（电力系统及其自动化专业论文）电力系统软件中的可视化技术相关问题研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c ea n dp o w e ri n d u s t r y , t h ev i s u a l i z a t i o ni n s c i e m i f i cc o m p u t i n gh a sb e c o m ea ni n d i v i s i b l ep a r ti np o w e rs y s t e ma p p l i c a t i o n s n e t w o r k t o p o l o g yg r a p h i c si sd e e m e dt ob eo n eo f t h em o s ti m p o r t a n ta n dd i f f i c u l tp r o b l e m si nt h e v i s u a l i z a t i o no f p o w e rs y s t e m s w i t h t h ec o m b i n a t i o no f c o m p u t e rg r a p h i c sa n dp r o f e s s i o n a l k n o w l e d g eo fp o w e rs y s t e m s ，t h i sw o r kd e v e l o p e da c o m m o n g r a p h i cp l a t f o r mf o rap o w e r s y s t e mu s i n gm o d e m s o f t w a r ed e s i g na n dp r o g r a m m i n gm e t h o d t h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rg r a p h i c sa n dv i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n gi sf i r s t i n t r o d u c e db r i e f l yt h e n ，t h et h e s i sa n a l y z e sa n ds u m m a r i z e st h ec u r r e n ts o f t w a r ed e v e l o p e d f o rg r a p h i c a lt e c h n o l o g yi np o w e r s y s t e m si tp o i n t so u ts e v e r a ld i s a d v a n t a g e si nt h ee x i s t i n g s o f t w a r e ，s u c ha sl a c ko fd i v e r s i t yi nt h ed i s p l a ys t y l e ，l a c ko fc u r r e n c ya n dn o tu s e rf r i e n d l y a s w e l l t h r e ek i n d so fg r a p h i c si np o w e ra p p l i c a t i o n sa r ei n t r o d u c e d ：d a t av i e w i n gg r a p h i c s ， p r o c e s s i n gg r a p h i c s ，a n dn e t w o r kt o p o l o g yg r a p h i c s i ti sp o i n t e do u tt h a tt h ek e ys t e pi n d e v e l o p i n g f lc o m m o n g r a p h i cp l a t f o r m i st h e m u l t i g r a p h i c sd i s p l a y a n d l a y e r e d m a n a g e m e n to fn e t w o r kt o p o l o g y , w h i c hc a nb ei m p l e m e n t e db ys e p a r a t i n gt h ed a t af o r g r a p h i c sd i s p l a y i n gf r o m t h ed a t af o rc o m p u t i n g a f t e re m p h a s i z i n gt h ei m p o r t a n c eo fb u i l d i n gac o m m o ng r a p h i cp l a t f o r mf o rp o w e r s y s t e m s ，t h i st h e s i sd e s c r i b e st h es t r u c t u r ea n dt h ef u n c t i o n