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y6 9 8 6 0 6 基于m i s 的电网理论线损计算与线损诊断系统的研究 学科；计算机应用技术 研究生签字 指导教师签 摘要 电力网的线损是一个综合性的经济、技术指标，它不仅能够反应电网结构和运行方面 的合理性，而且可以反映电力企业的技术和管理水平。本文在分析国内外大量文献的基础 上，应用甜+ b u il d e r 6 0 编程语言设计开发了基于p a r a d o x 本地数据库和s q ls e r v e r2 0 0 0 网络数据库的屯网理论线损的计算与诊断系统。该系统能使管理部门高效率的管理电网线 损，并提出了利用分段线损进行线路诊断的思想。其主要内容有： 根据电力m i s 初期研发中低压线路c a d 的实现技术，利用链表和多叉树深度优先遍历 的思想，丌发了高压线路c a d 系统，优化了电网线路c a d 系统，为电网理论线损的计算和 渗断系统提供了完整的开发平台。 在理论线损计算方面，利用对电网拓扑图的逆层次遍历的思想，实现了对农网输、配 等电力线路的理论线损计算工作。基于等值电阻理论的电量法操作方便、数据易收集、计 算精度符合制定线损指标和线损分析要求。 线路诊断和分析则是在理论线损计算的基础上，结合电力线路c a d 中绘制的电网拓扑 图，通过对线路分段理论线损的分析与对比，诊断当前线路的薄弱环节，为线路的改造和 降损提供科学依据。 目前，本系统已在偃师市供电有限公司投入使用，受到用户和评审专家的一致好评。 关键词：理论线损；c a d ；多叉树；深度优先遍历；线路诊断 t h ec a l c u l a t i o no f t h e o r e t i c a ll i n el o s sa n dr e s e a r c ho nt h ed i a g n o s i ss y s t e m f o re l e c t r i cp o w e r s d i s c i p l i n e ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y s t u d e n t s i g n a t u r e ：枷，x ? 见叩1 s u p e r v i s o rs i g n a t u r e a b s t r a c t t h el i n el o s so fe l e c t r i cp o w e ri sac o m p o s i t ee c o n o m ya n d t e c h n o l o g yt a r g e t ，a n di tn o t o n l y r e f l e c t st h er a t i o n a l i t yo fe l e c t r i cp o w e rn e t w o r k ss t r u c t u r ea n dr u n n i n gb u ta l s or e f l e c t st h e t e c h n o l o g ya n dm a n a g e m e n tl e v e l o fe l e c t r i c p o w e re n t e r p r i s e ，i n t h i s p a p e r , a f t e rr e a d i n g a b u n d a n tr e l e v a n tl i t e r a t u r e ，d o m e s t i ca n do v e r s e a , u s e dc + + b u i l d e r6 0w i t hp a r a d o xl o c a t i o n d a t a b a s ea n ds q ls e r v e r2 0 0 0n e t w o r kd a t a b a s e ，as y s t e mi s d e s i g n e dw h i c ha i m sa tt h e c a l c u l a t i o no ft h et h e o r e t i c a l1 i n el o s sa n dd i a g n o s i so fe l e c t r i cp o w e rc i r c u i t r y t h r o u g ht h i s s y s t e m ，t h em a n a g e m e n td e p a r t m e n tc o u l dm a n a g el i n el o s sa n dp u tf o r w a r dm e a s u r e ，w h i c h m i n i m i z et h el i n el o s si nh i g he f f i c i e n c y s e v e r a li m p o r t a n t p a r t s a r ei n c l u d e di nt h i sp a p e r ： b a s e so nt h er e a l i z a