（电力系统及其自动化专业论文）电力系统通用图形平台功能分析与技术研究.pdf

ii abstract with the development of computer science and power industry, the graphic technology has become an indivisible part in power system applications. firstly, the thesis introduces the process of developing of computer graphics and visualization technologies and summarizes the current software developed for graphical technology in power system. then, it points out several disadvantages in the existing software, such as lack of diversity in the display style, lack of currency and updating or maintaining difficultly as well. to solve these problems, this thesis develops the research to graphic functions and common graphic platform. in the aspect of graphic functions, this thesis analysed three different graphic application mode in data display, operation process and network topology construction. the summary for graphics application appropriate for power grid information is made, followed by the specific demands during designing in real time processing，analyzing and calculating，information management，simulation and emulation of power system. as for graphic technologies, the significance of common graphic platform applicable to power system automation is illustrated. the key technologies for platform construction are analysed at the same time. afterwards present the solutions for difficulties in multi-graphics display which are separating the data for graphics displaying from the data for computation, and in power mains diagram automation which can be solved by defining the rule base formed by the experiences of experts. these two matters are significant to the application brought forward. based on the above researches, an open, transplantable and powerful common graphic platform is developed on the concept of object-oriented and component object model technology. after the detailed analysis of the main structure, object design and functional division of the platform, the structure designing and operating environment of the relational iii database management system is described. at the end of this thesis, the relevant computer technologies which can be applied in the graphic system of power system are discussed which is expected to furnish thorough application with directions and suggestions. keywords: power system, common graphic platform, multi-graphics display automatic drawing, object-oriented 1 1 绪绪 论论 1.1 可视化技术与计算机图形学的发展历史可视化技术与计算机图形学的发展历史 1.1.1 可视化技术介绍 图形的描述、处理与应用是计算机可视化技术的主要方面。