（电力系统及其自动化专业论文）发电厂一次系统图形建模与故障分析的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文发电厂一次系统图形建模与故 障分析的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进t 71 i d 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的庄何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：尚蚰日期： d 矿- j ，一6 。 学位论文作者签名：i ；u日期： d ，- j ， 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：堑纽 e l期：塑! i 导师签名 日 豳 期：竺堡：! ：生 华北电力人学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 继电保护装嚣是电力系统最重要的j 二次设备之一，它对电力系统的安全稳定运 行起着极为重要的作用。因此，继电保护整定计算是电力工程设计和生产运行中一 项必不可少的工作，正确的继电保护定值是防止事故发生和扩大的基础。”。3 但由 于系统运行方式及网络拓扑结构的变化、各种设备保护的种类及其整定规则的繁 多，使得定值i r 算和管理变得很复杂。目前发电厂继电保护定值整定主要有如下特 点： 1 ) 保护配置的多样化使得定值计算呈现多样性。发电厂电力系统结构较为复 杂，一般有多台机组和不同电压等级的厂用电系统；保护的配置多样化，有最先进 的数字式微机保护，有晶体管和集成电路保护，还有传统的电磁式g i ，d l f i b c h 型 保护。山于保护形式的多样化，造成保护定值整定规则的复杂性和多样化。 2 ) 保护整定计算工作量大。按照要求，设备保护定值需每年计算一次，以确保 其准确性。按照传统手工计算的方法，计算工作量大，需要的时间氏，同时由于整 定人员主观因素的影响，有可能造成定值计算的方法不合理、结果不准确，进而影 响保护的f 确工作。 3 ) 运行方式变化大，对定值的配合要求更高。近年来电厂调峰任务进一步加剧， 造成机组利厂用电系统开、停次数增多。在运行方式变化后，保护定值计算中灵敏 度校核就显得尤为重要。另外每年系统归算到电厂的等值阻抗都在变化，对电 系统短路电流的影响较大，因而每年必须对站内设备进行短路容量校核，以确保开 关等重要设备能满足短路容量的要求。 4 ) 继电保护定值的正确性直接影响电厂设备的安全。多年来电厂继电保护装置 正确动作率一直比较高，但也发生过由于定值整定的不正确造成保护误动的现象。 如区外故障造成变压器零序保护误动，失磁保护由于计算的不准确而误动，厂用零 序保护，过流保护以及启动变差动保护等误动作，严重影响了机组负荷。 5 ) 保护更新对定值整定的要求更高。电厂每年都有不同的工程改造、保护设备 改造和换型。由于保护原理不同，继电保护定值就必须重新整定。 因此，迫切需要开发一套适合电厂的保护定值整定计算和设备管理系统，以实 现设釜保护定值的快速准确计算、加强保护定值和二次设备的管理，减少事放的发 生。本文介绍的发电厂继电保护定值计算和设备管理系统，j f 是基于此目的而丌发 的。 本文作者在详细研究了电力系统继电保护整定软件的发展和存在的问题以及 局限性的基础上，结合电厂继电保护定值整定的实际情况和特点，丌发了一套灵活 华北电力大学硕士学位论文 的发电厂继电保护定值计算和设备管理综合系统。它的特点如下： 1 ) 灵活性。分析了电厂+ 继电保护定值整定的特点，结合目前陔领域的发展趋势， 以保证定值计算的快速性、科学性，定值管理的安全性为目标，在此基础上实现r 系统定值计算的灵活性。 2 ) 整体性。在确定了目标和特点以后建立了系统的整体结构，构建了系统和各 个功能模块的数学模型。建立科学的数学模型是保证定值计算和系统功能完整性以 及计算数掘准确性的关键。 3 ) 可靠性。在建立科学的系统模型基础上，编制了实现模型的功能模块。在这 个过程中，主要的工作是程序的编写、原始数据的收集、整定规程的导入、系统结 构的搭建、界面的选择和调整等。在程序的运行平台上选用w i n d o w s 操作系统，选 择了面向对象的v i s u a lb a s i c 6 0 语言并结合s q ls e r v e r 数据库进行开发。程序经过反 复运行、调试，保证了运行的可靠性。 随着国民经济的快速稳定发展，对电力的需求变得越来越大，保证电网的欧期 安全稳定运行变得尤为重要，因此对继电保护提出了更高的要求。发电厂作为电网 单一个非常重要的环节，它的安全运行对电网的影响非常大。由于电网的进步扩 大，系统的运行方式每年都要发生很大的变化，因而由系统归算刽电厂的阻抗每年 也都要发生很大的变化，同时电厂本身系统结构的变化、设备的退出和投入运营、 保护装置的变更等都需要对设备的整定值进行比较大的调整，因此这套软件的研制 丌发具有非常重大的意义。 