so ft h ep l a t f o r m t oa c h i e v e t h e s eg o a l s t h ep l a t f o r mi sd e s i g n e dw i t ho b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g y d a t a b a s ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t si nt h ep l a t f o r m t h r e et y p i c a ld a t am o d e l s a r ei n t r o d u c e d t h ef u n d a m e n t a l t e c h n i q u e sr e q u i r e d t o s u c c e s s f u l l ym a po b j e c t s i n t o r e l a t i o n a ld a t a b a s e sa r ed i s c u s s e d t h er e l a t i o n a ld a t a b a s e m a n a g e m e n ts y s t e mi ss t u d i e da n d i m p l e m e n t e d i nt h ec o m m o n g r a p h i cp j a f f o r mf o rp o w e rs y s t e m k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e m ；c o m m o ng r a p h i cp l a t f o r m ，v i s u a l i z a t i o n i n s c i e n t i f i c ， o b j e c t - o r i e n t e d ，r e l a t i o n a ld a t a b a s e 1 i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 计算机图形学和科学计算可视化的发展历史 1 1 1 计算机图形学历史及现状简介 计算机图形学是一门研究利用计算机对物体的模型及对应的图像进行生成、存 取和管理的计算机应用学科。它是随着计算机及其外围设备而产生和发展起来的， 是近代计算机科学与雷达、电视及图象处理技术的发展汇合而产生的硕果。在各行 各业中的广泛应用推动了这门学科的不断发展，而不断解决应用中提出的各类新课 题，又进一步充实和丰富了这门学科的内容”。 1 9 5 0 年，世界上第一台图形显示器作为美国麻省理工学院( m i t ) 旋风l 号计算 机的附件诞生，c r t 的出现为计算机生成和显示图形提供了可能。5 0 年代末期，m i t 林肯实验室，在w h j r l w i n d 上丌发s a g e 空中防御系统，通过光笔在屏幕上指点与系 统交互，标志着交互式图形技术的诞生。 1 9 6 2 年m i t 林肯实验室的i v a n e s u t h e r a n d 发表了篇题为“s k e t c h p a d ： 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 “c o m p u t e rg r a p h i c s ”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，从而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。6 0 年代，m i t 、b e l ll a b 、通用汽车公司、剑桥大学开展大规模的计算机图形学的研究， 7 0 年代进入技术实用化。 7 0 年代，廉价的集成电路使基于电视技术的光榴图形成为可能，软件算法随之 产生。1 9 7 1 年6 0 u r a n d 提出“漫反射模型+ 插值”的思想，被称为6 0 u r a n d 明暗处 理。1 9 7 5 年p h o n g 提出了著名的简单光照模型- - p h o n g 模型，和真实感图形学和实 体造型技术的概念。 8 0 年代，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。w h i r r e d 提出了 光透视模型，第一次给出光线跟踪算法的范例。1 9 8 4 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 - 1 - 华中科技大学硕士学位论文 法的提出，标志着真实感图形的显示算法已逐渐成熟。 到了9 0 年代，计算机图形学的应用急速膨胀，大大刺激了它的发展。出现了更 多和功能更为强大的图形软件、基于图形的设备、和图形工作站等。并出现了3 d 真 实场景模拟和虚拟现实技术。 现在，计算机图形学的发展没有停止，仍然在向前快速推进。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不断涌现，并迅速得以实用化。