（电力系统及其自动化专业论文）基于可复用软件体系结构的电力系统静态安全分析.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 基于可复用软件体系 结构的电力系统静态安全分析 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位 期间，在导师指导下进行的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任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名盟日期：趔q 垒：星：2 星 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：学校可允许学位论又被 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：必导师签名： 日期：邀q 垒：丝：星多 日期：呈! ! 生：1 2 ：兰窭 1 1 研究的背景和意义 第一章引言 1 1 1 静态安全分析等电力系统应用软件的现状 随着我国电网调度自动化水平的不断提高，在s c a d a 平台的基础上，电力系 统的各种应用软件不断得到充分应用，从而使电网调度更加方便，更加科学、快捷。 而应用软件的不断增加，形成一个很庞大、复杂且不断更新扩展的软件系统。 目前电力系统使用的是传统c s 结构的应用软件，这些应用软件随着系统的不 断增大，突显了许多不足。首先，简单的两层结构及非模块化的设计，缺乏灵活性， 开发完成后，整个系统安装繁杂，且日常维护、扩充和升级都不方便。其次，构架 缺乏丌放性，软件对应用环境的适应性差，很难实现增量开发，很难满足分布式网 络应用的需求，很难实现不同语言编写的软件之间的信息交互。最后，还存在开发 周期长，缺乏复用性和通用眭等的问题。 静态安全分析软件是众多电力系统高级应用软件中的一一个，它是目前电力凋度 中心中重要的辅助软件，有了它，调度员可以轻松了解当前运行方式的安全状况以 技遇到故障该如何处理，运行方式专责工程师就能方便的编出科学的电力系统运行 方式；此外，它还可用于电网规划。静态安全分析软件的功能就是假设电力系统从 事故酶的静态直接转移到事故居的另一个静念，不考虑中间的暂态过程，用于检验 事故后各种约束条件是否得到满足。在传统的c s 结构的应用软件组合体中，静态 安全分析软件不但要有进行故障定义、故障筛选等自身独有的程序，而且跟最优潮 流、稳定分析等的应用软件一样，包括有结线分析程序、潮流计算程序、自己的界 面程序。这样开发整个软件系统时就不得不进行许多重复开发，延长了开发周期； 而运行操作时，界面的频繁切换，本身不利于调度工作；且系统庞大，程序利用率 低，维护比较困难。 因此，针对整个电力系统的应用软件系统的特点，如何运用新的软件技术，克 服过去软件开发中出现的开发周期长、重复开发等的不足，同时使软件系统具有通 用胜、可扩展性等的优点，这是目前电力系统应用软件需要解决的问题。 基于可复用软件体系结构的组件增量式_ ) 1 ：发方法能很好地解决上述问题。其基 本方法就是先进行电力系统应用软件的领域分析，提取领域复用组件和领域体系结 构并用精确的体系结构语言揣述；然后进行井h 关组件开发。 1 1 2 领域分析及领域体系结构 领域是由具有相同需求的一组或一族相关系统，领域分析就是对领域进行系统 分析，从而发现该领域的共同知识、需求及其应用系统的共同特征，它是识别、收 集、组织和描述领域信息的过程，这个过程是以现存系统及其丌发资料、该领域专 家的知识和经验以及该领域的理论和应用技术为基础的。领域分析的目的就是通过 识别领域的通用特征和可变特征，抽取出通用的领域体系结构。电力系统应用软件 系统的领域分析，首先充分了解电力系统的各种需求及e m s 或d m s 等系统软件中 各个应用软件的功能、实现方法等，确定哪些功能是被领域中的系统广泛共享的， 清楚不同应用软件之间的共同点和差异处，把各种高级应用软件的通用部分分离出 束，形成独立的复用组件，之后再逐步把各高级应用软件的特殊部分丌发成独立的 组件，并依据数据同源、模块共用、结果一致等原则抽象出合适的体系结构。 特定领域软件体系结构( d o m a i n s p e c i a ls o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，简写为d s s a ) 是体现了领域中各系统的结构共性的软件体系结构，它描述了在领域模型中表示的 需求的解决方案，通用于领域中各系统。d s s a 包含组件( c o m p o n e n t ) 以及组件互连 的规则，当丌发本领域的一个新系统时，若满足当前系统需求特点，可以使用这些 组件、并按照对应的互连规则来组织组件，这体现了d s s a 可复用性。在已生产了 许多系统或更新较为频繁的领域中，建立基于共同功能的软件体系结构将由于促进 软件复用而得到显著的回报。 一个良好的领域体系结构结合组件技术不但有效控制软件系统的复杂度，而且 可以实现组件的领域复用。