（电力系统及其自动化专业论文）基于组件体系结构的电力系统图形平台.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着电力系统规模的扩大，基于图形界面的电力系统分析软件在电力系统中广 泛应用，起着重要的作用。人们对电力系统图形系统功能进行改进，增强了图形系 统的交互功能和分析功能。目前，图形系统存在的问题有不同厂商的图形系统和分 析软件之间参数格式不兼容；不同级的电力信息中心数据交换困难；图形界面软件 的重复开发。这三个问题都造成了图形系统在电力系统中的应用困难。本文以 i e c 6 1 9 7 0 标准的通用信息模型( c i m ) 为基础建立电力系统的图元模型，设计了基于 组件体系结构的图模一体的图形平台。通过使用标准的电力数据参数解决了软件的 参数格式不兼容问题和数据交换问题；应用组件开发技术解决了图形界面软件重复 开发问题；最后在图形平台上实现了p q 分解法的潮流计算，验证了图形系统的正 确性和合理性。 关键词：图形平台，通用信息模型( c i m ) ，组件，p q 分解法潮流计算 a b s t r a c t w i t ht h ee x p 肌s i o no ft h ep o w 盯s ) ，s t e ms i z c ，m eg u i b a s e dp o w e rs y s t 锄缸a l y s i s s o f h 盯ei nt h ep o w e rs y s t e mi sm o r ew i d e l yu s e d 柚dp l a y s 觚i i i c r c a s i n g l yi m p o n 孤t r o l e p e o p l ee n h a i l c et h e 如n c t i o no f 鲈a p h i c ss y s t e m 锄di m p r o v et h e 缸n c t i o n so f i n t e r a c t i v e 趾da n a l y s i s a tp r e s e n t ，t h e r ea r ep r o b l e m si nt h ep a r 锄e t e rf 0 加1 a t i n c o m p a t i b i l i t ya m o n gt h ed i 日e r e n tp r o d u c e r s ，t h ei n f o m a t i o 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e db yp r o f - x i uy r u q i n k e yw o r d s ： g r a p h i cp l a t f o r m ，c o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l i n g ，c o m p o n e n t ，p q p o w e rs y s t e mn o wa l g o r i t h m 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于组件体系结构的电力系统 图形平台，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。 学位论文作者签利煎地至日 期。 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： 日期：趔 导师签名：j 谜 日 期：也耻丘 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电力系统图形平台应用的背景 电网规模的日益扩大，同时也造成了系统运行方式的频繁变化，系统的安全稳 定越来越突出，系统管理也越来越复杂。电力系统运行部门需要分析处理的信息数 量大、类型广，有效便捷地管理这些数据对电力系统实时监控、分析计算、模拟仿 真、信息管理等工作有着重要的意义。 六十年代以来，随着计算机技术的飞速发展和广泛应用，数值计算，图论等与 计算机相关的数学分支在这个领域里也得到了充分的发展，产生了科学计算可视化 【lj 的计算机图形学【2 】和图像处理技术。这些技术将科学计算过程中产生的数据及计 算结果转换为图形或图像在屏幕上显示出来，把计算中所涉及的和所产生的数字信 息转变为直观的、以图像或图形信息表示的、随时间和空间变化的物理现象呈现在 研究者面前，从而使研究人员摆脱或减轻分析理解计算过程中所产生的巨大数据， 让他们能够观察到模拟和计算，并可以进行交互处理的理论、方法和技术。也就是 说，科学计算可视化将图形生成技术、图像处理技术和人机交互技术有机地结合在 一起，实现从复杂的多维数据中产生图形，通过对计算及数据进行挖掘探索，以获 得对数据的理解与洞察。 科学计算可视化作为一门新兴学科，自正式确立以来获得了迅速发展。