t i o nt e c h n o l o g yo ft h el o w - v o l t a g el i n ec a d s y s t e mi ni n i t i a lr e s e a r c h s t a g eo f e l e c t r i cp o w e rm i s ，a n du s e sc h a i nt a b l ea n dd e p t h f i r s ts e a r c ht r a v e r s i n go f m u l t i w a y t r e e ，h i g h v o l t a g el i n ec a ds y s t e mi sr e a l i z e dt oo p t i m i z ee l e c t r i cp o w e r n e t w o r kc a d s y s t e m ， a n d p r o v i d ei n t e g r i t yp l a t f o r m f o rt h ec a l c u l a t i o no ft h e o r e t i c a ll i n el o s sa n d d i a g n o s i ss y s t e m o nt h es i d eo f t h et h e o r e t i c a ll i n el o s s t h i ss y s t e ma c h i e v e st h ec a l c u l a t i o no f t h et h e o r e t i c a l l i n el o s sw i t ht h er e v e r s a lt i e ro f e l e c t r i cn e t w o r k t o p o l o g yf i g u r e c o u l o m e t r yw h i c hb a s e so n t h e m e t h o do f e q u i v a l e n t r e s i s t a n c eo p e r a t e ss i m p l ya n dc o l l e c t sd a t a e a s i l yb e s i d e sc o m p u t e a c c u r a - t e l ya c c o r d i n gt ot h eg u i d e 1 i n eo fl i n e1 0 s sa n dt h e r e q u e s t o f1 i n e1 0 s sa n a l y s i s o nt h es i d eo fl i n ed i a g n o s i sa n d a n a l y s i s ，b a s e so n t h et h e o r e t i c a ll i n e1 0 s sa n dc o m b i n e s e l e c t r i cn e t w o r k t o p o l o g yf i g u r ep a i n t e d i nc a d ，t h i sp a p e r p r o v i d e ss c i e n t i f i cb a s i sf o rt h er e b u i l da n dt h em i n i m i z a t i o nl i n el o s so f e l e c t i l ep o w e r c i r c u i t r ya n dd i a g n o s e st h ec u r r e n te l e c t r i c p o w e rc i r c u i t r yt h r o u g ha n a l y z e sa n d c o n t r a s t st h es u b s e c t i o nt h e o r e t i c a ll i n el o s s n o w a d a y ，t h i ss y s t e m h a sb e e n r u n n i n gf o r m a l l yi ny a n s h ip o w e rs u p p l ya n da l r e a d yc o n f i r m e db yt h ee x p e l so fh e n a np o w e ra n d g e t sh i g ha p p r a i s e m e n t k e yw o r d s ：t h e o r e t i c a ll i n el o s s ；c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ；m u l t i w a yt r e e ；d e p t h - f i r s t s e a r c ht r a v e r s i n g ；l i n ed i a g n o s i s 1 绪论 1 绪论 在二十一世纪的今天，经济全球化和全球信息化形势突飞猛进，信息技术及其应用已 经渗透到经济和社会的各个领域。