本课题研究的内容是整套系统的基础部分，所实现的功能及其意义主要体现在 以下方面： 1 ) 图形编辑模块是建立网络拓扑图的主要工具模块，用户可以通过系统提供 的图元仓库中的图元以及连线绘制出电厂系统的接线图，通过图形操作界面输入网 络参数，其网络拓扑结构由计算机通过节点连接情况自动完成。图形建模是可视化 编程的体现，也是实现可视化的故障计算和保护整定计算的基础。 2 ) 故障分析模块主要实现系统各节点发生各类故障时短路电流的计算。它的 实用性在于电f 一继电保护人员经常进行这种计算，以便进行保护整定和故障模拟。 本系统的故障计算部分采用对称分量法编制。经验证，计算结果准确可靠，能够满 足电厂一次系统计算的一般需要。 1 2 国内外研究现状 由1 i 改课题具有较高的实用价值，因而国内外对这方面的研究及丌发的专业人 士较多。这对继电保护领域微机化管理水平的提高、促进电力系统的安全生产起到 了积极的作用。由于各人的侧重点和研究对象的范围不同，总的看来可以归结为以 下几种类型： 2 华北电力大学硕十学位论文 1 2 1 继电保护整定专家管理系统 人工智能被誉为本世纪的三大科学技术之一，从6 0 年代中期丌始出现的专家 系统( e x p e r ts y s t e m 简称e s ) 即为人工智能的一个分支。在这些专家系统中主要应 用了智能代理者的概念，即将原来由人来做的事转交给人工智能代理者来完成。它 为继电保护整定计算和定值管理工作提供了现代化的智能工具，把整定计算人员从 复杂繁琐的日常工作中解放出来，从而提高了继电保护的运行管理水平，确保了保 护定值的准确性，对电力系统的安全稳定运行具有重要的现实意义。 122 单一的继电保护信息管理系统 1221 基于s 网c s 结构的继电保护信息管理系统 近年来，随着电网规模的扩大，发电厂及变电所数量和电压等级的不断提高， 继电保护已成为安全供电的重要环节。为提高电力系统的继电保护管理水平和工作 效率，及为管理工作向规范化、无纸化过渡提供技术手段，出现了利用m i s 网络研 制丌发的通用的电力系统继电保护信息管理系统软件，其特点是系统投资小，可扩 充性和适应性强，且运行安全可靠。 这种继电保护信息管理系统以网络技术为基础，强调以分布式进行信息处理的 客户机服务器体系结构，可以采用p o w e rb u i l d e r 作为数据库前端开发工具，采 用所见即所得的面向对象技术。生成的应用程序具有多平台支持，系统投资小、可 扩充性强、技术先进、运行安全可靠等特点。 1 2 22 分层次的继电保护动作及故障信息自动化管理系统 该系统作为一个实时监视系统，特别是e 1 前已开展的保护和故障录波联网具有 相当重要的实际意义。对快捷故障定位、系统故障录波分析、调度信息的传达及工 作计划的开展等多方面管理提供了现代化的科技手段，对电网的安全、稳定、经济 运行有着重要的意义。继电保护运行及故障信息系统结构包括五层：基础层、一站 管理层、通信层、调度层及专业管理层。 该系统必须考虑实时数据与图形数据的相关性、实时数据与设备数掘的相关 性、故障信息相关性、故障分析时刻相关性及故障录波信息与继电保护信息的相关 性等。 123 继电保护整定及综合信息管理系统 这干叶t 系统可以实现全网系统参数、继电保护配置、整定值和定值单的管理，并 可自动输出全网正、负、零序网络图，可以输出任意局部网络各保护的定值配置图， 可以编制全网等值阻抗表，并可方便制作全网保护整定方案。整套程序包括继电保 护系统库管理系统、短路电流计算软件、继电保护整定计算软件和继电保护定值单 华北电力大学硕士学位论文 管理软件等4 部分。系统采用模块化结构设计，程序由多个子模块构成，各子模块 之问相互独立、互不影响。 1 3 本论文的工作 本文针对实际应用中对继电保护整定软件的要求，遵循简单实用并兼顾通用性 和可扩充性的设计原则，采用v b 60 语言作为玎发工具并结合s q ls e r v e r 数据库 丌发了发电厂通用图形建模和故障分析系统，以此参与了整套发电厂继电保护整定 与设备管理软件的开发。在论文第二章中对程序的总体设计结构以及实现方法给出 了系统的介绍：第三章系统地阐述了图形组件层的设计以及主要功能的实现方法： 第四章结合电厂系统实际情况特点，介绍了软件故障分析部分的设计思想：第五章 总结性的沦述该系统的整体特点和将来需要改进的工作。 华北电力人学硕十学位论文 2 1 系统构成 第二章图形化整定软件的总体设计方案 系统采用规范的面向对象的编程方法，构建了4 个基本功能模块：图形建模模 块、故障分析计算模块、定值整定计算模块及设备管理信息模块。所有的原始数掘 和计算产生的数据都存放在数据库中，能可靠地保证数据的有效性和安全性。同时 软件整体功能都是建立在图形化的界面上，方便用户把故障分析计算、保护整定计 算与电厂一次系统接线图结合起来。其中定值整定计算模块是整个系统的核心，其 他模块都是为它服务的。系统的总体结构框图如图2 1 所示： 剀2 1 系统总体结构框图 一般的发电厂继电保护定值计算软件，保护的整定计算原则都写在程序里面， 用户不能对其进行修改，而且对于具体设备其保护的配置也是固定的，造成当用户 增删设备或更改保护配置、以及对保护整定计算原则进行更改的时候，不能灵活地 进行处理。而本软件是基于开放式的保护整定和设备管理系统，其目的是在发电厂 电力系统结构、系统运行方式、系统的设备参数或继电保护配置发生变化以后，软 件仍能方便使用。