（电力系统及其自动化专业论文）基于iec61970标准的数据管理系统的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于i e c 6 1 9 7 0 标准的数据管 理系统的研究，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。 学位论文作者签名：掉日期： 学位论文作者签名： ：l 筠i 经 日期： i 坞丛乡 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：嵫导师签名：拙 日 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题提出的背景及意义 第一章引言 随着电力系统的发展和软件工程技术的革命，电力系统的综合自动化有了显著的提 高。电力系统已经有很多相互独立，分工不同的信息处理系统，如电力系统能量管理系 统，变电站视频监控系统，调度管理和智能操作票系统，电能量计量系统等。与此同时， 随着我国电力工业的持续发展和新兴工业技术的不断涌现，我国的电网结构日益复杂， 出现了很多新型电力设备，对电力设备的管理需求也在不断地变化当中。传统设备管理 系统的固定管理方式，给现代化的电力企业生产管理带来巨大的系统维护量和不灵活性 0 1 。由于设备的来源不同，所以各个系统的功能和标准都不统一，集成性比较差，各个 专业都有各自的维修和维护系统，包括编码方式和操作习惯都是不一样的，这样一来， 实际上是形成了信息上的孤岛，信息不流通，对于设备的统一管理和降低成本是很不利 的，最终将影响到整个企业的成本控制和管理进步。这势必对设备数据库的建立形成新 的挑战。信息孤岛问题之所以成为数字电力建设的致命伤，最主要的原因就是，分散的 数据库系统并不提供数据共享的工具，各个系统的开放性非常差。目前设计的软件系统 通常包括许多不同的模块，各个模块仅分析电力系统运行的一个方面，可能需要不同格 式的数据输入。1 。专用数据库大都仅仅针对e m s d m s 系统专有的功能和特性要求设计 和开发的，用户只能按照开发者预先定义的数据模式和结构输入数据，难以满足用户以 及应用软件不断发展的要求，且限制了第三方设计软件和增加应用，给用户造成升级和 移植的不便，极大地增加了开发和维护的费用，甚至会导致系统重新设计开发的灾难性 后果。因此，我们的广域信息平台需要解决数据共享，建立统一数据接口的问题。1 。最 新国际标准i e c 6 1 9 7 0 的c i m 模型为我们提供了电力系统模型框架，而x m l 则为我们 真正的实现统一接口提供了国际化的手段。 1 2 数据管理技术的发展 数据管理是指如何在计算机内科学而统一的管理数据，具体包括对数据的组织、编 目、定位、存储、检索和维护等，它是数据处理任务的矛盾焦点。数据管理系统的优劣， 直接影响数据处理的效率。数据管理技术是伴随着计算机硬件和软件的发展而不断发展 的，大体上经历了三个阶段：人工管理阶段、文件系统阶段、数据库系统阶段。 1 2 1人工管理阶段 2 0 世纪5 0 年代中期以前，计算机的使用刚刚起步，计算机主要应用于科技计算。 硬件方面，计算机的外存只有磁带，卡片和纸带等，没有磁盘。软件方面，只有汇编语 1 华北电力大学硕士学位论文 言，没有操作系统，没有数据管理的软件。这个时期，管理系统以应用为中心，并且数 据面向应用，但数据是不保存在计算机中的。 1 2 2文件系统阶段 2 0 世纪5 0 年代后期至2 0 世纪6 0 年代中期，计算机开始越来越多地用于信息处理。 软件方面出现了高级语言和操作系统。操作系统中的文件系统就是专门管理外存的数据 管理软件。这时期数据是可以长期保存在外存的磁盘上，出现了多种不同的文件组织， 数据不再属于某个特定的程序，在一定程度上可以共享。但管理系统仍以应用为中心， 数据面向应用，数据冗余，缺乏一致性，数据之间的联系较差。 1 2 3数据库系统阶段 2 0 世纪6 0 年代末，硬件软件方面都有飞速的发展，为数据库技术的产生和发展提 供了物质条件。这个时期数据结构化，用数据模型表示数据结构。数据易于共享，冗余 度小，独立性强。并且为用户提供了方便的用户接口。 从文件系统发展到数据库系统，使信息处理的一些传统观点起了重大变化。在文件 系统阶段，程序处于主导地位，数据起着服从程序设计需要的作用。在数据库系统下， 数据占据中心位置，而利用这些数据的程序则退到以既定的数据结构为基础的周边地 位。 今天，数据库的应用电力系统的各个领域。正在运行的各种各样的数据库系统数不 胜数。数据库技术还在继续发展。例如，数据库技术与网络通信技术结合，产生分布式 数据库系统。数据库技术与面向对象技术结合，产生了面向对象数据库系统。 1 3 国内外c l m 模型研究现状及动态 根据交换电网模型的迫切要求，在2 0 0 0 2 0 0 2 年，美国进行了4 次互操作试验， 在互操作试验过程中验证了对i e c 6 1 9 7 0 标准中的核心部分c i m 模型的理解，以及 标准中存在的问题和改进措施“1 。