电力系统应用软件系统是一个巨大的复杂的系统，且成 自上千的供电企业需要安装这样的系统，囚此，一个可复用的软件体系结构是电力 系统应用软件迫切需要的。 1 1 3 组件技术与面向领域的复用 软件复用是在软件开发中避免重复劳动的解决方案。它通常可分为产品复用和 过程复用两条途径，基于组件的复用是产品复用的主要形式，也是当前复用研究的 焦点。应用系统中通常包含三类组件：通用基本组件( 特定于计算机系统的构成成 分，如基本的数据结构、用户界面元素等，它们可以存在于各种应用系统中) ；领 域共性组件( 应用系统所属领域的共性构成成分，它们存在于该领域的各个应用系 统中) ；应用专用组件( 是每个应用系统的特有构成成分) 。面向领域复用的目标是 在一个特定应用领域中实现复用，在这里主要探讨电力系统中领域共性组件的复 嗣。 组件技术是面向对象技术的发展，是支持软件复用的核心技术。组件是接口与 实现分离的输出为二进制代码的软件模块，在应用系统中可以明确辨识的组成部 分。复仃组件足指具有相对独立功能和复用价值的组件( 这罩“复用”的含义：旧的 软件系统q ，的组件能兼容新的组件：在某一平台上运行的组件，不用经过修改或只 牛北电力大学硕上学c 立论史 经过简单的修改就能运行在另外一个新的平台) 。组件软件模型是软件组件化的关 键，详细描述了如何开发可重用的软组件及这些组件间如何交互。当今流行的分布 式组件对象模型标准主要有三种：其一为由o m g ( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ) 组织推 出的c o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e )共对象请求代理结构： 其二为s u n 公司推出的j a v a b e a n s 标准；其三是微软推出的 c o m d c o m ( c o m p o n e n t0 b j e e tm o d e l d i s t r i b u t e dc o m p o n e n t0 b j e e tm o d e l ) 组件对 象模型。组件具有很好的独立性、封装性和复用性；适应分布式网络环境，如电力 系统。 1 1 4 领域体系结构的描述 描述软件体系结构的方法很多，有非形式化的矩形框图法，有形式化的u m l 语言、x m l 语言和p e t r i 网语言等。体系结构描述语言a d l ( a r c h i t e c t u r e d e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 是软件体系结构描述的工具，是验证、演化、分析体系结构的载体，应该 具有六大特性，即组合能力、抽象能力、重用性能力、配置能力、处理异质的能力 和支持分析的能力i i l op e t r i 网是一种描述离散事件系统的图形与数学工具，能方便 描述并发、异步、并行等行为，但它不能进行面向对象建模。本文把p e t r i 网原理和 面向对象技术结合起来，定义一种分层递归的对象p e t r i 网，对一个层次型的电力系 统软件体系结构进行描述。 1 2 本文的主要工作 i ) 完成对本课题要使用的可复用体系结构优越性的分析。 一个领域体系结构的优越性主要表现在较好的集成性、复用性和开放性，能有 效控制系统的复杂度，能满足系统应用和发展的需要。从这几方面分析本体系结构 的优越性。 2 ) 定义一种对象p e t r i 网，用于描述可复用体系结构和静态安全分析等功能组 件。 p e t r i 网是既有图形化表示又有严格数学语言表达的建模工具，且描述离散性、 并发性、分布式系统很方便，结合面向对象技术，定义一种分层递归的对象p e t r i 网，能更好描述软件模块的信息流程。 3 ) 探讨了考虑多重故障和继发性故障定义方法；给出合理进行故障分组的方 法：给出满足一定实时性的考虑故障概率的故障选择、排序的方法。 预想事故分析中，单重故障是必须考虑，按传统的方法，预想多重故障的计算 量非常大。为减少计算量，提高计算速度，引入“故障集合”、“故障组”等概念， 并在考虑多重敞障和继发性故障的前提下，结合数据和操作统一封装的对象技术定 义预想故障，合理的故障分组、良好的行为指标结合一些快速计算技巧，进行快速 ，1 # 北电力人学硕士学位论文 故障选择、排序。 4 )提出了基于间隔知识的面向对象结线分析方法 传统的结线分析方法是利用堆栈技术进行搜索，带有一定的盲目性。结合面向 对象技术，把有关知识规则封装到对象中，有利于提高结线分析的速度。 电网的结线分析分为网络结线分析和厂站结线分析。厂站接线的变化有一定的 规律，且变化的状态不多，而具体间隔的接线变化更少，更有规律，在可视化界面 加入“间隔”图元对象，并定义间隔类进行描述，使结线分析更方便。 5 ) 开发出静态安全分析的组件模块。 华北电，j 人学颂i ：学位论文 2 1 概述 第二章电力系统软件体系结构 为什么要关注电力系统软件体系结构? 