（计算机应用技术专业论文）电力系统通用图形编辑器的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 电力系统图形编辑器作为一个重要组成部分镶嵌在其它电力系统应用程序中， 这就要求它能够方便地绘制和表达各类电力系统设备元件，提供各种分析功能接口 提供统一的图形用户界面。同时，各设备图元的数据结构也要结合应用程序的数据 需要雨统一考虑。课题以软件工程的设计思想为指导，提出了电力系统图形编辑器 的设计和实现的方法，同时指出了在系统实现过程中所要解决的主要技术难点及其 解决方法。 关键词：电力系统图元编辑器 a b s t r a c t 沁一盯盯 肌弛叭 旷13酊吖 舱“州断 一胁 小船妣炳一 鲫鸭u h 鲫耐_ = 驴 一一一一 一一一一一 一一一一 一一一一 s t a 代 s d n s u 三慧警呼茹 盯。代 嘲州o 一一 一一一一一 嚣慧兰盔咖 一一一 一一一 以蚵 叩 ；i | 篦愀 一m 一 i兰；舢眦一一 华北电力大学硕士学位论文 摘要 电力系统图形编辑器作为一个重要组成部分镶嵌在其它电力系统应用程序中， 这就要求它能够方便地绘制和表达各类电力系统设备元件，提供各种分析功能接口 提供统一的图形用户界面。同时，各设备图元的数据结构也要结合应用程序的数据 蒜要而统一考虑。课题以软件工程的设计思想为指导，提出了电力系统图形编辑器 的设计和实现的方法，同时指出了在系统实现过程中所要解决的主要技术难点及其 解决方法。 关键词：电力系统图元编辑器 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m t h ep o w e rs y s t e mg r a p h i ce d i t o r i sw i d e l yu s e db yo t h e rp o w e rs y s t e ma p p l i e a t i o np r o g r a ma sa ni m p o r t a n t c o m p o n e n t ，w h i c hr e q u i r e si tt od r a wa n de x p r e s sa 1 1k i n d so fp o w e rs y s t e m e q u i p m e n to fc o m p o n e n t sc o n v e n i e n t l y ，o f f e rv a r i o u sk i n d so fi n t e r f a c et o u s e r m e a n w h i l e ，t h es u b j e c tr e g a r d sd e s i g np h i l o s o p h yo ft h es o f tp r o j e c t a sg u i d e in e s ，h a sp u tf o r w a r dt h ed e s i g no ft h ep o w e rs y s t e mg r a p h i ce d i t o r a n dm e t h o dt or e a l i z e ，i ta l s op o i n t so u tt h em a i nt e c h n i c a ld i f f i c u l t i e s d u r i n gt h er e a l i z a t i o n ，a n dg i v e st h es o l u t i o n st ot h o s ed i f f i c u l t i e s k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e m 、g r a p h i cu n f l 、a u t o m a t i cg e n e r a t i o n 声明 y 8 6 7 9 盎7 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力系统通用图形编辑器 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： ! 塑兰盛 日期：o 卯 f l 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： 日期 塑苎盛 训3 ，上 导师签名：苏切幻 日期：矿4 ，。；+ 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 随着电力系统的不断发展，有关数据、信息资料越来越多，无论是在发电企业 和电网企业，企业领导和各生产管理部门及直属单位在指挥生产和管理中，需要及 时了解了解所辖设备的基本情况、运行状况、缺陷情况、检修及试验情况、负荷状 况等电力系统的全面的实时的信息，对电力企业来说，只有将现代信息化技术与电 力生产结合起来，才能更好遍管理、生产电能，较好地适应和符合国家相关部门对 电力运营管理现代化的要求。 电力系统是一个复杂的大系统，应用科学计算可视化将有助子电力系统的研究 和发展。图形是工程中最简洁的语言，在计算机图形上实现数据输入和结果输出会 起到一目了然的效果，也便于用户查找输入错误。