大力推进企业信息化，才能使企业在日益激烈的竞争中 通过提高核心竞争力而获得健康、快速的发展。 电能源自出现以来，凭借着它独有的优势发挥着其他能源所不能替代的作用。不仅如 此，而且随着社会经济生活的发展，人们对电力的依赖程度将会越来越高，对电力供应的 数量和品质也将提出更大、更高的要求。随着我国产业结构的调整及信息化程度的提高， 在未来企业的产品成本中，管理成本比重将会越来越大，电力行业作为国家的基础产业， 在未来的市场竞争中要立于不败之地，控制成本和提高效率将成为其寻求发展的主要手段， 同时，电力企业拥有巨量的资产、设备、人员和用户，内部业务种类多，部门协作要求高， 信息量大并且交换频繁，企业运行的高效能依赖于信息的全面、准确、及时和一致。因此， 信息化不仅仅是一种技术趋势，更是电力企业提高竞争力，实现可持续高速发展的必由之 路。 1 1 问题的提出 电力企业的信息化应用大致可分为三个阶段1 1 i ：第一阶段为生产过程自动化，自2 0 世 纪6 0 年代起，信息化主要用于电力系统的计算机发蚣口变电站的自动监测、监控等方面； 第二阶段为专项业务应用，自2 0 世纪8 0 年代起，信息计算开始进入电力系统的各应用领 域，涉及电网调度自动化、电力负荷控制、计算机辅助设计、计算机仿真系统、电厂管理 信息系统、用电管理等多方面；第三阶段为管理信息系统，在2 0 世纪末，电力信息技术进 一步向综合应用方向发展，有控制层、操作层、管理层向决策层延伸，例如：办公自动化、 设备管理系统等等。 随着电力系统多年的发展，面对越来越密织的电网、复杂的电力设备、时刻变化的负荷 信息、不断变迁的道路和建筑，以及人们对供电质量、环保状况、电力市场化体制改革等 问题的日益关注，电力系统规划、运行、营业部门必须对其庞大而繁杂的信息进行采集、 存储、分析和快速处理。为了实现输电网建设和配电网改造及发展的合理规划，提高电能 的质量和供电可靠性，降低线损，提高电力设备运行的安全性、经济性，需要将现代化的计 算机和电力线路的理论线损计算以及诊断紧密的结合起来。 电力网的线损不仅是一个综合性的经济、技术指标，而且也是供电企业达标和创一流 的主要考核指标。理论线损不但能反映电网结构和运行方面的合理性，而且可以反映电力 企业的技术和管理水平，能促使相关部门采取从内部挖潜，降低线损率1 2 i 。由于对供电企 业来晚降低电网的线损率，相当于在企业生产成本不变的前提下，提高了企业的经济效益。 因此，线损计算及管理对于电力系统来说是意义重大的。要降低线损，方面是要加强电 网的技术改造，另一方面是加强供电企业的内部科学管理，用高科技的管理手段降低电网 西安工业学院硕士学位论文 的线损率，控制偷漏电，提高企业的经济效益。对于电网设计规划部门则在设计阶段就能 通过线损的模拟分析功能采用线损较小的设计方案，从而达到最佳的设计效果。 同时，面对复杂的电力网络，设备的老化、用户的不正确使用等等，随时都会对电网 的运行造成危险，如果在事故发生之后再进行维修，这种维修方式有着明显的滞后性。通 常在事故发生后，损失是巨大的，甚至是灾难性的，以致危及人身安全，破坏环境，带来 严重的社会问题。因此，对电力线路的预知维修为电网运行的经济性和正常性提供了保证， 它通过对设备的工作状态进行监测和计算，判断其工作状态是否正常，是否需要维修，这 种维护方式的基础就是诊断技术。电力线路的诊断是电力系统信息管理不可缺少的部分， 发挥着举足轻重的作用。 1 2 课题研究的目的及意义 电力网在规划、接线方案比较和变电所设计时，供电部门要进行理论线损计算，对一 些降损措施和效益进行预计，通过技术、经济比较来选择经济合理的降损方案。而且，供 电部门对运行的电力网也要进行理论线损计算，与实际统计所得的线损比较分析，并对各 线路进行线路诊断，从而估计出损耗的构成情况，为降低管理损耗电量提供依据。可见， 精确的线损计算是非常重要的，然而由于我国输、配电系统的自动化程度还比较落后，统 计涉及环节多、数据多、工作量大、人为因素较多，且靠手工计算已经不能适应企业中等 级和管理细化的要求。因此，为了保证理论线损统计的准确性和分析的合理性，及时发现 线损管理中存在的各种问题，采取有效措施降低管理损耗，减少线损统计工作者的劳动强 度，如何充分利用现有的数据，研制开发一套高水平的电网线损管理软件系统，并利用电 力线路的理论线损数据，进行线路运行的正常性诊断，对供电企业来说具有相当重要的意 义。 近几年以来，随着各供电企业对线损管理的重视，许多单位都在进行线损管理软件系 统的开发。同期的软件，例如：郑州大方软件有限责任公司的理论线损计算软件，芜湖供 电公司开发的理论线损计算软件等等。这些软件的表格管理功能较强，线损管理计算内容 比较专业，不失为比较成功的线损管理软件系统。但是在实际使用中，这些软件在某些方 面已经暴露出一些不足： 1 ) 电力线路c a d 作为电力线路理论线损的计算平台，功能较弱。 在电力系统中，输电网络、配电网络、发电厂及设备、用户和负荷、煤、水、地热、 风力等能量资源都是按照地理分布的；标明有各种电力设备和线路的地理位置图是电力部 门用来管理、维修电力设备和寻找及排除设备故障的有利工具。