（电力系统及其自动化专业论文）跨平台的微机保护软件设计技术研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 软件设计技术对微机保护装置的开发非常重要。 本文首先分析了软件设计技术的重 要性， 针对当前继电保护装置开发中的一些软件开发缺陷问题， 说明了本论文研究的必 要性。为了实现装置软件的跨平台应用， 本论文将继电保护装置功能划分为各种独立的 模块，分析了各个功能模块的 特点，对各模块内的数据及模块间接口 进行分析或抽象， 最后用多任务调度程序将这些功能模块进行组合， 运用可移植性程序设计方法， 设计了 一 套微机保护的实现方案， 并通过试验数据说明这种设计对于实现微机保护软件的跨平 台应用的可- t ft a 关键词: 微机保护，跨平台，可移植性，编程语言 abs tract s o f t w a r e d e s i g n t e c h n o l o g y i s v e r y i m p o r t a n t f o r p r o t e c t i v e r e l a y d e v i c e b a s e d o n t h e m i c r o c o m p u t e r . t h e p a p e r a n a l y s e s t h e i m p o rt a n c e o f s o f t w a r e d e s i g n t e c h n o l o g y , a n d a i m i n g a t t h e s h o rt a g e o f c u r r e n t p r o t e c t i v e d e v i c e s o f t w a r e d e v e l o p m e n t , s h o w s t h a t t h e p a p e r s r e s e a r c h i s n e c e s s a ry . t o r e a l i z e t h e a p p l i c a t i o n o f t h e s o f t w a r e o n m u l t i - p l a t f o r m , t h e p a p e r d i v i d e s t h e s o f t w a r e i n t o d i f f e r e n t m o d u l e s , a n a l y s e s t h e s p e c i a l t y , d a t a o f e v e r y m o d u l e a n d a b s t r a c t i n t e r f a c e a m o n g m o d u l e s . f i n a l l y t h e p a p e r a s s e m b l e s a l l t h e m o d u l e s t h r o u g h r t o s b y t r a n s p l a n t a b l e s o f t w a r e d e s i g n me t h o d , a n d b r i n g s f o r w a r d a m i c r o c o m p u t e r b a s e d p r o t e c t i o n s c h e me . t h r o u g h t h e t e s t , r e s u l t s p r o v e t h a t t h i s k i n d o f d e s i g n i s f e a s i b l e t o r e a l i z e p r o t e c t i o n s o f t w a r e a p p l i c a b l e o n mu l t i - p l a t f o r m. x i o n g z h a n g x u e ( e l e c t r i c p o w e r s y s t e m a n d i t s a u t o m a t i o n ) d i r e c t e d b y p r o f . l i u j i a n f e i k e y wo r d s : m i c r o c o m p u t e r b a s e d p r o t e c t i v e r e l a y , m u l t i - p l a t f o r m , t r a n s p l a n t a b l e , p r o g r a m m i n g l a n g u a g e 华北电力大学硕十学位论文 第一章绪论 1 . ， 引言 电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与 通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力。 6 0 年代开始，就有人倡议利用计算机构成继电保护装置。