可视化技术是近些年 随着计算机软、 硬件技术的迅速发展而产生的应用技术。 它融合了图形学、 图象处理、 数据管理、计算机网络和其它相关领域的技术，目的在于解决巨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，体现数据分析的高效性和直观性，所以在多 个科学与工程领域得到了广泛应用。电力系统作为一个复杂的大系统，应用可视化技 术将有助于电力系统的研究和发展， 基于图形化的数据分析与处理是可视化技术在电 力系统中运用的主要内容。 可视化技术的研究起源于 1987 年 2 月，b.h.mccormick 等人承担美国国家科学 基金会（the national science foundationnsf）项目的一个研究报告，在报告中他们 提出了科学计算的可视化（visualization in scientific computingvisc）问题1。这个 观点的提出引起了学界与工程界的巨大反响， 短短十几年科学计算的可视化就获得了 十分迅速地发展，成为一个非常热门的研究方向。美国的几个大型国家实验所、超级 计算机中心及美国国家宇航局，美国空军、海军的研究中心等都设立了专门的实验室 来研究可视化应用技术，德国和日本等国家也紧随其后，争相投入大量的人力、财力 进行开发研究。 可视化的基本含意是将科学计算中产生的大量非直观的、 抽象的或者不可见的数 据，借助计算机图形学和图像处理等技术，用几何图形和色彩、纹理、透明度、对比 度及动画技术等手段，以图形图像信息的形式，直观、形象地表达出来，并进行交互 处理。它融合了计算机技术中的多个分支图形学、图像处理、数据管理、网络技 术、人机界面，并和相关的应用科学领域相结合，利用现代计算机强大的计算和图形 处理能力，迅速处理大量数据并以直观的方式而不是以冗长的数据列表形式表现出 2 来，从而便于深入洞察试验或仿真数据，捕捉它们之间的内在关系和提高信息的利用 效率。作为研究工具，它提供了对数据和模型的操纵能力，研究者能够方便地调整科 学模型和参数，使它们迅速逼近物理真实。可视化技术已成为现代科学发现和工程设 计以及决策的强有力的工具。 可视化技术的关键之处就是以图形、 图像作为人机交互的操作媒介来直观地处理 数据，目前基于图形界面的应用软件在各行各业都有了广泛的应用。作为计算机技术 的综合应用，它集合了科学数据与模型的管理与表示、数据处理、科学过程仿真等功 能于一体，是辅助科学研究及工程应用的有力手段，使得人们在科学研究中能更多专 注于创造性的思维活动，进而提高科学研究的效率。其应用从医学图像到遥控图像， 从工业检测到文件处理，从毫微米技术到多媒体数据库，不一而足。可以说，需要人 类视觉的场合几乎都需要可视化技术。因此，将可视化技术应用在电力系统中，将对 电力工业的进步与发展起到重要的作用。 1.1.2 计算机图形学简介 计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形， 并在专用显示设备上显示的 原理、方法和技术的学科。它在可视化技术中占有重要的地位，它的发展也是随着计 算机及其外围设备功能的不断加强而产生的，是近代计算机科学与雷达、电视及图象 处理技术的发展相结合的产物。 在各行业中的普遍应用又推动了这门学科的进一步发 展， 促使它不断解决应用中提出的各类新课题， 从而充实和丰富了这门学科的内容2。 目前计算机图形学已经广泛应用到工程技术与社会生活的各个领域，如机械、电力、 电子、建筑、船舶制造、航空航天、交通运输、文化教育等。 1950 年，世界上第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（mit）旋风 i 号计算 机的附件诞生，crt 的出现为计算机生成和显示图形提供了可能。50 年代末期，mit 林肯实验室，在 whirlwind 上开发了 sage 空中防御系统，通过光笔在屏幕上指点的 方式与系统进行交互，标志着交互式图形技术的诞生。 1962 年 mit 林肯实验室的 ivan.e.sutherland 发表了一篇题为“sketchpad：一个 人机通信的图形系统”的博士论文，他在论文中首次使用了计算机图形学（computer graphics）这个术语，并证明了交互式计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域， 3 确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。