虽然目前的线损计算管理 软件中集成了电力线路c a d 系统，但这些c a d 系统存在以下不足l 3 j ： a 使用a u t o c a d 和其它绘图软件绘制电力图形信息，虽然作图功能强，但数据库管 理功能较弱。比如，查询设备信息是在数据库系统中，绘制图形却要进入另外一个图形系 统，显然使用麻烦，直观性和可用性不强。 b 将图形信息和属性信息结合在一起的电力图形信息系统，虽然比前一种前进了一大 步，但图形中每个接点之间不存在拓扑关系，没有存储设备之间的数据结构，不能判断它 们之间的拓扑关系，难咀进行与连通性有关的高级应用。 西安t 业学院硕士学位论文 2 ) 目前的理论线损计算软件系统，没有电力线路的诊断部分。 对于现有的线损管理软件而言，大多数系统都会带有部分的数据分析功能，它们都是 利用对电路导线或者电气设备不同型号之间的对比，通过改变设备的型号，仅仅计算设备 改变前后，线路线损的变化，因此，这种分析的功能体现的始终是整条线路的情况，没有 对线路的各个分段进行分析，不能较详细的了解线路的具体情况，无法对线路进行诊断以 消除线路的薄弱环节，也不能较好地辅助线损工作的决策管理。 基于以上问题，需要开发更加实用的电力线路理论线损管理和诊断软件系统，该系统 不仅要提供精确的线损计算，而且应具有强大的绘图功能，并能够利用线损数据对线路进 行预测和诊断。 1 3 课题的来源及背景 课题来源：偃师市供电有限公司m i s 系统研发 课题名称：基于m i s 的电网理论线损计算与线损诊断系统的研究 改革开放以来，我国农村经济迅速发展，对农电的需求日益增加。农村电网是农村最 重要的基础设施之一。但是，长期以来，农村电网主要由农民自己建设、自己管理，致使 农村电网结构薄弱，设备陈旧老化，线损变损大，农村电价高，电能质量差，严重制约了 农村经济的发展和农民生活水平的提高。因此，国家于1 9 9 8 年下半年提出了实施农村电网 改造工程。围绕农村电价高、农民负担重的问题，国务院决定，把城乡电网改造作为加大 基础设施建设，扩大内需，拉动国民经济增长的重大举措，把关系到农村、农业、农民问 题的农电工作作为一项重要工作，并纳入到国民经济发展的大环境中统筹安排；明确提出 通过改革农电管理体制、改造农村电网、实现城乡用电同网同价( 即“两改一同价”) 三大 目标任务。其中在电网改造方面，制定了一系列的发展政策，针对农村电网进行系统的规 划和全面改造，以解决好农村用上电、用好电问题，以大力促进我国农村电气化事业的发 展。 为了响应国家号召，提高企业管理水平、生产效率和核心竞争力，偃师市供电有限公 司进行了偃师市供电有限公司管理信息系统的建设，并迈出了创国家“县级一流电力企业” 的步伐。在这样的背景下，由西安工业学院与河南省偃师市供电有限公司共同提出联合开 发信息管理系统( m i s ) ，而电网理论线损计算与线损诊断系统是这套信息管理系统的重要 组成部分之一。 1 4 本文的主要工作 根据实际工作的需要，本文在电力线路c a d 平台上，主要研究了一个地区高压输电网、 l o k v 及以下配电网的理论线损计算以及利用线损进行电力线路的诊断，具体工作如下： 1 ) 系统总体设计：系统的模块设计、功能设计、数据库设计、系统安全设计及软硬件 运行环境的设计。 2 ) 电力线路c a d 平台优化。根据具体的线路资料，对现有的低压线路c a d 平台进行优 化，在线路c a d 中并入高压线路c a d 部分，提供更完善的电网理论线损计算平台。 西安工业学院硕士学位论文 3 ) 电网理论线损的计算。对各种线损计算方法进行研究和比较，为不同的电力线路结 构选择合适的算法，并详细研究了电网计算中相关数据的获取问题以及各电力元件电能损 耗的基本计算方法，为系统的电能损耗评估提供一定的依据。 4 ) 软件界面的设计。根据实践中的需要为相应的线损计算软件制定具体的用户界面， j l ：发较为通用的理论线损计算系统。 5 ) 对线路进行诊断。从分段理论线损的数据信息中分析线损产生的原因及线路的薄弱 环节，为降损提供依据。 2 系统的总体设计 2 1 系统总体设计 2 系统的总体设计 作为一个应用程序，尤其是基于网络应用的程序，必须具有良好的稳定性。本系 统在设计过程中，运用了文献 5 6 l 所提到的结构化设计方法进行系统的总体设计，从 系统和整体的观点出发，采用自上而下逐步求精的设计线路，把整个系统分解细化成 一个由若干可交叉引用的模块组成的层次结构软件系统。当一个复杂的系统分解成相 对独立、功能单一的模块结构时，每个模块就可以单独地设计、编写、测试和修改， 从而使开发易于管理，提高了系统的质量。同时，在模块设计中不仅要求每个模块功 能完整，便于使用，容易移植，具有良好的可扩充性、保密性和可维护性；而且还要 充分考虑结构的内聚度和耦合度，把密切相关的子问题划归为系统的相同部分，即把 相关的事件放在一起；把不相关的子问题划归为系统的不同部分，即把相互没有联系 的事件分开放置。这样，增大了一个模块内部各个元素彼此结合的紧密程度，降低了 模块间相互依赖的程度，建立起了结构化的程序系统，实现了系统的整体最优化。 根据结构化设计的思想以及对系统需求的详细分析，把系统分为几个相互独立的 功能模块，分别是电力线路c a d ( 理论线损的计算平台) 优化模块、数据库操作模块、 理论线损计算模块、线损分析诊断模块。