欧美发 达国家在科学计算可视化的研究、应用与培训上投入了大量的资金和人力，取得了 显著的效益。科学计算可视化、多媒体和虚拟现实一同成为9 0 年代计算机科学中 的研究热点。许多大学、研究机构和国家实验室对科学可视化工具与环境、可视化 应用等方面展开广泛而深入的研究，研究重点已从后处理转向近实时的跟踪和交互 驾驭，并结合了超级计算机、高速网络、高性能图形工作站和虚拟现实技术。 图形技术作为可视化技术的核心，它将由数值模拟或物理测量产生的科学数据 映射成可绘制出图像的可视化对象，包括几何图形元素、颜色、透明度等图形表示 形式。科学数据类型可以是标量场、矢量场或张量场，可以是二维、三维或高维数 据。可以是静态的或随时间变化的，可以是结构化数据场或非结构化数据场，可以 定义在规则网格上或不规则网格上等等。研究图形技术的目的在于怎样以最有效的 图形表示形式来揭示科学数据中所隐含的物理现象。 计算机和通信技术代表的信息技术的迅猛发展，给电力系统带来了很多新的技 术进步的机遇，但同时也带来了新的挑战。如何在海量的数据中进行数据的选择、 分析和结果显示是电力系统各个专业在面临新技术的选择应用时所需要解决的关 华北电力大学硕士学位论文 键问题。图形化平台技术凭借其拥有更形象直观易懂，有利于人们洞察和分析数据 之间的内在联系和数据发展趋势，揭示其内在规律的突出优势受到广大电力系统研 究者的青睐，迅速成为了电力系统应用分析软件开发的热点。因此，对电力系统的 分析面目一新，其数学表达的形式、建立数学模型的方法、相应的计算处理方法等 方面发生了很大的变化【3 】。正是这种变化适应了现代大规模电力系统在线实时控制 快速分析的要求。 将图形技术引入到电力系统高级应用软件中，在软件中运用图形表达信息并引 导各种操作的方法代替传统的文本、表格式数据管理方式，可以使系统工作人员在 形象、直观的图形化界面上工作而无需直接面对大量单调繁琐的数据，从而大大降 低了数据处理工作的繁杂性与出错率，为系统安全稳定的运行起到了重要的作用。 之后，越来越多的文献，展示了利用图形技术所取得的研究成果5 】【6 l 【7 】【8 】。 1 2 国内外的发展 计算机图形在电力系统应用程序中的使用越来越广泛，无论是操作票系统、仿真培 训系统，还是电力系统潮流计算或短路计算都需要绘制电气接线副9 】【1 0 】【i i 】。用图形来描 述电力系统网络结构，在图形上标注数据，可以使分析计算结果一目了然。这些也越来 越成为用户对电力系统分析软件的基本要求。 由于图形用户界面为电力系统的应用分析程序提供直观和交互的交流方式，从 1 9 7 0 年后，开始出现了用于电力系统分析的交互式图形软件包，到现在，已经被广泛用 于电力系统中1 1 2 1 。 图形是工程中最简洁的语言，它融合了图形学、图像处理、数据管理等其它相关领 域技术，目的在于解决大量数据的处理和信息的综合表示问题，提高信息的利用效率。 电力系统是一个复杂的庞大系统，应用可视化图形技术将有助于电力系统的研究和运行 管理。电力系统有很多图形界面的辅助分析和计算工具，可以绘制相关专业的图纸并且 基于图形和数据的有机结合进行科学计算。早在d o s 时代，就己经有成熟的图形用户 界面g u i 出现。随着计算机技术的进步，涌现了许多电力系统可视化图形分析应用软件。 目前已有一大批基于可视化技术的电力系统分析软件已经在实际工作中被使用。如加拿 大的p s c a d e m t d c ，美国的e t a pp o w e r s t a t i o n 、l a b e w 、b p a 等等。国内在电力 系统可视化软件方面同样也有相当多得成果。 图形系统在电力系统的应用已经在很多方面取得了可喜的成绩。从最初的e m s 能 量管理系统中的图形界面，到图形化的软件用于电力系统电气结线的绘制，到调度员操 2 华北电力大学硕士学位论文 作培训的仿真系统，图形化的继电保护整定软件。图形化技术用于电力系统中，大大提 高了电力系统运行的可靠性和效率。 近年，电力系统应用软件得到广泛运用，随着功能不断完善，其规模越来越大，结 构越来越复杂，开发周期越来越长，且存在维护麻烦，重用性、开放性和集成性差等问 题。软件体系结构在控制软件复杂度、提高系统开放性和模块的重用性等方面很有优势。 为了解决这种大型的领域应用软件遇到的上述问题，许多人进行软件体系结构在领域软 件运用的研究。 随着计算机技术的发展，人们开发电力系统软件的环境和方法也在不断的变化，从 d o s 模式到w 缸d o w s 模式，从以数据处理为中心，到采用面向对象的技术编程方法， 再到更新的计算机技术c o m 编程方法。在开发电力系统应用软件中不断的采用新的技 术，使得软件的功能不断加强，通用性和易用性不断提高。 在电力系统应用软件编程上，文献 1 4 】 1 5 】 1 6 】均使用了面向对象的技术来建立电 力系统图形元件的模型，提高了电力系统应用软件的复用性。