由于实现这设想必 须使用价格昂贵但不能可靠运行的大型计算机，早期的研究只停留在理论上和实验 室中， 但这些理论以及探索所取得的有益经验为后来的实现奠定了基础。我国从 7 c 年代末即已开始了计算机继电保护的研究，高等院校和科研院所起着先导的作用。 华北电力学院、西安交通大学、华中理工大学、东南大学、天津大学和南京电力自 动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。1 9 8 4 年原华北电力 学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在电力系统中获得应用，揭开 了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。在随后的 1 0 年里，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了 批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。随着微机保护装置的 研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从9 0 年代开 始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。 我国微机保护装置的发展大致可以分为以下几个阶段: 第一阶段以单c p i; 的硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼近式a / d 模数转换 器构成，硬件及软件的设计符合 “ 四统一”设计标准，其代表产品为微机高压输电 线路保护装置。 第二阶段以多单片机构成的多c p u 硬件结构为主，数据采集系统为电压频率转 换原理的计数式数据采集系统，硬件软件的设计吸取了第一代微机保护装置成功运 行经验，利用多c p u 的特点，强化了自 检和互检功能，使硬件故障可以定位，对保 护的跳闸出口回路，具有完善的抗干扰措施以及防止拒动与误动的措施。 第二阶段以高性能的 1 6 位单片机构成的硬件结构为主，具有总线不需引出芯 片，电路简单的特点，抗干扰性能进一步加强，并且完善了通信功能，为实现变电 站自动化提供了方便。 如今，在一些电力系统的微机继电保护装置中，己经开始采用了3 2 位技术的 c p l .国内在继电保护装置制造领域占据主导地位的四方公司、国电南瑞、国电南 自、许继电气等厂家全部推出了基于3 2 位处理器的新型继电保护装置。 从我国继电保护的发展历程来看， 9 0 年代以前，主要产品都是基于硬件逻辑回 路来实现的。由于习惯和经验的原因， 特别是在开发晶体管、 集成电路保护过程中， 华北电力大学硕十学位论文 第一章绪论 1 . ， 引言 电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与 通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力。 6 0 年代开始，就有人倡议利用计算机构成继电保护装置。由于实现这设想必 须使用价格昂贵但不能可靠运行的大型计算机，早期的研究只停留在理论上和实验 室中， 但这些理论以及探索所取得的有益经验为后来的实现奠定了基础。我国从 7 c 年代末即已开始了计算机继电保护的研究，高等院校和科研院所起着先导的作用。 华北电力学院、西安交通大学、华中理工大学、东南大学、天津大学和南京电力自 动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。1 9 8 4 年原华北电力 学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在电力系统中获得应用，揭开 了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。在随后的 1 0 年里，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了 批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。随着微机保护装置的 研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从9 0 年代开 始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。 我国微机保护装置的发展大致可以分为以下几个阶段: 第一阶段以单c p i; 的硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼近式a / d 模数转换 器构成，硬件及软件的设计符合 “ 四统一”设计标准，其代表产品为微机高压输电 线路保护装置。 第二阶段以多单片机构成的多c p u 硬件结构为主，数据采集系统为电压频率转 换原理的计数式数据采集系统，硬件软件的设计吸取了第一代微机保护装置成功运 行经验，利用多c p u 的特点，强化了自 检和互检功能，使硬件故障可以定位，对保 护的跳闸出口回路，具有完善的抗干扰措施以及防止拒动与误动的措施。 