计算机图形在电力系统应用程序 中的使用越来越广泛。无论是操作票系统、仿真培训系统，还是电力系统潮流计算 或短路计算都需要绘制电气接线图，都需要用图形来描述电力系统网络结构，在图 形上标注数据，可以使分析计算结果一目了然，这些也越来越成为用户对电力系统 分析软件的基本要求。本课题就是为实现这一目标而开发出来的电力系统通用图形 编辑器。本系统作为一个基础平台，可应用于电力系统的方面中，满足电力企业统 一管理、统一规划的需要，劳以其良好的开发性和可扩展性。集成并融合企业肉已 有的信息系统，为电力企业信息系统建设构造新的、具有创新性的应用，可使电力 企业正确、全面、及时地获取和分析各种资源信息，为电力企业的管理者和决篡者 提供决策依据，为电气企业决策者提供完善周到的服务。 1 2 电力系统图形编辑器的发展 很多学者开展了将计算机图形引入电力系统分析软件的工作。在其中出现了一 些基于对象的图形生成与管理系统，如利用a u t o c a d 对电力系统进行二次开发等， 但它们大都应用范围单一、功能简单，操作不灵活，可扩充性差，没有与数据库紧 密联系。当前几乎每个电力系统分析软件都有一个图形界面，但普遍还存在着以下 几个闽题： ( 1 ) 浏览形式单一。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，在图形中正确、形象、有条理鸽表达出来是凰形系统最重要 华北电力大学硕士学位论文 的功能。如果将所有元件在同一层次中显示，那么图形版面将会随系统规模的增加 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。 ( 2 ) 手工编辑图形，缺少智能性。绝大多数软件要求用户手工编辑厂站接线图， 这是一项十分细致的工作，由于实际电力系统的厂站数目可观。所以手工生成这些 厂站接线图需要付出相当艰苦的劳动。也有学者研究自动生成厂站接线图，但大都 是把各种接线形式做成模版，图形生成后，不能进行二次编辑。 ( 3 ) 没有充分发挥w i n d o w s 环境下的图形用户界面的优势。系统图表示通过 调用位图来实现，而且各种数据的输入方法没有改变。 ( 4 ) 通用性差。目前大多数的图形界面都是为某一特定分析功能而定制的，如 操作票系统、故障分析系统等等，主要表现在给出的设备参数单一。这样不得不为 不同的分析功能做着许多重复开发图形界面的工作。 图形系统作为人机交互的主要渠道，除了要能实现强大绘图与交互功能以外， 还有需要综合考虑的问题，显示要美观，结构要清晰，与用户交互过程要简单方便 等。 1 3 系统的建设目标 本文的工作就是开发一套可编辑的手工编辑与自动生成相结合的电力系统图 形编辑器，提供了强大的图形绘制和图形编辑的功能，从而实现对电力系统信息的 全面可视化管理，系统需具有如下功能： ( 1 ) 提供功能强大操作方便的图形编辑功能，可建立电力系统所需的全套矢量 图形符号库，系统具有自适应的特点，各种电力系统中的对象可由图元来表示，图 元可由用户自己定义和生成。 ( 2 ) 利用语义对象模型设计出一套电网的关系表示。语义对象是用来解释需求 和建立用户数据的模型，最终产生数据库设计。用它来表示电网中各对象模型，关 系清晰，易于建立关系性数据库模型。 ( 3 ) 基于面向对象的图元数据结构设计。本文设计出了套既适合智能推理， 又适合数值计算的电网知识表示形式。在电力系统图形编辑系统中，设备图元的数 据结构设计是关键，利用面向对象的技术，我们把数据与操作封装在一起，其中成 员数据的选择和成员函数的功能设计直接影响到图元操作的易用性和可扩展性。并 且这里把设备图元的物理参数也封装在图元类里，保持了数据、图形的一致性。任 意在线及离线制作各种图形，包括主接线图及各种报表、曲线、棒图、设备状态图 等 ( 4 ) 多个窗口之间可互相拷贝画面，方便图形的制作，同时图形还可放大后制 华北电力大学硕士学位论文 作，加强细节的表现力。同时，图形文件可以另存为本地文件。 ( 5 ) 系统能将各电压等级的输配电线路图、线路上的各种设备图、变配电站图、 开关站图以及基础地形图进行分层综合显示，并且还可以准确叠加在地理底图上。 ( 6 ) 图形自动显示。 ( 7 ) 利用软件总线技术向各分析功能模块传送数据。图形编辑功能是作为一个 独立的模块镶嵌在电力系统分析软件中，最终图形中的各设备图元中的参数要传送 给其它的各分析功能模块，一个好的数据接口最能体现模块的独立性、通用性和易 用性。课题所研究的图像编辑器采用软件总线技术作为接口，方便易用，可扩充性 极强。 1 4 课题研究的主要内容 本文研究了科学计算可视化技术，它融合了图形学，图像处理，数据管理，计 算机网络和其他相关领域技术，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。系统涉及专业面广，要求可用性强，需要研究解决的问 题很多，主要在以下方面进行了重点技术研究： 电力系统设备元件众多，因此首先考虑图形的分层管理。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，最终形成一个结构简单、对原有网络又能完全表达的系统。 