第五次互操作实验于2 0 0 3 年1 1 月1 8 2 0 日在美 国俄亥俄州进行，参加的组织包括a l s t o m 、s h a wp t i 、s i s c o 、s n cl a v a l i n 我国 的国调中心也在积极组织类似试验，推动基于国际标准的系统和设备的开发，缩小 与国外的差距，某些方面已经达到了国际先进水平，这对我国电力行业与国际接轨 意义重大。现在，互操作试验的工作重点已由c o r b a 等中间件的应用转移到c i m x m l 为载体实现电力系统数据和信息的交换，并在交换的基础上实现不同厂家的应用产 品的互操作“”。目前在国内，几乎所有的省调和大型地调的招标文件中都有遵循 i e c 6 1 9 7 0 标准系列的要求，很多电力企业正在做这方面应用的研究。并且已经开始 了基于c i m 模型的数据库接口的研究和应用。 2 华北电力大学硕士学位论文 近年来，关于新一代e m s 系统得发展方向有很多的讨论，其中支持 i e c 6 1 9 7 0 c i m c i s 标准是新系统支持平台的重要特征”1 。国内外各大e m s 厂商都对 此进行了有益的尝试。清华大学，中国电力科学研究院，南瑞等研究机构也都在对 自己建立的e m s 系统进行基于i e c 6 1 9 7 0 标准的改造。但始终存在缺陷，数据平台 基于关系数据库，而i e c 6 1 9 7 0 标准的c i m 模型是基于对象模型的，导致构建复杂， 后续维护代价较高。 另一方面，c i m 模型虽然经过了较长时间的酝酿和发展，但是由于实际应用的 还不够广泛，现在已经提出了各种扩展意见。相信在不远的将来，i e c 6 1 9 7 0 标准将 会变得更加完善和实用。 本文建立了一个以c i m 模型为标准的电力系统元件库，并且用面向对象的技术， 构造了c i m 模型到数据库的映射规则。 1 4课题的主要研究工作 1 ) 2 ) 3 ) 4 ) 5 ) 对i e c 6 1 9 7 0 标准进行了深入研究，探讨了利用c i m 模型建立电力系统元件库的 方法； 在了解现有数据库技术的基础上，对目前数据库技术进行比较之后，选择 o r a c l e 9 i 作为底层数据库，运用数据库的面向对象技术和c i m 的面向对象概念， 建立电力系统元件模型库。 提出基于i e c 6 1 9 7 0 标准的数据管理系统的基本结构框架及其实现方法。 给出操作电力系统元件数据的方法和基本过程。 深入研究数据库管理系统和界面编程语言，通过二者的结合，有效地通过用户 界面实现电力系统数据管理。 1 5 本文的结构 第二章，主要研究了i e c 6 1 9 7 0 标准和c l m 模型，介绍了他们的基本内容。并 且研究了c i m x m l 语言。介绍了数据库系统和管理信息系统的相关技术。 第三章，运用o r a c l e 9 i 数据库中面向对象技术，提出电力系统基本元件到数 据库的映射规则。以及操作元件对象类型的方法。 第四章，构建基于i e c 6 1 9 7 0 标准的数据管理系统的基本框架结构、基本流程， 并介绍运用面向对象语言v c + + 实现系统功能的方法。 第五章，总结本文所作的工作，以及对后续工作的展望。 华北电力大学硕士学位论文 第二章基于i e c 6 1 9 7 0 数据管理系统的基础理论 2 1 引言 本章介绍建立数据库管理系统的基本理论，首先对i e c 6 1 0 9 7 0 标准做简单介绍， 接着介绍c i m 模型的基础理论和c i m ) ( m l 语言，最后描述了建立数据管理系统相关 的理论。 2 2ie 0 6 1 9 7 0 简介 i e c 6 1 9 7 0 标准，是由国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ，以下简称i e c ) 负责制定电力系统控制及其通信相关标准的第5 7 技 术委员会( i e c t c 5 7 ，现已更名为p o w e rs y s t e m sm a n a g e m e n ta n da s s o c i a t e d i n f o r m a t i o ne x c h a n g e ) 下属的第1 3 工作组( 即w g l 3 ) 制定的、为电力系统能量 管理系统e m s 服务的数据库公共模型和通用接口标准，定义了电力系统能量管理 系统( e m s ) 的应用程序接口( a p i ) ，即e m s a p i ( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ) 。其理想目标是实现“即插即用”，减少向e m s 中增加新应用所需要的费用和时间，保护对e m s 中正在有效工作的现有应用的投资。 便于不同调度中心e m s 系统之间的模型交换。”。目前，该标准正在往非e m s 领域乃 至公共事业管理系统u m s 领域扩充发展。这组标准有以下几部分组成： 1 ) 导则和基本要求 2 ) 术语部分 3 ) 公共信息模型( c i m ) 4 1 组件接口规范框架 5 ) c i s 技术映射 2 3c i m ( 公共信息模型) 2 3 1c l m 简介 公共信息模型( c i m ) 是一个抽象模型，它表示包含在企业运行中的电力企业 的所有主要对象。