文献 1 7 】还通过建立相应 的数据结构，实现了在面向对象基础上的电力系统结线分析。 实现电力系统拓扑图形的自动生成，可以减轻绘图人员的工作量。文献 1 8 】利用 地区电网矢量图上各设备和节点的矢量坐标关系，提出了基于矢量坐标自动生成原始拓 扑的方法。此方法在作图时不用定义设备的连接关系，而是在作图完成后，根据设备节 点的矢量坐标自动生成原始拓扑，避免了手工方法工作量大的缺点。文献 1 9 】用人工智 能技术自动生成电力系统的厂站结线。 组件技术是在二进制基础上的一种复用程度高，跨平台的最新计算机软件技术。很 多科研人员在电力系统应用软件的开发上探索了组件式的电力系统应用软件。文献【2 0 】 提出了应用元素化的方法来开发电力系统的应用软件，这种思想与组件技术的目的非常 吻合。文献 2 l 】分析了比较了集中软件体系结构，说明了组件技术对软件开发发展的重 要意义。文献【2 2 】分析了组件技术在电力系统软件开发中的应用前景。文献 2 3 】 2 4 】用组 件技术实现了电力系统图形界面的开发， 2 5 】【2 6 】实现了电力系统计算软件的组件结构 开发。 文献【2 7 】分析了继电保护图形平台的特点，提出了基于继电保护图元的设计方法以 及图形与数据的智能关联思想，并依此对继电保护图纸进行模块分解、定义和存储。根 据实际系统的功能需求分析，将继电保护图纸分解为互相关联的模块序列 。 文献 2 8 】提出了一种改进的电力系统结线分析的深度优先的搜索算法，在一次搜索 3 华北电力大学硕士学位论文 后实现了带电着色，支路类型识别和无阻抗元件的融合及接点编号。 文献 2 9 】研究了配电网的网络模型，通过搜索建立结点矩阵或者结点数组来存储网 络拓扑。 文献 3 0 】运用人工智能的产生式系统规则，将系统运行中的操作和规则对应进行网 络拓扑分析。 文献 1 2 】【3 l 】从从人机交互的方便性和计算机软件技术的发展两方面提出了电力系 统图形系统中人机交互界面的发展方向。 为了表示和处理大区域电力系统结点电压信息，文献【3 2 】提出了用一种轮廓图的平 面图形配合相应的颜色来表示个母线结点的电压，文献 3 3 】采用条状的二维图形，加上 电压对应的相应的的颜色范围表示母线结点电压。这两种表示方法均比用线型的图形表 示电压更为直观。 在文献【3 4 】根据电力系统变电站断路器开关的实时信息，结合运行前的开关信息和 线路端点的测量信息进行电力系统拓扑的分析。 文献 3 5 】用建立的原始拓扑对应的矩阵通过变换的方法实现了电力系统网络拓扑 的实现。 文献【3 6 】介绍了组件技术会给电力系统软件应用系统带来的进步，组件接口开发的 方法。 文献 3 7 】介绍了图形化在电磁暂态仿真中的应用，图形化技术对仿真的重要作用。 文献 3 8 】提出将系统图的多窗口分级显示以解决系统图过大时的显示。 文献 3 9 】研究了增强电力系统人机接口画面的一些可以改进的方法，提高了电力系 统应用软件的方便性。 文献【4 0 】在一个数据库的基础上，开发了一个图形平台的软件，用图形化的方法 显示了在图形上建立的电力系统模型中潮流分布，暂态稳定，故障分析和调度分配等一 系列相关的问题。 总之，随着计算机软硬件条件的提高，可视化技术在电力系统中的应用取得了相当 大的进步。现在图形化分析平台不仅仅是计算结果可视化，而是从系统的设计出发，将 图形、数据及其内部连接关系统一于一个图形化的平台，即图形化的平台不仅仅是个输 出工具，更多的是其设计和分析过程的图形乃至多媒体展示。 4 华北电力大学硕士学位论文 1 3 当前图形系统的两个研究方向 ( 1 ) 组件技术的应用：随着电力系统图形化技术的不断发展，在一个电力企业 内部，往往同时存在着不同厂家开发的各种电力系统应用软件，如s c a d a 系统、 调度自动化系统、m i s 系统、地理信息系统、操作票智能生成系统等。在这些应用 软件中，经常要有界面友好的图形系统，它们是由不同的开发厂家分别独立开发， 虽然能满足各自的要求，但不能做到很好的系统集成，往往存在着功能重复设计， 即增加一个应用系统时，整个图形系统又要重复设计，重复开发等问题，这样极大 地浪费了开发人员的时间，增加了企业的负担【4 0 1 。 根据电力系统的实际情况，图形功能与电力系统软件上层应用是松耦合的，因 而图形模块可以独立分离出而自成体系，常称为图形系统，它是借助图形表达方式 直观、形象，表达效果贴切逼真、易于接受的特点，按电力系统图形符号标准并结 合工作人员常用习惯来描述电力系统的网络拓扑、元件形式以及各种电力系统数据 与信息的计算机应用平台。电力系统的结构表达，用图形直观的表示电网的地理分 布，厂站的接线形式，形成电力系统的网络拓扑结构。常用的图形如：电力系统地 理接线图、全网一次主接线图、阻抗图、保护配置图等。图形常手工绘制而成，也 可由从其它途经获取的元件及拓扑信息自动生成。配合图形，图形系统能够支持厂 站结线形式分析，电网结构的厂站分层显示，图形画面截取，图形打印与输出等应 用。 