到了 60 年代，mit、bell lab、通用汽车公司、剑桥大学开始展开大规模的计算机图形学的研究。70 年代图形 学技术进入到实用化阶段。 与此同时，廉价的集成电路使基于电视技术的光柵图形成为可能，软件算法也随 之产生。1971 年 gourand 提出“漫反射模型插值”的思想，被称为 gourand 明暗处 理。 1975 年 phong 提出了著名的简单光照模型phong 模型和真实感图形学及实体造 型技术的概念。 进入 80 年代后，出现了高分辨率、大尺寸、彩色显示设备和各种输入设备，软 件开发与管理也逐步向标准化趋势发展， 出现了与设备无关的驱动程序和各种图形软 件包。whitted 提出了光透视模型，第一次给出光线跟踪算法的范例。1984 年，辐射 度方法引入计算机图形学中，成功模拟理想漫反射表面间的多重漫反射效果。光线跟 踪算法和辐射度算法的提出，标志着真实感图形的显示算法已逐渐成熟。从 90 年代 以后至今，计算机图形学的应用开始急速膨胀，出现了许多功能强大的图形软件、基 于图形的设备、和图形工作站等，并出现了 3d 真实场景模拟和虚拟现实技术。 如今，计算机图形学的发展依然在向前快速推进，研究与应用的方向也越来越广 泛。在图形显示与输入设备，图形支撑环境的标准化，交互技术的精确度、易用性、 效率，图形的快速生成算法，几何造型与实体造型，真实效果绘制，动画技术、虚拟 现实技术等计算机图形学的各个研究领域都有成果接连不断地涌现， 并迅速得以实用 化。通过与计算机网络技术的紧密结合，又拓展了对远程医疗与诊断，远程导航与维 修，远程教育等新兴学科的研究。可以说，现在计算机图形学已经渗透到人们生产、 生活、娱乐、消费的各个方面，没有哪个领域可以声称无法从计算机图形学的应用中 获益，也没有哪个领域能离得开计算机图形学技术的支持。 1.2 电力系统图形技术的应用电力系统图形技术的应用 可视化技术与计算机图形学在电力工业中有着广泛的应用， 基于图形界面对数据 和网络拓扑进行分析处理以及操作管理是其中一个重要的方向， 已经开展了许多的研 究工作。 4 从 70 年代开始，利用计算机技术提高电力系统中各方面工作效率的研究就一直 受到了广泛重视。先后出现了许多用于分析计算、模拟仿真、采集控制的软件，并在 电力系统的各个部门、专业得到了深入的应用。电力科学作为一门工程科学，现在正 面临着这样的问题：电力系统的发展趋势是大系统、全国性的大联网，而数据采集能 力的进步使上传到系统调度控制中心的数据在数量与类型上变得较以往丰富得多， 这 是电力工业发展的必然结果，也是必须面对与解决的问题，它标志着行业的进步，但 也造成了运行调度人员需要处理数据的规模日益庞大， 维护电网结构的工作也逐步增 多；数据量大，复杂性高，变化频繁，这也影响到软件的数据表达效率，可能导致信 息过载并致使系统处理失当。 将图形技术引入到电力系统的软件开发中，建立和维护电力系统网络拓扑，通过 图形界面分析和表达数据，对解决电网数据信息不断增多，拓扑结构经常变化的问题 可以起到很大的作用。较早就有文献提出，充分利用人的图形感知能力，用图形表达 电力系统信息，可以大大提高对电力系统运行状态的理解3。文献3讨论了用图形来 表达数据的若干原则，并给出了电力系统运行状态图形化表示的实现方案。在此基础 上， 文献4将图形手段用于静态安全评估， 在单线图上表示故障的严重性和元件的脆 弱性，使系统的整体安全状况得到直观的反映。这两篇文献尝试利用科学计算图形化 手段来解决电力系统中信息表达问题，给出的实例表明，图形方法在大量信息的抽象 综合、系统总体状况表示方面有很大的优势。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， 为利用图形代替传统的数字方式来加深对信息的处理做出了 贡献5 8。 到了 90 年代初，一大批基于图形技术的软件已经在实际工作中被使用。如：美 国 oti 公司的 etap powerstation、加拿大的 pscad/emtdc、national instruments 公司推出的 labview 等等。国内开发的有：南京自动化研究所研制开发的 open2000 和东方电子研制开发的 df1700、df8003 等，以及各种科研院所，企业为了特定的目 的所开发的一些基于图形化界面的应用软件。 从 90 年代至现在，电力系统计算机应用水平不断提高。现代电力系统无论是在 规模和复杂程度上都较以往有了很大程度的增长， 这对软件的设计与开发提出了更高 5 和更加严格的要求， 软件需要具备更为强大全面的功能来保证电力系统的正常运行并 不断推动电力系统的发展。因此，图形化应用在原有的基础上又得到了发展，解决了 一些问题，如：电网图简单分层分区的实现，电网网络拓扑的建立等，但是在数据的 处理和共享上，依然有着不少问题急待解决。而且随着软件在电力系统中各个领域更 深入广泛的应用， 用户的需求也逐步向着更细致、 全面的方向发展， 不仅要求可靠性， 还要求实用性、经济性以及便于维护升级，于是原有开发的许多软件受开发时技术及 需求不足的限制， 在后续的软件升级与功能的完善、 增补过程中暴露出一些新的问题： (1) 软件结构不合理，不易移植。