通过提供一种用对象类和属性及他们之间的关系来表示电力系统 资源的标准方法，c i m 方便了实现不同卖方独立开发的能量管理系统( e m s ) 应用的 集成，多个独立开发的完整e m s 系统之间的集成，以及e m s 系统和其他涉及电力系 4 华北电力大学硕士学位论文 统运行的不同方面的系统，例如发电或配电管理系统之间的集成。这是通过定义一 种基于c i m 的公共语言( 即语法和语义) ，使得这些应用或系统能够不依赖于信息的 内部表示而访问公共数据和交换信息来实现的。 c i m 中描述的对象类本质上是抽象的，可以用于各种应用。c i m 的使用远远超 出了它在e m s 中应用的范围。应当把本标准理解为一种能够在任何一个领域实行集 成的工具，只要该领域需要一种公共电力系统模型来帮助在几种应用和系统之间实 现互操作和插入兼容性，而与任何具体实现无关。 由于完整的c i m 的规模较大，所以将包含在c i m 中的对象类分成了几个逻辑包， 每个逻辑包代表整个电力系统模型的某个部分。这些包的集合发展成为独立的国际 标准。i e c 6 1 9 7 0 的这一部分规定了包的基本集合，提供了电力企业内部各应用共享 的e m s 信息的物理方面的逻辑视图。其他标准规定了某些特定应用所需的模型的特 殊部分。 2 - 3 2c i m 建模表示法 c i m 用面向对象的建模技术定义。具体地说，c i m 规范使用统一建模语言( u m l ) 表达方法，它将c i m 定义成一组包“”“。 c i m 中的每一个包包含一个或多个类图，用图形方式展示该包中的所有类及它 们的关系。然后根据类的属性及与其它类的关系，用文字形式定义各个类。图2 - i 列出了c i m 模型几个主要的包： 图2 - ic i m 基本包 华北电力大学硕士学位论文 1 ) 核心包( c o r e ) 。这个包包含核心p o w e r s y s t e m r e s o u r c e ( 电力系统资源) 和 c o n d u c t i n g e q u i p m e n t ( 导电设备) 实体，这些实体被所有的应用程序及这些实体 的公共集合所共享。并不是所有的应用程序需要所有的c o r e 实体。这个包不依 赖于任何其他的包，但是其他包中的大部分具有依赖于该包的关联和一般化。 2 ) 拓扑包( t o p o l o g y ) 。拓扑包( t o p o l o g y ) 是核心包( c o r e ) 的扩展，它与终端类 ( t e r m i n a l ) 一起来建立连接模型，而连接模型是设备怎样连接在一起的物理定 义。另外，它还建立了拓扑模型，这是设备怎样通过闭合开关连接在一起的逻 辑定义。拓扑定义与其他电气特征无关。 3 ) 电线包( w i r e s ) 。电线包( w i r e s ) 是c o r e 和t o p o l o g y 包的扩展，它建立了输电 和配电网络的电气特征的信息模型。这个包用于网络应用，例如状态估计、潮 流及最优潮流。 4 ) 停运包( o u t a g e ) 。这个包是c o r e 包和w i r e s 包的扩展，它建立了当前及计划网 络结构的信息模型。这些实体在典型的网络应用中是可选的。 5 ) 保护包( p r o t e c t i o n ) 。这个包是c o r e 和w i r e s 包的扩展，它建立了保护设备， 例如继电器的信息模型。这些实体用于培训仿真器和配电网故障定位应用。 6 ) 量测包( m e a s ) 。m e a s 包包含描述各应用之间交换的动态测量数据的实体。 7 ) 负荷模型包( l o a d m o d e l ) 。这个包以曲线及相关的曲线数据的形式为能量用户及 系统负荷提供模型。这里还包括影响负荷的特殊情况，例如季节与日类型。这 一信息由负荷预测( l o a df o r e c a s t i n g ) 和负荷管理( l o a d m a n a g e m e n t ) 使用。 8 ) 发电包( g e n e r a t i o n ) 。g e n e r a t i o n 包分成两个子包：p i o d u c t i o n 包和 g e n e r a t i o n d y n a m i c s 包。 生产包( p r o d u c t i o n ) 。这个包提供了各种类型发电机的模型。它还建立了生 产成本信息模型，用于发电机间进行经济需求分配及计算备用量大小。这一 信息用于机组组合( u n i tc o m m i t m e n t ) 、水力和火力发电机组的经济调度 ( e c o n o m i cd i s p a t c h ) 、负荷预测及自动发电控制( a u t o m a t i cg e n e r a t i o n c o n t r 0 1 ) 等应用。 发电动态包( g e n e r a t i o n d y n a m i c s ) 这个包提供原动机，例如汽轮机和锅炉的 模型，这些模型在模拟和培训应用中需要用到。