电力系统各种应用软件中，有很多功能，如：节点阻抗矩阵的形成，节点电压 的计算等都可以重用，而且，要把各种应用更稳定的集成结合起来，必须加强各种 软件之间的无缝接口的实现。而组件技术是基于二进制的功能模块，因此，组件图 形系统体系结构的研究对电力系统应用软件的进一步发展有着非常重要的意义。 ( 2 ) 通用信息模型( c i m ) 的应用：随着电力系统的发展和电力体制改革的深 化，为保证电网安全、优质和经济运行以及电力市场的有序运行，电力调度中心可 能同时运行有多个应用系统，例如能量管理系统( e m s ) 、电能量计量系统、调度生 产管理系统、配电管理系统( d m s ) 和电力市场技术支持系统等；每个系统中可能同 时包括了多个应用，例如e m s 包括s c a d a ，a g c ，网络分析和d t s 等应用。这 些系统或应用存在如下需求：( 1 ) 需要交换数据，共享信息，包括实时信息和非实时 信息两种；( 2 ) 来源于不同的开发商，需要异构和互操作；( 3 ) 需要不断扩展新的应用 或系统，并降低接口的难度和成本。为此，i e c 第5 7 技术委员会的1 3 工作组推出 了主站侧各应用系统接口的系列标准i e c6 1 9 7 0 ，以满足上述需求，其主要部分以 c i m 描述电网的公用信息、以c i s 访问电网的公用信息，其理想目标是实现“即插 即用，当前目标是解决互联和异构的问题。国内有文献从体系结构角度探讨了电 华北电力大学硕士学位论文 网调度自动化系统如何贯彻i e c6 1 9 7 0 标准【4 。 电力网络模型是进行电力系统分析和计算的基础，因此，建模的方式和模型的 结构对整个仿真系统的良好运行具有至关重要的作用。尽管目前大多数系统采用图 模一体化的思想建模，但是由于开发商的不同，模型和图形数据结构往往存在很大 差异，使得不同系统间的信息共享和实现某种程度的互操作变得非常困难。鉴于此， 国际电工技术委员会( i e c ) 在美国电力科学研究院( e p r i ) 的c c a p i 项目的基础上制 定了i e c 6 1 9 7 0 标准，目的就是使e m s 的应用软件组件化和开放化，能即插即用和 互连互通，从而降低系统集成成本和保护用户资源 4 2 1 。 1 4 本文的主要研究内容 本课题研究的是用组件对象的软件结构开发一个交互式的图形系统软件，用来 编辑电力系统的电气主接线图，并在电气主接线图的基础上完成电力系统接线分 析，然后完成该平台下的电力系统潮流计算软件。 通过研究通用信息模型c i m ，对电力系统的图形软件平台进行分析，设计一个 图形平台的体系结构；用c o m 技术实现图形平台，实现电力系统主接线的绘制， 在绘制的电气主接线图的基础上进行电力系统连接关系自动建立；最后实现潮流计 算功能模块。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章课题研究采用的相关技术 软件开发技术的发展经历了由功能分解法、结构化【4 3 】到面向对象【4 4 1 ，再到组件 技术这样的过程。软件开发技术的发展伴随的是人们对现实世界认识不断深入的过 程，其本质是软件重用思想不断深化的过程。重用技术可以分为三类：一般的软件 开发技术、应用领域的软件开发技术、产品的重用【4 5 1 。早期程序设计是以算法为核 心，软件开发过程基于功能分析和功能分解，随着高级语言的产生，程序设计也由 以计算为中心过度到了以数据为中心，采用结构化的程序设计方法。无论是功能分 解的程序设计法还是结构化的程序设计法，工作主要是围绕设计解题过程来进行， 我们称之为面向过程程序设计。随着认识的进一步加深，产生了面向对象的软件开 发技术，以封装，继承和多态性为标志的软件开发技术。面向对象在语言层面上通 过继承实现了软件的复用，节省了软件开发的时间，同时也拓宽了人们开发的视野。 其后在更高的层面上出现与语言无关跨平台的组件技术。组件技术的出现，极大的 简化了软件的编程，降低了软件开发和维护的难度，以前所未有的方式提高了软件 产业的生产效率。 2 1 面向对象编程方法 自8 0 年代末期到9 0 年代，面向对象的方法和技术向着软件生命期的前期阶段 发展。即：人们对面向对象方法的研究与运用，不再局限于编程阶段，而是从系统 分析和系统设计阶段就开始采用面向对象方法。这标志着面向对象方法已经发展成 一种完整的方法论和系统化技术体系。 面向对象开发思想始于上世纪8 0 年代，面向对象思想是基于对象进行功能分 解。通过对应用领域的问题空间对象直接建模，比较自然地模拟人类认识客观世界 的方式，然后将问题空间同态映射到模型空间。这是一种基于问题对象的自底向上 的开发方法，它强调从内部结构去模拟客观世界，从而使软件易于使用，易于理解， 易于维护和重用。 面向对象开发思想使开发人员摆脱了具体的数据格式和过程的束缚，可以集中 精力去研究所要处理的对象。