采用何种数据结构合理地表达图元，图元的可扩充性。 用户操作的方便性。 协调好图形显示的灵活性与多个显示图形之间的数据一致性问题。 安全代码设计技术，内存泄漏检测和防护技术，高可靠性软件设计技术。 研究具有多总线调度和分农式服务的软件总线技术；利用软件总线实现与电 力系统分析软件的接口。 华北电力大学硕士学位论文 第二章应用系统平台设计 2 1 系统技术架构 2 i 1 三层( 多层) c i s 的体系结构 c s ( c 1 i e n t s e r v e r ) 是“客户服务”的意恿，c s 的概念具有软件划时代的 意义。c s 第一次体现了“分布计算的思想”，也就是“网络软件的思想”，是说人 类第一个网络软件。最初的c s 软件是一个两层的结构称“两层的c s 结构”。两 层的c s 结构在2 0 世纪9 0 年代初曾大为流行。人们通常用“c s ”来表示“两层 c s ”。 随着两层c s 软件的应用发展，人们发现两层c s 软件有明显的优点，同时也 有明显的缺点。两层c s 结构的框架如图2 - 2 所示。 两层c s 结构存在的主要问题是： 将业务逻辑写在客户端，从丽造成客户端的非常肥大，并且给升级维护带来很 大的麻烦，如软件版本更新，则所有客户端软件重新安装，对于一个规模较大的企 业而言，其工作量相当大。 图2 - i 两层c i s 结构 华北电力大学硕士学位论文 每个客户端占有一个数据库连接，从而严重消耗了服务器资源。因为服务器会 为每个客户端连接分配一定的资源，比如内存、端口等，所以当客户端数量软多时 服务器任务将会非常繁重造成响应极其缓慢。 由于客户端需要执行大量的业务逻辑，所以对客户端计算机的性能要求就较 高，对企业来讲大量高配置的客户端的投资是昂贵的。 随着技术的发展，三层c s 体系结构，即c a p s d b s 结构，很快取代了传统的 两层c s 结构。三层体系结构，即用户层、应用服务层和数据库服务器。用户层主 要指用户界面，它要求尽可能的简单，使最终用户不需要进行任何培训就能方便地 使用；第二层就是应用服务器层，也就是常说的中间件，所有的应用系统、应用逻 辑、控制都在这一层，系统的复杂性也主要体现在应用层服务层；第三层是数据库 服务层。数据库服务承担大量数据的存储、数据数据检索、及所有与数据有关的安 全、完整性控制、数据的一致性、并发操作等功能。 三层c s 结构的总体框架如图2 2 所示： 图2 - 2 三层c a p s d b s 结构 三层c a p s d b s 结构是由两层c s 结构发展来的。其基本思路是将业务逻辑从 客户端剥离，将其提取出来，组成应用程序服务器( 即中间层服务器) ，即在原先 的两层c s 结构中加入中间层，( 中间层是一个总体概念，对客户端与服务器之间 的各逻辑层统称为中间层) 。目前流行的是中间层为一层，即常称的三层结构，当 然中间层根据系统要求可以任意扩展，成为n t i e r 结构。中间层程序可灵活配置， 既可与数据库服务器分布于同一台服务器，也可单独占用一台服务器，也可分布在 多台服务器上，根据需求可随意扩展。对于多台中间层服务器的情况下，系统有自 华北电力大学硕士学位论文 动负载平衡的能力，即能保持各服务器负载平衡。 三层( 多层n t i e r ) c s 结构的优点： 由于所有业务逻辑都写在中间层服务器，所以当软件升级时( 只修改业务逻 辑) ，只要更新中间层程序即可，客户端无需更新就可完成升级，而中间层服务器 只在有限的几台服务器上，所以升级将变得很轻松。 中间层程序的思想是多个客户端共享数据库连接，即所有客户端都通过中间 层提供的几个数据库连接，再与后台数据库进行交互，从而大大减少了数据库连接 数，减轻了数据库负担。 由于用户必须通过中间层才能与数据库连接，限制了用户直接访问数据库， 所以大大提高了数据安全性。 由于应用程序业务逻辑写在中间层，而客户端机器只处理简单的界面逻辑， 所以对客户端的配置要求不是很高。可以减少企业的整体投资。 2 1 2 基于a c t i v e x 控件技术的w e b 应用技术 基于w e bs e r v e r b r o w s e r 的动态数据网页的与数据库连接的应用系统即“w e b 三层结构”是起源于i n t e r n e t 的静态信息的浏览应用。 将超文本链接技术应用于i n t e r n e t 网，形成了著名的w w w 应用。起初人们应 用w w w 作为广播式的数字公共信息发布之用，此为静态网页。后来人们发现静态网 页中的许多信息来源于数据库，如果网页中来自数据库中的信息直接与数据库关联 起来，这样就可以大大减少网页信息更新的工作量，甚至可以实现网页信息的自动 更新。这种应用的需求和发展就形成了“数据库服务w e b 服务浏览器”的“w e b 三层结构”。 “数据库服务w e b 服务浏览器”的三层结构的应用系统的第一个优点是它前 端不需要安全任何软件，而只要浏览器就可以；第二优点是浏览器采用固定的8 0 端口，可以跨网段运行。 “数据库服务w e b 服务浏览器”结构的应用系统的最大缺陷是对于类似图片 的大信息单元的浏览的响应速度慢，安全性差。 利用a c t i v e x 控件技术可以方便地将“三层( 多层) 数据库应用”与“w e b 三 层应用”有机地结合起来。