这一信息用于动态培训仿真 器( d y n a m i ct r a i n i n gs i m u l a t o r ) 应用的机组建模。 9 ) 域包( d o m a i n ) d o m a i n 包是量与单位的数据字典，定义了可能被其他任何包中的任何类使用的 6 华北电力大学硕士学位论文 属性的数据类型。 此包包含原始数据类型的定义，包括量测的单位和允许的值。每一种数据类型 包含一个值( v a l u e ) 属性和一个可选的量测单位( u n i t ) ，这个单位指定为一 个被初始化为该量测单位文字描述的静态变量。枚举型数据的允许值在该属性 的文档( d o c u m e n t a t i o n ) 中用u l m 约束句法在大括号( ) 内列出。字符串长 度在文档中列出，并也被指定为长度属性。 1 0 ) 财务包( f i n a n c i a l ) 。财务包负责结算和帐单。这些类代表了在正式或非正式协 定中出现的法律条文。 1 1 ) 能量计划包( e n e r g ys c h e d u l i n g ) 能量计划包提供了计划和结算公司之间的电力 交易的能力。它包括了发电、用电、损耗、输电、销售和购买电量的交易。这 些类用于电量的结算、发电容量、传输和辅助服务。 1 2 ) 预订包( r e s e r v a t i o n ) 。预订包包括电量交易计划，发电容量，传输和辅助服务 涉及的信息。 1 3 ) s c a d a 包。s c a d a 包包含了用于监控和数据采集( s c a d a ) 应用的信息模型。监控 系统支持控制装置的动作，如断开或闭合断路器。数据采集负责收集各种遥测 数据。 2 3 3c i m 类和关系 在c i m 建模的过程中，每一个c i m 包的类图展示了该包中的所有的类及它们的 关系。在与其它包中的类存在关系时，这些类也展示出来，而且标以表明其所属的 包的符号。 类与对象所建模的正是电力系统中需要以一种对各种e m s 应用通用的方法来描 绘的东西。一个类是对现实世界中发现的一种对象的表示，例如在e m s 中需要表示 为整个电力系统模型的一部分的变压器、发电机或负荷。其它类型的对象包括诸如 e m s 应用需要处理、分析与储存的计划与量测。这些对象需要一种通用的表示，以 达到e m s a p i 标准的插入兼容和互操作的目的。在电力系统中具有唯一身份的一个 具体对象则被建模成它所属类的一个实例。 在描述类之间的关系中，c l m 主要有三种。 2 3 3 1 普遍化( 继承) 普遍化是一个较普遍的类与一个较具体的类之间的一种关系。较具体的类只能 包含附加的信息。例如，一个电力变压器( p o w e r t r a n s f o r m e r ) 是电力系统资源 7 华北电力大学硕士学位论文 ( p o w e r s y s t e m r e s o u r c e ) 的一种具体类型。普遍化使具体的类可以从它上层的所 有更普遍的类继承属性和关系。 图2 - 2 是普遍化的一个例子。此例取自w i r e s 包，b r e a k e r 是s w i t c h 的更为具 体的类型，s w i t c h 又是c o n d u c t i n g e q u p m e n t 的更为具体的类型，而 c o n d u c t i n g e q u i p m e n t 本身又是p o w e r s y s t e m r e s o u r c e 的更为具体的类型。 p o w e r t r a n s f o r m e r 是p o w e r s y s t e m r e s o u r c e 的另一个具体类型。 2 3 3 2 简单关联 p o w e r s y s t e m r e s o u r c e l ( f r o mc o r e ) 图2 - 2c i m 普遍化关系 关联是类之间的一种概念上的联系。每一种关联都有两个作用( r o l e ) 。每一 个作用表示了关联中的一种方向，表示目标类作用( 即，作用g ot o 的类) 和源类 ( 即，作用g of r o m 的类) 有关系。作用给定为目标类的名字，可以带或不带动 词。每个作用还有重数基数，用来表示有多少对象可以参加到给定的关系中。在 c i m 中，关系是没有命名的。 例如，在c i m 中，t a p c h a n g e r 和r e g u l a t i o n s c h e d u l e 之间有关联，如图2 3 。 重数在关联的两端都有显示。这个例子中，一个t a p c h a n g e r 对象可以有0 个或1 个r e g u l a t i o n s c h e d u l e ，而一个r e g u l a t i o n s c h e d u l e 可以属于0 、1 、或多个 t a p c h a n g e r 对象。 8 华北电力大学硕士学位论文 2 3 3 3 聚集 图2 - 3c i m 简单关联关系 聚集是关联的一种特殊情况。