第二阶段以高性能的 1 6 位单片机构成的硬件结构为主，具有总线不需引出芯 片，电路简单的特点，抗干扰性能进一步加强，并且完善了通信功能，为实现变电 站自动化提供了方便。 如今，在一些电力系统的微机继电保护装置中，己经开始采用了3 2 位技术的 c p l .国内在继电保护装置制造领域占据主导地位的四方公司、国电南瑞、国电南 自、许继电气等厂家全部推出了基于3 2 位处理器的新型继电保护装置。 从我国继电保护的发展历程来看， 9 0 年代以前，主要产品都是基于硬件逻辑回 路来实现的。由于习惯和经验的原因， 特别是在开发晶体管、 集成电路保护过程中， 华北电力大学硕士学位论文 在抗干扰方面走过一些弯路，现在开发微机保护装置时，各个厂家对硬件回路设计 技术关注较多，而对软件设计技术关注不够。其实软件应该是一套微机保护装w 中 最有价值的部分，对于同一套硬件，写入不同的软件，就能实现完全不同的功能。 软件功能越丰富、越强大，其附加值就越高。因此，有必要对微机继电保护装置的 软件开发技术进行深入的研究。另外，计算机保护的一大缺点就是它的硬件会很快 地过时，如何在新的硬件平台的基础上很快地开发出新的装置，对于制造)家而言 具有很重要的意义。 1 . 2 本课题的意义 对于微机型保护装置，软件就是它的灵魂。一台微机保护装置的最基本的保护 功能以及各种附加的辅助功能都是通过软件来最终实现的。在微机保护的时代，我 们除了要关注硬件技术的发展，还应该将注意力投向软件设计这个重要的领域。软 件设计涉及很多重要的方面，比如:1 、软件运行的可靠性;2 、软件运行的效率; 3 、软件的开发效率;4 、软件的维护等等。事实上，在国外软件是一个非常重要的 产业。我国整体上的软件水平就比较低，国家也多次出台各种优惠政策，扶持软件 企业的发展。 对于继电保护这一特殊行业来说， 以往我们开发继电保护装置的时候， 对软件运行的可靠性有过深入的探讨，以往受到硬件发展水平的限制，为了提高运 ( 1 速度，人们往往采用汇编语言编写程序，也想了很多方法提高软件的运行效率。 但是随着硬件水平的不断发展，运行速度的问题已经基本上不再成为装置开发的首 要考虑问题。事实上装置硬件的设计，越来越简化了，原来的处理系统包括大量的 外围芯片， 现在一个芯片就能替换。 从运行速度上来说， 以往的8 0 3 1 如果采用 1 2 1 1 h z 的晶振，每 1 微秒运行一条加法指令，每4微秒完成一条乘法指令，而现在的一片 普通的d s p 芯片，运行速度就能达到几十纳秒一条指令，并且有专门的乘加指令， 使得滤波运算能力较以往有了上百倍的增长。作为我国目前广泛使用的微机保护， 经过近 2 0年的发展，由8 0 年代单c p u的8 位机起，过渡到多c p i ; 的1 6 位机，以 及今天的3 2 位机逐渐使用，硬件平台快速升级。但是，随着装置功能的不断复杂 化，装置软件的开发与维护工作量越来越大。有时尽管保护原理没有改变，为了适 用j 新的保护硬件平台，也要将软件重新开发一遍，造成无谓的重复劳动。 软件开发是一项非常有价值，同时又很琐碎的工作，一套软件往往需要经过反 复调试、型试检验、现场运行、反复升级才能逐步成熟。一套好的软件除了要规划 好各种数据结构、可靠算法，在编程中还会注意各种小的细节、技巧。在芯片技术 日新月异、飞速发展的今天，装置的硬件几年时间就升级一次。如果每次硬件的升 级，都将软件重新编写一遍，会造成人力极大的浪费，而且以往软件中的各种细致 华北电力大学硕士学位论文 在抗干扰方面走过一些弯路，现在开发微机保护装置时，各个厂家对硬件回路设计 技术关注较多，而对软件设计技术关注不够。其实软件应该是一套微机保护装w 中 最有价值的部分，对于同一套硬件，写入不同的软件，就能实现完全不同的功能。 软件功能越丰富、越强大，其附加值就越高。因此，有必要对微机继电保护装置的 软件开发技术进行深入的研究。另外，计算机保护的一大缺点就是它的硬件会很快 地过时，如何在新的硬件平台的基础上很快地开发出新的装置，对于制造)家而言 具有很重要的意义。 1 . 2 本课题的意义 对于微机型保护装置，软件就是它的灵魂。一台微机保护装置的最基本的保护 功能以及各种附加的辅助功能都是通过软件来最终实现的。在微机保护的时代，我 们除了要关注硬件技术的发展，还应该将注意力投向软件设计这个重要的领域。软 件设计涉及很多重要的方面，比如:1 、软件运行的可靠性;2 、软件运行的效率; 3 、软件的开发效率;4 、软件的维护等等。事实上，在国外软件是一个非常重要的 产业。我国整体上的软件水平就比较低，国家也多次出台各种优惠政策，扶持软件 企业的发展。 对于继电保护这一特殊行业来说， 以往我们开发继电保护装置的时候， 对软件运行的可靠性有过深入的探讨，以往受到硬件发展水平的限制，为了提高运 ( 1 速度，人们往往采用汇编语言编写程序，也想了很多方法提高软件的运行效率。 但是随着硬件水平的不断发展，运行速度的问题已经基本上不再成为装置开发的首 要考虑问题。事实上装置硬件的设计，越来越简化了，原来的处理系统包括大量的 外围芯片， 现在一个芯片就能替换。 