一方面由于需求的变化，过去一般使用 电力软件来进行计算，完成某个单一的任务，现在要求许多单一功能软件运行在一 个某一平台甚至跨平台运行，完成很多的任务；另一方面，由于软件环境的变化， 过去的软件一般使单任务、单线程且是文字界面的，而现在一般是多任务、多线程 且是图形界面的过去是单一语言编写且单机运行，现在是要求可以不同语言编写 且运行在分布式的网络中。关注电力系统软件体系结构的目的就是希望通过体系结 构设计能有效控制电力软件的复杂度，使电力软件满足分布式网络运行环境；良好 的体系结构设计结合组件技术，开发出开发周期短，复杂度低，复用度高，开放性 好，集成度高的电力应用软件：所开发的应用软件安装、维护和升级方便，系统稳 定，界面友好，操作简单等。 文献 2 1 总结了现有电力系统应用软件的各种体系结构风格，认为管道一过滤器 体系结构的优点是模块间祸合度低，模块复用度高，缺点是它仅适用于较少的模块 通过基本串行的结构形成的简单系统；之后作者提出一种管道一转接器一过滤器体 系结构，其中的转接器有类似框架的功能，并认为这种体系结构没有事件的概念， 回避了由于事件隐式调用而带来的诸如组件注册、事件发送、组件位置动态确定和 参数从事件中传递等系统开销和实现难题。 2 ，2 电力系统领域体系结构的发展 电力系统软件体系结构是一个特定领域软件体系结构，它是随着软件技术的发 展的而变化的。 在没有应用面向对象技术之前，有以数据为中心和以执行为中心的体系结构。 在以数据为中心的体系结构模型中( 图2 - 1 ) ，数据集合被置于整个软件系统的核心 位置，并以统一的数据描述形式提供给各个功能部件共享。各个功能部件的开发过 程完全独立，部件之间存在一致的数据交换的接口。这种结构模型的优点是整体扩 充性好，可灵活添加符合数据交换标准的应用程序或系统程序，能够提供数据的复 用。技术上的不足是系统结构中功能上的联系比较松散，无法实现功能复用，容易 造成代码兀余。另外数据接口标准难于符合所有的应用需求，这使系统带有局限性。 从系统的丌放性来晚，这种结构模型只具有数据的开放性，不具有功能的开放性。 圈2 - 2 足以功能执行为巾心的应用体系结构的模型，它使用个统一的执行中心的 形式水实现各类应用或系统部件的数据和界面的共享。其最大的特点是实现了两个 s 年北电力入学硕j ：学也论史 分离：一是共有的计算和执行功能( 如：对数据库的存取操作和其它系统的接v i 等) 和应用程序的分离；另一个是用户与系统的界面交互功能和应用程序的分离。这两 个分离优化了代码执行效率，避免了代码冗余，便于实现风格致的用户界面系统 与数据库的交换功能集中到执行中一t l , 统一实现，有利于数据的管理与维护，保证了 数据的一致性。这类模型既可实现数据的开放性，又具备了功能的开放性，系统的 扩充性也较好。但这种结构模型的不足之处在于：一个能够符合各种应用需求的 执行中心( 即组公共的功能集合) ，在实际中是难以确切定义的。另外系统的功能 和执行效率过分依赖于执行中心，而执行中心既要与用户界面和所有应用程序通信 又要管理和维护数据库，其功能结构的设计比较复杂，容易造成系统运行的不稳定， 从而降低效率。 图2 。l 以数据为中心的模型图2 - 2 以执行为中心的模型 2 0 世纪9 0 年代以来，随着面向对象技术的发展提出了面向对象的应用体系结 构模型，如图2 3 ，这类模型主要由系统内核对象、界面对象、应用对象按照约定 的通信协议，通过相互之间传递的消息协同配合实现所要求的功能。系统内核中的 对象封装了能为界面对象和所有应用对象所共享的数据和相应的操作，界面对象中 封装了与用户交互界面有关的数据及操作，应用对象中封装了与应用相关的数据和 操作。这类模型的好处是：系统由各类对象实体组成，各对象实体地位平等模型 属于一种无中心的体系结构。这使得系统的开放性更好，集成性更高，扩充更灵活。 另外数据和功能的封装既提高了系统的安全性，也为对象的复用提供了技术支持， 同时还降低了由于数据和功能的集中管理而带来的通信开销和操作上的复杂性。该 类模型技术上的不足在于随着对象数目的增加，对象与对象之间的消息通信链路将 以平方级数激剧增加，结果势必加大系统的通信开销。另外每个对象实体中还需要 构造一个包含若干个逻辑相关对象的服务信息库( 对象之间的通信协议) ，这类信息 不但重复，而且还要求保证信息的致性，这又增加了信息冗余。再者对象之间的 接口缺乏统一标准，导致对象实体的扩充不规范，不利于系统的维护和对象的复用。 图2 - 4 表达的是一种基于总线的应用体系结构模型。在这种模型中，对象是构成组 件的基本元豢。由于面向对象技术的发展以及中间件概念的提出，组件中的对象采 用统一的规范牙ij 格式定义，并按照丌放式舰格标准构造组件。系统以总线结构的形 式连接各个组件。这个总线实际上是一个实现组件之阳j 连接的公共接口规范，组件 6 可以即插即用，实现无缝集成。这类模型的好处是：组件之间的通信链路数为线性 速率增加，各个组件之间的接口规范一致，导致组件之j 司通信的复杂度大大降低并 提高了组件的互操作性。不足之处在于一个统的公共接口规格难于满足各类问题 应用域的不同需求。 国缈 、 殛匾矽k 旦多 图2 - 3面向对蒙的体系结构模型图2 - 4基十总线的结构模型 2 3 现成电力系统应用软件领域分析 电力系统目前已有很多高级应用软件开发出来，针对这个现有的电力系统应用 软件，要丌发出复用组件，构建合理的体系结构，必须先进行领域分析。 