并且通过与计算 机网络技术的紧密结合，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。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。 1 1 2 科学计算可视化简介 科学计算可视化是计算机图形学发展较为成熟以后的必然产物，它是计算机图 形学在工程与科研中的应用体现。1 9 8 7 年2 月，b h m c c o r m i c k 等人在美国国家科 学基金会( t h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n n s f ) 的一个研究报告中提出了科 学计算的可视化( v i s u a l i z a t i o ni 1 3 s c i e n t i f i cc o m p u t i n g v i s c ) 问题”1 。可视 化技术一经提出便引起巨大反响，短短十几年科学计算的可视化发展十分迅速，并 已成为计算机图形学的一个十分热门的研究方向。目前，他们所提出的思想已成为 世界科学界新兴学科研究中的热点。由美国国家科学基金会设立的几个大型国家实 验室、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、各大学等 都设立了相应的专门实验室，德国和日本等也紧随之后，争相投入大量人力、财力 进行研究开发。 可视化或称视觉化，它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可视的方式而不 是以冗长的数据列表形式表现出来，以便于深入洞察试验或仿真数据，捕捉它们之 华中科技大学硕士学位论文 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。这一 技术正成为科学发现和工程设计以及决策的强有力的工具。 目前科学计算可视化系统是基于数据流模型的系统。系统由多个模块组成，每 个模块接受一定格式的数据输入，对数据加工以后以一定格式输出。一个处理过程 也就是数据在模块问传递的过程。模块可以组织成线性连接的，也可以组织成分支 和汇合的形式。“。通常，一个典型的科学计算可视化系统包含这样一些模块： ( 1 ) 数据输入、输出与存储。这个模块进行可视化系统与外界程序模块和永久存 储介质之间的数据交换。它必须支持各种格式的科学数据，有能力对它们进 行转换：支持共享访问和分布存储，以解决数据共享和大数据量的问题。 ( 2 ) 数据操作。在这个模块中进行大部分数据加工。如数据标准化、滤波、平渭、 网格定位、坐标转换、线性变换、几何变换、分段、特征识别、抽取和增强 等。 ( 3 ) 数据可视化。这个模块实现从科学数据到可视图像的映射，需要应用各种数 据表现形式和绘制方法，并要能具备生成屏幕图像的能力。 ( 4 ) 用户界面。进行用户与可视化的交互。 ( j ) 命令解释。这个模块对用户命令进行解释和组织，形成控制数据，对系统中 的各个模块进行控制。 在科学计算可视化系统中，可视化技术是个关键。它包括：由数据构造经验模 型，由此模型来表示物理现象：模型的图形表现方法：图形显示设备上的图像绘制， 三个方面。“。构造经验模型的主要方法是拟合与插值，根据离散采样数据求得非采样 点上的数据。图像绘制的基础是传统的计算机图形学，它实现了数据对象的可视。 图示方法与被表现的数据对象的定义密切相关，科学数据往往可以表达为一个定义 在一连续或者离散域上的多维函数。根据函数定义域的维数、离散状况和函数值维 数的不同，可用不同的可视方法去表现。许多科学数据的定义域为不超过三维的空 间，时变或时不变，数据值可能是标量、高维向量甚至张量，也有可能要求在同一 画面上表达多项数据量。具有低维的定义域与值域的科学数据表示方法相对较简单， 事实上许多方法是沿用已久的传统方法：曲线图、等值线、分布图等“”3 。二维的向 量场可以用箭头表示，也可以求出场的鞍点、吸引子、排斥子等，从这些点上画出 流线t 。定义在三维空间上的科学数据图示与绘制方法是研究的难点，其实质是要把 华中科技大学硕士学位论文 高维数据投影到二维的计算机的显示器上，同时避免过多的数据损失或认知误导。 为解决这些问题，研究者提出了不少方法。对三维域上分布的标量，可以用等值面 或体元绘制方法表示，后者可以避免等值面的求取”。对于二维域上分布的向量， 可以用具有立体感的箭头表示，为了增强效果，有时还同时给出它们在各个面上的 投影。另一种方法是模仿流体动力学实验的方法，即粒子追踪、流线、流带的方法。 更高维数的量( 如张量) 情况就更加复杂，需要用一些特殊的与应用有关的方法来 表示。许多科学现象是动态过程，用动画技术来表现它们是最合适的手段。不仅可 以使研究者观察到参数的动态变化过程，而且可以增强可视画面上三维对象的显示 效果，因为人能够从对象的动态中推断出对象之间的几何关系。 科学计算可视化技术作为计算机图形学的一个分支，它集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 计算机工具，使得人在科学研究中能更加关注于创造性的思维活动，提高科学研究 的效率。 