从运行速度上来说， 以往的8 0 3 1 如果采用 1 2 1 1 h z 的晶振，每 1 微秒运行一条加法指令，每4微秒完成一条乘法指令，而现在的一片 普通的d s p 芯片，运行速度就能达到几十纳秒一条指令，并且有专门的乘加指令， 使得滤波运算能力较以往有了上百倍的增长。作为我国目前广泛使用的微机保护， 经过近 2 0年的发展，由8 0 年代单c p u的8 位机起，过渡到多c p i ; 的1 6 位机，以 及今天的3 2 位机逐渐使用，硬件平台快速升级。但是，随着装置功能的不断复杂 化，装置软件的开发与维护工作量越来越大。有时尽管保护原理没有改变，为了适 用j 新的保护硬件平台，也要将软件重新开发一遍，造成无谓的重复劳动。 软件开发是一项非常有价值，同时又很琐碎的工作，一套软件往往需要经过反 复调试、型试检验、现场运行、反复升级才能逐步成熟。一套好的软件除了要规划 好各种数据结构、可靠算法，在编程中还会注意各种小的细节、技巧。在芯片技术 日新月异、飞速发展的今天，装置的硬件几年时间就升级一次。如果每次硬件的升 级，都将软件重新编写一遍，会造成人力极大的浪费，而且以往软件中的各种细致 华北电力人学硕士学位论文 的考虑，在重新编写的过程中，可能会造成遗漏。而且现代企业人员的流动，是很 频繁的， 如何保证软件成果不随人员的调离而断档， 也是一个非常难以解决的课题。 本课题的目的就是研究解决在硬件平台升级时，保护软件可以不经修改或仅做 很少修改就能使用， 也就是说保护软件能跨平台使用。 从而减少软件开发的工作量， 提高开发效率和质量，加快新产品推向市场的速度。 1 . 3 1 . 3 . 1 国内外研究现状 计算机软件开发技术的发展 近年来，随着以计算机应用为中心的技术开发和技术改造在国民经济各部门普 遍开展，人们逐步认识到，软件在计算机应用中起着不可忽视的作用。任何一个部 门或中位要想用好计算机都必须把软件问题摆在优先地位考虑。事实也再表明， 计算机使用的水平如何，能不能充分发挥它的巨大潜力，很大程度 仁 取决于有关人 员对软件的了解和认识。对于一些外购的软件是这样，如果是自行开发软件就还需 要对软件的特性和软件开发技术有更加深入的了解。许多业务部门的技术人员和管 理人员现已体会到，为使计算机更加有效地解决自己专业里的具体问题，自己组织 力量进行软件开发是计算机应用于工作的一个必不可少的组成部分。总之，形势要 求我们对软件技术有更进一步的认识。 计算机软件是一个逻辑的而不是物理的系统，它具有一些与硬件显著不同的特 点。它的工作主要集中在定义、开发和维护等方面，它有极为广泛的应用领域，包 括现有的和潜在的应用领域，这使它与人们的社会生产和生活密切相关。形形色色 的软件在各个领域里的作用日益突出。 6 0 年代以来计算机语言和编译技术的成果为 程序设计土 _ 作带来了方便又为计算机的广泛应用开辟了道路。然而，我们必须看到 软件技术尽管出现了许多新事物，但和硬件技术的飞速发展相比，它已经明显地落 后 了。 多年来被人们延用的手工作坊式软件开发方法一 直未曾被突破，这种传统的方 法使得许多发现了的问题得不到及时的解决。在软件产品的质量、成本以及开发时 if ij 等方面无法满足人们的需求，极大地影响着软件行业的声誉。一些典型的问题表 现在软件产品质量低劣 ( 如工作可靠性、用户难于使用、难于维护等)，研制软件 成本太高，不能按时交付使用等。这些问题的出现曾经给软件项目带来了极为严重 的后果。最为突出的例证就是6 0 年代美国i b m 公司在开发o s / 3 6 0 系统时遇到的矛 盾。该系统有上千人参加工作，投入了 5 0 0 0 人一年的工作量，花费了大量资金， 却未取得预期的结果。这只是说明软件研制失去了控制，酿成难以收拾的危机的 个侧面。 华北电力人学硕士学位论文 的考虑，在重新编写的过程中，可能会造成遗漏。而且现代企业人员的流动，是很 频繁的， 如何保证软件成果不随人员的调离而断档， 也是一个非常难以解决的课题。 本课题的目的就是研究解决在硬件平台升级时，保护软件可以不经修改或仅做 很少修改就能使用， 也就是说保护软件能跨平台使用。 从而减少软件开发的工作量， 提高开发效率和质量，加快新产品推向市场的速度。 1 . 3 1 . 3 . 1 国内外研究现状 计算机软件开发技术的发展 近年来，随着以计算机应用为中心的技术开发和技术改造在国民经济各部门普 遍开展，人们逐步认识到，软件在计算机应用中起着不可忽视的作用。任何一个部 门或中位要想用好计算机都必须把软件问题摆在优先地位考虑。事实也再表明， 计算机使用的水平如何，能不能充分发挥它的巨大潜力，很大程度 仁 取决于有关人 员对软件的了解和认识。对于一些外购的软件是这样，如果是自行开发软件就还需 要对软件的特性和软件开发技术有更加深入的了解。许多业务部门的技术人员和管 理人员现已体会到，为使计算机更加有效地解决自己专业里的具体问题，自己组织 力量进行软件开发是计算机应用于工作的一个必不可少的组成部分。总之，形势要 求我们对软件技术有更进一步的认识。 计算机软件是一个逻辑的而不是物理的系统，它具有一些与硬件显著不同的特 点。它的工作主要集中在定义、开发和维护等方面，它有极为广泛的应用领域，包 括现有的和潜在的应用领域，这使它与人们的社会生产和生活密切相关。