各类软件受自身特定应用需求的限制，在搭建 软件框架时，考虑到技术、时间等各方面因素的限制，往往只做到符合当时的需求， 采用了成熟却相对保守的开发技术。因而随着应用的深入，软件在功能扩展时，就受 到框架的限制，对软件的可持续发展造成了很大影响，复用性较差，难以与其它软件 集成，以致最终不得不重新设计开发。 (2) 软件设计方法有差异，适用性不强。由于软件种类较多，对于同样的问题， 解决所运用的方法也会有不同。如：对于电力系统网络拓扑图形化来说，有采用先建 立网络图形，再定义拓扑关系，将图形与拓扑分离的方法；也有将图形与拓扑集为一 体，同时建立并对应一致的方法。两种方法各有适应的应用，前一方法便于图形表示 的多样化，但拓扑的建立、修改操作略为复杂，后一方法拓扑形成迅速，但拓扑结构 相对固定，不易用多个图形表达同一拓扑。因此，由于基本设计方法的不同，进而影 响了软件的应用范围。 (3) 图形显示功能单一，存在局限性。图形化系统通常应该能够绘制各种各样的 图形，包括系统电气地理接线图，系统一次主接线图，保护配置图，定值配合图，阻 抗图（序网图）等，而现有软件往往图形绘制种类单一，显示方式较少，图形之间也 通常没有相应的联系，不能满足用户的需求。 (4) 数据管理及表达功能不强，历史数据考虑不足，数据难以共享。数据在归总、 分析和分类后，需要软件集成统一管理，但现有软件应用的专业性强，对数据的取舍 不同，存储与管理的方式不一致，使得数据之间缺乏流通性，无法共享；其次，数据 经过分析处理后，需要在图形界面上加以表达，现有软件通常只能显示图形或固定的 6 重要数据，用户无法自主选择显示内容。因此，软件在表现形式的多样性与表达内容 的丰富性上还较为不足。 (5) 图形编辑能力不强，缺乏高级功能。现有不少软件的图形输入途径有限，绘 制方式复杂繁琐。与 autocad 等通用图形软件相比，在功能的完善性与可靠性的处 理上，存在不少差距。作为符合电力系统操作惯例的专业应用软件，图形化界面还需 向着更合理，更友好，更人性化的方向发展。 由此可见，随着需求的发展，应用的深入，基于图形界面的软件系统的规模将越 来越庞大，结构越来越复杂，其功能也要求更为强大丰富，实用有效。应用面向对象 技术，com 技术和软件工程思想，解决上文提到的电力系统软件中的问题是完全可 能的。构造实现一个电力系统通用图形平台，将会为解决目前电力系统图形软件进一 步发展所遇到的问题开辟新的坦途，用良好的架构，通用的平台，强大的复用扩展能 力，从而对基于图形应用的电力工业软件能力的提高发挥重要的作用。 当然，随着数字电力系统（digital power systemdps）概念 9的提出和 internet 技术的迅猛发展，以及计算机图形学、多媒体技术和计算机其它相关技术 的推动，未来对电力系统各类软件还会提出更新更高的要求。基于图形界面的浏览式 数据处理与操作的工作模式将取代现有的单机或者客户/服务器的工作模式，在网络 环境下的图形技术的应用现在已经成为了重要的研究对象，并取得了阶段性的成果， 但主要还是用于信息的发布与简单的数据传输，软件交互的能力还比较弱，还不能完 全取代现有的单机或者客户/服务器模式下工作的软件1011。 1.3 本文所做工作本文所做工作 图形技术在电力系统软件中的应用， 是理论问题与工程实际紧密结合的一个研究 方向， 在电力系统实际工程应用中可以发挥极大的作用。 虽然开展了大量的研究工作， 但仍然存在许多未解决的问题，需要进行更进一步的理论研究和探索。本文所做工作 包括以下几个方面：电力系统图形应用现状的分析，图形应用的关键技术问题研究， 电力系统通用图形平台系统的设计及实例介绍。此外，还对有可能在电力系统未来图 形系统中得到应用的计算机技术进行了探讨。 7 在论文的结构安排上，共分为六章，各章的主要内容介绍如下： 第二章对图形技术在电力系统中的应用现状进行了概括， 仔细分析了图形技术在 电力系统中的三种不同应用方式，总结了电网信息中应用图形来表达的主要内容，并 结合工程实际讨论了不同应用下的具体要求， 从而为图形平台的设计实现提供需求及 功能上的指导。 第三章讨论了影响图形平台性能及适用范围的基础支持技术的内容， 提出了图形 显示与计算分离的多层模式方法，解决了网络拓扑多图分层显示中存在的问题；提出 了专家绘图经验规则库方法，实现了电力系统主接线图的自动生成。它们对实际工程 的应用都有着重要的意义。 第四章简要介绍了面向对象与组件化技术的相关概念和开发方法， 在此基础上设 计开发了适用于电力系统实际应用的图形平台系统， 并介绍了平台的结构和各个对象 的功能， 随后对平台中所使用的关系型数据库的结构框架与操作接口做了详细的分析 工作。 第五章对电力系统中与图形应用关系较为密切的计算机技术进行了介绍并初步 探讨了其对图形应用所产生的影响，从而给图形应用在今后的发展提供建议与指导。 最后一章对本文的工作进行了小结，概述了本文的重要结论，并展望了下一步将 要开展的工作。 8 2 电力系统图形化应用分析电力系统图形化应用分析 2.1 引言引言 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。将 图形技术引入到电力系统高级应用软件中能够很好地解决这个问题， 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。 