其核心是将“三层( 多层) 数据库应用”的客户段程序， 打包成a c t i v e x 控件嵌入到浏览器中。由于浏览器是独立开发的操作系统挂件，当 它荐内嵌a c t i v e x 控件时对a c t i v e x 控件有许多约束条件。 基于多文档的a c t i v e x 控件开发技术是本课题解决的重要问题。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 _ 2 开发平台与数据库的选型 在前台开发平台的选择上，在比较了现今流行的几种开发工具后发现d e l p h i 软件开发工具是一个完全导向的可视化系统开发工具，具有功能强大、运行速度快、 易于使用以及开发迅速等特点。它结合了可视化技术、面向对象编程、数据库和分 布式应用技术等先进的软件编程技术和思想，并使用了全特征的代码编辑器，使其 成为创建功能丰富、界面友好的w i n d o w s 应用软件的工具之一。d e l p h i 提供了强大 的工程管理器，允许开发人员将多个工程组合在一个工程组中进行处理。d e l p h i 的 代码探测器使创建类变得非常容易，改进的调试器具有许多新特征，使得错误定位 准确，调试简单。d e l p h i 完全支持m t s ，支持多数据库的应用，同时新的向导使创 建m t s 服务器对象变得更加容易。d e l p h i 提供了许多对多层应用的控制，支持a d o ， 使得开发人员可以方便地访问各种类型数据库。另外，在d e l p h i 中为编程者定义 了一个灵活的作图方式，即c a n v a s 类( 称为画布) ，它可以把某些组件的表面作为 一张画布，允许编程者利用有关命令在其上随意作图，在d e l p h i 中有许多组件支 持画布类，利用这个类可以实现很多特殊工作。选择d e l p h i 的另外一个最主要的 原因是b o r l a n d 的编译器是最先进的编译器，它生成的代码最少，而且执行效率最 高。 数据库技术是管理数据的种新方法，它研究如何组织和存储数据，如何高效 地获取和处理数据。面向对象数据库是数据库技术与面向对象程序设计方法相结合 的产物，它支持非常规应用领域的新一代数据库系统。对象关系数据库是一个能存 储数据、数据间的关系以及数据的行为( 即它与其他数据相互作用的方式) 的数据 库。 o r a c l e 是目前数据库管理系统中最突出的，是第一个对象关系数据库公司。建 立o r a c l e 8 的目的是用其管理公共数据，不管这些数据是什么类型。 表2 - 1 说明了o r a c l e 8 所支持的内容： 支持 数据类型数量、文本、视频、空间、图像、用户自定义 数据模型关系、多维、面向对象 应用系统处理、决策支持、协同、商务 表2 - 1o r a c l e 8 所支持的内容 除此之外还有很多重要的性能使o r a c l e 公司在不断增加的软件供应商队伍中 拔了头筹： 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 保密机制：o r a c l e 的高级保密机制通过各种各样的特权控制对敏感数据的 存取，保证某些用户能查看敏感数据而有的用户被禁止，基于这一机制，数据库的 安全性大为提高。 ( 2 ) 备份与恢复：o r a c l e 提供了高级备份与恢复的子例程，把数据丢失的可能 性降到最小，并使出现故障时的排错时间最少。同时o r a c l e 的服务器也提供了备 份和恢复机制，备份活动数据的能力卷模式备份，当正在进行数据库备份时不 需要停止应用存取，允许每天，每周，每年不间断的备份数据。 ( 3 ) 数据的完整性：当用户更改了o r a c l e 数据库中的数据时，如果发生故障， 数据库有恢复或回滚可疑处理的能力。利用o r a c l e 服务器，不用怀疑任何事务状 态，它提供对驻留其上的数据进行全部或行一级的锁定。 ( 4 ) 支持分区独立性：把数据库分解成更小、更易于管理的段 ( 5 ) 并行机制：并行机制是把一个任务分解成许多可以并行处理的更小的作业 的能力，使得过去要花数小时才能完成的作业现在只要数分钟就能完成。 ( 6 ) 空间管理：o r a c l e 提供了灵活的空间管理，可以为存放数据分配磁盘空间， 也可以通过指示o r a c l e 为以后的需求留下多少空间来控制后继的分配。另外还有 一系列为非常大的数据库着想而设计的特殊功能。 ( 7 ) 开放式连接：o r a c l e 提供和其他软件连接的开放式接口，通过加载到 o r a c l e 的数据库，可以利用存放在其他数据储藏所中的信息。 ( 8 ) 开发工具：支持大范围的开发工具，最终用户查询工具，流行的应用，办 公信息管理工具等等。 ( 9 ) 过程组件：利用过程组件( 基础是p l s q l ) 可以实现存储过程、数据库触 发器和实现对多个过程的封装。这些代码驻留在数据库中可被应用共享。 ( 1 0 ) 分布式处理组件：允许用户在远程数据库上处理数据，就象在本地一样， 用户不必关心数据的物理存储位置，数据的存储位置对用户而言是透明的。 ( 1 1 ) 并行查询组件：迎合了多c p u 的计算机的需求，允许把查询处理分成多 个服务进程，提高查询的能力。 ( 1 2 ) 并行服务器选件：允许o r a c l e 操作聚集计算机，可以让两台或多台计算 机同时与同一数据库对话，利用非独占平台提供了近似的容错性。增加了扩充能力 和附加进程的能力。 ( 1 3 ) 图像选件：扩展了核心数据库( o r a c l e 8 服务器) 的能力，使得它能存储、 管理和提供实时的图像和高质量的声音给用户。 ( 1 4 ) 企业管理器：提供一种可靠的管理工具，使o r a c l e 用户能配置大的，复 杂的数据库，使数据库管理员的效率更高。 由于o r a c l e 数据库具有以上卓越超群的数据管理能力和丰富的数据类型和数 华北电力大学硕士学位论文 据模型以及它对超大规模数据库的管理能力，所以我选用o r a c l e 8 作为电力系统图 形编辑器的后端数据库管理系统。 由于系统原始基础数据库的各不相同，为了很好的从各原始数据库中取得基础 数据，需要设计与各类数据库的接口。m i c r o s o f t 在w i n d o w s 平台中提供了数种不 同的数据存取技术：o d b c ，d a o ，r d o ，o l e - d b 和a d o 。o d b c 是o p e nd a t a b a s ec o n n e c t o r 的简称，以单一的o d b ca p i 来存取不同的数据库不过o d b c 仅支持关系数据库以 及传统的数据库数据类型。随着数据源的臼益复杂化，数据源可能不是传统的关系 型数据库，而可能是e x c e l 文件，e m a i l 等，o l e d b 定义了统一的c o m 接口作为存 取各类异质数据源的标准，并且封装在一组c o m 对象中，基于o l e - d b 程序员可以 使用统一的方式来存取各种数据。但是由于o l e d b 太底层化，使用上非常复杂， m i c r o s o f t 同样以c o m 技术封装了o l e - d b 为a d o 对象，大量简化了数据存取工作， 因此成为m i c r o s o f t 目前主要的数据存取技术，a d o 的架构图如图2 - 3 ： 图2 - 3a d o 的架构图 从图3 2 中可以看到，a d o 能够籍由o l e - d b 存取传统的关系数据库或f l a t f i l e 类型的数据库，也可以存取非传统的数据，例如文字，e m a i l ，声音，图形，影像 等。另外a d o 主要优点是易于使用、高速度、低内存支出和占用磁盘空间较少。a d o 同时具有远程数据服务( r d s ) 功能，通过r d s 可以在一次往返过程中实现将数据 从服务器移动到客户端应用程序或w e b 页，在客户端对数据进行处理然后将更新 结果返回服务器的操作。基于上述比较，系统采用a d o 技术来连接数据源，存取数 据并且处理数据。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 4 应用面向对象技术 蕊向对象技术是计算机应用领域九十年代迅速发疑起来的一个新生事物，它的 出现被认为是程序设计方法学方面的一场实质性革命。它与传统的结构化程序设计 相比较，具有三个鲜明特性： ( 1 ) 封装 指将一个数据和与这个数据有关的操作集合放在一起，形成一个能动的实体一 对象，用户不必知道对象行为的实现细节，只需根据对象提供的外部特性接口访问 对象即可。 ( 2 ) 多态 它是指同一个消息可以根据发送消息对象的不同采用多种不同的行为方式。 ( 3 ) 继承 它表达的是种对象类之间的相交关系。它使得某类对象可以继承另外一类对 象的特征和能力。特别的，在面向对象系统中，引入继承机制后具有如下优点： 减小代码和数据的冗余度，大大增加程序的重用性： 是在一些比较般的类的基础上构造、建立和扩充新类的最有效的手段。 在图形绘制中，电力系统中的元件设备有自己的特性，更有共性，所以，面向 对象技术适合于建造电力系统的元件类。 2 4 应用软件工程思想 2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机应用需求的驱动，软件生产的复杂性和成本 都日益提高，大型软件的生产出现了很大的困难，即出现了软件危机，主要表现在， 生产成本高、进度无法控制、可维护性差等方面。认识早期软件开发中所存在的问 题和产生问题的原因，并设法克服是解决软件危机的开始。人们发现将传统工程学 的原理、技术和方法应用于软件开发可以起到使软件生产规范化的作用，它有利于 组织软件生产，提高开发质量，降低成本和控制进度。提出软件工程化的思想，反 映了人们想使软件生产走上正规化，人们曾从不同的角度给软件工程以定义，但它 们的核心内容都是“以工程化的方式组织软件的开发”，其中涉及软件的计划、开 发和维护几个阶段。本软件各个部分的算法并不复杂，但由于需要实现的功能很多， 大量功能的交织有一个协调问题，从程序的宏观把握上相对困难一些。本软件中的 各种状态参数，临时变量就达数百之多，还有众多的控件需要设置状态，因此有必 要引入软件工程的方法，组织数据字典、记录数据流图，并且书写了大量的软件文 档，为日后的软件维护提供了参考。