2 3 1 电力系统及e m s 等的有关特性和要求 就二次系统来说，电力系统在地理上是一个由信息通道相互连接的分布式系 统。在发电厂、变电站，远程终端采集量测量、开关量等信息，处理并发送；在调 度中心，能量管理系统e m s 接收数据信息，对接收来的数据进一步处理、分析和 显示，从而让调度员了解整个电力系统的运行状况，然后发送相关调度指令直接调 控远方设备或授权厂站端的工作人员进行操作，以实现电力系统的合理调度。 电力系统是一个时刻运行的庞大的系统，对国民经济的影响巨大，要求有高可 靠性，作为有监视、分析和控制功能二次系统同样要有高可靠性和很高精确度，因 此电力系统应用软件也必须具有可靠运行的特点。 电力调度中心本质上是一个信息处理中心，e m s 要分析、处理大量的数据信息： 实时数据、预测与计划数据、基本数据、历史数据、i 临时数据【3 】。个高效的数据 库系统是e m s 必需的。没有数据库的快速响应，相关的e m s 功能软件就不可能满 足实时准实时要求。文献 4 将e m s 中的数据分为三类：原始数据、控制数据和被 控数据。并运用面向对象技术引入“数据库家族”( 对象实例) 的概念，以设计出 方便e m s 功能协调和功能扩展的数据库 e m s 软件很庞大，全部安装在同一台主机中不是很现实，一般安装在多台主机 中。随着宽带通信技术的应用和需处理信息量的增大，为了满足实时性等要求，同 区域 u 力系统出现同级别的分工不同但联系紧密的多调度中心。这样，许多的高 乍北f u 山人学颐f 学位论曼 级应用软件就处在一个分布式环境中，既相对独立又相互传递信息，要保证正常无 误可靠地工作，一个良好的软件体系结构和先进的软件技术是非常需要的。 配电管理系统与能量管理系统有很多的相同之处，一样处在一个分布式环境 中，样需要数据采集处理大量的数据，需要进行结线分析、潮流计算、短路计算 等，但它没有能量级管理，有用户端管理，实时性要求没有那么高。 2 3 2 电力系统应用软件的主要内容 图2 ，5 和图2 - 6 分别是文献【3 介绍的e m s 和d m s 应用软件系统的功能结构关 系图，如何根据它们的功能间的关系、实现方法和应用的要求进行软件分层分块。 使得形成的电力系统软件体系结构满足用户的要求，又能使开发带来便利。这里我 们只针对d m s 或e m s 的网络分析功能进行探讨，即主要包括网络建模、状态估计、 结线分析、调度潮流、短路计算、安全分析、网络重构等，而暂时不考虑e m s 中 的能量管理级部分和d m s 中的用户侧管理部分。 豳2 - 5e m s 的功能结构 图2 - 6d m s 功能结掏 23 ，3 电力系统软件结构分层 领域应用软件中很多的专业知识在许多功能软件中都是必需的、通用的，而某 一些功能的实现是以另一些功能的实现为基础的。电力系统应用软件也不例外，比 如e m s 中，潮流计算、结线分析是通用的，它们的实现是其他高级应用软件功能 实现的基础。因此，为了提高系统的集成性和复用性，电力系统软件结构有分层的 必要。 传统的客户机服务器( c s ) 的两层结构实质是文献( 5 】提到的以数据为中心的模 型，不能实现功能丌放，灵活性不足。比较e m s 中传统的应用软件，发现它们有 相似的可视化界面，都包括对电气接线图的显示和操作，都要显示相关数据、形成 相关报表：大部分高级应用软件使用状态估计，结线分析、潮流计算、短路电流计 算的结果；高级应用软件一般不直接需要实时数据库中电压、电流、开关量等生数 据信息，而需要经过处理和修正得到的熟数据信息。基于数据同源、模块共用和结 果一致的原则，应该把界面统一起来，形成通用的界面层；同时把状态估计、结线 分析、潮流计算和短路电流计算抽出来，形成一个电力系统基础计算软件层：保留 c s 结构中的应用层。 2 3 4 电力系统软件的组件划分 设计的组件是要服务于整个电力领域的，且要便于复用，其粒度大小要适中， 如果太小，系统中组件数目过多，复用的好处由于组件管理开销增多而抵消，如果 太大，难以实现复用。按照传统的电力系统高级应用软件的功能划分组件，可使组 件有“复用价值”、“相对独立的功能”，且能减少组件问的信息交互。在整个系统 l i ，组件数l 1 也不会太多。这样，一个复用组件的电力系统软件体系结构得以形成， 其结构如图2 7 。 产北l 乜j j 人学t o ：i 学他沦卫 幽彤用户界面 e 焉二王 五a 二t 同高级逻用j 高级逻： 鞍辑j 二i 用软! 辑应用| 件a件1 n j 一_ rn i j l j ! ! r 也j j 系统基础计算软件i 一丁r 一 一! ! 一 【核心数据库【 用户 矍l 互舅 高级 瞳甩甚 接础 应用层 数据 服务层 目2 7 可复用电力系统软件体系结构 这种电力系统软件体系结构，是一个多层体系结构，分为用户界面层、高级应 用层、基础应用层和数据服务层。用户界面层就是一个大的界面组件，主要完成人 机交互功能。高级应用层包括各类的高级应用组件，完成负荷预测、预想故障分析、 安全约束调度、最优潮流、稳定分析、暂态分析等功能，每一个组件完成一项功能。 