聚集表明类与类之间的关系是一种整体部分 关系，这里，整体类由部分类“构成”或“包含”部分类，而部分类是整体类的“一 部分”。部分类不像普遍化中那样从整体类继承。 图2 - 4 说明了t o p o l o g i c a l i s l a n d 类与t o p o l o g i c a l n o d e 类之间的聚集关系， 它取自t o p o l o g y 包。如图所示，一个t o p 0 1 0 9 i c a l n o d e 只能是一个 t o p o l o g i c a l i s l a n d 的一个成员，但是一个t o p 0 1 0 9 i c a l i s l a n d 却能包括任意数目 个( 至少有一个) t o p o l o g i c a l n o d e 。 图2 - 4 c i m 聚集关系 通过这种方法c i m 促进了能量管理系统不同开发商开发的应用程序的数据交 互，促进了能量管理系统之间以及和其他相关的电力系统运行系统之间的数据交 互。 2 3 4c l m 优点 c i m 不是数据库，也不是数据模型的定义，而是电力系统资源( 包括管理与生 产) 的元数据。 c i m 具有面向对象性。它包含电力企业生产和管理中涉及到的主要电力资源对 象，是一个采用面向对象方式描述的、经过高度抽象的、以继承关系为主线并包含 诸多关系的大型分层网状模型；c i m 的表现形式符合人们认识客观世界的习惯，适 应于面向对象系统开发过程中的需球分析、编程编码、系统测试等软件工程的各个 阶段；可以在其基础上对各种具有静态结构和动态行为的电力企业应用进行业务建 模，使应用系统更符合实际需要，提高了应用系统自身的扩展性和灵活性。 9 华北电力大学硕士学位论文 c i m 具有可扩展性。应用系统遵从c l m 并不意味着其数据库结构与c i m 的原始 类图完全一样，也不意味着支持c i m 的所有方面；允许根据系统自身需要、区域具 体情况等因素对c i m 扩展。 根据目前的情况，国内外各电力企业应用系统的开发商都在努力的把c i m 作为 数据库的原始模型。 2 3 5c i m 建模实例 下面就以变压器为例来说明c i m 是如何建立电力系统元件模型的。 图2 - 5 显示了w i r e s 类图中建立p o w e r t r a n s f o r m e r 设备模型的部分。 图2 5 变压器的c i m 模型 1 0 华北电力大学硕士学位论文 如图所示，p o w e r t r a n s f o r m e r 是e q u i p m e n t 的特殊类，e q u i p m e n t 和 c o n d u c t i n g e q u i p m e n t 与t a p c h a n g e r 一样，都是p o w e r s y s t e m r e s o u r c e 的特殊类。 这是用普遍化类型的关系来表示的，它用一个箭头指向普遍类，因此允许 p o w e r t r a n s f o r m e r 类从e q u i p m e n t 和p o w e r s y s t e m r e s o u r c e 继承属性。 p o w e r t r a n s f o r m e r 还具有一个t r a n s f o r m e r w i n d i n g ，这种模型的建立使用了 聚集类型的关系，使用菱形符号从部分类指向整体类。如图所示，一个 p o w e r t r a n s f o 加e r 可以有( 或包含) 一个或多个t r a n s f o r m e r w i n d i n g ，但是一个 t r a n s f o r m e r w i n d i n g 仅属于一个p o w e r t r a n s f o r m e r ( 或是p o w e r t r a n s f o r m e r 的一 个成员) 。 t r a n s f o r m e r w i n d i n g 还有其它的关系： 与c o n d u c t i n g e q u i p m e n t 的普遍化关系； 与w i n d i n g t e s t 类的关联关系，因此一个t r a n s f o 姗e r w i n d i n g 对象可以从0 、l 或多个w i n d i n g t e s t 对象测试( t e s t e d f r o m ) ； 与t a p c h a n g e r 类的聚集关系，因此一个t r a n s f o 硼e r w i n d i n g 对象可以具有0 、 1 或多个t a p c h a n g e r 对象与其关联。 2 4 统一建模语言u m l 随着面向对象技术在软件开发中的广泛应用，各种面向对象开发方法应运而 生，面向对象的分析与设计( o o a & d ) 方法得到了很大的发展。面向对象开发方法按 照客观世界来理解目标软件系统，通过对象及对象之间的消息传递等机制直接模拟 目标系统的行为，为面向对象的需求分析和设计提供了直观自然的支持。 