针对现在电力系统中的各种图形应用， 本章将对图形技术在电力系统中的应用特 征与功能设计进行细致的分析，对电网信息中应用图形来表达的主要内容加以概括， 并就其在实际工程中的应用情况进行探讨。 2.2 图形化应用方式图形化应用方式 2.2.1 概述 计算机在一开始是作为计算与分析的工具， 开发应用的软件也主要是给科研人员 使用，往往有着很强的数学逻辑计算功能，但操作界面却很简单，用户也常常忽略软 件界面的友好性。当时对程序的认识尚停留在是用于计算或分析的思想，程序的易用 性与可操作性没有得到重视。随着应用的增多，软件技术的发展，人们的观念渐渐改 变，意识到良好的人机交互界面（man machine interfacemmi）将有助于工作效率 的提高，值得投入时间与精力在界面的设计和实现上。方便的人机界面可以直观地显 示操作过程并有助于数据分析与处理，节省工作人员的大量时间，提高其工作效率。 现在，图形在电力系统中的应用，从最初在 ems 系统中实现对电力系统的图形 化实时监控，到目前各类电力系统分析计算系统、规划预测系统、信息管理系统、模 9 拟仿真系统等。其实现方式各不相同，有完全独立开发的图形模块，也有基于 gis 图 形平台等基础上的应用；有采用基于文件的图形数据存储方式，也有采用关系数据库 来存储图形数据； 有电网图形的建立与实际电网拓扑结构的建立完全融为一体的图形 化应用，也有图形编辑与拓扑关系定义分离的应用；有客户机/服务器模式的图形化 客户端应用， 也有采用 activex、 java applet 来实现基于 web 的图形支持的应用12 14。 但是，图形的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 而自成体系， 本文中称为图形系统或是图形平台， 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15 17。 现在，服务于电力行业的软件中，建立在图形平台上或基于图形化的应用主要分 为三大类型：一是数据显示图形化，二是运算过程图形化，三是网络拓扑图形化。 2.2.2 数据显示图形化 数据显示的图形化就是将数字转换成为图形显示的方法。它在仿真计算、数据采 集等各种有大量数据产生、处理的程序中应用最为广泛。 对于数据，如果需要的仅是其本身，一般只需要用表格将它们整齐规范地组织好 就能够满足要求。但是，数据分析处理过程中，更多是希望找到隐含的规律或挖掘潜 在的信息，这时，依靠表格化的数据显示形式就难以满足需求。尤其是当数据量很大 的情况时，仅仅凭借肉眼和人脑的判断，即使是经验丰富的专家，也将陷入到数据的 搜寻与识别过程中，而无法思索它们整体的表现。因此，要从浩如烟海的数据中找出 所要的信息，将是一件非常困难的事情。于是，在面对这种困境时，就需要一种比表 格更为形象的数据表示方法。 将数据图形化显示，将是一种非常形象直观的数据表示方法。它可以对相同的数 据根据要求以不同的形式显示。目前在电力系统中应用的图形表现方式有：折线、曲 线、等高线图、饼图、棒图、曲面图形等，它们丰富了处理数据的手段，提高了人类 认识世界、探索真理的能力，如图 2.1。 现在，对于数据显示的图形化已有相当数量的软件或者通用的控件可以直接支 10 持。例如：microsoft 公司的表格软件 excel 就具有非常丰富和强大的数据图形化显示 的功能。由 software publishing corporation（spc）提供的图形绘制软件 harvard chartxl 可以根据提供的数据绘制几十种不同类型的二维或者三维图形，常用于制作 文档报告等。national instruments（ni）公司开发的仪器控制与数据采集图形化软件 labview 则是一个专业的数据图形化显示编程工具18。文献19还为电力系统中的仿 真与数据测量提供了一个可以绘制多种专业图形的软件。 另外还有大量的数据图形化 控件已经在电力系统的各种软件中被广泛使用。 图 2.1 数据显示的图形化 2.2.3 运算过程图形化 图形技术被引入到电力系统的初期，其应用只是限于数据的图形化。随着电力行 业各种应用需求的不断产生， 运算过程的图形化和网络拓扑的图形化应用也迅速发展 起来。 运算过程的图形化是指，将在模拟分析、计算、控制等过程中需要的数学模型或 者功能模块以及相互间的关系甚至运算步骤都通过图形符号方便、有效地表示出来。 从而把与时间相关的动态行为转化成为图形的显示过程， 原本抽象的运算过程变成可 在图上进行直观设计的形象过程， 而且运算与交互过程都可以通过图形实现。 如图 2.2 11 中，箭头就是线路潮流大小及方向的生动表现，它是可以随着计算得出的结果数据不 停变化的。 图 2.2 运算过程的图形化 运算过程图形化的作用在于，可以通过图形界面方便而迅速地建立程序进行运 算，让用户的精力全力发挥在解题方面。并且建立好的功能模块可以被反复利用，这 就减少了重复劳动和无谓的失误。通过图形直观的显示，有助于准确判断出程序逻辑 关系的正确性，方便地控制程序运行流程与程序进行交互等。