可能。 继承性和封装性的相互作用。如果一个给定的类封装了一些属性，那么它的任 何子类将具有同样的属性，而且还添加了子类自己特有的属性。如下图所示，电 一7 一 曲同对象电嘲暂态稳定仿真程序中负荷模型扩展方法 力系统计算类封装了系统网络的基本信息，如拓扑信息等；潮流计算类添加了网 络中各节点的导纳信息等；短路计算类添加了各元件的负序、和零序参数等；暂 态稳定激素啊类则添加了更详细的信息，如发电机参数信息及其控制系统信息等。 这是面向对性的程序在复杂性上呈线性而非几何性增长的关键。 图1 3 类的继承关系 3 ) 多态性：多态性是指一个方法只能有一个名称，但可以有许多形态，也就 是程序中可以定义多个同名的方法，它们具有不同的参数和执行过程。多态性经 常被说成“一个接口，多种方法”。这意味着可以为一组相关的方法设计一个通用 的接口，多态性允许同一个接口被应用于同一类的多个方法使用，这样就降低了 程序的复杂性。选择应用每一种情形的特定的方法是编译器的动作，程序员无需 手工进行选择。 1 3 仿真软件的可扩展性 1 3 1 仿真软件的的可扩展性需求 在电力系统仿真中，用户常常需要修改已经存在的模型结构、参数，或者增加 新的模型，以反映不同情况下的系统运行状态，因此要求仿真软件具有灵活、强 大、易用的可扩展性。 随着电力电子、微电子和微处理器等技术的发展，各种新型的调节和保护装置、 新型高压输变电设备、发电机组等设备不断投入运行，要求电力系统仿真软件能 够灵活建立各种新型一次和二次元件的模型，反映它们对系统暂态特性的影响。 如各种f a c t s 装置、随不同工程而异的超高压直流输电线路及其控制系统、各种 各样的继电保护和安全自动装置等，以满足电力系统规划、运行、调度以及科学 研究对系统分析的要求【1 2 】。此外，电力工业体制的转变和系统控制理论的发展需 要仿真软件模拟新的调控策略。 另一方面，电力系统各元件的数学模型以及由其构成的全系统数序模型是电力 系统数字仿真的基础，模型的准确与否直接影响仿真结和以此为基础的决策方案。 而目前发电机和输电网络的模型已比较成熟，相对而言电力负荷模型仍比较简单， 往往是从基本物理概念出发而采用的理想模型。多年来，我国各大电网在电力系 统分析计算时，通常按照经验选定某种常见的负荷模型如电动机+ 恒阻抗模型或恒 功率+ 恒阻抗模型【3 8 】，并定性地确定参数。随着我国主要电网互联进程的推进，电 网越来越复杂，各元件之间的电气距离越来越小，负荷模型对仿真计算结果会产 硕十学位论文 生质的影响。因此，按照经验确定负荷模型的方法已变得不尽合理。负荷模型主 要考虑的是负荷群对外部系统所呈现的总体特性。但由于负荷的复杂性、多样性、 分布性、时变性和随机性等特点，研究建立的负荷模型不可能是一成不变的，对 具有不同负荷结构的地区进行暂态仿真应采用不同的负荷模型，因此，电力系统 数字仿真软件应具有允许用户添加负荷模型和修改负荷模型的功能。 总之，仿真软件没有必要、也不可能提供所有已知和未知元件的模型，而应提 供灵活的扩展能力，不同的用户根据仿真需要可方便实现对仿真软件的不同扩展。 1 3 2 传统仿真软件的可扩展方法 模型的增加可以由原软件开发企业通过修改源程序来实现，但是事实是，传统 的电力系统仿真软件基于面向过程的f o r t r a n 、c 等语言开发，其程序结构决定了 对源程序的修改是费时、费力的，故很难即是满足众多用户的不同需求。为了解 决仿真软件内部模型不能满足仿真要求的问题，各仿真软件如n e t o m a c 【3 9 l ( n e t w o r kt b r s i o nm a c h i n ec o n t r 0 1 ) 、p s a s p 【1 2 l ( p o w e rs y s t e ma n a l y s i ss o f t w a r e p a c k a g e ) 、p s s e 1 4 0 】( p o w e rs y s t e ms i m u l a t o rf o re n g i n e e r i n g ) 等都在后续版本提 供了用户可扩展环境，以增强软件的生命力，使用户可以根据需要不断扩展仿真 软件的功能。以p s a s p 为例，其扩展方法包括以下两个方面