各模块留有接口，模块之间可以很方便的进 行信息交换。模块之间的关系如图2 1 所示。 图2 1 系统结构图 从图2 1 中可以看出，系统的所有数据都存在数据库中，各个模块与数据库进行信 息交换：线路c a d 系统根据电力线路的基本资料绘制出电网拓扑图，为系统的其他部分 提供设计平台。 在电力线路c a d 平台之上，理论线损计算、数据库操作、线损诊断分析三个子系统 紧密联系、相辅相成，并且与整个供电有限公司管理信息系统密不可分，它们之间具 有良好的数据接口，实现数据互通和共享，以确保整个管理信息系统的数据一致性。 2 一 一1 互 ，磊； 一线一 一凄一i占 西安工业学院硕士学位论文 211 电力线路c a d 平台优化模块 电力线路c a d 平台包括五部分：人机界面、图形绘制和编辑、数据库、分析计算、结 果输出。其系统结构如图2 2 所示。 图2 2 电力线路c a d 平台结构图 电力线路c a d 平台优化模块主要是在低压线路c a d 研发的基础上，补充了高压线路c a d 部分，从而完善了电力线路c a d 系统，为完整的计算理论线损奠定了基础。高压线路c a d 同低压部分一样，具有常用的图形功能和友好的人机界面，其主要功能有： 1 ) 绘制电网线路的拓扑图 电力线路拓扑图的绘制是该子系统的主要组成部分，系统主要根据用户线路资料的录 八情况，按特定的比例绘制出与实际电力网一致的网络拓扑结构图，以管理线路设备在物 理位置上的信息。同时，电力网络拓扑图的绘制为理论线损的计算提供了基础，在理论线 损计算的过程中，可以依据图形的显示，为电网分段，分设备的计算精确的理论线损。 2 ) 分析计算与图形对应的数据表 该系统可自动计算出部分线路资料，例如线路的全长、变压器台数、各种型号电杆的 使用数量等等。同时，在电网拓扑图绘制的过程，通过对数据库信息的分析，给线路中每 台设备显示具体资料，以达到图形信息与数据库信息的结合。 3 1 图形输出 该系统为绘制完毕的图形提供多种格式的存储，并且在每次绘制完毕之后，系统可自 动记录有关图形绘制的信息，例如，图形比例、图纸大小等等，以便用户在以后的绘制中， 不需要重复的调整图形绘制的环境。图形的输出主要是以图纸的格式输出，其内容除了线 路拓扑图以外，还包括图形图标的说明，以及对线路资料分析计算的结果。 为了方便用户使用，在系统的具体操作上，高压线路c a d 也遵循了低压部分的操作方 式，其具体内容包括： 1 ) 线路资料的录入：线路资料的录入是整个系统的基础，由用户根据实际线路的情况 录入，线路c a d 系统根据录入的实际信息，绘制相应的与实际线路基本一致的电网拓扑图。 2 ) 图形编辑：该模块除了根据具体线路资料自动绘制图形以外，另一个主要的部分就 是图形编辑功能，用户可以对系统生成的图形做任意的修改和组合，以适应用户各种情况 的需要。 6 匹安工业学院硕士学位论文 3 ) 图形信息与其资料信息的结合：两者的结合主要是由系统自动完成的，当图形绘制 完毕以后，系统会自动为线路以及线路中的每一个设备提供详细的资料，例如导线长度、 设备型号等，以便用户浏览。 2 1 2 理论线损计算模块 理论线损作为电力网规划和运行的主要指标，在电力信息的管理中起到了举足轻重的 作用，因此理论线损的计算是电力行业信息管理的不可缺少的部分，精确的理论线损计算 结果不仅能够反映线路结构的合理性，而且也为线路降损提供了重要依据。图2 3 为理论 线损计算子系统的组成： 医诬面磊翮 图2 3 理论线损计算子系统组成 由于电力线路实际运行过程中，低压线路和高压线路具有不同的特征：低压线路结构 复杂且分支多；高压线路相对而言结构简单且设备种类较少，所以本系统把理论线损的计 算按高低压分解为两部分。低压计算中主要包括1 0 k v 以下低压配电网线路的理论线损计 算，高压计算中主要包括1 0 k v 配电网、3 5 k v 输电网以及l l o k v 输电网三部分的理论线损 计算。 1 ) 1 0 k v 以下低压配电网的理论线损计算 低压配电网由低压线路、接户线、电能表、电动机等组成，其主要的特征有：供电方 式和结构比较复杂，有三相三线制、三相四线制、单相两线制等；有关电负荷变化较大， 并且计量表计不齐全，缺乏比较完整的运行记录及资料。目前，低压配电网的线损计算是 以配电变压器台区为单元进行的。以台区为单位计算理论线损，可以使其具有可比性，有 利于进行线损分析，促进降损节能。 2 ) 高压配电网的理论线损计算 西安工业学院硕士学位论文 高压配电网主要是针对l o k v 配电网而言的，与低压配电网相比，高压配电网主要描 述了从变电站到变压器的线路，因此，高压配电网在线损计算的时候一般是以线路为单位 进行的，而且高压配电网的分支数远远小于低压配电网，因此结构相对而言较简单。 3 ) 高压输电网理论线损计算 输电线路相对于配电线路，一条线路中所包含的分支线、导线型号数、变压器台数等 都较少。由于输电线路结构较为简单，而且其计量仪表和测量装置较为齐全，因此输电网 的理论线损计算较为简便。 综上所述，低压配电网、高压配电网、高压输电网三部分结构的差异性决定了三者所 使用的理论线损算法会有所不同，并且理论线损需要考虑的因素也会有很大差别。 