1 2 可视化技术在电力系统中应用的历史和现状 自7 0 年代以来，利用计算机技术提高电力系统各方面工作效率的研究一直受到 了广泛的重视。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各个专业得到了广泛深入的应用。电力科学作为一门工程科学， 正面临着这样的问题：电力系统的发展趋势是大系统、大联网，数据的采集能力不 断提高，数据量越来越大，运行调度人员要处理数据的规模日益庞大“0 1 。 随着计算机软硬件技术的迅猛发展，使得以往制约软件计算速度和计算规模的 软硬件瓶颈得以改善。将可视化技术引进到电力系统软件开发中来，解决原有的这 些问题的条件早已成熟。较早有文献 1 1 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。文献 1 1 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表示的实现方案。在此 基础上，文献 1 2 将图形手段用于静态安全评估在单线图上表示故障严重性和元 件脆弱性，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 可视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“， 也都展示了它们利用可视化技术在电力行业中应用所取得的研究成果，在如何利用 华中科技大学硕士学位论文 图形代替传统的数字方式来加深信息的处理程度方面做出了贡献。 现在一大批基于可视化技术的电力系统软件已经在实际工作中被使用。如：美 国o t i 公司的e t a pp o w e r s t a t i o n 、加拿大的p s c a d e m t d c 、n a t i o n a li n s t r u m e n s 公司推出的l a b v i e w 等等。国内在可视化的电力系统软件的研究方面同样也有相当 多的成果，尤其是在电气设计c a d 系统、e m s g c a d a 系统和变电站综合自动化等系统 中有着非常充分的应用，例如：南瑞研制开发的o p e n 2 0 0 0 和东方电子研制开发的 d f l 7 0 0 、d f 8 0 0 3 等。 到目前为止，可视化技术在电力系统中的应用还有相当大的发展空间。虽然现 在的软、硬件条件都比原来有了很大的提高，但是电力系统软件可视化的应用发展 水平与之并不相称，没有发挥应有的水平。软件虽然是用可视化编程软件开发，但 大多都是比较简单的应用。软件有了图形化的界面，但普遍没有图形化的应用，人 机交互界面并不理想。更有甚者，参与计算的人员往往还要另外准备系统图形进行 参考。所以，利用可视化技术提高电力系统闩常工作效率仍然还有巨大潜力可挖。 目前软件中还存在以下问题有待解决： ( 1 ) 网络拓扑图形只是原来图形图纸的电子翻版，图形管理仅仅起到了文档管理 的作用。需要用到图形时，用户只是调出来简单地查看一下，缺少在界面上 的交互功能。图形并没有真正与软件的分析计算功能相融合，图形上的数据 显示形式比较单一。 ( 2 ) 网络拓扑图形没有分层分区，或处理得不好不够灵活。电网规模稍大图形显 示就显得非常复杂，与用户交互起来非常困难，从而使得图形的规模受到较 大限制，不够实用。 ( 3 ) 图形种类单一，显示方式较少，不能满足用户的不同需要。而且软件的功能 相对比较单一，缺乏高级的使用功能。分析计算软件的图形功能只能用来进 行分析计算，不能方便地移植作为其它的用途。 ( 4 ) 对历史数据的考虑不足，图形缺乏继承性。新建立一个工程或新开始一次分 析计算时往往需要重新绘制图形。 ( 5 ) 软件的图形数据不能共享。目前的电力系统的各类分析计算软件基本上是单 独运行，没有集成到统一的软件平台上，使建立各软件数据的工作量大大增 加，且数据的一致性得不到保证。 ( 6 ) 图形的编辑环境功能不够强，图形的输入途径单一，绘制方式复杂而繁琐。 华中科技大学硕士学位论文 随着数字电力系统( d i g i t a l p o w e rs y s t e m - - d p s ) 概念“的提出和i n t e r n e t 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， 对电力系统各类软件还会提出更新更高的要求。基于浏览器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，是计算机办公自动化发展的必然，电力系统软 件在网络环境下的图形可视化技术的应用同样也是要进一步研究的课题。目前已经 有文献”进行了一些在网络上的图形化应用的研究，但主要还是用于信息发布， 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。 1 3 本文工作安排 可视化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。尤其是在电力系统的分析计算软件中的应用，仍然存在许多未解决的问 题需要进行理论研究和探索。本文所做工作的主要内容如下： ( 1 ) 对电力系统软件的图形化现状进行总结，讨论存在的问题以及提出解决问题 的方法。 ( 2 ) 讨论实现通用的图形平台对于网络图形化的意义，提出通用图形平台应该具 有的功能和特性。充分考虑图形显示质量与系统的开放性、移植性，利用面 向对象的技术手段实现了一个电力系统通用的图形平台。 ( 3 ) 研究适用于电力系统通用图形平台的数据库的特点，以及其中的问题和相应 解决方案。并进行详细的数据库设计。 ( 4 ) 介绍该通用图形平台在电力系统各种软件中的应用实例。 ( 5 ) 对全文进行总结以及展望。 华中科技大学硕士学位论文 2 电力系统软件图形及其相关问题研究 2 1 引言 一丌始，计算机的软件是设计给科研人员使用的，有着很强的数学逻辑和较弱的 用户界面，用户界面友好的重要性被低估。曾经一度认为科研人员只对程序的功能感 兴趣，而忽视了程序的易用性。随着计算机技术的不断发展，人们渐渐意识到好的人 机界面( m a nm a c h i n ei n t e r f a c e m m i ) 将有助于工作效率的极大提高，值得在设计 和实现上对它付出更多的努力。好的人机界面可以减少产生那些只有在仿真过程中才 被检查出来的微小错误的机会，从而节省大量的时f b p 。 如今，计算机的使用方式已经发生了根本性的变化。操作系统具有了图形用户界 面( g r a p h i c a u s e ri n t e r f a c e - - g u i ) ，这对设计友好的用户界面很有帮助。当然， 目前在电力工程界仍然还有未经过人机界面优化的程序在使用。这一章对在电力系统 软件中使用的三种图形做一个概述，并就相关问题进行探讨。 2 2 电力系统软件中的图形概述 服务于电力行业的软件中，可称为“图形化”的应用可以分成三大类型：一是数 据显示的图形化，二是运算过程的图形化，三是网络拓扑的图形化。 2 2 1 数据显示的图形化 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，人们通常总是在处理前用表格将它们整齐地组织好。有时需要的仅仅 是数据本身，那么表格就完全能够满足要求，但是有时人们却期望能从中找到隐含的 规律并有所发现。显然，单一的表格化的数据显示形式很难满足这样的需求。尤其是 在数据量很大的情况下，仅仅依靠肉眼和人脑的判断，即使是经验丰富的专家，往往 也只能看到单个数字的大小而看不到它们整体的表现。而且，要从浩如烟海的数据中 找出那一两条自己需要的信息，可想而知也是一件非常困难的事情。人们意识到面对 这这些枯燥的数字冥思苦想不是解决问题的办法需要一种比表格更为形象的数据表 华中科技大学硕士学位论文 示方法。 将数据图形化显示，无可争议是最为形象直观的数据表示方法。而且它还可以将 同一组数据根据不同的要求以各种形式显示。目前已经在电力系统中大量应用的各种 二维、三维图形如：折线、曲线、等高线图、饼图、棒图、曲面图形等，大大地丰富 了我们处理数据的手段，提高了人类认识世界、探索真理的能力。 由于数据的图形化相对于运算过程和网络拓扑的图形化要简单一些，所以已经发 展得比较完善，有相当数量的软件或者通用的控件可以直接支持。例如：人们常用的 m i c r o s o f t 公司的表格软件e x c e l 就具有非常丰富和强大的数据图形化显示的功能。由 s o f t w a r ep u b l i s h i n gc o r p o r a t i o n ( s p c ) 所提供的图形绘制软件h a r v a r dc h a r t x l 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，多用于制作文档报告等。 n a t i o n a li n s t r u m e n t s ( n i ) 公司丌发的仪器控制与数据采集图形化软件l a b v i e w 是一个 专业的数据图形化显示编程工具”。文献 4 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。 2 2 2 运算过程的图形化 可视化技术被引入到电力系统的初期，电力系统的图形化应用仅限于数据的图形 化。随着计算机软、硬件技术的迅猛发展和电力行业各种应用需求的不断提高，运算 过程的图形化和网络拓扑的图形化的应用也迅速发展起来。 运算过程的图形化是指，为了用计算机方便、有效地模拟分析、计算、控制等过 程，而将在各个过程中需要用到的数学模型或者功能模块以及它们之间的各种关系甚 至运算步骤都用图形符号表示出来。它把一个与时间相关的动态行为转化成为图形显 示，原本抽象的运算过程变成了一个可在图上进行直观设计的形象的过程，而且运算 与交互过程都可以通过图形实现。 运算过程的图形化最大的好处就是，可以非常方便而迅速地建立起自己需要的程 序进行运算，让使用者的精力可全力发挥在解题方面，而非浪费在电脑操作上。而且 自己或者他人已经建立好的各种功能模块可以被反复利用，减少了重复劳动和无谓的 失误。此外通过图形直观的显示，有助于迅速判断出程序逻辑关系的正确性，并且可 以方便地控制程序运行流程、与程序进行交互等。现在流行的分析计算软件大多都支 持图形化的运算过程，例如：m a t h w o r k s 公司开发m a t l b 就是非常典型的例子，它 8 华中科技大学硕士学位论文 现在得以如此流行，功能强大是其主要原因以外，还有一个原因是能够利用图形手段 高效快速地建模”1 。