在这个模块化的系统中，所有功能模块的实现都是基于数据库的。 在数据库的结构设计上，采用面向对象的数据结构设计和多级数据表关联方式：在 数据的管理组织上，考虑该类数据的可重用性。 2 2 设计原则 考虑到目前国内发电厂保护配置复杂繁多的实际情况，为使系统具有良好的通用 性和可扩充性，软件在程序设计中特别强调了系统的模块化和可视化。通过提供功 能强大的图形化平台，使得系统故障计算和保护整定计算的过程及结果能够一目了 然，唰时简明清晰的图形界面化保护整定流程也便于电厂工作人员熟悉和掌握各种 华北电力大学硕士学位论文 保护的整定过程。 作为系统的重要核一1 5 ，定值整定计算部分严格遵循模块化的程序设计思想。在 整体结构上突出面向保护装置的特点，根据保护设备的生产厂家、产品型号等配以 相应不同的整定规则和定值计算程序模块。这样的结构特点使得本系统能够适应当 前继电保护向微机化、网络化方向的发展，且便于维护和扩充。 2 3 系统功能概述 231 图形建模模块 图形建模模块提供给用户简单实用的电力系统网络拓扑结构编辑、管理的工具和 方便快捷的图形操作手段，通过图形系统用户能够快速地完成电厂一次系统拓扑接 线图的绘制和修改，并实现人机交互的大部分操作。具体的编辑工具包括对图形的 复制、剪切、粘贴、删除、单个元件的移动及块移动等。所绘制的接线图可以记录 下包括起始坐标和终止坐标在r 4 的图元的各种属性并存放在数据库早，自动形成网 络内不同元件之间的拓扑关系。另外模块提供多种显示方式与显示工具，使用户可 以从图上非常直观地查看各种运行方式下元件的运行状态、元件参数和计算结果 等。图形绘制完毕后，可以将其保存为图形文件，下次使用时重新调出，还可以对 接线图及元件参数进行再次修改和补充。 系统提供了图形模块与其他三个模块交互的接i - i ，可以很方便地调用图形数据 以供故障计算及定值整定模块使用。 2 32 故障计算模块 故障计算模块提供了强大的故障计算功能，能计算出发电厂各个设备出口处发生 各种形式短路( 包括对称短路和不对称短路) 时所产生的短路电流及其向本系统内 其他支路分配的短路电流，并将各支路的故障电流分量以表格的形式显示出来。同 时，当系统运行方式发生变化以及设备检修或新添加设备造成网络拓扑结构发生变 更的时候，只需要在一次系统图上断开或合上相应的开关以及输入相应改变的设备 参数，重新计算以后，就可以自动获得在新的网络拓扑结构关系下某点发生短路后 短路电流在系统内的分布。该模块计算出的短路电流数值可以提供给定值整定计算 模块，用于保护定值整定计算和灵敏度校验。 由于考虑到电厂系统运行方式的变化会导致系统网络拓扑结构的变更，并最终 造成网络的节点导纳矩阵发生相应的变化，我们在计算处理上采用动态的节点导纳 矩阵，它的维数是可变化的。根据最后生成的节点导纳矩阵，就可以进行电路的相 关计算。在算法上采用的是三角分解法，利用因子表来求解方程组。 华北电力大学顶十学位论文 2 33 整定计算模块 定值整定计算模块是整套系统的核心部分，它实现了发电厂电力系统内包括发 电机、变压器、电动机等常用设备的保护定值的整定计算和管理。用户只需要添加 某类设备的某种保护并输入相应的计算参数，就可以计算出来。对于一般的常用保 护，计算定值的时候整定规则可以直接从已经定制好的整定计算数据库中提取，同 时由于继电保护整定计算原则的复杂性和多样性，我们构建了自定义保护模式，用 户可以通过增加新的保护整定规则以及对原来数据库里存放的整定规则的修改，来 实现保护整定计算的通用性和灵活性。 不同于以往同类软件，本系统的整定计算是直接面向具体的继电保护装置的， 根据保护装置的生产厂家、设备型号等信息分别建立相应的保护设备管理信息库。 在建立信息库时，与保护装置相对应的定值清单列表及整定规则原始信息已经确定 并写入库中，将来用户对某个保护装置整定值所作的修改，即是对该保护所对应的 信息库中的相关信息进行修改。修改后的定值单及整定规则经用户确认后，将自动 保存到相应的数据库中并覆盖掉原来的记录。 2 3 4 数据管理模块 该模块包括对发电厂二次设备的管理以及对继电保护整定定值单的管理，主要 提供保护装置信息的查询和录入及设备报表管理等功能，能自动建立保护设备信息 数据库。用户可以方便地对发电厂二次设备的铭牌参数、所属单元、投运同期等进 行查询、统计和修改；可以调用系统提供的定值单模板，在用户参与下自动生成保 护装置的整定定值单，并提供多种定值单查询手段。定值单内容包括被保护没备名 称、保护型号、生产厂家、整定时间、具体整定结果等，均由系统自动生成。所提 供的发电厂所有设备的参数为短路电流计算和保护整定计算服务，同时也可以方便 用户对本厂设备进行有效的管理。 2 4v b 面向对象程序设计 24 1 面向对象程序设计及其特点 面向对象程序设计( o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) 是软件系统设计与实现的新 方法，这种方法通过增加软件的可扩充性和可重用性，提高程序员的工作能力，并 控制软件的复杂性，减小软件运行的开销。 