基础应用层由基于组件技术的软件主板和完成具体基础计算功能的电力系统基础 讨算插件组成。软件主板首先要实现与外部组件联系和对数据库读驳的功能，其次 考鬯到电力系统状念估计和结线分析是其他基础计算的基础，因此把电力状态估计 和结线分析的功能封装在软件主板中，电力系统基础计算插件则实现某一具体的电 力系统基础计算功能。由于e m s 实时态和研究态的两种工作模式，涉及的潮流计 算算法和短路计算算法有所不同，如潮流计算有直流潮流法、牛顿拉夫逊法和快速 解耦法，且这么多的高级应用组件需要使用这个软件主板的结果，从安全、效率等 方面考虑，基础应用层采用双主板结构。两个主板是一样的只是彼此的基础计算插 件有所不同，一个支持实时态运算，一个支持研究态运算。数据服务层主要由文献 f 4 1 提出的“数据库n e t 的家族”和“数据库i f b s 的家族”构成。 2 2 5 基于软件总线的信息交互 为了迸步降低组件问的耦合度，有效减少每个组件的接口，在统一规范接口 的基础：，运用软件总线实现信息的交互；“软件总线”实际上是一个实现组件之 间连接的公共接口规格，包含各种组件指针的一组程序，它能响应组件请求，为组 件转送数掘和接收数据。关系如图2 8 ，基础软件主板中的圆圈表示基础计算插件。 隔丽丽矿r 雨网 ，平一p ，f 刁 瓣j 钉 一：= 恧孩疆丽席酊f 1 扛一一爿数据库i n 一 一一王。un 磁了 广西薪 。 件主扳l j i! 件主扳2 6 。i 阁2 - 8基于总线的电力系统信息交互结构表示 2 4 可复用体系结构分析 从整体来看，图2 7 这种可复用体系结构其模块分明，结构简单。 从组件来看，一方面，运用面向对象技术和统一接口规范技术进行丌发，组件 具有很好的封装性和低祸合性，从而使软件实现组件模块的复用。另一方面，按传 统的电力系统应用软件的功能来划分高级应用组件，组件具有很好的内聚性和天然 的独立性，且组件数目不会很多；这样，组件间的信息交互就会大大减少。而功能 通用的电力系统基础应用组件从传统的高级应用软件中分离出来是系统集成、软 件复用的体现。此外，它的双主板式设计，有很好的开放性和可扩充性。 从层次上看，用户界面层，把过去传统的电力系统软件中众多的界面统一起来， 既方便操作，又有利于系统的集成。不光如此，多层结构和分布组件技术结合更好 地满足分布式网络环境，不同的调度工程师可以在同一个界面、不同的主机上使用 不同的高级组件模块，彼此不会影响。 从软件服务对象一一电力系统的发展来看，随着电网的增大和自动化程度的提 高，需要处理的数据信息不断增多，所有的信息都在调度中心集中处理很难满足实 时性等要求，电力系统分布式网络数据库的投运势在必行。为了和分布式网络数据 库协调工作，分布式组件技术的运用是理所当然的，而这个体系结构恰好满足这种 要求。另外，随着电力体制改革深入，传统能量管理系统中的能量管理功能，包括 发电计划、机组协调、水火电计划、燃料调度等就可能分离出来，形成相对独立的 发电报价系统。这种分层分组件的体系结构能很好适应这种形势的变化。 从软件的刀：发和维护来看，这种体系结构可实现增量式开发，有效缩短开发周 期，可同时丌发许多组件，也可开发、投运一个，再开发另一个；且便于维护和升 级，剥某个功能不满意、不需要，改进和放弃都很方便，只要处理相应的高级应用 组件就行，而某一高级应用组件的修改不会影响其他组件的正常工作。 综上所述，这种电力系统可复用软件体系结构便于运用先进的软件技术进行复 用组件的增量式开发，具有更好的开放性、复用性、集成性，能满足电力系统的应 用和发展需要。 第三章电力系统软件体系结构的对象p e t r i 网描述 3 1 概述 软件体系结构的描述要反映系统中的组件及其信息交互的过程、组件内部的组 成及信息流的变化等。体系结构描述语言a d l ( a r c h i t e c t u r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 不 但是形式化描述软件体系结构的基本工具，而且也是对软件体系结构进行求精、验 证、演化和分析的前提和基础，因此它应该有应该具有六大特性，即组合能力、抽 象能力、重用性能力、配置能力、处理异质的能力和支持分析的能力。u m l 语言是 目前流行的面向对象分析语言，直观、清晰；但没有严格的数学支持，对于象电力 系统的潮流计算、短路计算等进行抽象数据处理的算法好似也存在难以入手建模的 不足。 p e t r i 网是一种描述离散事件系统的图形与数学工具，既有图形表示的直观性， 又有数学表达的严密性，既能描述静态的组成结构又能反映动态的信息流，能方便 描述并发、异步、并行等行为。而对于一个复杂的大系统，如能量管理系统，用传 统的基本p e t r i 网系统描述，会发生状态空间爆炸，因此必须使用高级有色p e t r i i n 系 统才能有效控制网状态空间。面向对象的思想和方法在软件工程中得到了充分的 运用，它的抽象性、封装性、继承性和多态性提高了软件的复用性、可维护性和 可扩充性。然而面向对象的方法不是形式化建模方法，难以对模型进行精确描述、 分析和正确性论证。综合有色p e t r i 网系统和面向对象思想的优点定义一种对象p e t r i 网，用于对电力系统应用软件体系结构的描述无疑是很理想的。 