而且数据抽象和信息隐蔽等机理使得对象的内部实现 与外界隔离，构成比较理想的可重用的软件成份。继承性是面向对象开发思想的重 大特征。面向对象开发思想通过将客观世界中的各种对象进行分类与合并等方法认 识世界，每个具体的对象都是在它所需要的某一类对象的层次结构中占据一定的位 置，下一层次的对象具有上层对象的某些属性，即相关类具有继承性。面向对象 开发思想的继承性允许自然地共享基类、子类和对象中的方法和数据。这是软件重 7 华北电力大学硕士学位论文 用技术的一种体现，同时又可以最大限度地精简程序，减少冗余代码，提高代码质 量。大量代码的继承可提高开发效率，降低开发费用。 面向对象程序设计方法模拟人类习惯的解题方法，软件开发过程始终围绕着建 立问题领域的对象模型来进行。面向对象技术主要有以下三个优势：第一，提高了 软件的生产率，主要是通过重用己定义的类的逻辑来体现；其次，改善了质量，这 是由于面向对象程序的结构相对简单，并且提供了更多的单元测试的机会；第三， 良好的适应性，这是由于改变个别的对象的结构和行为不会影响到系统中其它的对 象【4 6 1 。面向对象技术的产生大大提高了软件开发的速度，同时也增强了软件的可靠 性以及可维护性。但是面向对象程序设计方法在软件复用上还存在着较大的局限， 体现在语言约束性、类库级别上的重用等方面。 面向对象的设计是把一组相互无联系的对象有效地集成在一起的方法，这些对 象都是把数据结构和行为紧密结合在一起的。这与传统的程序设计将数据结构 与行为松散连接的模式完全不同。它应用于许多技术领域，包括硬件、编程语 言、数据库、用户接口和软件工程。软件开发的面向对象方法超越了过程方法。 面向对象技术之所以能够如此迅速地发展，走向实用，并渗透到软硬件的各个 领域，关键在于其看待现实世界的方式和现实世界的组织方式是一致的，它能够直 接将问题域的结构映射到系统模型中。同时，面向对象从一开始就支持软件重用， 这一点也为它的发展奠定了基础，因为重用直接导致开发成本的降低，软件质量的 提高。另外，由于对象本身所具有的“自治一特点，使得面向对象系统的可扩展性 和可维护性大大提高。 ( 1 ) 面向对象基本概念 下面简要介绍一下面向对象中最重要的几个概念：类与对象、继承和多态性。 类和对象( c l 硒sa n do b j e c t ) ：面向对象方法认为，类是一个封装了数据抽象 和过程抽象的单元，该单元能够描述现实世界客观实体的状态和行为。其中数据抽 象( 可称为属性) 描述类的数据属性，过程抽象( 方法、操作或服务) 描述类的动 作属性。类的属性赋予了类状态保持的能力，这就使得类能够。生存下去 ；同时 类的操作使类能够主动变化，实现状态变迁，这样类就又获得了“发展 的能力。 正因为有这样的两大能力，类才能够胜任描述任何客观世界中的有机实体。 继承( i n h e r i t 锄c e ) ：在现实世界中大量的实体都存在一定程度的相似性。这种 相似性可能表现在实体的外形上，也可能表现在实体的行为和内在特性上。人们总 是希望能够最大程度地利用种种相似性来简化工作，并重用以前的工作，面向对象 利用继承来表达这种相似性。而且，继承也刻画了类的一般性和特殊性，被继承的 类可称为父类或超类，继承的类可称为子类。继承这种机制使得类的描述具有了层 华北电力大学硕士学位论文 次结构，处于同层次结构中的类共享顶层类所定义的属性和操作。 多态性( p o l m o 印h i s m ) ：多态性是指对象的某个行为具有多种形态的特性。行 为的多种形态封装在对象内部，外界并不知道，一个行为的多种形态从外界看来具 有相同的行为名称。具体应该执行哪些形态由对象自己根据接收到的消息里的相关 参数决定。由此可见，多态性表明消息由接收者进行解释，不由发送者解释。它使 得面向对象系统具有良好的可维护性和扩展性。 ( 2 ) 面向对象思想在理论上主要包括三部分：面向对象分析、面向对象设计、 面向对象编程【4 引。 面向对象分析( o b j e c t0 r i e i l t e da n a l y s i s 一0 0 a ) ：面向对象分析一般按照五个 步骤进行，标识对象、标识结构、标识主题、定义属性、定义服务。对象的定义应 该从问题域空间、文字资料和图片资料等入手。结构表示了问题域空间的复杂性。 主题可以用来控制模型规模的复杂度，它提供了一个控制读者在一个时间内能考虑 和理解模型的多少部分的机制。 面向对象设计( o b j e c t0 r i e n t e dd e s i 弘一o o d ) ：面向对象设计就是四个部分， 设计人机交互部分，设计问题域部分，设计任务管理部分和设计数据管理部分。人 机交互部分突出人如何命令系统及系统如何向用户提交信息。设计问题域部分实质 上是o o a 工作的进一步延伸，在其工作基础上进行。设计问题域部分与面向对象 分析并没有严格的分界线，因此实际上可以把0 0 a 理解成为o o d 的一个部分， 这种分析和设计之间的无缝连接更真实地反映了开发活动的本质。