与传统的结构化程序设计方法相比，面向对象程序设计既吸收了前者的一切优 点，又考虑了现实世界与对象空间的映射关系。它将数据及对数据的操作放在一起， 作为一个相互依存、不可分割的整体来处理，并将对对象的操作抽象成一一种新的数 据类型一一类，考虑了不同对象之间的联系和对象类的重用性。 华北电力人学硕士学位论文 面向对象程序设计优于传统的结构化程序设计，其优越性表现在它有希望解决 软件工程中的两个主要问题一一软件复杂性的控制和软件生产率的提高，此外它还 符合人类的思维习惯，能够自然地表现现实世界的实体和问题，因此对软件丌发具 有重要的意义。 面向对象程序设计能支持的软件开发策略主要有代码重用、共享代码以及精化 已有代码等。有了高质量的可重用代码就能有效地降低软件的复杂度并提高软件丌 发效率。面向对象方法，尤其是它的继承性，是一种代码重用的有效途径。丌发者 在设计软件时可以利用一些已经设计好并经过测试的代码，将这些可重用的代码组 织和存放在程序设计环境的类库中。由于类库中这些类的存在，使以后的程序设计 过程变得简单，程序的复杂性不断降低、f 确性不断加强，越来越易于理解、修改 和补充。 面向对象程序的软件设计方法把认识和描述现实对象的过程和方法与分析、设 计和实现这个系统的过程和方法结合起来。由于面向对象系统结构与解题系统既有 相互独立性( 封装性) 又相互联系，因此可以保证软件系统能够不断扩展与维修。 面向对象程序具有以下优点： 1 ) 模块化：对象是一个功能和数据独立的单元，相互之间只能通过对象认可的 途径进行通讯，同时也可以较为自由地为各个不同的软件系统所重用； 2 ) 封装功能：为信息屏蔽提供具体的实现手段，用户不必清楚对象的内部细节， 只需调用相应的属性或方法就可以使用： 3 ) 代码共享：继承性提供了一种代码共享手段，可以避免重复的代码设计，使 得程序编制简洁有效； 4 ) 灵活性：对象的功能执行是在接受到消息时确定的，使得对象可以根据自身 的特点进行功能实现，提高了程序设计的灵活性； 5 1 易维护性：对象实现了抽象和封装，使其中可能出现的错误限制在程序段自 身，不会向外传播，易于检测和修改； 6 1 增量型设计：面向对象系统可以通过继承机制不断扩充功能，而不会影响原 有程序的运行。 2 42v b 面向对象编程 本系统采用v i s u a lb a s i c6 0 作为开发工具，v b 即是一种可视化的、面向对象 并采用事件驱动方式的结构化程序语言。在v b 环境下，利用事件驱动的编程机制， 使用w i n d o w s 内部的应用程序接1 ：3 ( a p i ) 函数、动态链接库( d l l ) 、丌放式数据 访j 刊( o d b c ) 等技术，可以高效、快速地- y l ：发出w i n d o w s 环境下功能强大、图形 界面丰富的应用软件系统。 华北电力大学硕七学位论文 25 系统数据访问设计 251s q ls er v er 2 0 0 0 数据库概述 m i c r o s o f ts q l s e r v e r 是一种基于客户机j 9 f f 务器的关系型数据库管理系统。s q l ( s t r u c t u r e dq u e r yl a n g u a g e ) 即结构化查询语言，符合美国国家标准协会( a n s i ) 和国际标准化组织( i s o ) 制定的标准，用来定义、修改和管理数据，并用表格、 索引、关键字、存储数据的行和列来控制数据库。s q ls e r v e r 使用t r a n s a c t s q 。语 句在客户机和服务器之间传送请求和应答。 s q ls e r v e r 使用客户机服务器结构把工作负荷分解成分别在服务器上和客户 机上执行的任务。客户机应用程序可以运行在一个或多个客户机上，也可以运行在 服务器上，负责向用户提供数据。服务器则负责管理和分配服务器资源。 252 用v b 访问s q ls er v e r 数据库 v i s u a lb a s i c6 0 提供了两种方式在应用程序中建立与数据源的连接：数据绑定 控件和数据存取a p i ( 应用程序编程接口) 。将数据绑定到控件允许v b 控件和数据 源直接交互，可以以最少的编程快速地开发和应用数据存取程序。 尽管数据绑定控件有助于应用程序的快速开发，但对于开发更为复杂的应用程 序则通常小够。在v b 6 0 中可用的数据访问接口有三种：数据访问对象( d a o ) 、 远程数据对象( r d o ) 和a x t i v e x 数据对象( a d o ) 。本系统采用a d o 技术作为数 据访问接口，与底层的s q ls e r v e r 数据库建立联系。a d o 是最新的对象层次上的 数据操作技术，为操作o l e d b 数据源提供了一套高层次自动化接口。a d o 具有以 下优越性： 1 ) 支持任何o l ed b 服务器，可以操作任何o l ed b 数据源； 2 ) 支持成批更新，即对多个记录更新进行缓冲然后同时提交； 3 ) 支持所有类型的游标，包括静态游标、动态游标、只进游标和键集驱动游标； 4 ) 支持服务器端存储过程： 5 ) 支持返回多个记录集的查询。 