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 2 5 应用软件总线技术 软件总线系统就是运用硬件总线的思想构建的一种“支持多主服务、统一接口 标准、统一权限控制、具有数据存取控制、易于扩充维护的软件平台”，简而言之， 软件总线是构件的组装架构。软件总线不是简单的将各个控件联系起来，它还有许 多自己独特的功能，如容错处理，事务处理，安全管理，负载平衡，系统吞吐量控 制等等，这些是保证系统正常运行的一些控制功能。 本课题所研究的电力系统图像编辑器利用软件总线技术向各电力系统分析软 件功能模块传送数据。图形编辑功能是作为一个独立的模块镶嵌在电力系统分析软 件中，最终图形中的各设备图元中的参数要传送给其它的各分析功能模块，一个好 的数据接口最能体现模块的独立性、通用性和易用性。课题所研究的图像编辑器采 用软件总线技术作为接口，方便易用，可扩充性极强。 软件总线系统的体系结构框图如下图2 - 4 所示： l 数据库连接代理总线控制单元 应用程序服务器 软件总线 i 方法库f t p 服务器模型库 h 客户端应用程序接口 图2 - 4 软件总线系统的体系结构框图 软件总线系统采用领域工程的思想和软件总线技术，使应用系统开发和实施具 有很强的实用性、最大的灵活性、快捷性和对不同环境及特殊需求的适应性。它是 “运用硬件总线的思想构建的，一种支持多主服务、统一接口标准、统一权限控制、 灵活数据存取控制、易于扩充和维护的软件平台”。其主要由“门户系统”和“服 务程序中间件”构成。其中门户系统包含：自定义个性化用户接口界面、统一的权 限的管理；服务程序中间件包括：统一的数据库连接和存取控制管理、服务程序的 发布和更新管理、服务程序的负载平衡等；此外还包括：自动报表系统、综合查询 系统等。 在技术上，软件总线系统采用三层( 多层) c s 结构，这使得软件总线系统不 仅具有总线的灵活性，同时具有三层结构的所有优点，为大型软件系统的开发提供 了稳定、可靠的系统构架，并可使系统设计与开发人员摆脱系统结构设计、功能及 数据安全设计、系统维护升级设计等技术方面的困扰，使专业应用开发者可集中精 华北电力大学硕士学位论文 力设计和开发业务模块，从而极大的提高软件系统的开发效率，大幅度减少系统运 行的维护量。 软件总线系统糅合了决策支持系统的理论知识，可以看作是d s s 的一个应用。 从应用目的来看，软件系统主要是面向电力系统应用的( 当然也可以应用到其他领 域) ，在所实现的各个模块子系统中，就有部分模块就是为管理人员的决策管理起 辅助支持作用的，从这方面讲，这个系统，对于用户来说是一个d s s 系统。而且软 件总线系统从组成上来看，也可以划分为数据库子系统、模型库子系统、方法库子 系统和会话子系统。 数据库子系统我们的数据库就是普通的数据库系统，但是与其他的d s s 不同 的是，由于我们的数据库系统是直接与普通管理信息系统的数据库系统相通的，这 样支持决策的数据就更直接，使用更方便，可靠性更高。 模型库子系统根据用户的需求，经过认真而又详细分析设计，在软件总线系 统中建立了一系列模块子系统。这些模块中有些是为用户提供录入功能的，是一个 系统的数据入口；有些则是按照用户的要求为用户提供数据显示的：而有些则是把 管理系统中的数据经过加工、计算和分析之后，提供给用户，供用户做决策之用。 无论是何种功能的模块，都可以看作是对用户提供的一个模型，这种模型有的简单， 有的复杂。但是，正是这些一个个的模型构成了模型库。 方法库子系统在建立的系统软件中，有些功能、方法是某几个甚至几十个模 型中都要用到的。为了避免重复开发，减少工作量，提高工作效率，把这些具有共 性的方法统一编制成函数程序，这些函数程序对外提供标准的接口。当然这些子程 序都具有不依赖于数据库中的数据而存在的特性；而且也不能调用模型库中的模 块，这些方法是为那些模块服务的。这些函数构成了我们系统的方法库。 会话子系统 软件总线系统的人机接口部分不同于其他系统的人机接口部分， 拥有自己的特点。系统采用的是“角色任务列表提醒、自动切换处理”模式。系统 拥有一套完备的权限管理机制，根据当前登录用户具有的不同角色，会自动将系统 当前需要这种角色处理的任务全部以列表的方式显示出来，提醒他本人。当他本人 需要对列表中的某条任务进行处理的时候，只需要双击任务列表中的这条任务提 示，系统就会自动调用相应的处理模块，并自动锁定到当前选中的任务上，供用户 进行处理。在经过几个系统的使用之后，这种任务提醒处理机制，均得到了用户的 好评。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章电力系统通用图形编辑器的设计与开发 3 1 电力系统通用图形编辑器的功能划分和设计原则 3 1 1 功能划分 随着图形化用户界面的发展，电力系统图形编辑器越来越成为电力系统分析软 件中不可或缺的一部分。它直接的好处就是给用户提供了一个方便、易用的界面， 可以使应用程序更直观的实现其操作和分析。它所服务的对象不应局限于某一具体 的应用分析，这就要求它要有通用性，要为其它应用软件提供统一的数据接口，要 充分考虑应用软件的共同需要。 图形平台首先要有完善的图形编辑功能，包括厂站图，电气接线图等，可以对 各种电气图元进行编辑操作，包括复制、剪切、粘贴、缩放等基本操作。