理论线损计算子系统包括的功能有： 1 ) 线路数据的校验 线路数据的录入是进行理论线损计算的基础，其数据的正确性、完整性和一致性直接 影响着理论线损的计算。因此，在计算之前必须对输入的线路表计读数等资料进行校验， 以保证线损计算顺利、高效的进行。 2 ) 线损计算 根据电网拓扑图以及表计读数，在对多种理论线损算法对比的基础上，选择合适的方 法，求取电力线路的理论线损值，并能够根据抄表结果计算出线路实际线损值。 3 ) 理论线损分段统计报表 通过理论线损计算，生成理论线损分段统计报表。该表详细记录了各分段线路的分段 电阻、固定损耗、可变损耗等信息，为线路诊断和降损提供科学依据。 2 1 3 线损诊断分析模块 线损诊断是利用电力线路分段理论线损的计算结果，考察线路的薄弱环节，以避免大 的电力事故的发生，确保电网在安全、经济的环境中运行。其主要功能包括： 1 ) 根据特定的电能损耗数据，查找线路。 在理论线损分段统计报表的基础上，查找电能损耗在某一范围内的线路分段，查询结 果详细的描述了各分段线路的资料，例如：线路的起始位置、线路的名称、导线的型号等 等。因此，可以清楚的了解到线路的各个环节的具体情况，为线路的维护提供强有力的依 据。 2 ) 为线路设备改造前后，提供线损数据的分析对比功能。 根据需要，改变线路中各种设备的型号，其中主要包括导线型号、变压器型号等。在 每次改变之后，系统可自动的重新计算线路的分段线损，并生成设备改造前后，线路分段 线损的对照表。由于线路改造的主要目的是降低线路的电能损耗，因此线路改造前后的线 损对照表，为线路的降损提供了科学的证明。 2 2 系统体系结构 随着软件系统的规模和复杂性的增加，软件体系结构的选择成为比数据结构和算法更 西安工业学院硕士学位论文 为重要的因素。一个良好的软件体系结构为系统的分析、设计和配置提供了一个清晰的框 架。c s 软件体系结构l “，即c l i e n t s e r v e r ( 客户机服务器) 结构，是基于资源不对等， 且为实现资源共享而提出的，是二十世纪九十年代成熟起来的技术。该体系结构具有强大 的数据操作和奎物处理能力，模型思想简单，易于人们理解和接受。鉴于整套信息管理系 统的限制和对现实问题的考虑，本系统以二层c s 方式作为软件的体系结构。 在客户服务器的通用框架中，对客户和服务器的工作可以划分为几种不同的实现类 型。其中应用最广泛的有三种类型 8 】： 1 1 基于主机的处理 基于主机的处理不是真正的人们普通认同的客户服务器计算。基于主机的处理是指传 统的大型机处理，即所有的处理都是在一台中心主机上完成的，用户接v i 是一台哑终端。 即使用户在使用一台微机，一般也是局限于终端仿真器的角色，如图2 4 所示。 客户服务器 图2 ，4 基于主机的处理 2 ) 基- t - 1 1 1 务器的处理 基于服务器的处理是客户，服务器配嚣的最基本类型。在此种处理模式种，客户端主要 负责提供图形化用户界面，而所有的处理都是在服务器上完成的。这种配置是早期的客户 服务器模式，尤其常见于部门级的应用系统，如图2 5 所示。 客户服务器 表示逻辑 圈2 5 基于服务器的处理 3 ) 基于客户机的处理 实际上，除了最适合在服务器上执行的数据确认功能和其他数据库逻辑功能之外，所 有的应用处理都可以在客户端完成。一般地，某些较复杂的数据库逻辑功能都位于客户端。 西安工业学院硕士学位论文 这种结构可能是当今使用最普遍地客户服务器方式，也被成为“胖客户模型”，如图2 6 所示。 客户服务器 表示逻辑 应用逻辑 数据库逻辑 图2 6 基于客户机的处理 基于客户机的处理方式使用户能够使用适合本地需要的应用逻辑，而且它能充分利用 桌面功能，卸除了服务器上的应用处理，著使它们更加有效，不易产生瓶颈。本系统使用 的就是基于客户机处理的c s 模式。 c s ( 客户机服务器) 体系结构作为当前比较流行的数据库应用程序体系结构，它将 应用一分为二，服务器( 后台) 负责数据管理，客户机( 前台) 完成与用户的交互任务， 整个结构通过一个服务器来管理和维护数据库，同时通过一个或多个客户端来进行数据库 数据的访问。c s 结构之所以成为当前数据库程序设计的主流，主要是由于它具有以下优 点f ： a 它具有主机数据库的多数优点，如安全性、事务处理等。 b 它具有单机数据库所不具有的优点，如并发控制、数据共享等。 c 它具有效率高、成本低、可扩展性好、开发周期短等优点。 在c s 结构中，为了完成一次数据处理，至少需要两个独立的对象。一个是发出请求 的客户机，另一个是服务器程序。图2 7 描述了c , s 结构的模型： 图2 7 c s 结构的模型 用户通过客户机向服务器发出数据访问请求，服务器则对该请求进行分析、执行，最 后将结果返回给客户端。客户端的请求可采用s q l 语句或者直接调用服务器上的存储过程 1 0 两安工业学院硕士学位论文 来实现。服务器将执行的结果以记录集的形式返回给客户端。客户端和服务器之间数据的 通信协议是封装在称为数据库引擎的对象中。 2 3 系统数据库模块 由于电力系统的复杂性，电力系统管理和自动化系统均需要对大量数据和信息进行综 合处理，如何高效、高质量地处理这些数据信息，成为建设电力系统管理和自动化系统的 关键，毫无疑问，这就需要高性能的数据库作为支持。