2 53 本系统数据库简介 本系统数据库文件主要由以下两部分组成： 1 ) 图形元件信息及各参数信息数据库 该数据库中存储系统图各元件在图中的位置信息、各元件原始参数及标幺参数 信息，另外还负责存储故障计算的中间结果，为故障分析计算及保护定值整定计算 提供底层数据平台。 2 ) 继电保护装置数据库和定值数据库 华北电力大学硕十学位论文 保护装置数据库和定值数据库记录了软件的最终计算结果，此数据库同电网故 障分析和整定计算成为一个整体，整定的定值直接进入数据库。库中列有继电保护 装置的保护类型、保护定值等参数，整定计算完毕后，还可以生成保护定值单以供 用户使用。 1 0 华北电力入学硕十学位论文 第三章图形建模功能实现 3 1 图形模块的总体结构设计 软件程宇整体是在v b 6 0 的集成环境下采用面向对象的编程方法丌发的。为实 现图形模块的通用性，大部分图形程序被封装在一个a c t i v e x 组件中，与其他代码 进行脱离，这样通过对外接口与主程序交换信息，从而完成全部图形功能。a c t i v e x d i i 就是被编译为动态链接库而不是可执行文件的a c t i v e x 控件，d i i 控件的功能只 可以通过一个包含在d l l 中的类所创建的对象访问。整个程序由三部分组成，分别 是主应用程序层、a c t i v e x 图形控件层和最底层的数据库系统，其基本框架结构如 下图所示： 主应用程序 i a c t i v e x 图形控件 图形交据库 图3 1 图形模块基本结构 下面对这几部分分别作以介绍。 3 11 主应用程序层设计 主应用程序是整个软件的外观界面，包括菜单、工具条以及绘图区域，另外还 包括图形系统的工具窗口、页面设置和页面预览等窗口。主应用程序的作用是拦截 用户操作中的各种事件和参数，在主程序的事件处理函数中调用图形组件相应的接 口属性或方法，完成指定的图形功能。整个界面如图3 2 所示： 华北电力大学硕士学位论文 图3 2 软件主程序界面 在主窗体中采用一个p i c t u r e b o x 控件作为绘图区域。坐标系统的原点在绘图 区域的左上角，向右延伸定为x 轴正方向，向下延伸定为y 轴正方向，坐标的单位 是像素。将p i c t u r e b o x 控件赋给图形控件的图形区域属性，图形控件就可以在这 个绘图区域上根据用户的鼠标操作绘制图形了。p i c t u r e b o x 控件能够响应用户鼠标 的m o u s e d o w n 、m o u s e m o v e 、m o u s e u p 、单击、双击以及其他的如键盘事件等，控件 接收到这些事件后，调用图形控件相应的事件处理接口如m o u s e d o w n 、m o u s e m o v e 、 o u s e u p 等完成对鼠标或键盘事件的相应。 3 1 2 图形控件层设计 图形控件是具体完成绘图功能的组件。作为一个a c t i v e x 控件，它封装了其中 的全部代码，与外界程序脱离，主要通过接口属性和方法与主应用程序进行交互， 完成绘图功能。 图形控件的内部分为三个层次，最上层是对外接口层，也是整个组件的控制层， 由一个类模块构成。中间层是元件的集合层，是由各个元件集合的类模块构成的。 最底层是由各个元件的类模块构成的，其中存放了各类元件的基本数据。控件结构 可以表示如下： 华北l 乜力人学硕十学能论文 图3 3 图形控件的内部结构 3 1 2 1 顶层控制模块的设计 顶层模块以属性和方法的形式对外提供了丰富的图形接口功能，通过对鼠标事 件处理的三个接口函数和内部设置的标志变量，图形控件就能够识别出用户的操作 意图。判断出用户的操作目的后，程序内部调用相应的处理函数对元件进行相应的 操作，主要的操作有元件的添加、删除、编辑、选择以及移动、复制、粘贴、剪切、 旋转和拉伸等。在这些函数中主要调用了各个元件集合对象中相应的接口函数，这 样，就可以避免在顶层类模块中编写大量的处理程序，而是将这些程序分解到元件 的集合层中进行处理，这样就更加突出了最顶层类模块的控制作用，使程序的结构 更加清晰。 此外，该类模块还提供了大量的属性，主要有当前被选择元件的类型属性，以 及被选择元件的i d 号。当用户在绘图区域中选中一个元件后，图形控件会自动给 这两个属性赋值，于是主程序就可以通过检索这两个属性而获知当前对元件的选择 情况。顶层模块主要的对外接口函数和属性如表31 、3 2 所示： 华北电力人学硕士学位论文 表3 1 顶层模块的主要接u 函数 函数名称 作用 d o u b l e c l i c k处理在绘图区域内的鼠标双击事件 m o u s e d o w n 处理在绘图区域内的鼠标按下事件 m o h s e m o v e处理在绘图区域内的鼠标移动事件 m o u s e u l 3处理在绘图区域内的鼠标松开事件 r e p a i n t 进行图形的刷新 m o v e w i t h k e y b o a r d 女h 弹用钵精移动当前焦点元件的事件 t u r n d i r e c t i o n使隹占元件改变方向 c o p y l t 复制当前焦点元件 p a s t e l t 粘 当前住占亓_ 件 d e l e t e删除当前焦点元件 z o o m i n图形放大 z