由加拿大和美国等国的电力系统研究机构共同开发的电磁仿真计 算软件e m t p 为用户提供了自定义的、几乎包括电力系统中所有元件的控制器的接入 模块，能够让用户快速地建立起电磁暂念、稳念等仿真计算模型。“。此外德国西门子 公司( s i m e n s a g ) 丌发的n e t o m a c “? ，美国p t l 公司开发的p s s e 。“，也都是应 用很广的图形化计算过程的仿真软件。 2 2 3 网络拓扑的图形化 将电力网络中的部分或者全部，具体或者是抽象的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，网络拓扑的图形化内容最 为复杂也更加丰富。 最初网络拓扑图形化的目的仅仅只是为了显示，图形化的结果仅仅只是得到一 张电子版的图纸。图形保存在计算机中能够方便地进行修改，需要的时候可以方便地 进行打印，但没有对其进行进一步的开发利用。当可视化的概念深入人心之后，电力 工程的科研和技术人员意识到，在分析、计算、和控制过程中，如果软件本身也有网 络拓扑图形的支持，可以大大提高工作效率，减少不必要的失误。在前面也谈到了， 图形最大的特点就是直观，它可以让用户对系统有一个整体的概念，并且能够让用户 迅速而准确地定位到自己所需要的元件上。这对参数输入和修改，计算范围的选择， 元件状态的改变等都是非常有利的。通过网络拓扑图形，元件所反馈的信息能够及时 地引起用户的注意，并且图形还可以简化操作过程，易学易用，即使不是一个本行业 的专家也能更快地掌握软件的使用方法。 人与人之间、人与机器之间都是通过信息来交流的。信息数字化的目的，就是将 - 信息变得能够让计算机理解和能进行处理：而信息图形化的目的，就是让计算机所理 解的信息能够让人方便地加以利用。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，网络拓扑的图形化已经有非常深入的应用。 自动开操作票“”1 、仿真培训“”“、电力系统网络分析计算“1 、设备管理。”3 和很多 其它综合应用程序。”都加入了网络拓扑图形的功能支持。 另外要特别指出的是现在的网络拓扑图形化也已经不是单独的功能了，运算过程 的图形化与网络拓扑的图形化往往结合得非常紧密。除了在一些专门用于仿真分析计 算的软件中，图形模块是专门为分析、计算过程设计的，在大多数有图形网络拓扑支 - 9 华中科技大学硕士学位论文 持的工程化应用的软件中，各种图形化的设备模块同样具有计算仿真功能模块的作用， 运算过程图形化已经成为了网络拓扑图形化的一部分。 网络拓扑的图形化不同于数据显示的图形化，虽然表现形式也是千变万化，但是 每一种图形本身的显示样式和功能都非常单一，实现技术很简单。即使重复开发，浪 费是可以承担得起的。而网络拓扑的绘制与显示系统，显示样式和功能都很复杂，牵 涉的范围很广，是个工作量相当大的工程，丌发工作不是一朝夕可以完成的。网络 拓扑的图形化也不同于一般的运算过程的图形化，虽然都要考虑用户的参与和交互， 但一般用于分析计算、仿真软件中的图形功能模块的样式和功能没有标准，用户对不 同软件中使用不同的模块标志也能够接受，可以按照丌发者自己的意愿来进行设计， 相对而言约束要少一些。但是用户完全不能接受所使用的网络拓扑图形与自己日常熟 悉的图形不一致，所以具有网络拓扑图形化的软件多是为专门的系统定制的。这必然 会造成重复开发的浪费，而且还带来了诸多其它问题，例如数据格式的不一致，数据 一致性得不到保证等。为了减少重复开发，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。而要实现这样一个平台，需要解决的最大问题就是要能够实 现对电力系统拓扑的多图显示和分层管理功能的支持。 2 3 网络拓扑的多图显示与分层管理 2 3 1 问题的提出 电力行业的各部门对同一网络拓扑的图形表现形式的需求千差万别。以继电保护 整定软件、电力系统分析计算软件、电网规划设计软件等常见的电力系统专业软件为 例，使用较多的有：系统单线图、阻抗图、保护配置图、序网图、电源规划图、电网 规划图、负荷预测图等图形。同一元件的显示形式在不同图形中可能不同。以往具有 这些图形的软件大多是单独开发、独立工作的，从底层到界面都没有任何联系。不但 增加了软件开发、维护的成本，而且各个软件的数据不能方便地相互利用，往往同一 个网络的参数要多次重复输入。有时候完成一项工作需要用到好几套软件，计算过程 中要不断切换，不利于整个工作过程的自动化。随着数字化电力系统概念的提出，软 件集成化开发是电力系统专业软件发展的必然趋势。在同一后台数据库支持下图形应 用的多表现形式，是图形系统开发的一个主要方向。 所以多图显示指的就是，同一个电力系统网络能够以多种不同的面貌出现。对网 1 0 华中科技大学硕士学位论文 络的表达可繁可简，图形上显示的元件数量可多可少。为适应不同工作的需求，同一 个元件在不同图形中的外貌也可以完全不同。这罩的多图不是单纯的图纸管理，各个 图形之间不是孤立的，它们对应着统一系统网络参数。 现代电力系统的规模庞大、结构复杂，各类元件数量众多。