为绘制各 种电力设备图元提供相应的工具箱，通过选择对应的工具箱可以直接完成各种设备 的绘制。 为了能直观反映系统的分析、操作和运行状态，图形上还要能实现一些基本的 显示与操作功能。在适当的位置显示系统的运行参数，可以通过图形对一些设备的 运行状态进行操作显示。此外在图形的存储格式上也要能兼容一些如位图这样的 基本的图形格式，使其具有一定的二次开发扩展能力，既有自己的独立性，又有一 定的开放性。 图形平台中，数据支持主要体现在通过图形界面对元件设备的一些参数进行设 定。我们可以在用户与元件数据库之间设置一个表格式的对话框，进行各种数据参 数的输入和修改，实现了图形与数据库相关联。与传统的利用文本格式数据输入相 比，这种方法保证了设备参数与设备的一一对应，减少了原始数据出错的可能性。 对各设备的参数设计上，我们也要充分考虑后续各分析模块的需要，方便后续各分 析模块的操作。 3 1 2 设计原则 由于图形平台在电力系统应用软件中的基础性地位，最重要的就是考虑它的通 用性和扩展性。通用性是指把图形编辑系统作为一个模块放在各电力系统的分析软 件中，适合电力系统各种不同图形、曲线的编辑。从软件工程的角度出发，这是提 华北电力大学硕士学位论文 高软件复用率的一个重要方式。 扩展性是指图形编辑系统本身有一定的可扩展性，现在越来越多的元件被引入 电力系统，图形编辑系统要能很方便的将这些图元引入编辑系统。这就要求图形编 辑系统对各元件设备有统一的操作模式，而面向对象技术正能很好的解决这一问 题。 3 2 图元的数据结构分析与设计 在元件图元的存储表示上，很多图形编辑系统的图元都是继承开发工具提供的 组件而来的，用它可以画出电力系统的各个元件，并可以轻松的对所画图元进行各 种操作，易于编程。但它们在后续的分析功能中使用很不方便，并且电力系统元件 多、系统大、接线复杂，每一个元件占用一个控件就占用了大量的系统资源，组件 一旦使用，它所占用的内存空间，就不会释放，元件越多所占用的系统资源就越多， 而且组件在编写过程中考虑的东西很多，也就是说它有很多属性，而我们在编写程 序的过程中，只用到了很少的一部分，这样不可避免的造成了内存浪费，即使在计 算机飞速发展的今天仍不能满足它对系统资源的需求。于是我们开始探索用面向对 象技术动态占用内存，用到哪一个对象元件就给它分配相应的内存，用完后立即释 放掉，减少了资源消耗。 在电网的知识表示中，很多学者主张把电网的拓扑数据与电网的状态数据分开 存储，但那样数据的一致性就不易维护，因此本文把这两类数据集中在一起存储。 画图中用到的最基本的参数是图形类参数，把它们和一些必要的推理类参数抽象出 来就可以建立一个基类：利用诬向对象的继承、多态机制，各设备类都可由这个基 类继承而来，推理类参数、状态类参数以及参数类参数都作为数据成员封装在各设 备类中，具体选用何种参数，可以视应用软件的需要而定，为其提供数据支持。当 系统增加新的图元设备时，程序员所要作的只是在图形平台上加上此设备类，由于 各元件设备类皆由基类继承而来，可以使对它们的操作模式统一化，保证了图形平 台通用性和扩展性。 3 3 图形的数据存储与集中管理 考虑到用户在绘制系统图形过程中图元个数是不确定的，而且可能随时调整任 何一个已经绘制图元，例如大小，位置、方向，所以考虑用链表的形式来存储用户 绘制的图形。在存储图形文件时，将从头指针指向的图元开始依次将图元中所包含 的变量信息顺序写入动态内存空间，然后将它们保存到数据库中的大对象字段。在 加载图形文件时，按存储的顺序将它们读入动态内存空间，重新建立链表，依据链 1 4 华北电力大学硕士学位论文 表中保存的每个图元的变量信息重新绘制图形。由于图元是采用位图和矢量图相结 合的表现形式的，所以在每个图元对象中要记录图元的表现形式，如果采用矢量图 要记录所表现的图形、需要的基本坐标、线型等等，如果采用位图要记录所表现的 图形、位图图元在图上的位置和所对应的开关量。 3 4 电力系统通用图形编辑系统的实现 为实现上述功能，系统可分为电力系统通用图形编辑系统和电力系统通用图形 显示系统两大部分，系统的功能结构图如图3 1 所示： 图3 1 1 系统的功能结构图 3 a 1 电力系统通用图形编辑系统 电力系统通用图形编辑系统提供电力系统专用的图形开发环境，其中包括图形 绘制、图元编辑以及测点设置三部分。图形绘制部分提供了方便快捷的通用绘图方 式，用户可以快速绘制符合要求的监测系统图，图元编辑部分提供了大部分电力企 业常用的设备元器件基本图元，用户可以直接用这些图元绘制图形，另外用户还可 以根据需要定制和保存图元扩充图元库以便使用。测点设置部分提供了让用户将设 备测点与测点实时数据建立连接的环境，用户通过添加删除以及编辑测点可以对电 力系统的测点信息进行维护，以及修改测点与测点实时数据的对应关系。 该系统具有图元自定义，图元属性可编辑，图形可按矢量和位图显示，与o r a c l e 数据库相关联等优点。