o o m o u t 图形缩小 s a v e d a t a 将图形数据保存到数据库中 l o a d d a t a 将数据库中的数据加载显示 表3 2 顶层模块的主要属性 属性名称 作用 f o c u s o b j e c t 表示当前被选中的元件类型 f o c u s i d表示具有焦点的元件在相应集合中的i d 号 d r a w a r e a绘图区域对象属性 c u r r e n t s t a t e表示当前图形状态，0 一浏览，卜绘图 s e l e c t s t a t e表示当前为单一选择还是多重选择 表示当前的视图模式，o 一主接线视图 v i e w m o d e 卜正序网图 2 一零序网图 n e w c o m c l a s s表示用户当前要绘制的元件 31 2 2 元件集合层的设计 每类元件对应着一个相应的集合类模块，集合类的主要作用是根据顶层控制 模块的要求完成相应的具体处理。控制模块对集合类对象的操作也同样是通过接口 方法和属性进行调用。集合类的另外一个主要作用是对图形中同类元件进行有效的 管理。集合层的主要接口方法和属性如表3 3 、3 4 所示： 1 4 华北电力大学硕士学位论文 表33 元件集合层的主要接口函数 函数名称作用 s e l e c t o n e c o m p o n e n t选择一个元件 a d d 在当前的集合中增加一个元件 c o p y i n t o 每制集合中的隹占亓件 p a s t e i n t o 粘贴集合中的焦点元件 d e l e t e删除当前集合中具有隹点的元件 b l o c k s e l e c t 根据用户划定的选择区域，完成对集合中元件的 块选择 c h e c k a l l c o m p o n e n t 选择该类中的全部元件 e d i t p a r a m e t e r 对当前佳占元件的参斯讲行编撮 c r e a t e x u n e t v j e w 画出元件的序网图 表34 元件集合层的主要属性 属性名称作用 f o c u s i d 嘉示隹占元件存集合中的i d 号 n e e d s a v e 表示当前操作是否需要保存 s e l e c t e d c o u n t 表示集合中被选中的元件个数 3123 元件层的设计 在程序设计中，每一种元件对应着一个相应的元件类，元件类中包含了每一个 元件具体的数据参数，是一个数据载体。例如断路器类，其中有这个断路器的图形 坐标，丌关状态，元件长度，元件名称等数据信息，这些基本的数据信息也是进行 图形分析的基本依据，是整个图形系统中最重要的数据信息，是实现图形和元件数 据相结合的一个数据包。属于元件类的接口方法和属性可以列表如下： 表3 5 元件类的主要接口函数 函数名称作用 n e v e o n e d e f a u l t 在新增加一个元件时，生成默认的元件属性 t u m d i r e c t 修改元件的坐标位置，使图形旋转 s h o w i t 绘制元件对象的一次接线图形状 c h a n g e p o i n t e r 在元件拉伸时改变鼠标的形状 b i o c k s e l e c t 其入口参数是用户画出的一个选择矩形，功能是判 断元件是否在用户的选择范围内 华北电力大学硕士学位论文 续表 函数名称作用 c h a n g e p l a c e入1 7 1 参数是元件的位移距离，功能是变换元件的位 置坐标，使元件移动到一个新的位置上 s e l e c t e d o r n o t入口参数是鼠标的点击区域，功能是检测鼠标是否 选中了元件对象 表3 5 元件类的主要属性 属性名称作用 i d元件唯一的i d 号 x 1 ，y 1 x 2 ，y 2元件的坐标 e r e c t元件的方向 v o l d e g r e e 元件的电压等级 e d i t a l r e a d y表示元件是否已经被编辑 f o c u s元件焦点标志，0 当前没有焦点，l 一当前有焦点 n a m e元件名称 l e n g t h元件的长度 o n o r o f f表示元件的丌关状态 3 13 底层数据库设计 程序的底层数据库采用m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 分布式数据库系统构建。在 s q ls e r v e r 中，数据库由包含数据的表集合和其他对象( 如视图、索引等) 组成， 表格之恻可以设置各种数据的关联关系，用户绘制的每一个图形就存储在这样的一 个数据库中。在本软件使用的数据库中，系统为每一类元件分别建立了不同的表格， 用以分类保存各类元件的数据。数据表格的设计可以表示如下： r 一一。一一一一一一一一一一一一一一一一一一。一。一一一一一一一一一一一。一一一一一一一i 图3 4 系统数据库表格设计 1 6 华北电力火学硕十学位论文 如上图所示，整个虚线框代表一个数据库，其中的表格分为两大类，一类是一 次设备索引表格，另一类是图形元件的表格。在这个图形系统中要求各个元件的名 称不能重复，所以在一次设备索引表格和各个元件表格之间通过元件名称字段建立 了一一对应的关系。