形形色色 的软件在各个领域里的作用日益突出。 6 0 年代以来计算机语言和编译技术的成果为 程序设计土 _ 作带来了方便又为计算机的广泛应用开辟了道路。然而，我们必须看到 软件技术尽管出现了许多新事物，但和硬件技术的飞速发展相比，它已经明显地落 后 了。 多年来被人们延用的手工作坊式软件开发方法一 直未曾被突破，这种传统的方 法使得许多发现了的问题得不到及时的解决。在软件产品的质量、成本以及开发时 if ij 等方面无法满足人们的需求，极大地影响着软件行业的声誉。一些典型的问题表 现在软件产品质量低劣 ( 如工作可靠性、用户难于使用、难于维护等)，研制软件 成本太高，不能按时交付使用等。这些问题的出现曾经给软件项目带来了极为严重 的后果。最为突出的例证就是6 0 年代美国i b m 公司在开发o s / 3 6 0 系统时遇到的矛 盾。该系统有上千人参加工作，投入了 5 0 0 0 人一年的工作量，花费了大量资金， 却未取得预期的结果。这只是说明软件研制失去了控制，酿成难以收拾的危机的 个侧面。 华北电力人学硕士学位论文 的考虑，在重新编写的过程中，可能会造成遗漏。而且现代企业人员的流动，是很 频繁的， 如何保证软件成果不随人员的调离而断档， 也是一个非常难以解决的课题。 本课题的目的就是研究解决在硬件平台升级时，保护软件可以不经修改或仅做 很少修改就能使用， 也就是说保护软件能跨平台使用。 从而减少软件开发的工作量， 提高开发效率和质量，加快新产品推向市场的速度。 1 . 3 1 . 3 . 1 国内外研究现状 计算机软件开发技术的发展 近年来，随着以计算机应用为中心的技术开发和技术改造在国民经济各部门普 遍开展，人们逐步认识到，软件在计算机应用中起着不可忽视的作用。任何一个部 门或中位要想用好计算机都必须把软件问题摆在优先地位考虑。事实也再表明， 计算机使用的水平如何，能不能充分发挥它的巨大潜力，很大程度 仁 取决于有关人 员对软件的了解和认识。对于一些外购的软件是这样，如果是自行开发软件就还需 要对软件的特性和软件开发技术有更加深入的了解。许多业务部门的技术人员和管 理人员现已体会到，为使计算机更加有效地解决自己专业里的具体问题，自己组织 力量进行软件开发是计算机应用于工作的一个必不可少的组成部分。总之，形势要 求我们对软件技术有更进一步的认识。 计算机软件是一个逻辑的而不是物理的系统，它具有一些与硬件显著不同的特 点。它的工作主要集中在定义、开发和维护等方面，它有极为广泛的应用领域，包 括现有的和潜在的应用领域，这使它与人们的社会生产和生活密切相关。形形色色 的软件在各个领域里的作用日益突出。 6 0 年代以来计算机语言和编译技术的成果为 程序设计土 _ 作带来了方便又为计算机的广泛应用开辟了道路。然而，我们必须看到 软件技术尽管出现了许多新事物，但和硬件技术的飞速发展相比，它已经明显地落 后 了。 多年来被人们延用的手工作坊式软件开发方法一 直未曾被突破，这种传统的方 法使得许多发现了的问题得不到及时的解决。在软件产品的质量、成本以及开发时 if ij 等方面无法满足人们的需求，极大地影响着软件行业的声誉。一些典型的问题表 现在软件产品质量低劣 ( 如工作可靠性、用户难于使用、难于维护等)，研制软件 成本太高，不能按时交付使用等。这些问题的出现曾经给软件项目带来了极为严重 的后果。最为突出的例证就是6 0 年代美国i b m 公司在开发o s / 3 6 0 系统时遇到的矛 盾。该系统有上千人参加工作，投入了 5 0 0 0 人一年的工作量，花费了大量资金， 却未取得预期的结果。这只是说明软件研制失去了控制，酿成难以收拾的危机的 个侧面。 华北电力大学硕士学位论文 n钊n钊 4， 昂贵的软件7 发成本还可以从图 i - i 中看出。5 0 年代软件的研制成木 只占计算机系统很小的比例，但到8 0 年代，硬件成本的比例关系完全颠倒 过来了。这一事实也说明了几十年来 硬件技术发展极快，其成本大大地下 跌了。软件的情况则完全相反。 分析造成以上问题的原因，常常 涉及到许多方面，有的属于认识问题， 有的则属于技术问题或管理上的问 题 。 1 9 5 5 /软 付 19 70州19 85 图 1 一 1 从认识方面看，程序设计曾经被当作是 一 种任人发挥创造精神的技术学科。不 少人以为，写出的程序只要能在计算机上得出正确的结果，程序的编写不应该受任 何约束，尽管一些程序很难被别人看懂，但只要含有精心设计的程序技巧，就是高 水平的好程序，殊不知这样可供 “ 孤芳自赏”的程序在测试、修改以及维护中遇到 了许多困难。而且常常是重新产生错误的祸根。 进一步分析到技术上和管理上的原因，可能有:未能充分理解和正确表达用户 的需求; 采用了不适当的开发方法; 没有或未能认真遵循开发规范; 测试方法不当; 项目管理不力;不重视资料、文档工作;人员的技术水平不高、经验不足等等。 1 . 3 . 2继电保护装置软件开发现状 早期，国内继电保护装置的软件开发主要采用汇编语言，发展到现在，新装置 的开发大多采用c 语言开发。