具体特点描述如下： o 基于三层多层数据库应用系统，采用a d o + o r a c l e 的运行模式，使系统具有 华北电力大学硬士学位论文 运行高效、稳定、可维护性强等特点； 方便快捷的通用绘图方式，可以快速绘制符合要求的系统图； 可扩充的图元库，可根据需要定制特定系统的图形元素； 通用的后台数据库接口可使系统与实时监测系统无缝挂接； 方便快捷的通用绘图方式，可以快速绘制符合要求的监测系统图； 提供标准的绘制直线、矩形、圆或椭圆、圆角矩形、弧形、多边形以及托盘 的功能： 绘图过程中提供灵活的图元控制能力，位置及大小的精确度可达到1 个象 素： 提供标准的剪贴板操作： 可在系统图中嵌入底图，令图形显示更加直观。 此外，电力行业专业图形编辑系统还具有：绘图时可改变选定图元的线型和线 宽，可改变选定图元的填充模式，可改变选定图元的字体，可扩充的图元库：可根 据需要定制特定系统的图形元素，可以对现有的图形元素进行修改； 可根据绘图过程中的需要添加新的绘图工具条和新的图形元素。添加新的绘图 工具条并给新工具条重命名，可以用来组织相关系统的绘图图元，在新工具条上定 制新图元，使用新定制的图元进行绘图，修改已存在的图元。 剪贴板操作可以在原有图形的基础上快速完成新图形的绘制，可以在系统图形 中嵌入底图使图形显示更加准确、美观。 数据库接口可与实时监测系统无缝挂接，在系统图的绘制过程中可加入对实时 系统测点的连接；可添加新的测点、编辑修改已有的测点、删除不需要的测点；可 设定每个测点的工位号( 唯一标识) 、名称、上下限报警值、单位以及在实时显示 状态下的显示精度，并与实时数据管理系统的无缝挂接。 3 4 2 电力系统通用图形显示系统 电力系统通用图形显示系统包括实时数据图形显示，历史趋势显示，和实时信 息分析三大部分，主要是以设备图元的方式来显示设备的实时数据、以历史曲线的 方式来直观反映历史数据走向以分析设备、网络的状态，并完成对实时数据信息的 分析。主要功能有： 电网络图形显示；能够描述电力设备的地理分布、电网的实际走向和布置，同 时各个变电站的空间信息在图上也能得到反映。能够获得高压用户的一次接线图， 并实现地形图、一次接线图以及整个网络分布图的相互切换等； 电网动态反映：拓扑网络图中能反映整个电网的实时信息，例如线路的阻抗、 节点的电压、线路的功率信息等。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 实时监测数据直观表达：将设备上通过遥测、遥信而获取的实时数据以图形的 方式显示出来； 图形与属性交叉查询：可实现通过图形查属性，通过属性查图形，以及用户白 定义条件下的设备定位等。 统一管理馈线( 线路) ：可对各条线路提供完善的查询、统计、拉闸停电分析 及属性条件检查等： 华北电力大学硕士学位论文 第四章系统实现的主要问题和解决方法 4 1 图形的绘制和图元的控制 位图表现出来的视觉效果比较好，控制容易，但是它们占用的存储空间也比较 大，放大缩小会造成图形的失真。矢量图主要由线条和色块组成，这些图形可以分 解为单个的线条、文字、圆、矩形、多边形等单个的图形元素。再用一个代数式来 表达每个被分解出来的元素。例如：一个圆我们可以表示成圆心在( x l ，y 1 ) ，半径 为r 的图形。当然我们还可以为每种元素再加上一些属性，如边框线的宽度、边框 线是实线还是虚线、中间填充什么颜色等等。然后把这些元素的代数式和它们的属 性作为文件存盘，就生成了所谓的矢量图。 矢量图的特点如下： 你可以无限放大图形中的细节，不用担心会造成失真和色块； 一般的线条的图形和卡通图形，存成矢量图文件就比存成点阵图文件要小 很多； 存盘后文件的大小与图形中元素的个数和每个元素的复杂程度成正比。丽 与图形面积和色彩的丰富程度无关( 元素的复杂程度指的是这个元素的结构复杂 度，如五角星就比矩形复杂、一个任意曲线就比一个直线段复杂) 。 综合考虑了矢量图和位图的优缺点之后，我决定采用位图和矢量图相结合的方 式来实现图形的绘制与图元的控制，也就是说提供的基本绘图工具是采用矢量图的 形式来实现的，例如：直线、矩形、圆、椭圆等等，这些基本绘图图元可以放大和 缩小而不会失真。系统提供的电力系统专用绘图工具是采用位图的方式来实现的， 例如刀闸、开关、变压器等等，对应于电力系统用户而言这些专用的绘图图元一般 不需要放大缩小，同时为了使它们的表现出来的视觉效果比较好，所以采用位圈方 式实现。这些绘图图元不可以放大和缩小，它们除原图之外还有相应的运行图、停 止图、无效图，分别对应于实际运行时的状态。 4 2 图形的存储 由于考虑到用户在绘制系统图形过程中图元个数是不确定的，而且可能随时调 整任何一个已经绘制图元，例如大小，位置、方向，所以我考虑用链表的形式来存 储用户绘制的图形。在存储图形文件时，将从头指针指向的图元开始依次将图元中 储用户绘制的图形。在存储图形文件时，将从头指针指向的图元开始依次将圈元中 华北电力大学硕士学位论文 所包含的变量信息顺序写入动态内存空间，然后将它们保存到数据库中的大对象字 段。在加载图形文件时，按存储的顺序将它们读入动态内存空间，重新建立链表， 依据链表中保存的每个图元的变量信息重新绘制图形。由于图元是采用位图和矢量 图相结合的表现形式的，所以在每个图元对象中要记录图元的表现形式，如果采用 矢量图要记录所表现的图形、需要的基本坐标、线型等等，如果采用位图要记录所 表现的图形、位图图元在图上的位置和所对应的开关量。因此需要一个图元的基类， 它记录所有图元的基本属性和方法，其余的图元类都由此派生出来。 4 3 剪切板操作 本系统中的剪切板不同