这样在程序控制重复名称产生的同时，另一方面在数据库的存 储机制上也限制了元件名称的重复。每当新增加一个元件或对元件的名称进行更改 时，系统首先在次设备索引表格中检查是否有重名，如果有重名则要求用户重新 输入，如果没有重名则在一次设备索引表格中写入这个新元件的名称，然后再将元 件的其他参数写到相应的数据表格中。另外我们在表格关系中设置了级联更新相关 字段和级联删除相关记录的属性，这样就给元件名称的更改和元件的删除带来了好 处。级联删除的意思是当主表格中的一条记录被删除后，与其相关联的子表格中的 相应记录也将被数据库系统自动删除。这样在软件系统中，只要将用户指定的元件 名称在一次设备索引表格中删除，系统就会自动删除相应元件表格中的相关记录。 与此类似，级联更新相关字段属性的意思是当主表格中的关键字段的值被修改后， 与之关联的子表格中相应记录的关联字段值也将随之改变。这样设罱了这两个属性 之后，数据一致性的操作便由数据库系统承担了。 另外我们在软件系统中还设计了一个系统数据库，主要作用是保存用户设冒的 各种参数，例如打+ 印输出时纸张类型的设置，各种电压等级和相应颜色的对照设置， 标准电压等级和相应平均电压的设置，各种系统参数的设置，以及用户的管理权限 信息等都保存在这个数据库中，当程序启动时就通过这个数据库相关表格中的信息 对整个软件的各种设置进行初始化操作。 在图形控件的结构设计中，通过由高到低功能划分明确的三个层次，以及坚固 的底层数据库，就建立了一个完整的图形元件管理体系，使得程序的稳定性和可靠 性得到了保证。 3 2 软件文件系统的设计 在图形软件运行过程中，随时需要加载图形文件以及生成新的图形文件，还需 要从系统数据库中读取相关的系统参数。为了有效地管理这些文件，根据s q ls e r v e r 分布式数据库的特点，设计了如下图所示的目录结构来保存系统运行中需要用到的 各种文件： 华北电力大学硕士学位论文 图3 4 软件文件系统框架图 整个软件的文件系统框架如上图所示。考虑到软件采用的s q ls e r v e r2 0 0 0 数 据库系统属于大型分布式数据库，有别于小型的文件式数据库系统，一般的直接操 作数据库文件的方式难以实现，在这里我们采用对数据库备份和还原的技术丌发了 软件的文件系统。 为方便程序安装和系统安全考虑，在系统盘( 默认为c 盘) 的应用程序文件央 下新建了一个系统数据库目录，在该目录下存放了两个数据库备份文件。其中一个 文件名称是s y s d a t a b a s e ，即前面提到的系统数据库的备份文件，在图形程序中对系 统参数进行显示和修改的操作，实际上就是对系统数据库文件中相应表格的读写过 程；另一个文件名称是i n i t d a t a b a s e ，即保护装置初始数据库，它包含了所有的元件 参数表和计算参数表，是生成新的图形数据库的文件模板。另外在软件根目录下设 有一个用户数据子目录，在其中保存了用户生成的新文件。当用户在主应用程序的 界面中调用“新建”功能时，系统要求用户输入一个新图形文件的名称，然后程序 就将系统数据库目录下的i n i t d a t a b a s e 文件复制到用户数据子目录下，并将文件名 称更改为用户指定的名称，这个文件只包含数据库的结构而不包含任何数据。之后 丰程序利用这个用户新创建的数据库备份文件对本机上的s q ls e r v e r 数据库进行 还原，这样就为图形程序的运行提供了相应的底层数据库平台。当用户绘制了一个 接线图后对图形进行保存时，程序将图形数据分类保存到数据库的各个表格中，然 后再将这个含有图形数据的数据库按原来的用户文件路径进行备份，覆盖掉原有的 文件，这样一个最终的用户文件就生成了。此时如果用户没有终止程序还可以继续 绘制图形并保存，每次保存都重复上述的过程。文件的“打开”过程与“新建”类 似，不同之处在于打开一个已保存过的文件时，程序无需处理系统数据库目录下的 初始文件，只需将用户文件中的数据还原到本机数据库中即可。 ir 华北电力大学硕士学位论文 3 3 图形程序主要功能的实现方法 33 1 关于数据加载和保存的实现方法 当用户选择了一一个已存在的图形文件后，程序利用该文件还原本机数据库，在 程序内部对还原后的图形数据库中各图形元素数据表格进行搜索。如果发现其中有 非空的数据表格则生成相应的集合对象变量，调用集合对象的l o a d d a t a 方法将表格 中的每一条数据记录转换成图形对象。由于在记录中有元件的坐标、电压等级等数 据，所以元件就可以根掘这些属性调用自身的绘制方法完成自身的绘制。元件集合 类中的元件加载流程图如下所示： 图35 元件加载流程图 华北电力大学硕士学位论文 在对图形进行保存时，程序i n n 各个图元集合对象的s a v e d a t a 方法将集合中的 元件数据保存到对应的数据表格中。在保存数据的过程中对集合罩的每一个元素首 先根据标志变量判断在数据表格中是否已经存在该元件的对应记录，如果已经存在 则调用a d o 的e d i t 方法对原数据记录进行修改，如果表格中没有与此元件相对应 的记录则调用a d o 的a d d n e w 方法增加一条新的记录。