对于如何把p e t r i 网原理和面向对象方法结合，形成对象p e t r i 网，文献 6 、【7 、 8 1 等都定义了不同的对象p e t r i 网，都运用了严密的数学描述或直观的图形表示， 但由于运用于论文中描述分层的软件体系结构都有些不足之处，因此文章定义一 种分层递归的对象p e t r i 网，用于描述文章中的电力系统应用软件体系结构。 3 2 对象p e t r i 网的描述 3 2 1 对象p e t r i 网的数学定义 定义i ：= ( 日，巧，巧，嗡) ；号2 嘞1 ，肋2 一助鳓，刀= 1 ，t i 2 t t i j ，铀， 是一个多层网系统，毋表示第f 层的库所集，即第。层行为主体p 。( j 1 n ) 的集合，p 。可能是组件或类对象。t 是第i 层的变迁集，表示第i 层的流集，即 有色托肯的在第i 层的路径集合。肘，o 表示第i 层的网系统初始状态，即第i 层库所的 何色托肯标u 向量。 掌北电力太学萌l 学位论文 定义2 ：p 口2 ( s t ，a t ，o p ，c p j j ，c c ，h c ) ：s t 表示卢的状态，有激活态、等待状 态和不可用态，州为该库所属性a t ，的集合，其中包括该库所的唯一标识1 1 ) ，o p 为该 库所的操作叩，的集合。如果库所对应为类对象，则cp 。对应它的类，c c 表示库所 对应类c p ，所组合的类的集合，h c 表示库所对应类c p o 所继承的父类集合。如果 库所对应为组件，则c p ”c c 、h e 可缺省。 定义3 ：巧= ( 耐，a f ，t ) ，i d 是变迁的唯一标识，a f 表示变迁触发引起有色托肯 流向的层次。变迁触发，可引起有色托肯在同一层次间流动，也可引起托肯在不同 的层次问流动。矿表示变迁的约束函数集合，组件对象间的变迁一般有虚拟接口函 数等约束函数。 3 2 2 对象p e t r i 网的图形表示 对象p e t r i 网的图形表示分为对象图表示和类图表示。对象图表示主要直观描述 组件和类对象等的信息交互和包含等关系。类图表示主要反映某个组件内类间的继 承、组合等关系，类图表示是对象图表示的补充。 3 2 2 1 对象p e t r i 网的对象图表示 一个基本的库所用一个两层的矩形框表示，上层标有库所名，下层内有属性集 合、和操作集台旦l 。变迁用“0 ”或“i j ，表示。“0 ”说明变迁的约束函数集合 为空。库所和变迁之间用有向线连接，箭头的方向就是消息发送的方向。“一l ” 和“一i 一”中变迁前的两个有向线是“或”关系，只要其中之有有色托肯流 动，变迁就会触发。“一l ”中，只要变迁触发，变迁后的两个有向线都会有有 色托肯流动。“一l + ”中，由于变迁包含有约束函数，变迁触发后，变迁后的 有向线是只有某一条还是两条都有有色托肯流动由约束函数决定。库所中的“” 表示有色托肯，不同状态下的有色托肯表示不同的流信息，o p 集合中不同的o p 由 不同色的有色托肯驱动，有色托肯的流动由变迁触发引起，有色托肯的流动改变库 所的状态。 如图3 l ，月1 、l q 2 、p 1 3 分别为第一层的三个库所，p 2 i 、p z ，表示第二层的2 个 库所，其中见2 为主动库所，1 日g 拯苤。t 1 1 、1 2 、t 1 3 、t 1 4 、1 15 为第一层的j 个变 迁，前4 个变迁的触发引起有色托肯在本层内流动；变迁z 1 5 的触发则使有色托肯流 向下一层。第二层中，变迁7 2 i 、2 2 触发引起有色托肯在本层内流动，变迁1 2 3 触发 使有色托肯向上一层的库所流动。此图中只有n 1 含有色托肯，故m 。= ( 1 , 0 ，0 ) 7 。 # 北电力人学坝 学位论文 图3 i 对象p e t r i 网的对象图表示 对象p e t r i 网运行时，初始标识中含有有色托肯的库所处于激活态，有色托肯 驱动该库所的相应操作：相应操作将产生新的有色托肯，操作完成，相应的变迁触 发，发生消息传递，即新的有色托肯流向其他库所，从而改变相关的库所状态。这 就是对象p e t r i 网的动态过程。 3 2 2 2 对象p e t r i 网的类图表示 这里的类图形表示主要用来描述某个组件内类的继承、组合等关系，其表示方 法主要参照文献 9 的类图表示，并作一些简化。 秀。 犬 l m ，弓。 图3 - 2 ( a )。图3 - 2 ( b ) 倒3 - 2 对象p e t r i 类图形表示 如图3 - 2 ( a ) ，库所p 2 1 对应的类吃l 与库所h 2 、p 3 l 对应的类吃2 、，是被继承 与继承的关系。如图3 - 2 ( b ) ，库所己4 对应的类c 。与库所p 4 l 对应的类c 。是整体类 与部分类的关系。 3 3 电力系统软件体系结构的框图描述 第二章中图2 7 提出的电力系统软件体系结构，把电力系统应用软件分成用户界 面层、高级应用层、基础应用层和数据服务层，用户界面层就是通用图形界面组件， 高级应用层包括静态安全分析、无功优化、保护整定计算等高级应用组件，基础应 用层是基础计算组件，完成潮流计算、状态估计、结线分析和故障计算等功能。