经过g r a d yb o o c h ，i v a rj a c o b s o n 和j i mr u m b a u g h 对b o o c h 标记、o o s e 标记 和咖t 标记理论的研究基础上，r a t i o n a l 公司推出了u m l ，并且于1 9 9 7 年1 1 月被o m g 批准成为面向对象开发的行业标准语言。u m l 是一种定义良好、易于表达、功能强 大且普遍适用的建模语言。它融合了软件工程领域的新思想、新方法和新技术。u m l 不仅可以支持面向对象的分析与设计，还支持从需求分析开始的软件开发的全过 程，因此，u m l 获得了工业界和学术界的广泛支持。基于u m l 的建模工具在系统开 发中的作用越来越大，r a t i o n a lr o s e 和i l o g i xr h a p s o d y 在工业晃被广泛应用。 u m l 充分考虑了各种需求、方法和语言的特点，使u m l 在表达能力、对新技术 的包容能力和可扩展性等方面具有显著的优势，模型为用户提供了统一的、表达能 力强的可视化建模语言，以描述应用问题的需求设计模型和实现模型“”。 1 ) 提供扩展核心概念的扩展机制。用户可加入核心概念中没有的概念和符号，可 华北电力大学硕士学位论文 为特定应用领域提出具体的概念、符号表示和约束。 2 ) 独立于方法学，但对大多数方法学都提供了支持，几乎覆盖了面向对象分析和 设计的相关概念和方法学。 3 ) 独立于任何开发过程，但对包括系统开发过程中从需求规格描述到系统完成后 测试的不同阶段，都提供了支持。 4 ) 提供理解建模语言的形式化基础。u m l 用元模型描述基本语义，描述良定义规则， 自然语言描述动态语义。 5 ) 增强面向对象工具之间的互操作性，便于不同系统间的集成。 6 ) 支持较高抽象层次开发所需的各种概念，如协同、框架、模式和构件等，便于 系统的重用。 u m l 的目标是以面向对象图的方式来描述任何类型的系统，具有广泛的应用领 域。其可以对任何具有静态结构和动态行为的系统进行建模，是一个通用的标准建 模语言。此外，u m l 适用于系统开发过程中从需求规格描述到系统完成后测试的不 同阶段。一般而言，在需求分析阶段，可以用用例( u s ec a s e ) 来捕获用户需求。通 过用例建模，描述对系统感兴趣的外部角色及其对系统( 用例) 的功能要求。分析阶 段主要关心问题域中的主要概念。( 如抽象、类和对象等) 和机制，需要识别这些类 以及它们相互间的关系，并用u m l 类图来描述。为实现用例，类之间需要协作，这 可以用u m l 动态模型来描述。在分析阶段，只对问题域的对象( 现实世界的概念) 建 模，而不考虑定义软件系统中技术细节的类( 如处理用户接口、数据库、通讯和并 行性等问题的类) 。这些技术细节将在设计阶段引入，因此设计阶段为构造阶段提 供更详细的规格说明。 编程( 构造) 是一个独立的阶段，其任务是用面向对象编程语言将来自设计阶段的类 转换成实际的代码。用u m l 建立分析和设计模型时，尽量避免考虑把模型转换成某种特 定的编程语言。因为在早期阶段，模型仅仅是理解和分析系统结构的工具，过早考虑编 码问题不利于建立简单正确的模型。 总之，u m l 适用于以面向对象技术来描述任何类型的系统，而且适用于系统开 发的不同阶段，从需求规格描述直至系统完成后的测试和维护。 2 5c lm x m l 语言 2 5 1x m l 语言概述 可扩展标记语言( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，x m l ) 应运而生。它是由w 3 c 1 2 华北电力大学硕士学位论文 于1 9 9 8 年2 月发布的一种标准，同样是s g m l 的一个简化子集。它将s g m l 的丰富 功能与h t m l 的易用性结合到w e b 的应用中，以一种开放的自我描述方式定义了数 据结构，在描述数据内容的同时能突出对结构的描述，从而体现出数据之间的关系。 这样所组织的数据对于应用程序和用户都是友好的、可操作的。 2 5 2c l m x m l 概述 c i m 模型只是一个抽象的模型，它既未定义模型数据库的规范，也未定义数据 交换的格式。在工程应用中，需要对c i m 模型的实现方式作出明确、可行的规定。 x m l 语言的出现解决了这个问题。硎l 语言以一种开放的自我描述方式定义了 数据结构，在描述数据内容的同时能突出对结构的描述，从而体现出数据之间的关 系。x m l 的最大的优点有两个：一是它的可扩展性极好，允许用户建立适合自己需要 的标记集合，并且这些标记可以迅速地投入使用：二是x m l 的自我描述性质能够很 好地表现许多复杂的数据关系，提供了描述结构化的复杂数据的能力。 x m l 提供了一个为数据编码的方式，但它并没有对数据本身做出解释。虽然代 码看上去简单易懂，但是标签的名称都是为人所识别的。x m l 并没有指明数据的用 途和语义，所以凡是使用x m l 表达内部的数据以用于交换时，必须在使用前定义它 的词汇表、用途和语义。 