由于继电保护装置软件相对于其它计算机软件而言， 规模较小，历史发展较短，很多厂家对程序缺乏系统的考虑，仅仅满足于实现特定 的功能，而对相关的程序管理比如可移植性、可维护性、跨平台应用考虑等缺乏规 划，往往造成开发周期长，装置功能差别大、继承性差等缺点，不仅不利于企业发 展，有时也给用户带来使用上的不便。 1 . 3 . 3计算机工程软件开发技术 6 0 年代末期开始出现了软件危机的种种迹象， 人们逐渐认识到，用个人编写小 型程序的那种手工方式来研制软件己经行不通了，必须寻找新的技术来指导软件的 l i = 发。 华北电力大学硕士学位论文 n钊n钊 4， 昂贵的软件7 发成本还可以从图 i - i 中看出。5 0 年代软件的研制成木 只占计算机系统很小的比例，但到8 0 年代，硬件成本的比例关系完全颠倒 过来了。这一事实也说明了几十年来 硬件技术发展极快，其成本大大地下 跌了。软件的情况则完全相反。 分析造成以上问题的原因，常常 涉及到许多方面，有的属于认识问题， 有的则属于技术问题或管理上的问 题 。 1 9 5 5 /软 付 19 70州19 85 图 1 一 1 从认识方面看，程序设计曾经被当作是 一 种任人发挥创造精神的技术学科。不 少人以为，写出的程序只要能在计算机上得出正确的结果，程序的编写不应该受任 何约束，尽管一些程序很难被别人看懂，但只要含有精心设计的程序技巧，就是高 水平的好程序，殊不知这样可供 “ 孤芳自赏”的程序在测试、修改以及维护中遇到 了许多困难。而且常常是重新产生错误的祸根。 进一步分析到技术上和管理上的原因，可能有:未能充分理解和正确表达用户 的需求; 采用了不适当的开发方法; 没有或未能认真遵循开发规范; 测试方法不当; 项目管理不力;不重视资料、文档工作;人员的技术水平不高、经验不足等等。 1 . 3 . 2继电保护装置软件开发现状 早期，国内继电保护装置的软件开发主要采用汇编语言，发展到现在，新装置 的开发大多采用c 语言开发。由于继电保护装置软件相对于其它计算机软件而言， 规模较小，历史发展较短，很多厂家对程序缺乏系统的考虑，仅仅满足于实现特定 的功能，而对相关的程序管理比如可移植性、可维护性、跨平台应用考虑等缺乏规 划，往往造成开发周期长，装置功能差别大、继承性差等缺点，不仅不利于企业发 展，有时也给用户带来使用上的不便。 1 . 3 . 3计算机工程软件开发技术 6 0 年代末期开始出现了软件危机的种种迹象， 人们逐渐认识到，用个人编写小 型程序的那种手工方式来研制软件己经行不通了，必须寻找新的技术来指导软件的 l i = 发。 华北电力大学硕士学位论文 n钊n钊 4， 昂贵的软件7 发成本还可以从图 i - i 中看出。5 0 年代软件的研制成木 只占计算机系统很小的比例，但到8 0 年代，硬件成本的比例关系完全颠倒 过来了。这一事实也说明了几十年来 硬件技术发展极快，其成本大大地下 跌了。软件的情况则完全相反。 分析造成以上问题的原因，常常 涉及到许多方面，有的属于认识问题， 有的则属于技术问题或管理上的问 题 。 1 9 5 5 /软 付 19 70州19 85 图 1 一 1 从认识方面看，程序设计曾经被当作是 一 种任人发挥创造精神的技术学科。不 少人以为，写出的程序只要能在计算机上得出正确的结果，程序的编写不应该受任 何约束，尽管一些程序很难被别人看懂，但只要含有精心设计的程序技巧，就是高 水平的好程序，殊不知这样可供 “ 孤芳自赏”的程序在测试、修改以及维护中遇到 了许多困难。而且常常是重新产生错误的祸根。 进一步分析到技术上和管理上的原因，可能有:未能充分理解和正确表达用户 的需求; 采用了不适当的开发方法; 没有或未能认真遵循开发规范; 测试方法不当; 项目管理不力;不重视资料、文档工作;人员的技术水平不高、经验不足等等。 1 . 3 . 2继电保护装置软件开发现状 早期，国内继电保护装置的软件开发主要采用汇编语言，发展到现在，新装置 的开发大多采用c 语言开发。由于继电保护装置软件相对于其它计算机软件而言， 规模较小，历史发展较短，很多厂家对程序缺乏系统的考虑，仅仅满足于实现特定 的功能，而对相关的程序管理比如可移植性、可维护性、跨平台应用考虑等缺乏规 划，往往造成开发周期长，装置功能差别大、继承性差等缺点，不仅不利于企业发 展，有时也给用户带来使用上的不便。 1 . 3 . 3计算机工程软件开发技术 6 0 年代末期开始出现了软件危机的种种迹象， 人们逐渐认识到，用个人编写小 型程序的那种手工方式来研制软件己经行不通了，必须寻找新的技术来指导软件的 l i = 发。 华北电力大学硕士学位论文 8 0 年代以来，软件工作思想得到系统的归纳和整理，提出了许多工程化方法。 在软件开发环境、软件标准化以及硬件支持方面都取得了显著成果。软件这一智力 劳动的成果应当作为商品在社会上流通，并成为人们共享的社会财富。由于软件产 品要面向社会，它的研制= r 作就必须从用户的要求和市场的需要出发。同时，它在 市场上能否得到用户的欢迎， 有没有竞争能力， 将取决于它的功能、性能、可靠性、 价格以及可扩充能力。 在软件开发项目实施计划得到批准以后，首先要进行需求分析。七十年代末出 现了很多分析阶段的技术，如结构化分析、密执安大学的p s l / p s a 系统、t r w公司 的s r e m 等。