元件保存的流程图如下所 不： 图3 6 元件保存流程图 2 0 由 华北电力人学硕十学位论文 33 2 关于元件添加和删除的实现方法 用户在工具条中选取了某种图形元件，在图形区域中单击鼠标左键后，就完成 了图形元件的添加。在程序中，当用户在工具条中选取了某种图形元件后，就将该 元件的数字代号赋给图形控件的n e w c o m c l a s s 属性值。当单击鼠标时，在图形控件 的m o u s e d o w n 接口方法的处理程序中，则根据n e w c o m c l a s s 的值利用分支语句判 断出要增加的元件类型，调用相应元件类型集合对象的a d d n e w 方法，完成元件的 添加。在集合对象的a d d n e w 方法处理中，程序先生成一个元件对象，再将元件放 置的坐标和元件的初始放置方向保存到元件对象中，这样就完成了一个元件的添 加。 当删除一个元件时，用户首先应该选中一个元件，然后按删除按钮或键盘的 d e l e t e 键，就可以将元件删除。在程序中，当删除事件被触发后，就调用图形控件 的d e l e t e 接口方法。在d e l e t e 接口方法中程序调用各个元件集合对象的d e l e t e 方法 搜索集合内部被选中的元件，只要是元件的f o c u s 属性置为l 则表示此元件被选中， 然后程序利用集合类内部的d e l e t e 方法删除选中的元件，同时如果此元件在数据库 表格中有相应的数据记录则利用a d o 的命令将其删除。 3 3 3 关干元件复制和粘贴的实现方法 复制和粘贴的功能，可以使用户很容易的绘制若干个相似的元件。在元件复制 时元件的形状、位置和相应的参数被一同复制，这样就给绘制若干个相似元件的情 况提供了便利。在程序中为每一种元件设置了一个变量，用于装载被复制元件的副 本，变量类型是相应的集合类型。例如对于断路器类，程序设置了一个名为 mb r e a k e r c o p y 的变量，它的类型是相应的断路器集合类型。为了在复制元件位置 参数和形状时，连同元件的电气参数一同复制，在图形的数据库中为每一类元件建 立了一个装载元件参数副本的数据表格，其结构和相应元件的数据表格相同。 用户在所绘制的图形中选取了若干个图形元件后，系统调用当前图形中包含的 各个图形元件的集合类，搜索被选中的元件，并且找到所有被选中元件所构成区域 的左上角坐标( x ，y ) 。在各个集合对象对其所包含的元件进行搜索时，如果发现 有被选中的元件则以元件对象为参数调用集合对象的c o p y i n t o 接口方法，将这个对 象添加到元件副本集合中，同时这个函数还根据被复制元件的i d ，在数据库中找到 相应的元件参数记录，将该记录复, n n 元件参数副本的表格中，并且将此记录和元 件副本对象通过设置一个新的i d 相关联，这样就完成了复制的全过程。在这个过 程中，元件副本集合变量和相应的副本元件数据表格充当了剪贴板的作用。元件复 制的程序流程图如下所示： 华北电力人学硕士学位论文 图3 7 元件复制流程图 当用户使用粘贴功能时，所复制的元件默认被粘贴到图形区域的左上角位置，用户 可以将其移动到适当的位置。粘贴的实现过程与复制类似，只是方向相反，数据是从元 件的副本集合流动到元件的集合中，其过程是调用各种元件的剪贴板对象，对所包含的 元件对象遍历一次，对遍历到的每一个元件，以这个元件对象为参数，调用集合对象的 p a s t e i n t o 接口，将元件剪贴板中的图元对象加入到集合变量中。如果元件有参数则将元 件副本表格中的数据复制到元件的数据表格中，并且建立元件和对应的数据记录之间的 唯一对应关系。元件粘贴程序流程图如下图所示： 华北电力大学硕士学位论文 图3 7 元件粘贴流程图 华北电力火学硕十学位论文 3 3 4 关于一次主接线图和各序网图的显示 在图形控件的图形属性中设有一个v i e w m o d e 属性，当被设置成不同的指定值 时会显示不同的图形模式，其中0 表示主接线图视图，1 表示正序图，2 表示零序 图。而在程序内部实现时只要由元件集合层根据v i e w m o d e 的值调用元件层中不同 的元件对象的显示接口即可。例如当v i e w m o d e = 0 时调用图元对象的s h o w l t 方法， 此时显示的是主接线图；当v i e w m o d e = 1 时调用图元对象的s h o w p o s i v i e w 方法， 显示f 序网图：当v i e w m o d e = 2 时则调用图元对象的s h o w z e r o v i e w 方法，显示零 序网图。所以通过对图形对象设置不同的图形显示接口，就可以实现不同的显示模 式。 在图形元件的各个图形方式显示的实现中，主要调用了大量关于p i c t u r e b o x 控 件的图形接口方法来实现图形的具体绘制，如l i n e 方法用于绘制各种线条和矩形； c i r c l e 方法用于绘制一个指定原点和半径的圆；s e t p i x e l s 用于在指定的位置显示一 个像素等。在图形的绘制接口中有一个v o l c o l 函数，其入口参数是该元件的电压等 级，返回值是一个长整型的颜色值，功能是根据元件的电压等级从数据库中获得一 个颜色值，这样在对元件进行绘制