数 掘服务层是各种数据库的集合。 图3 ，3 是此体系结构下运用快速解耦法实现潮流计算的框图描述。读取电力系 统拓扑信息、厂站结线分析和网络结线分析等在电力系统基础计算组件的主板内完 成，蝴流计算由鉴础计算组件的主板显式调用潮流计算插件完成。 f 4 一 华北l u ，人学碘学位论史 广 t ，一，耍泵迸再瀚、 流计算一7 图3 - 3 基础计算组件的潮流计算框图描述 现在潮流计算方法主要有以下几种：高斯一塞德尔法、牛顿一拉夫逊法、快速解耦法、 保留非线性法和晟小化潮流计算法等。这几种算法分别适用于实际应用中各种不同的要 求，在电力系统运行和规划中得到了广泛的应用。而在实时控制等在线应用中，要求潮 流计算方法快速、收敛可靠。本论文采用了快速解耦法。 这种框图式的描述方法没有精确的概念和严格的数学表达，没有结合面向对象的思 北电力人学硕f4 学位论史 想，无浊体现软件体系结构中组件间的关系和类对象间的关系等，不能用来严格分析体 系结掏，不能直接用于指导面向对象编程。 3 4 电力系统软件体系结构的对象p e t r i 网描述 3 4 1 体系结构组件层的对象p e t r i 网描述 图3 4 组件层的对象p e t r i 网图形表刀i 体系结构组件层的对象p e t rj 冈描述实际是第一层的描述，图3 4 主要针对静态安全 分析过程进行描述，其中p ，为图形界面库所，p ，为静态安全分析库所，p ，：为电力系统 基础计算库所，它们表示对应的功能组件。当调度员要进行静态安全分析，图形界面的 安全分析功能键就会被摁动，p 就会有一个有色托肯，即该库所处于激活态。接着变迁 ，触发，有色托肯流向p ：，p ，：被激活运行；同时变迁t 。6 触发，有色托肯流向p p i ，被 激活，从数据库提耿数据信息进行结线分析、潮流计算等。p 。：运行过程中，变迁t ，触发， 发送所需数据类型等消息，p 。出现有色托肯，即得到这些信息后，变迁f 。触发，p ，被 激活接收其需要的信息。p 。运行得出预想事故排序结果后，变迁2 触发，p 。被激活， 显示排序结果；同时变迁t 】3 再次触发，p ，被激活进行详细潮流计算，详细潮流计算结果 出来后，变迁f l ，触发，p ，。被激活，显示详细潮流计算结果。 3 4 2 基础计算组件的对象p e t r i 网描述 图3 - 5 潮流计算的p e t r i 网描述 - 1 6 # 北i 乜力人学颁1 ：学位论文 基础计算组件的描述属于整个体系结构中的第二层描述，图3 - 5 中p ，是基础计算组 件，在这里只关心它的潮流计算功能，因此对它的短路计算等内容忽略不提，图3 - 4 中 的t 1 6 或t 1 3 触发后，o p l 操作就会读取电力系统拓扑数据库，获取发电机、变压器、输 电线路的端点号和阻抗值等以及断路器、刀闸的开合状态等，接着t 2 l 触发o p 2 进行母 线分所，进而t 2 2 触发o p 3 进行网络分析，划分子系统，然后t 2 3 触发，调用潮流计算的 动态链接库，使用快速解耦法求解潮流，潮流计算完成，t 2 4 触发，o p 4 操作是对结果进 行按要求临时存储，经t 1 4 或t l5 触发发送出去。这是整个体系结构中基础计算组件的第 二层描述，对于更加具体的潮流计算过程，要由第三层的潮流计算库所p 2 1 具体描述。 3 5 小结 这种分层递归的对象p e t r i 网，把对象技术和p e t r i 网原理结合在一起，既有面向对象 技术的自然性，又有p e t r i 网的严格数学描述和直观图形表示的特点；既能通过库所、变 迁的连接关系反映软件体系结构的静态联系，又能通过变迁触发、托肯流动反映信息交 互的动态行为，能方便地描述异步、并发等行为。 这种对象p e t r i 网用于电力系统软件体系结构的对象建模和描述，和面向对象分析过 程紧密结合，能清晰、有效地描述不同层次的主体属性、行为及彼此间的信息交互、包 台与被包含等的关系，能把复杂的系统有层次地描述清楚。通过变迁触发和有色托肯的 流动，能很好的反应库所间信息的流动过程，精确地描述了系统的动态行为。 # 北电力犬学硕上学垃论文 第四章图模一体化环境下的电力网络结线分析 4 1 结线分析概述 电力网络结线分析就是由电力网络物理连接的原始模型，根据断路器、刀闸、 输电线和变压器等网络元件状态和它们的相互关系产生电网计算模型的过程，也就 是根据断路器、刀闸的开断状态，判断输电线、变压器、发电机和负荷等的有值支 路的连接关系，并重新给这些支路的端点编号。网络结线分析必须快速、准确地形 成计算模型。传统电网结线分析分两步完成，第一步是厂站的母线结线分析，利用 堆栈技术( 深度优先搜索) 或队列技术( 广度优先搜索) ，在某一变电站内，从某一元件 端点出发，沿着某路径搜索，把由闭合逻辑开关连在一起的元件划分为一个母线结 点，并对其编号；直到所有的元件归为相应的母线结点，所有的母线结点分配了结 点号。这样所有厂站形成若干计算用的母线节点。第二步是系统的网络分析，分析 整个系统中支路联接各母线节点的情况，形成若干子系统：在系统不解列的情况下， 形成一个导纳阵，即电网计算模型，详细的论述见文献1 0 1 。 