结构化分析 ( s t r u c t u r e d a n a t y s i s )方法简称为s a 方法，是一 个简 单适用的分析方法，适合于开发数据处理类型软件的需求分析。该方法的基本思想 是采用 “ 分解”和 “ 抽象”的基本手段，由顶向下逐层分解。主要采用画数据流图 的方法。数据流图是一种图解表示法，可以描述一个组织的组成部分以及各部分之 间的数据关系，对于数据处理系统来说，它可以很形象地表达数据处理系统中信息 的变换和传递过程。数据流图的基本符号有: . 数据流:是具有名字且有流向的数据。 . 加工:表示数据所进行的加工或变换，用标有名字的圆圈表示。 . 文件: 它是数据的暂存处所， 可对文件进行必要的存取， 用标有名字的 粗直线表示。 . 数据源及终点: 表明数据处理过程的数据来源及数据去向的标志， 用标 有名字的方框表示。 数据词典是结构化分析方法的另一个有力工具，它对数据流程图中的所有数据 元素给出逻辑定义。 在数据词典中要给数据流图中每一个数据流名、 每一个文件名、 每一 个加工名建立一个条目， 在条目中给出这个名字的定义。 在定义数据流、 文件、 加工时，又要引用它们的组成部分，所以每一个组成部分在数据字典中也应有一个 条目给出它们的定义。 在完成需求分析阶段后，就进入软件的设计阶段。通常把设计阶段的工作又分 成两步，即总体设计及详细设计。目前有代表性的设计方法有结构化设计方法，其 设计是以数据流图为基础构成模块结构:数据结构 ( j a c h s o n )方法，其设计是以 数据结构为基础建立模块结构;p a r n a s 方法，以信息隐蔽为原则建立模块结构。结 构化设计方法 ( s t r u c t u r e d d e s i g n e d )简称s d 方法是使用最广的一种方法，由美 国 i b m 公司提出，主要考虑的是如何建立一个良好结构的程序系统，并提出评价模 块结构质量的两个其体标准一块间联系和块内联系。还给出了从表达用户要求的数 据流图导出模块结构的规则。 即将任务分成若干子任务， 每个子任务对应一个模块， 一 个模块义可递归地施用上述过程。这样，只要保证最小模块是正确的，则逐级装 配起来后也能正确。数据结构方法是由英国的m . j a c k s o n 提出的，因此也称为 华北电力大学硕士学位论文 ,j a c k s o n 方法，这种方法在欧洲很流行。j a c k s o n 方法的基本思想同s d 方法是一致 的，如模块化、由顶向下逐步细化、程序结构要与问题结构相对应等，与s d 力 一 法 不同的是它不是在数据流图的基础上建立程序结构，而是在数据结构的基础 仁 建立 程序结构。j a c k s o n 方法由下面三个步骤组成: . 建立系统的数据结构; . 以数据结构为基础，对应地建立程序结构; . 列出程序中要用到的各种基础操作， 再将这些操作分配到程序结构中适 当的模块; j a c h s o n 方法的优点是简单、易学易用。当数据处理系统规模不大的情况，使 用它是较合适的。当了解了系统需处理的数据结构以后，找出输入和输出数据结构 之间的对应性时，很容易由数据结构导出某程序结构。对于输入数据、输出数据量 较大的系统， 其结构又不相对应， 用j a c h s o n 方法有困难， 且当数据结构有变化时， 以数据结构为基础建立的整个程序结构也就变了。 因此一般是将s d 方法同j a c k s o n 方法结合起来使用，在画出了系统的数据流图之后，先用 s d方法建立程序的总体 结构，然后在局部范围内使用j a c k s o n 方法。这样即避免了输入数据结构与输出数 据大造成的困难，也解决了整个系统一下子确定其数据结构的问题，而且又使各子 模块的设计简单、易学易用。 软件的一个特点是需要不断地修改，当用户要求发生变化时，系统的操作环境 发生变化时，都引出程序系统作相应的修改。因此应该将系统适当地划分成模块， 使得这些变化对程序结构的影响尽量地少一些。为解决这个问题， p a r n a s 提出以信 息隐蔽为原则的划分模块的方法。即首先列出一些可能发生变化的因素，在设计模 块时将 一 个可能发生变化的因素隐含在某个模块的内部，使其它模块与这个因素无 关，当这些因素发生变化时，只需要修改一个模块。在设计模块结构时，将某个会 发生变化的因素或某些因素隔离在某个模块内部，这样这个或这些因素的变化就不 致 于传播到所在模块的边界之处。 1 . 4 本课题研究解决的问题及主要工作 本课题的任务就是对微机型继电保护装置的软件开发方法进行研究，寻求一种 高效的、可移植的、可靠的软件开发方法，解决当前硬件系统飞速发展的情况 卜 ， 更快、更好地开发继电保护装置，使得继电保护软件能够跨平台使用。 本文所做工作如下: i 分析可移植性设计的利弊和实现可移植性设计的主要方法。 2 .采用结构化分析方法，对电力系统继电保护装置的需求进行分析，包括功 能、性能、可靠性、安全保密、成本消耗、开发进度、资源使用和用户接 华北电力大学硕士学位论文 ,j a c k s o n 方法，这种方法在欧洲很流行。j a c k s o n 方法的基本思想同s d 方法是一致 的，如模块化、由顶向下逐步细化、程序结构要与问题结构相对应等，与s d 力 一 法 不同的是它不是在数据流图的基础上建立程序结构，而是在数据结构的基础 仁 建立 程序结构。