如何将它们组织管理 好，在图形中f 确、形象、有条理地表达出来是图形系统丌发中最重要的研究课题。 如果将所有元件在同一层次中进行显示，那么图形版面将会随着系统规模的增加而变 得巨大，不但增加了对软硬件的配置要求，而且用户在使用图形时会感到非常不便， 普通的浏览与查找都会变得困难。而且电力行业不同部门日常工作侧重点不样，对 图形显示的细致程度要求也有区别，因而他们需要的图形整体表现形式肯定不同。如： 方式科关心发电机、负荷、线路、变压器的运行方式，自动化科只关心远动设备等二 次元件j 下常工作与否，继保科关心的是继电保护设备，而进行经济分析的用户也许只 关心大的电厂整体状况，所以图形显示的内容与表现形式将会千差万别。用户希望图 形能突出重点但又能面面俱到。 分层管理就是要将一个复杂的、元件繁多的、平面的电力系统网络，按照一定组 合原则对原有的元件进行组合，最终形成一个多层次、单层结构简单、对原有网络又 能完全表达的系统。组合的过程不但是对网络拓扑简化的过程，而且是对元件意义不 断抽象的过程，它将原来要在一个层次上表达的信息分布到不同的层次上，使得原本 繁杂的网络结构变得清晰。用户可以按照自己的需要，将图形上的元件进行组合，形 成厂站，或者按照用户自定义的各种集合元件来表达一组元件。层层嵌套、分层显示， 使得图形结构清晰、简洁，最大限度地满足不同的使用需求。 目前国内外电力行业的软件在这两点上做的还不够完善。大多不具备多图显示与 分层管理的功能，或者是不能兼顾。多数情况下图的显示数量有限而且是在软件编制 过程中定义好的类型，不能由用户自由定义添加，层的划分非常不灵活不能由用户自 行组织，元件之间的结构松散、编辑过程复杂。造成这些问题的原因主要是在多图显 示和分层管理的实现技术上存在一些难点：如何才能协调好图形显示的多样性灵活性 与多个显示图形之间的数据一致性问题：怎样才能解决好不同元件或者组合之间发生 连接时，连接关系的不确定性问题；元件层次、图形层次结构如何进行组织等。 具备图形显示的电力系统软件设计模式并不是唯一的，选择哪种模式主要由软件 的功能需求决定。本文中将具备图形显示功能的软件系统看作是一个多层应用的结构 体系，它具有专业计算与图形显示两个层次，在这两个层次之间通过一个专门设计的 华中科技大学硕士学位论文 接口层进行联系。这种将显示与计算分离的多层设计模式能很好地解决在电力系统网 络多图显示和分层管理中遇到的困难。 2 3 2 多图显示和分层管理功能的实现 2 321 基本思想 ， 要实现网络的多图显示与分层管理，其基本思想就是将网络的图形显示与计算分 离。本文将真实世界中的物理元件在用软件语言描述时形成的对象称为元件。一个元 件对象具有多种数据类型，如：在图上显示的位置、大小、连接关系，还有在实际中 元件的位置、大小等外形参数和在计算中使用的阻抗、电压等，本文将这些数据分为 显示数据和计算数据两大类型。所谓显示数据就是元件在图上进行显示时需要用到的 数据。而计算数据对应的是实际物理元件所具有的各种参数。 需要强调的是，分离不是将显示数据和计算数据的完全孤立，而是指两种数据的 分开组织，它们之间通过关键字进行关联，计算参数始终是显示参数的行为约束条件。 当然，一个完全不受任何条件约束的图形可以任意灵活地显示，但图形的作用不仅仅 用来显示，它还有一个重要的功能就是与用户的交互。几乎所有的数据都可以以显示 图形为媒介进行直观地输入、输出和修改。所以两种数据的对应关系非常重要，显示 数据虽然不是由计算数据所决定，但是某些显示数据的形成也要以一些计算数据为参 考。 元件是图形显示的最小单位，网络的多图显示与分层管理最终将体现在元件的多 图显示特性、元件的连接关系和层对元件的组织管理上，下面将从这三点来说明。 2 3 2 2 元件的多图显示 ， 在单显示图形的软件中，因为元件的计算与显示这两类数据不会在不同的地方多 次出现，将其分离意义确实不大。如果进行统一组织，不但元件对象意义明确，而且 可以减少数据维护的工作量，是一种较好的设计模式。但是在多显示图形的软件中， 同一个元件的计算数据也就是它本身具有的物理特性是不变的，而它的显示数据在不 同的图形中会有较大差别。如果仍然使用统一的组织方式，不但不变的计算数据将需 要多次存储，而且还会使得各个显示图形相互孤立，并使得计算数据有大量冗余，增 加了用户的数据输入量，增加了程序对计算数据一致性维护的工作量，使得程序编制 更加复杂。 ，1 2 华中科技大学硕士学位论文 本文把记录显示数据的对象定义为显示元件，将记录计算数据的对象定义为计算 元件，在它们之间有一层接口元件对显示元件和计算元件之间的关联关系和它们之间 的连接关系进行协调。同一个网络，如果定义有多个显示图形，就可以有多个显示元 件与同一个接口元件对应，但是计算元件和接口元件始终是一一对应的。将元件的计 算与显示数据分离后，同一个元件的计算数掘只用输入一次，也就是晚只用形成一次 计算元件，而显示元件可以随着网络显示图形的不同任意变化。这样显示图形样式就 可以千变万化，保证了图形显示的灵活性。不同显示图形之间的关系紧密，它们对应 的计算数据始终一致，也保证了计算数据的致性。 图2 1 是一个网络的多个显示图形的显示元件与计算元件关联的示意图。