电力系统运用的分析计 算软件大多支持图形化的运算过程，例如：mathworks 公司开发的 matlab 就是非 常典型的例子，它能够利用图形手段进行高效快速地建模20。由国外多家电力系统研 究机构共同开发的电磁仿真计算软件 emtp 中提供了能够自定义的、 几乎包括电力系 统中所有元件的控制器的接入模块，可以让用户快速地建立起电磁暂态、稳态等仿真 计算模型21。此外德国西门子公司（simensag）开发的 netomac22，美国 pti 公司开发的 pss/e23，也都是应用很广的图形化计算过程的仿真软件。 2.2.4 网络拓扑图形化 将电网中网络结构的部分或者全部， 具体或者是抽象的各种设备以及周围的环境 用图形的方式表示出来，称为网络拓扑的图形化。相对前面的两种图形化应用，网络 拓扑的图形化内容最为复杂也更加丰富。 12 最初，网络拓扑图形化的结果只是得到一张表示电网内容的电子版图纸，能够方 便地进行修改或重复的浏览，没有更多的开发利用。当图形的概念和直观的图形操作 界面得到深入应用之后，电力工作人员意识到，如果应用于分析、计算和控制的软件 能够支持网络拓扑的分析，将会有助于提高工作效率，减少不必要的失误。通过图形 用户能够对电网建立整体的印象，迅速而准确地定位到处理的元件上。这对参数的输 入和修改，计算范围的选择，元件状态的改变等都非常有利。元件所反馈的信息也能 够及时反映在图形上引起用户的注意。而且，图形化的操作过程易学易用，即使不是 一个本行业的专家也能很快地掌握软件的使用方法。如图 2.3 中，除表示出电网拓扑 以外，表示潮流的箭头是动态的，其大小代表输送功率的大小；线路上的饼图代表线 路的负荷率，也是动态的；而发电机旁矩形中的两种颜色分别表示实发功率和备用容 量。 图 2.3 网络拓扑的图形化 现在，无论是在稳态分析、动态分析，还是实时决策、自动控制等电力系统各种 应用程序中，网络拓扑的图形化都有了非常深入的应用。自动开操作票24 26、仿真 培训2728、电力系统网络分析计算29 31、设备管理32和很多其它综合应用软件3335、 中都加入了网络拓扑图形的功能支持。 网络拓扑的图形化不同于数据显示的图形化，后者虽然表现形式也是千变万化， 13 但是图形本身的显示样式和功能都非常单一，实现技术很简单，开发成本较低。而实 现网络拓扑绘制与显示的系统，它的显示样式和功能都很复杂，牵涉的范围很广，开 发工作量大，成本较高。网络拓扑的图形化也不同于运算过程的图形化，虽然都要考 虑用户的参与和交互，但对于后者，通常用于分析计算、仿真软件中的图形样式和功 能没有固定标准，用户对软件中使用不同的显示方式也能够接受，开发者所受到的约 束要少一些。但是用户对于网络拓扑图形常有具体的要求，希望建立的图形与自己日 常熟悉的画面一致，所以具有网络拓扑图形化的软件有着更强的针对性。这就容易造 成软件的重复开发，并带来一些问题，例如数据格式的不一致，数据一致性得不到保 证等。现在，网络拓扑图形化与运算过程的图形化在应用中结合得已经相当紧密，运 算过程图形化可以说已经融为了网络拓扑图形化的一部分。因此，针对网络拓扑图形 化存在的问题，为了减少重复的开发，迫切需要有一个可以适用于电力系统各行业的 通用图形平台系统。 2.3 图形化表达与描述图形化表达与描述 无论是数据显示、运算过程，还是网络拓扑的图形化，图形应用最终反映到电力 系统各种高级软件中时，它的显示内容都是丰富多样的，对数据的操作处理也各不相 同。不过，显示与操作的多样性只是在图形系统基本功能上的多变应用，而在本质上 有着很大的共通性，是运用图形功能对电力系统的不同内容进行具体的描述。作为支 撑电力系统应用的图形平台， 图形系统主要需要完成对电力系统以下几部分的表达与 描述： (1) 电力系统电网结构的表达，用图形直观地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。 (2) 电力系统元件与信息的静态与动态表示，图形系统用丰富形象的图元表达电 气设备和电网数据，并能静止（如元件参数表示、电网接线构成）或动态变化（如发 14 电机的功角变化，潮流方向的指示，负荷数据的变化）显示各种状态与信息。图元可 分为表示电力系统实际设备如发电机、变压器、母线的设备图元和辅助显示信息，加 强显示效果的显示图元，如文本框、曲线、饼图、图片等。为了满足在实际应用中的 各种表达要求，图形系统可提供自定义新图元和修改已有图元的功能。对于图元，系 统提供灵活多变的操作功能，如单个图元的缩放、颜色定义、动态设置；多个图元的 平移、对齐、分解、组合等应用。 (3) 电力系统状态与各类应用的图形化表示与操作。图形系统利用显示画面的色 彩变化或元件形式的不同来表示系统的不同状态， 如在图形上以颜色的不同形成电压 分布图， 用断路器的不同形式表示开、 断状态等； 并提供灵活的功能调用接口和简捷、 全面的图形操作手段，能以整幅图形、单个图元或多个数据作为对象进行状态设置与 各种应用，如潮流在电网图形上的显示与变化，计算结果数据的曲线分析等。 (4) 电力系统设备与信息的图形化数据管理。图形系统提供方便的数据管理手段 （如通过图形上的元件管理该元件的参数及状态信息）和输入、输出形式（如表格） ； 有功能强大，存储方便的数据库，并能支持网络化管理。