任务管理部分用 来管理任务的运行、交互等。数据管理部分的设计既包括数据存放方法的设计，又 包括相应服务的设计。 面向对象编程( o b j e c to e n t e dp r o 孕a m m i n g o o p ) ：以面向对象的观点看来， 程序是对象的集合。这些对象知道如何交互作用以实现程序的设计目标。o o p 用识 别现实世界中可能存在，也可能不存在项的方法，仿照现实世界制作程序。由于对 象包含数据和对数据执行操作的函数两者，所以o o p 使得大而复杂的编程方案便 于设计、维护和修改，比过程式程序设计方法更快、更好地生成代码，而不会引起 使用过程式编程技术产生的混乱。 ( 3 ) 面向对象技术对电力系统的影响 2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初，面向对象技术的软件开发日臻成熟，面向对 象的程序设计是用现实世界描述对象的方法来描述软件问题的，它把一个复杂的事 物分解为一个个相对独立的“对象”，再把这些“对象组合起来完成复杂的功能。 而在电力系统软件设计中最为关键的步骤就是进行系统建模。整个系统的开发都是 围绕所建立的面向对象模型进行的，模型的好坏直接影响到整个系统的性能、灵活 9 华北电力大学硕士学位论文 性、可维护性。因此，自从面向对象技术被引入到电力系统应用软件开发中以来， 电力系统面向对象的建模就一直是电力科技工作者研究的热点问题。面向对象技术 在电力系统软件开发中的应用，主要集中在以下几个方面- 电力系统应用软件的图 形用户界面、电力系统数据库、分析层应用程序、专家系统等。 文献【3 l 将用于电力系统的应用程序分为稳态分析，动态分析和实时决策自动控 制这三种类型。 2 2 组件技术的应用 随着计算机在电力系统各个领域中的广泛应用，人们越来越多地使用图形化用 户界面( g u i ) ，用户界面的友好性就成为评价软件的一个重要方面。到目前，在电力 系统应用软件中，出现了许多能满足特定要求的图形系统，应用于各种场合，例如： 微机电力系统操作票生成系统；s c a d a 系统；电力系统培训员仿真( d t s ) ；地理信 息系统( g i s ) ：电力系统实时监控系统等，。它们虽然能适应各自的要求，效果良好， 但是毕竟软件要求各不相同，在开发不同领域的软件时，整个图形子系统往往需要 重新设计、开发，因此如何减少图形子系统的重复开发，增强其复用性是一个急需 解决的课题。微软公司推出的c o m d c o m 标准为这一领域提供了新的解决思路【2 3 1 。 组件对象模型( c o m ) 技术是继模块化、结构化和面向对象开发方法之后发展起 来的又一新的软件开发方法。将原来铁板一块的应用程序拆分成组件( c o m p o n e n t ) ， 从而实现像搭“积木 一样，将组件“装配 起来完成新的应用程序的开发，这就 是c o m 技术的真正意义所在【4 9 1 。组件对象模型概念的提出，使得软件复用在最大 程度上得以实现。值得强调的是c o m 技术与面向对象的编程语言不同，它采用的 是一种二进制代码级的标准，而不是源代码级的标准，这使得软件复用不再仅限于 一种编程语言、一个操作系统。 组件技术亦可理解为“基于对象”的编程技术，它与软件业看好多年的面向对 象技术有着深厚渊源，却又有着本质的区别。众所周知，面向对象技术使软件开发 人员能够重用基于支持面向对象技术的语言( 如c + + ) 实现的代码，创建类的多个实 例：但是，这种复用是局限于同种语言的，对于使用不同语言的编程人员间的合作 与代码共享，面向对象技术却无能为力。面对客户提出的新要求、应用的新环境或 研发的新进展，很多代码失去生命力。组件技术应运而生，通过接口与实现的分离， 使得代码完全走向市场，程序员不必花费时间重复许多人都己做过的工作，集中精 力于新功能的实现，甚至不需编写任何代码，即可组装功能完善的大型应用。正如 p c 厂商完全可以通过购买各种组件组装性能优良的p c 机，而无需自己生产所有组 件，亦不必关心组件的材质、构造等内部细节，只需组件具有所需的功能；当市场 有新的需求时，各组件厂商亦可提供新的组件或给原有组件增加新的功能，且继续 i o 华北电力大学硕士学位论文 提供原有的配件，既支持新用户，又不影响老客户。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件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 eg r o u p ) 组织推 出的c o r b a ( c o h l i i l 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 ) 公共对象请求代理结构； 其二为s u n 公司推出的j a 、，a b e a n s 标准；其三也就是本文详细讨论的由微软推出 的c o m d c o m ( c o i 姗o no b j e c tm o d e l d i s t i i i b u t e dc o m m o no b j e c tm o d e l ) 组件对象 模型。 