显示图 中的两个显示元件a 、b 通过接口元件a 、b 关联到计算元件表中的计算元件a 、 b ，显示图中的两个显示元件a 、b 算元件同样通过接口元件a 、b 关联到计 算元件表中的计算元件a 、b 。因为它们在显示上是较独立的，a 与a ，b 与b 外形、 位置、大小都可以不同。又因为它们通过接口元件与a 、b 关联，通过任何一个显示元 件都可以对计算元件进行操作，输入、修改数据等。 计 计算 元件表 接口 元什表 不同显示幽形 显示交互层 图2 1 不同显示图形中显示元件与计算元件的对应关系 2 3 2 3 元件的连接关系 网络的分层管理的难点在于层元件连接关系的不确定性。不分层时元件的连接关 1 3 一 华中科技大学硕士学位论文 系与分层时元件的连接显然不一样，当有多层分层时这个问题会更加突出。线路如何 与厂站元件( 组合) 中的母线连接，将会是一个比较典型的问题。 在各种有图形分层显示功能的软件中，给层元件定义内外连接端口的做法比较普 遍。这种方式就好比在做一个集成电路芯片，片外的管脚就是层元件的外连接端口， 在片内是复杂的电路，这部分电路有引出线与外面的管脚相连，这就是内连接端1 3 。 定义端1 3 的方法的确解决了有分层情况下如何确定元件连接关系的问题，但是这种方 式有一些比较难克服的缺陷： ( 1 ) 在进行计算时需要对连接的内外端口进行搜索，要去掉与计算无关的信息，这 个搜索的过程实际上就是在对网络进行简化，找到能够用于计算的最基本的拓 扑结构，这个过程会对计算效率有所影响。 ( 2 ) 在实际的应用中，如果要所有的元件都具备有自定义功能，那么用户自定义一 个有连接端口的层元件不是一件轻松的事情，要保证设计的内外连接端口对应 关系正确。 ( 3 ) 由于层元件的内外端口不可能同时可见，内外端口的对应关系较难表达。就要 求用户在绘图时要记住层元件的内外端口对应关系，这使得绘图过程复杂也不 太符合电力行业人员的使用习惯。 除了定义层元件的内外连接端口的方法以外，在将显示与计算分离的过程中增加 的接1 3 元件层能够很好地解决层连接关系的问题，而且还克服了单纯定义连接端口方 法的不足之处。 显示与计算的分离不但是普通数据的分离，而且还包括拓扑连接关系的分离，将 网络的拓扑连接关系分成显示拓扑与计算拓扑。所谓显示拓扑，就是显示元件之间的 连接关系，它属于显示数据的一部分。主要是用来保证显示元件之间连接的正确性， 并且在显示元件移动时提供连接上的其它元件联动的功能。计算拓扑是计算元件之间 的连接关系，它记录在接口元件的数据中。主要功能是服务于计算，这就要求计算拓 扑简单直接，所以它远没有显示连接关系那么复杂。将网络拓扑分成两种拓扑连接的 意义非常明显，它使得显示连接关系的多样性与复杂性不会影响计算连接关系，降低 它的计算效率；反过来，计算连接关系简单直接的这种需求也不会制约显示拓扑的灵 活性与多变性。 之所以要将计算拓扑的数据放到接口元件中是因为计算拓扑也是要在形成显示拓 扑的过程中形成，也就是说接口层的功能要在图形模块中实现，这样对软件功能模块 华中科技大学硕士学位论文 的划分比较合理，并使得软件的设计相对简单，编程实现的过程非常独立。 显 可i 拓 扑 计 蒹； 扑 i 劬一回 a c 图22 显示拓扑与计算拓扑的对应关系 图2 2 中的两部分图形分别是显示拓扑和计算拓扑的示意图。实线图形为显示拓 扑，虚线图形为计算拓扑。图中的字母表示显示元件，带有撇的字母表示与显示元件 相对应的计算元件。b 是一个代表了层次的组合元件，它旁边的矩形框是b 弹出的显示 层，层中元件就是b 这个组合元件包含的显示元件。在显示拓扑中c 连接的元件是a 和b ，在计算拓扑中与c 对应的c 连接的元件是a7 和d7 ，这样在用户操作显示拓 扑时拖动b 进行移动，系统能得到与之连接的元件c 保证它能跟随一起移动。需要进 行计算时，计算拓扑是已经生成了的用于计算的最基本的拓扑结构不用另外进行搜索， 可以最大限度地满足计算对速度的需求。 同一个网络可以有多个显示图形，而显示拓扑是随着显示图形的不同变化的。保 证这多个显示拓扑和计算拓扑之问的一致性是显示与计算分离要解决的主要问题。只 要时刻注意以计算拓扑作为显示拓扑形成时的约束条件，保证它们之间的一致性也并 不困难。 2 3 ，2 4 层的结构设计 层既是网络图形显示的基本单位，也是元件管理的基本单位。有了计算与显示分 离的基本思想以后，网络的多图显示与分层管理中的技术难点得到了比较圆满的解决。 但层结构设计的合理与否，是关系到能否运用上述基本思想综合实现网络的多图显示 与分层管理的关键。下面将介绍一下本文对层结构设计方案的一点考虑。 如图2 3 所示，它表示一个有三个显示图形的网络，也就是说这个网络可以按照 用户定义的三种不同面貌出现。每个显示图形都有一个特殊显示层( 基本显示层) 作 华中科技大学硕士学位论文 为显示的首层，基本显示层是每个显示图形独有的，它i 己录在首层出现的所有显示元 件。整个网络有一套系统分层，它是各个显示图形公用的层结构。系统层记录层中定 义的计算元件，并且还定义了多套层的显示样式。层的显示样式是该层在不同的显示 图形中出现时的表现形式，它记录的是在不同样式中出现的显示元件，这些显示元件 是以层的计算元件为基础，通过关键字与它们对应。图中计算元件信息总表记录网络 中的所有计算元件以及它们的计算数据、