可以说，数据库设计是开发高品质 应用软件的前提，其好坏将直接对应用程序的效率以及实现的效果产生影响，好的数据库 设计会减少数据库的存储量，提高数据的完整性和一致性，加快系统的相应速度，简化基 于此数据库的应用程序的实现难度等。因此在本系统数据库设计中力求按照要求设计出一 个结构良好、运用方便、效率较高的数据库。 2 3 1 数据库的规范化设计 规范化是删除数据冗余的进程，规范化理论是进行数据库逻辑设计的理论基础和设计 指南。数据库设计时必须保证每一个分量是不可再分的数据项，然而这只是最基本的规范 化。实际上，人们通常按照属性间的依赖情况区分关系规范化的程度，把规范化分为第一 范式、第二范式、第三范式等。规范化的程度存在一种包含关系，例如，如果一个表属于 第三范式，则它一定属于第二范式，当然也就属于第一范式了。简言之，关系数据库中满 足不同程度要求的为不同范式，满足最低要求的叫第一范式。规范化的定义如下l “i ： 第一范式( 1 n f ) ： a 每一列必须是原子的、不可再分的； b 每一个表中不能有重复的列； c 每一行列位置上只有一个值。 第二范式( 2 n f ) ： 对于一个关系，如果属于第一范式，并且每一个非主键属性都完全函数依赖于码( 即 主键) ，没有部分依赖，则该关系属于第二范式。如果一个表只有一个单个的主键列，则该 表必然属于第二范式。 第三范式( 3 n f ) ： 如果一个关系模式属于第二范式，且其中的任何非主属性都不传递函数依赖于它的每 一个候选键，则这个关系属于第三范式。 由于第三范式的关系消除了非主属性和主属性间的部分函数依赖和传递函数依赖，解 决了存储异常问题，一般情况下都能满足实际应用要求。 进行规范化处理可以使表变小，从而减少数据表所占的硬盘空间，缩短访问表中数据 所需的i o 时间。经过规范化处理的数据库具有以下优点： a 表的列数减少了，排序、搜索、创建索引的速度可以加快； b 表的总数量减小了，按照索引查询的速度加快了； c 可以更好的使用段来控制数据的物理存储； 西安工业学院硕士学位论文 d 每个表可以只有很少的索引，因此可以加快更新速度； e 减少了空值和冗余，数据库更紧凑； f 数据库规范化了，减少了数据的不规则性； 2 数据库的维护和修改变得更容易。 因此，本系统的数据库设计结合了c + + b u i l d e r 6 0 和m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 的具体特点，遵循了第三范式原则，并充分考虑了数据库的完整性规则，即实体完整性、 域完整性、相关完整性、用户定义完整性。 232 数据库的非规范化设计 规范化设计的基本思想是消除关系模式中的数据冗余和消除数据依赖中的不合适部 分，解决数据插入、删除和更新时发生的异常现象。而非规范化设计是为了提高性能，减 少连接外部关键字，有意违反数据库的数据规范化设计过程。大部分情况下，应进行规范 化数据库设计，只有在充分衡量以下准则后，确有必要，才进行非规范化数据库设计。通 常在以下情况下，要考虑进行非规范化处理： 大量频繁的查询过程所涉及的表都需要进行连接 主要的应用程序在执行时要将表连接起来进行查询 对数据的计算需要临时表或进行复杂的查询 非规范化技术主要有【1 ”：增加冗余数据、改变列定义、重定义表。 1 ) 增加冗余数据 a 复制列 复制列可分为两种：复制静态数据和复制外来关键字列。复制静态数据来避免连接是 增加冗余数据常用的方法。它是指在数据表中增加新列以避免执行连接操作。当大量的更 新或查询都必须在两表中进行时，可以在表中增加新列。图2 8 是复制列在本系统数据库设 计中的使用，在线路信息表中增加了线路图形列，用来存储绘制的线路拓扑图，以避免在 系统运行中线路信息表和线路图形表的大量连接。 线路图形表 线路编号 线路资料 线路图形 线路信息表 图2 8 复制列( 复制线路图形列) 圈一国 西安工业学院硕士学位论文 另一种复制列的方法是复制外来关键字列，用于减少检索相关数据时连接的数量。 当然，增加冗余列虽然可以避免许多查询时的连接操作，但是也必然会带来一些问题。 冗余列的增加必然需要更多的磁盘空间，降低数据库的存储效率，因此，这是一种以空间 换取速度的方法。另外，冗余列的增加带来了数据完整性问题，系统需要对新的列进行维 护，涉及该列的更新操作都必须在两个表中进行，以保持数据的一致性。 b 增加派生列 派生列与冗余列不同，它不是直接从另一个表中获得的列，而是对另一个表中的数据 进行+ 些计算的结果。增加派生列可以使统计计算减少连接操作，从而减少执行时间。如 图2 9 所示： 线路编号 电杆档距 其他资料 线路信息表 线路图形表 线路编号 线路全长 图形其他信息 线路图形表 图2 9 派生列( 派生线路全长列) 因为在本系统的应用程序中需要自动计算并显示线路总长，其值为每相邻电杆档距之 和，为了不必每次显示时都进行统计计算，增加了“线路全长”这一派生列。 与增加冗余列相类似，增加派生列提高了存取效率，但增加了对磁盘空间的需求，降 低了存储效率，并且在进行数据更新时需要对派生列进行更新维护。 2 ) 改变列定义 a 人造列 人造列的目的是，减少复合关键字中关键字的数目，达到缩短关键字的目的。 