为了建立机器可理解的交换文件，资源描述框架( r e s o u r c ed e s c r i p t i o n f r a m e w o r k ) 实现了这个功能。r d f 定义了一个用命名的属性和值的方法来描述资源 间的关系的简单的模型，并引进了用x m l 表达的用于编码和传输元数据的语法规则。 r d f 定义了数据本身，也就是语义“”1 。 x m l 语言和r d f 的特长很快被人们用来实现基于c i m 模型的数据交换。) 【m l 在 数据中附加标记来表达数据的逻辑结构和含义，解决了数据的统一接口问题，而基 于c i m 模型的r d f 语法定义则规范了相应x m l 文档的结构标记定义，使其在不同 的环境下能得到一致的理解。使用r d f 语法的x m l 可以生成一个文件来交换所需数 据的一部分或全部。因其支持多重混合标准和特定领域对象，r d f x m l 格式正被许 多e m s 供应商用来解决不同应用间、不同系统间数据交换的问题。基于c i m 模型的 x m l 定义可以被称为c i m x m l 语言“8 ”1 。 c i m x m l 语言是基于c i m 模型的r d f 应用。它是c i m ，r d fs c h e m a ，r d f 语法的综 合。 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 6c i mr d f 数据模型 图2 6 描述了c i mr d f 数据模型的转换。r d f 语言中的资源对应了c i m 模型中 的对象，属性对应了对象属性，对象问的关系( 例如继承) 通过r d fs c h e m a 的属性 定义( 例如子类的定义) 来表达。 下面是c i mr d f 文档示例：对应于上图的示例。 s w i t c h r d f s ：s u b c l a s s o fr d f ：r e s o u r c e = # c o n d u c t i n g e q u i p m e n t 4n b r e a k e r n o r m a l o p e n 1 4 华北电力大学硕士学位论文 a m p r a t i n g 上述例子完整的表达了c i m 模型的逻辑关系，没有任何数据丢失。 c i m r d fs c h e m a 为应用程序提供了一种以通用格式和标准服务访问c i m 元数据 的机制，为c i m 提供了版本控制的能力和方便的扩展机制以适应用户的特殊需求。 c i m r d fs c h e m a 文档尽管主要适合程序访问，对于人还是具有一定的可读性。c i mr d f s c h e m a 文档是自描述的，充分利用了w 3 c 标准的优点，可以采用支持文档对象模型 ( d o c u m e n to b j e c tm o d e ld o m ) 编程接口的工具访问它。 2 5 3c i m x m l 文档 当c i mr d fs c h e m a 确定以后，e m s 系统中的电网模型可以转化输出为一个x m l 文档。这种文档就是c i m x m l 文档。c i m x m l 文档采用c i mr d fs c h e m a 元数据框架 以构建包含电力系统模型信息的) 【m l 文档，文档中所用到的所有标记( 资源描述) 均 来自于c i mr d fs c h e m a 。输出的c i m ) ( m l 模型交换文档可以被其他系统解析处理， 得到其中的模型信息。由于采用x m l 语言为载体，有大量的不断增长的开发工具可 以利用，方便了文档输入输出软件的创建。 2 6 数据管理系统 2 5 1数据库系统 数据库技术从6 0 年代中期产生到今天仅仅3 0 年的历史。其发展速度之快，使 用范围之广是其他技术所远不及的。短短3 0 年已从第一代的网状，层次数据库， 第二代的关系数据库系统，发展到第三代以面向对象模型为主要特征的数据库系 统。数据库技术与网络通信技术、人工智能技术、面向对象程序设计技术、并行计 算技术等等互相渗透。互相结合，成为当前数据库技术发展的：e 要特征。 1 ) 层次数据库和网状数据库。层次数据库是数据库系统的先驱，而网状数据库是 数据库概念、方法、技术的奠基。他们的数据结构都是用途来表示。它们存取 效率高，但编程繁琐，应用程序的可移植性较差，数据的独立性也较差 华北电力大学硕士学位论文 2 ) 关系数据库。关系数据库是基于关系模型的数据库系统，它由美国i b m 公司得 e f c o d d 提出。以关系运算理论和关系模式设计理论文理论基础，采用表的形 式对数据进行存储。关系数据库数据高度结构化，易于编制应用程序，数据独 立性高，2 0 世纪7 0 年代末以来，计算机厂商推出的数据库管理系统产品，其中 9 0 以上为关系数据库，取代了网状，层次数据库系统而成为主流数据库系统。 3 ) 面向对象数据库。面向对象数据库( o o d b ) 是指对象的集合、对象的行为、状 态和联系是以面向对象数据模型来定义的。面向对象数据库系统是支持定义和 操作o o d b 的数据库系统。它从关系模型中脱离出来，强调在数据库框架中类型、 数据抽象、继承和持久性等概念的发展。 