数据库根据实际应用需求相 应设计，对于有实时性要求的，要考虑到时限及对内存的要求。非实时应用，常设计 为标准的访问接口，以支持各种类型的数据库；可在数据库基础上提供直接与其他常 用标准图形格式如 autocad 的图形数据转换功能。在有网络应用需求的场合，则采 用合适的网络传输技术如最新的 svg 技术支持图形数据的传输。 2.4 具体工程应用分析具体工程应用分析 作为支撑电力系统各种应用的图形系统通常需要包含上一节所描述的基本内容， 但将图形系统直接与面向的工程应用对象结合起来， 则由于在电力系统不同的应用场 合下对于软件的使用有着具体不同的要求，有时会需要一些特殊的应用功能，有时会 强化某些图形功能，这就需要结合工程实际对软件加以分析与设计，提高图形平台在 多种应用场合下的适用性，在平台的基础上加以二次开发最终得到合适的图形系统。 下面就图形技术在实际工程中的不同应用展开一下分析。 15 2.4.1 实时处理软件中的应用 在工程应用中， 非实时的图形应用对数据存储与图形画面刷新的速度要求通常不 高， 而在实时应用如变电站或调度室实时监控系统中则要求数据存储、 显示的实时性， 这就需要图形信息能够尽可能地少占用内存，以提高计算机性能，加快刷新速度。因 此，实时的图形系统需要考虑以下特点： (1) 图形画面能够在要求的时限内实时刷新，刷新时保证图形的清晰与稳定，信 号的明确与醒目。能以旋转、闪烁、变色等动态显示过程来对应不同现场设备的工作 状况，用开关，刀闸的开、断来反映电网拓扑状态的变化36。 (2) 能够将图形显示与实时数据关联，自动生成图形显示信息，保持数据与图形 显示单元的一致性。能通过图形实时反应各类操作如在线编辑主接线图，在接收操作 命令后能够迅速传送给主控系统， 并将操作过程及系统的响应情况用画面或文字显示 到操作界面上。 (3) 事件信息及自检信息能够实时的在图形界面上报告。 当系统检测到事故信号， 预告信息及装置本身故障信号时，用画面、文字、闪烁或声音进行报警。 可见，应用在实时状态下的图形系统除具备通常的图形功能以外，满足实时状态 下各种信息与操作的显示与表达需求是在设计与开发中主要考虑的问题。 2.4.2 分析计算软件中的应用 分析计算型软件是电力系统中应用得最广泛的，常用的就有：潮流计算、故障计 算、 整定计算、 稳定计算、 状态估计、 负荷预测等， 随着图形界面操作系统如 windows 的发展，在这些分析计算软件中基于图形化的应用占了很大的比例，该类图形系统常 见的主要特点有： (1) 将以往隐含于参数数据文件中的电网拓扑关系以直观的图形表现出来，实现 电网接线图的所见即所得， 而不再需要通过比较参数数据文件以及电网接线图来进行 分析计算。同时，通过图元之间连接关系形成的图形原始拓扑结构可自动进行电网拓 扑分析，形成分析计算常用的节点阻抗或导纳矩阵，图元连接关系的变化对应着电网 拓扑的变化，修改电网拓扑只需直接在图上增加、删除或修改相应的元件就能达到目 16 的。 (2) 可在图形上直接输入分析计算时所需要的各类数据信息，能够方便的修改与 查看。并且在图形上能选择性地显示各种计算结果，如短路计算后在相应的元件旁边 显示短路电流等。图形数据直接与数据库关联，图形上所做的修改直接影响数据库数 据，图形表达内容与后台数据信息融为一体。 (3) 针对实际应用，提供丰富的辅助计算分析时所用的图形功能。能够在图形上 设置所分析对象的各种参数与状态，如设置发电机、变压器的启、停，母联的开、断 来灵活设置系统运行方式；在故障计算中直接在图形元件上设置各种类型故障等。 因而， 应用在分析计算中的图形系统的关键之处在于提供对数据灵活的操作和丰 富的显示以及各种分析计算所需的各类条件与状态的控制和设定， 达到充分利用图形 与计算数据相互关联的特点辅助计算与分析的目的。 2.4.3 信息管理系统中的应用 电力系统的信息类型众多，数据量大，需要通过计算机进行存储与管理的信息是 非常丰富的，对这些信息合理的管理，方便的浏览与查询是个重要的研究内容。而通 过图形技术的应用，工作人员无需再面对单调的数据记录，而能够对其加以集中，直 观的处理。其主要特点有： (1) 能够在图形界面上管理或统计信息数据，提供各种处理与表示数据的图形工 具，并有强大的数据格式编辑功能。 (2) 支持在图形上对数据进行查询、分类、检索等操作；能够对管理的数据以饼 图、曲线或表格的形式加以分析处理，并能够输出显示或打印；支持数据报表、曲线 及图形的多种形式转存功能， 提供报表定义及管理工具可供用户自定义报表内容和格 式。并且能够支持基于网络的图形化信息发布37。 因此，在这种应用下，图形系统强调的是对数据的图形化管理，并能够提供图形 化形式的数据分析与管理。 2.4.4 模拟仿真系统中的应用 在电力系统中，除去上面三种重要的典型应用外，图形在仿真系统中的应用也相 17 当广泛。顾名思义，仿真就要模仿真实的场景与状态，图形则是达到此种目标的有力 表现方式，因此图形应用在仿真系统中占有重要的地位。仿真应用中的图形系统，主 要功能是提供仿真系统的真实感，直观快捷的操作过程以及加强对仿真结果的处理、 显示和分析功能。