j a c k s o n 方法由下面三个步骤组成: . 建立系统的数据结构; . 以数据结构为基础，对应地建立程序结构; . 列出程序中要用到的各种基础操作， 再将这些操作分配到程序结构中适 当的模块; j a c h s o n 方法的优点是简单、易学易用。当数据处理系统规模不大的情况，使 用它是较合适的。当了解了系统需处理的数据结构以后，找出输入和输出数据结构 之间的对应性时，很容易由数据结构导出某程序结构。对于输入数据、输出数据量 较大的系统， 其结构又不相对应， 用j a c h s o n 方法有困难， 且当数据结构有变化时， 以数据结构为基础建立的整个程序结构也就变了。 因此一般是将s d 方法同j a c k s o n 方法结合起来使用，在画出了系统的数据流图之后，先用 s d方法建立程序的总体 结构，然后在局部范围内使用j a c k s o n 方法。这样即避免了输入数据结构与输出数 据大造成的困难，也解决了整个系统一下子确定其数据结构的问题，而且又使各子 模块的设计简单、易学易用。 软件的一个特点是需要不断地修改，当用户要求发生变化时，系统的操作环境 发生变化时，都引出程序系统作相应的修改。因此应该将系统适当地划分成模块， 使得这些变化对程序结构的影响尽量地少一些。为解决这个问题， p a r n a s 提出以信 息隐蔽为原则的划分模块的方法。即首先列出一些可能发生变化的因素，在设计模 块时将 一 个可能发生变化的因素隐含在某个模块的内部，使其它模块与这个因素无 关，当这些因素发生变化时，只需要修改一个模块。在设计模块结构时，将某个会 发生变化的因素或某些因素隔离在某个模块内部，这样这个或这些因素的变化就不 致 于传播到所在模块的边界之处。 1 . 4 本课题研究解决的问题及主要工作 本课题的任务就是对微机型继电保护装置的软件开发方法进行研究，寻求一种 高效的、可移植的、可靠的软件开发方法，解决当前硬件系统飞速发展的情况 卜 ， 更快、更好地开发继电保护装置，使得继电保护软件能够跨平台使用。 本文所做工作如下: i 分析可移植性设计的利弊和实现可移植性设计的主要方法。 2 .采用结构化分析方法，对电力系统继电保护装置的需求进行分析，包括功 能、性能、可靠性、安全保密、成本消耗、开发进度、资源使用和用户接 华北电力大学硕士学位论文 曰等许多方面。利用数据流图，描述装置的各个组成部分以及各部分之间 的数据关系，表达出系统中信息的变换和传递过程。 对继电保护中的各种数据结构进行分析，同时设计了一些常用的算法 探讨如何将系统适当地划分成模块，使得在硬件升级或操作系统发生变化 时，这些变化对程序结构的影响尽量地少 一 些。首先列出一些可能发生变 化的因素，在设计模块时将一个可能发生变化的因素隐含在个别模块的内 部，使其它模块与这个因素无关，当这些因素发生变化时，只需要修改个 别模块。 华北电力大学硕士学位论文 第二章跨平台软件设计分析 平台是软件运行的具体环境，主要指硬件和操作系统。软件在不同的平台上运 行的问题就是软件的可移植性问题。平台改变的时候，在其上运行的应用软件要么 重新开发，要么移植以往的软件，这需要在各种成本和性能间进行权衡。如果移植 以往的软件，以往软件的可移植性要好。当然没有软件是可以完美移植的，可移植 性是一个程度的问题，可移植性好的软件更方便移植，所需消费的资源更少。 跨平台的软件就是当一个软件运行的硬件或操作系统环境发生改变时，该软件 不经改动或仅做很少的改动，就能够正常运行并能实现期望的功能。实现软件跨平 台使用，主要就是解决软件可移植性的问题。 2 . 1软件单元及其环境 一台装置的软件是有很多程序组成的，可以按功能将它们划分成很多模块，侮 一 个模块可称为一个软件单元。一个编写的很好的软件，一般都是模块化的软件， 每一个模块完成特定的功能。 按照规模大小或功能的不同， 软件单元或模块可能是: .一个组件 ， 一段程序 一个子系统 一个完整的系统 每个软件单元都不是孤立地存在的，它会与周围的硬件或软件环境打交道。软 件运行的环境包括以下几种: 其他的软件单元 .操作系统 .硬件 软件不仅是条条指令组成的操作，还包括这些操作的对象或者数据。往往操 作的对象或数据存储格式不同时，相应的软件处理程序也不同，所以数据的存储格 式、文档等等，对可移植性软件的编制也非常重要。在软件移植的时候，对象格式 也要充分考虑，所以移植的项 目会包括: 程序，组件，系统 . 数据 ，库 . 工具 。系统软件 华北电力大学硕士学位论文 第二章跨平台软件设计分析 平台是软件运行的具体环境，主要指硬件和操作系统。软件在不同的平台上运 行的问题就是软件的可移植性问题。平台改变的时候，在其上运行的应用软件要么 重新开发，要么移植以往的软件，这需要在各种成本和性能间进行权衡。如果移植 以往的软件，以往软件的可移植性要好。当然没有软件是可以完美移植的，可移植 性是一个程度的问题，可移植性好的软件更方便移植，所需消费的资源更少。 跨平台的软件就是当一个软件运行的硬件或操作系统环境发生改变时，该软件 不经改动或仅做很少的改动，就能够正常运行并能实现期望的功能。实现软件跨平 台使用