组件软件的产生是计算机应用推广普及和软件技术发展的必然结果。当面临现 代软件带来的巨大挑战时，开发人员尝试了各种可能的方法来解决面临的问题。但 传统编程模式存在种种缺陷，甚至长期以来人们所依赖的面向对象方法也显得无能 为力，这时组件化的程序设计方法粉墨登场。 组件化程序设计方法的思想是将复杂的应用程序设计成一些小的、功能相对单 的组件模块，组件之间可以跨进程、跨机器、跨语言甚至跨操作平台进行通信。 要实现这样的应用软件，组件程序间必须遵循严格的规范，整个软件应用系统才能 正常运行。c o m 正是微软提出的组件之间进行通讯的标准【2 5 1 。 组件化技术是将单独的、庞大的、复杂的应用程序分成多个模块，但这里的模 块不再是简单的代码集，而是自给自足的组件。这些组件模块可运行在同一机器上， 也可运行在局域网、广域网甚至i n t e m e t 上的不同机器上，原则上具有一般组件的 “即插即用一特性。要实现可重用的组件，关键是要能定义软件中可以重用的部分， 且每一部分都有其特定的界面和所提供的功能并尽可能地符合系统的应用逻辑和 业务要求。 ( 1 ) c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 组件介绍 目前，组件技术主要有以下三个比较有影响的规范：o m g 起草与颁布的 c o b a r ，微软公司推出的c o m d c o m c o m + ，s u n 发表的j a v a b e a n s 。由于 、i n d o w s 操作系统的流行，c o m d c o m c o m + 组件技术深受程序员偏爱，目前已 有不少系统基于此项技术。 c o m 是m i c r o s o r 公司推出的开放式组件标准。在c o m 组件中，应用程序 不是通过a p i 函数进行操纵的。程序是由对象组成的，对象向外提供一个或多个 接口。接口是一组相关的函数，函数操作它们所属的对象。不能直接访问对象中的 数据，而只能通过对象的接口函数访问。c o m 组件是以w i n 3 2 动他态链接库( d l l ) 或可执行文件( e x e ) 的形式发布的可执行代码组成的。遵循c o m 规范编写的组件 将能够满足对组件架构的所有要求。 c o m 组件是动态链接的，c o m 使用d l l 将组件动态链接起来。而动态链接 华北电力大学硕士学位论文 本身并不能满足对于组件架构的要求，因此为满足这些要求，组件还必须具有封装 性。实现c o m 组件的封装是很容易的，这是因为它们能够满足下面的一些限制条 件： a c o m 组件是完全与语言无关的。任何过程性语言，从a d a 到c 到j a v a 到 m o d u l a 3 到0 b e r o n 到p a s c a l 均可用来开发组件，并且可以修改任何一种语言使 它能够使用组件，如s m a l l t a l k 到s u “b a s i c 等。并且也有办法编写出能够被宏 语言使用的组件。c o m 定义了种访问软件服务的通用方法，它能够跨越链接库、 应用程序、系统软件甚至网络。 b c o m 组件可以以二进制的形式发布。它定义了一个对象必须支持的二进制 界面，开发者可以使用不同的语言来编写支持该界面的c o m 的对象和调用该对象 的客户。 c c o m 组件可以在不妨碍老客户的情况下被升级。c o m 提供了一种实现同 一组件的不同版本的标准方法，这项功能使得在有新功能的新版本软件替换旧版本 时，不必更改已有的客户程序，因为c o m 对象具有支持多个界面的能力，新增功 能时可用添加新界面的形式来实现，因而可不修改原有的界面，这样已有的客户程 序就不会受影响。 d c o m 组件可以透明地在网络上被重新分配位置。对远程机器上的组件向对 本地机器上的组件的处理方式没有什么差别。 e c o m 组件按照一种标准的方式来宣布它们的存在。使用c o m 的发布方 案，客户可以动态地找到它所需要的组件。 f c o m 组件是一种给其他应用提供面向对象的a p i 或服务的极好方法。对于 可用于快速构造应用的、与语言无关的组件库的建立，c o m 组件也是不在话下。 ( 2 ) c o m 组件设计方式对电力系统软件开发的作用 在电力系统以往应用软件的设计和实现采用了许多软件技术，如模块化、面向 对象方法等，但仅基于这些技术之上的软件开发仍然存在重复劳动多、开发周期长、 维护困难等问题并随着后续应用功能的不断提出而日渐突出。通过复用技术的使用 将很好地解决这些问题，使效率和质量得以提高。而c o m 技术正是复用技术里面 应用最为广泛的技术之一。基于组件技术思想的设计方式为开发具有开放式、分布 式的图形平台系统提供强大的支持。