4 ) 对象一关系数据库在传统的关系数据模型基础上，提供元组、数组、集合二类丰 富的数据类型，以及处理新的数据类型操作的能力，并且具有继承性和对象表 示等面向对象特点，这样形成的数据模型，称为对象一关系模型。基于对象一关 系数据模型的数据库系统称为对象一关系数据库系统，简称o r d b s 。对象一关系数 据库系统兼有关系数据库和面向对象数据库两方面的特征，它除了具有原来关 系数据库的特点外，还具有以下特点： 允许用户扩充基本数据类型，这些新的类型已经定义，将放在数据库管理系 统核心中共所有用户公用。 能在s q l 中支持复杂对象，即有多种基本类型或用户定义类型构成对象。 能够支持子类对超类的各种特性的继承，支持数据继承和函数继承，支持多 重继承，支持函数重载。 能够提供功能强大的通用规则系统，而且规则系统与其他的对象一关系能力 是继承一体的。例如，规则中的事件和动作可以是任意的s q l 语句，可以使 用用户自定义的函数，规则能够被继承等。 2 6 2管理信息系统 管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ， m i s ) 是在管理科学、系统 科学、计算机科学等的基础上发展起来的综合性边缘科学。到目前为止，它还处于 不断完善和发展阶段。 随着信息技术的飞速发展，在管理信息系统中使用计算机己经被越来越多的人 所认可。1 9 8 5 年，管理信息系统的创始人之一，明尼苏达大学卡尔森管理学院的著 名教授高登戴维斯( g o r d o nb d a v i s ) 给出了管理信息系统较完整的定义：它是一 个利用计算机硬件、软件、手工作业以及各种分析、计划、控制、决策模型和数据 库的人机系统，它能提供信息，支持企业或组织的运行、管理和决策功能。这个定 1 6 华北电力大学硕士学位论文 义指出了管理信息系统的基本组成元素，即包括计算机、各种分析和决策的模型、 数据和用户，同时还指明了管理信息系统的主要功能是支持管理和决策。 2 7 本章小结 本章介绍了i e c 6 1 9 7 0 标准，并对标准中的核心部分c i m 模型进行了深入的分 析和阐述。介绍了传输c i m 模型的c i m x m l 语言的基本概念以及数据管理系统的相 关技术和内容。 华北电力大学硕士学位论文 第三章电力系统元件模型在数据库中的实现 3 1 数据库的设计思想 一个成功的管理系统，是由5 0 的业务+ 5 0 的软件所组成，而5 0 的成功软件 又有2 5 的数据库+ 2 5 的程序所组成，数据库设计的好坏是一个关键。如果把企业 的数据比做生命所必需的血液，那么数据库的设计就是应用中最重要的一部分。 数据库技术是信息资源管理最有效的手段。数据库设计是指对于一个给定的应 用环境，构造最优的数据库模式，建立数据库及其应用系统，有效存储数据，满足 用户信息要求和处理要求。 数据库结构的基础是数据模型。数据模型是一个描述数据、数据联系、数据语 义以及约束的概念工具的集合。通常由数据结构、数据操作和完整性约束三部分组 成。数据模型分为以下5 种：网状模型、层次模型、关系模型、对象一关系模型、 面向对象模型。其中，对象一关系模型属于关系模型和面向对象模型之间的过渡模 型。目前最常用的是关系模型。 数据模型在数据库中的实现模式叫做数据库模式。在实现过程中，可以单独采 用某一种数据模型，也可以根据应用系统的需要综合使用多种数据模型。c i m 定义 的是数据的元数据模型，根据c i m 模型的定义在o r a c l e 9 i 数据库下实现电力系统 元件的数据库模型是本文的重点工作之一。 3 2 o r a c i e 9 i 数据库简介 1 9 7 8 年，o r a c l e l 诞生，它是使用汇编语言在d i g i t a le q u i p m e n t 计算机p d p - 1 1 上开发成功的。经过2 0 多年的发展，一跃成为数据库及相关领域的领导者。o r a c l e 数据库是当今应用最广泛的大型数据库。o r a c l e 公司作为全球第一大数据库厂商， 其旗舰产品o r a c l e 数据库在国内外获得了诸多成功的应用，全球几乎每个行业都 在使用o r a c l e 技术。o r a c l e 数据库降低了运营成本，同时提供了高质量的服务， 一直以来成为各大、中、小企业青睐的数据库产品之一。所以本文作者采用o r a l c e 9 i 为后台数据库，实现c i m 模型的转换。 o r a c l e 9 i 在集群技术、高可用性、商业智能、安全性、系统管理等方面都实现 了新的突破，主要突出的特性有很多。 支持大数据库、多用户的高性能的事物处理。o r a c l e 支持最大数据库，其大小 可达几百吉字节，可充分利用硬件设备。支持大量用户同时在同一数据上执行各种 华北电力大学硕士学位论文 数据应用。并使数据争用最小，保证数据一致性。系统维护具有高的性能，o r a c l e 每天可连续2 4 小时工作，正常的系统操作( 后备或个别计算机系统故障) 中段数 据库的使用。可控制数据库数据的可用性，可在数据库级或在子数据库级上控制。 o r a c l