随着电力网络的不断增大，断路器、输电线等数量庞大；同时，便于更精确的 描述电力网络，并方便开操作票等应用，需要考虑隔离刀闸和接地刀闸。这样，系 统的丌关总量就会大幅增加，如果仍然按照文献【l o 】那样只通过靠搜索元件连接关 系完成结线分析的方法越来越不能满足快速性的要求。 针对传统网络结线分析的不足，文献1 1 1 提出一种追踪网络变化的结线分析方 法，保存前一次结线分析的结果，通过对比前后开关状态的变化，局部修改母线结 点编号，提高分析效率。文献 1 2 】提出把所有开关闭合得到的母线结点定义为初始 母线结点，开关状态发生改变时，对断开开关所在厂站的电压等级进行局部搜索。 文献f 1 3 1 提出一个基本分析单元的有色p e t r i 网模型把厂站的母线结线分析和网络结 线分析统一起来表示。文献f 1 4 1 也用一个p e t r i 网模型进行电力系统结线分析。文献 15 1 提出了基于电网拓扑面向对象表示的启发式网络分区算法。文献 1 6 介绍了基于 人工智能的知识表示、搜索技术和推理技术，进行电网自动结线分析的方法。在这 罩，文章结合图模体化的环境，引入间隔，对传统的结线分析方法进行一些改进。 4 2 间隔的引入及其分析 4 2 1 电力网络层次关系 电力系统网络的实际结掏具有层次性的特点。可以将其如下划分：第一层为网 络拓扑系统，第二层为发电厂、变电站和传输线第三层为发r 巳厂、变电站内部设 毕北电力大学硕 。学位论史 各。网络结线分析不考虑发电厂内部情况，发电厂可以发电机代替。于是有图4 - 1 的关系图。 电力网络 i 厂1 l 丁 变压器 负荷断路器隔离刀闸接地刀闸 图4 1电力网络层次关系图 4 2 2 间隔的引入 从图4 1 可以看出，一个变电站，可以用不同电压等级中的各种间隔、不同电 压等级的母线和变压器来描述，一个网络系统可以用发电机、变电站和线路采描述。 通常，间隔是指一组固定连接的元件( 断路器、隔离刀闸、接地刀闸等) 的集 合，不同的间隔包含的元件种类、元件个数不同，元件间的连接关系也不同。间隔 是厂站设计中的一个空间概念，随着厂站设计的规范化，间隔内的设备配置也越来 越趋于规范化。对在变电站设计中经常使用的间隔进行归类分析，发现有如下间隔： 单母出线、单母出线带旁路、双母出线、双母出线带旁路、单母旁路、母联、双母 旁路、双母兼旁路、3 1 2 接线等。如附图3 。 经过结线分析后，电力网络的计算模型只会留下变压器支路、输电线支路、电 源支路和负荷而断路器等开关消失，母线成为某一节点。如果使用文献 1 0 】介绍 的方法进行母线结线分析，哪怕是个很简单的系统，如果考虑刀闸，将会出现很 多的玎关支路，将会有很大的搜索量，影响结线分析的速度。同时，在绘制一次接 线图时，使用断路器、刀闸这些基本元件绘制也很麻烦，为了绘图方便，把问隔引 入图模一体化设计中。如附图2 ，先在左边的工作区编辑了各种基本元件和各种问 隔图元，当在右边的客户区绘制一次接线图时不再直接使用断路器、刀闸等基本丌 关元件，而是根据实际使用各种间隔，如附图1 ，使用了十一个间隔、两条分段母 线和两台变压器就能把整个变电站一次接线图画出来，如果使用单个的断路器、刀 闸画图，却有6 0 多的丌关元件。而且在结线分析时，如果使用文献 1 0 】所介绍的方 法，丌关的搜索量很大。 华北l 乜力人学颐一学位论文 因此，如果矧隔看作一个类，它有若干个构造函数、若干知识函数和若干个图 元，对应不同具体结构的间隔，把每一个具体的间隔看作一个对象。某个间隔对象 包含的元件个数是一定的，元件间的连接关系是固定的，对外显示的端点数也是一 定的，每个间隔对象通过对应的知识函数来描述内部元件的连接关系。这样，无论 作图还是结线分析都很方便。 4 2 3 电力网络的类关系描述及间隔分析 以图4 - 1 中实际物理系统为模板，建立对象模型，用面向对象的程序设计语言开发 了面向对象的电力网络类库。它们的类关系描述如图4 2 。 c n a m e t a g c n e t w o r k l c f r e e w i f l s y s t e m 图4 - 2 电力网络类关系描述 将这些类按属性划分，大致分为三种类型： ( 1 ) 设备类 目前设备类只考虑了发电机类c g e n e r a t o r 、负荷类c l o a d 、母线类c b u s 、传输 线类c t r a n s m i s s i o n l i n e 、双绕组变压器类c t r a n s f o r m e r 2 、三绕组变压器类 c t r a n s f o r m e r 3 、断路器类c b r e a k e r 、刀闸类c s w i t c h 、接地刀闸类c g r o u n d s w i t c h 。 将它们单独封装，有利于对各个设备的属性单独管理。例如各个设备的名称、i d 号、 设备参数等都封装于各自的类中，其序参数的计算都在各自的构造函数中实现。 ( 2 ) 包容类 包容类包括间隔类c c o m p a r t m e n t 、电压等级类c v o l t a g e l e v e l 、变电站类 c s t a t i o n 、发电厂类c p | a n l 、网络类c n