它使得图形系统在进行功能升级时，开发者无 需重新编写已有代码，利用组件化的技术与思想，可以通过创建可重用组件，来简 化软件设计工作，提高软件的灵活性。而近几年来，基于组件技术的图形系统研究 也得以充分开展。 文献 2 3 】讨论了利用c o m 技术能够提高图形系统在开发时最大程度上实现软 1 2 华北电力大学硕士学位论文 件复用，并给出了电力系统倒闸操作票系统的开发实例。文献【5 0 】介绍了应用组件技 术和动态链接库的方法，实现了基于图形界面的电力系统结线分析、潮流计算和故 障计算等电力系统基础计算功能。而文献【5 l 】提出了采用组件对象技术开发电力系统 实时图形系统的方法，并实现了图形的绘制、图形编辑和图形状态的实时控制等。 因此，运用c o m 技术对软件进行设计与在程序结构上的封装，将使图形通用平台 的性能在复用性、扩展性上得到极大的提高。 2 3c i m 标准的介绍 电力企业信息化发展至今，各个厂家根据不同的需求已经建立了很多应用系 统。但这些系统中的数据格式一般是各厂家私有的，数据模型彼此互不兼容，所以 经常会导致不同系统间的数据无法直接进行交互，形成“信息孤岛。对于用户而 言，他们所面临的问题则是需要不停地在系统间切换，重复录入数据，增加了多余 工作量，造成工作效率的低下。 为了解决这些问题，实现电力系统信息一体化，国际电工委员会( i e c ) 第5 7 技 术委员会( t c 5 7 ) 提出了i e c6 1 9 7 0 系列的有关标准，经过多年的调整与修改，逐步 形成了比较清晰的轮廓【5 2 】。i e c6 1 9 7 0 系列标准描述了能量管理系统的接口，其中 3 0 1 部分定义的电力系统通用信息模型c i m ( c o m m o ni n f 0 咖a t i o nm o d e l ) ，提供了 与平台无关的统一的电力系统逻辑视图描述，是一个代表电力企业所有主要对象的 抽象模型，并包含了这些对象的公有类和属性，以及它们之间的关系。它是调度自 动化系统集成、异构和互操作的基础性标准。遵循i e c 6 1 9 7 0 系列的c l m 标准进行 公共信息模型实例数据的交互，可以大大增强系统的开放性，使不同e m s 系统的 模型数据做到互通【5 2 】【5 3 1 。目前，c i m 己被3 0 多个电力企业所接受，2 9 家开发商可 以提供3 3 种基于c i m 的应用，c i m 还被其它标准化组织所认可和应用，它的各个 包之间的关系如下图2 1 所示。 图2 1c i m 标准的包图 1 3 华北电力大学硕士学位论文 近年来，研究和应用i e c 6 1 9 7 0 系列标准一直是国内外调度自动化技术的热点。 我国从1 9 9 9 年开始就对该系列标准进行跟踪，自2 0 0 2 年1 月起先后进行了四次互 操作实验，前三次是专门针对c i m 的，这三次实验成功验证了异构系统间基于c i m 标准的数据交换的可行性和正确性【2 6 1 。那么，在以后的一段时间里，可以说在重新 开发的电力信息系统中使用c i m 建模是一个必然的发展趋势，到那时，不同系统之 间只需要传输数据，而无须再进行模型的转换了。本文就在这一方面做了初步尝试， 把c i m 引入到了交互式电力图形系统图元模型的建立过程中，为后续的数据交换应 用奠定良好的基础。 根据文献【5 2 的观点，新一代电网调度自动化系统的开发分三个步骤进行：第 一步先利用现有e m s 系统进行数据的导入导出，形成一批导入导出工具产品： 第二步是在此基础上进行不同厂家的互操作实验，在现有平台上实现数据共享，形 成一批初期产品：第三步再对现有e m s 系统进行彻底改造，重新开发支撑平台， 重新编写应用软件，真正形成新一代调度自动化系统。但是无论处于哪个阶段，c i m 都是贯穿始终的红线。 电网调度自动化系统是实时与非实时、控制与非控制、同构与异构、紧耦合与 松耦合交织的集成系统，在满足实时性和安全性的前提下，推行标准化、提高开放 性以及实现资源共享十分重要。支撑平台是系统的基础，包括数据库管理、图形管 理、网络管理和系统管理等公用服务工具。其中，数据库管理又包括实时数据库管 理和商用数据库管理两部分。实时数据库管理是支撑平台乃至整个系统的核心内 容，系统的体系结构、数据组织、集成方案以及实时性、开放性、安全性和分布性 等性能指标很大程度上取决于实时数据库管理系统。文献 5 3 】开发了遵循i e c6 1 9 7 0 标准的实时数据库管理系统。 2 4c i m 标准和面向对象编程方法的结合 面向对象方法是基于客观世界的对象模型化的软件开发方法，对象是一个属性 集( 数据) 及其操作( 行为) 的封装体。封装性、继承性和多态性是面向对象的三 个基本特征。根据面向对象的继承、封装和多态性的特点，把电力元件类中具有相 同操作的方法在它们的基类中定义一个虚函数，而方法的实现在具体的电力元件类 中实现，调用基类的指针通