当关键字数目变少后，查询时需要比较关键字的次数少了，扫描数据的i o 操作随之减少， 从而加快了对数据的操作速度。 b 缩短长列 缩短长列是将长的关键字列的值变为较短的关键字列的值，而并非指数据表 中行数目的减少。关键字变短后，索引也就变窄，进行数据操作时所需的i o 操作也就变 少，从而加快数据操作。另外，列变短后，数据行也就变小了，每个数据页就能容纳更多 的行，从而减少用来扫描数据的i o 操作的数目。 3 1 重定义表 西安工业学院硕士学位论文 a 组合表 如果大部分情况下查询数据都要固定的使用相同表之间的连接，则可以使用 组合表。通过组合表，数据操作不必在两个表中进行，从而减少连接的i o 操作。但经过 组合后，表中的关键字可能变长，产生额外开销。此时，可根据需要用人造列加以解决。 b 复制表 复制表是指将原始数据表中常用的或易变的数据子集复制到新表中，以后直 接对新表操作，由于操作对象范围变小，因此加快了操作速度。复制表可以按行复制，也 可以按列复制，或者两者均采用。但存储的开销会因此增大，数据库的维护量也会增大， 因此需要综合衡量。 c 分割表 分割表是指将数据表中经常使用的行( 或列) 与不经常使用的行( 或列) 分 割成两个表。因此可分为垂直分割( 按列) 和水平分割( 按行) 。通过这样的方式，用户 仍可以通过连接的方式来查询全部信息。垂直分割的好处是表的行变短，表扫描加快。但 是如果分割的多个表之间产生多余的连接，反过来也会影响性能。 2 3 3 数据库的总体设计 本系统的数据库设计采用规范化和非规范化相结合的方法，所建立的数据库总体结构 如图2 1 0 所示。 图2 1 0 数据库总体结构 基础信息数据库中主要存储一些基本信息，例如：已注册的供电所信息、用户注册信 息、用户类型信息、以及线路基础信息等；图形信息数据库主要包括电网线路和设备的图 形和属性信息；理论线损数据库主要用于存储当前抄表数据、理论线损的计算结果以及线 路诊断的数据信息等；历史数据库主要用来备份历史数据，其中主要包括电量历史数据、 电费历史数据、线损理论计算历史数据、电量分析历史数据等。 在系统的实现过程中，除了使用以上这四个数据库之外，还会i 临时自动生成大量的数 据表，以存储中间数据。 西安工业学院硕士学 ! f 7 ：论文 2 3 4 基于o d b o 的数据库连接 一个数据库系统，无论选择什么样的结构作为其构建技术，数据库的访问技术无疑都 是系统的关键。c 1 l e n t s e r v e r 结构是一种先将任务分解，再协同解决的计算模式| 1 2 l 。 c s 之间的关系体现为请求响应的关系，即客户向服务器提出某种信息或数据请求， 服务器针对请求完成相应处理，将结果作为响应发送回用户，多个客户并发请求服务器上 相同的资源时，服务器对这些资源进行最优化的管理。这种将各个系统处理任务根据具体 情况合理分布在c 1 i e n t 端和s e r v e r 端，使c l i e n t 和s e r v e r 能够互相配合，密切协作，以便 最大限度地发挥c l i e n t 和s e r v e r 各自的工作潜力，更好地满足用户对应用系统的整体要求。 它克服了传统主机处理结构和局域网共享文件处理结构的缺点，具有高度的灵活性、开放 性和可伸缩性，并能够有效地保护用户以往的系统投资。如图2 1 l 所示： 前端应用程序 ( 客户机) 请求：s q l 语句 响应：执行结果 数据库服务器 图2 11c s 结构访问数据库模式 o d b c ( o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ) ”圳是m i c r o s o f t 公司提出的开放式数据库互连标 准接口，它是建立在各种数据库管理系统底层驱动程序之上的一个标准层，对数据库的底 层作了封装，为客户端应用程序与服务端各种数据库的连接提供了双向通用接口。 o d b c 接口为数据库互连访问提供标准的公共接口，其基本思想是数据库驱动思想。应 用程序通过加载不同的数据库驱动程序，可以获得不同的数据源。通过建立不同的数据源， o d b c 可以使同个软件应用程序无差别地访问各种不同数据库，直接存取各种类型的数据。 因此，o d b c 为数据库应用提供了对异种数据库资源的透明访问能力。用户可以把对各种完 全不同的数据库访问，看作是对同一种数据库的访问，而不必关心数据库的类型、地址、 结构以及其它数据库间的关系等细节：可以将数据库访问例程引入各种应用软件中，也无 需了解数据库在结构上以及网络连接上的细节等等。o d b c 访问后台数据的原理图如图2 1 2 所示： l 一，j 1 。，一l 。，。，。一 图2 1 2o d b c 访问数据库原理图 o d b c 的这种互操作性使得同一应用程序可以访问不同的数据库管理系统d b m s ( d a t a - b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ) 。应用程序的开发不必针对特定的d b m s ，仅通过增加所谓数据库 驱动程序模块，就可以把应用程序与用户选择的d b m s 连接起来，从而使o d b c 将其应用系