并且通常在仿真系统中，有对系统进行建模的过程，这就需要图形 系统能够提供足够类型的图元模型来模拟现实系统， 方便的图元模型自定义和扩充将 使软件应用得更为方便，而美观逼真的画面以及不同动、静态效果的定制也将对仿真 人员起着良好的视觉帮助。若仿真系统有着实时性要求，则还须考虑图形对实时性的 支持。文献38阐述了电力仿真系统图形编辑器的面向对象设计方法。文献39中则 详细介绍了变配电仿真系统界面的实现过程。 2.5 小结小结 本章详细分析了图形技术在电力系统的数据显示、运算过程、网络拓扑上图形化 这三种不同应用方式的内容与特点，概括了运用图形表达电力系统的网络拓扑结构、 元件状态、操作过程等信息时的主要内容。结合电力系统中工程实际的要求讨论了在 实时处理、分析计算、信息管理及模拟仿真等不同应用中所需要注意的问题和要求。 这些工作为后面图形平台的设计实现提供了需求及功能上的指导。 18 3 图形应用的关键技术问题研究图形应用的关键技术问题研究 3.1 引言引言 开发适用于电力系统各种软件应用的通用图形平台是个较为困难的任务， 这要求 图形平台的结构合理、可扩充性强、复用性高，功能丰富以及操作简单易用。通常完 整的图形平台主要提供下面几种主要的技术支持能力：图形数据的处理与显示、与用 户的交互、与外部程序的交互及数据交换、图形数据的存储。 (1) 图形数据的处理与显示功能是图形平台功能最直观的体现。绝大部分信息都 要通过图形来表达，正确而直观地显示是基本要求，它是用户做出正确判断的基础。 另外，图形的显示还要美观，并能提供丰富的处理手段。 (2) 图形平台与用户的交互功能体现了整个软件界面是否友好，它是向用户展现 平台功能最直接的部分。主要表现在界面结构设计是否合理、功能是否完整、使用是 否方便等方面。 (3) 图形平台与外部程序的交互能力和数据交换能力，决定了图形平台性能的发 挥和对其进行开发的能力与方便程度等。 图形平台本身即使具有非常强大的功能和非 常优良的性能，但如果与外部程序的交互接口做得不好，效率不高、功能不强或者使 用非常繁琐，那么图形平台的功能将不能得到充分发挥，而且基于该基础之上所开发 的软件将会因为开发过程繁琐而导致其它问题。 (4) 图形平台的数据的存储功能是维持图形平台正常工作的基础。安全、稳定、 快速、灵活是对这项功能的要求。图形平台的可扩展性和可移植性也在一定程度上受 其功能的影响。 本章首先讨论了影响图形平台性能及适用范围的基础支持技术的主要内容， 结合 现状阐述了这些技术的关键之处， 随后提出了网络拓扑图形多图分层显示和电力系统 主接线图自动生成两个对实际工程应用有着重要意义的难点技术问题， 并给出相应的 解决方案。 19 3.2 应用支撑技术分析应用支撑技术分析 结合电力系统中的多种图形应用，要满足它们在应用上的需求，适用于电力系统 应用的图形平台在开发与设计上主要考虑的基本技术因素有： 用于形成电力系统图形 画面的图元设计方式，紧密关联电力系统分析与计算的拓扑构成方法，美观大方、功 能强大的人机交互界面以及可重构、高复用的结构框架，这些决定了图形平台的使用 性能及适用范围。 3.2.1 图元的设计 图元是电力系统图形平台系统中的关键部分，电网信息的显示，电力用户的绘图 操作通常都通过图元来完成。图元常分为显示图元与设备图元。显示图元指表格、曲 线、文本、棒图、饼图、图片等主要用于辅助信息显示的图形实体，一般都有其固定 的特性。而设备图元是组成电力系统图形与拓扑结构的基本单位。常见的设备图元具 备两类属性： 显示属性与连接属性。 显示属性包括形成设备图元的线条的颜色、 类型、 线宽，闪烁、旋转、大小、方位、动态变换等；而连接属性则指图元与图元之间的连 接性质，如双卷变定义为两连接属性而发电机则为单连接属性，这是按照实际电力系 统设备物理特性所确定的。 显示图元是具体的对象，功能较为明确，在设计时要充分考虑应用需求，每个对 象要能够提供充足的功能，针对特殊需求应能够提供用户自定义功能。设备图元则由 于直接代表了具体的电力系统设备元件， 而在实际工程中不同的应用对元件有着不同 的显示要求，并且新的设备元件类型也层出不穷，因此设备图元能够自定义就显得很 有必要。通过对软件中的各种图形元件分析，可以发现各类图形元件具有一些相同的 属性和操作功能。如图形编号、图层号、颜色、线性、线宽等，或者图形是否删除等 共性的属性和操作。因此，将这些共性的内容提取出来，辅以图元绘制工具，就可以 设计各种不同的设备图元。在此将基本绘制工具称为图形原语，通常包括：直线、矩 形、圆、圆弧、椭圆、折线、封闭折线、西文、中文、徒手线、平滑折线、扇形、平 滑封闭折线以及上述图形的组合。通过图形原语可以构成各种形状的图元符号，在图 元符号被赋与各种属性后，就能够形成实际可用的设备图元。图元编辑器就是提供图 20 形原语作为基本工具来制定各种图元的环境。 它的引入能够使图形系统适应电网图作 图规范的调整以及设备图元的更新。 对于图元的设计，已有不少的研究。文献15，40讲述了通用信息模型（cim） 中定义了作为工业标准的电网设备信息模型。 cim 的研究就是建立在设备图元的连接 属性是规范的基础之上的，其概念及方法的提出，使图元的设计走向标准化的道路。 图元的设计除自行开发外还有其它方式，cad 在工程应用中