（电力系统及其自动化专业论文）变电站综合自动化图形界面系统的设计与研究.pdf

r e s e a r c ha n d d e s i g no f t h em m i s y s t e m o ft h es u b s t a t i o n a u t o m a t i o n a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h em o d e l i n ga n dr e a l i z a t i o no ft h em m i ( m a nm a c h i n e i n t e r f a c e ) s y s t e mo ft h e s u b s t a t i o na u t o m a t i o n b yo b j e c tm o d e l i n gt e c h n i q u e ( o m t ) ，t h ew h o l es y s t e m i sm o d e l e di nu m lw i t hm i c r o s o f t v i s i o a c c o r d i n g t ot h e m o d e l t h es y s t e mt h a ti sf i te l e c t r i c a lp o w e rs u p p l yf i e l d si sr e a l i z e di nc + + w i t h v i s u a lc + + 6 0d e v e l o p i n gt 0 0 1 t h i sm m is y s t e mo w n sp l e n t yo fm e n t a lg r a p h i c s p r o v i d e s t o o l sw h i c hc a n g e n e r a t ee n g i n e e r i n gp i c t u r e sq u i c k l y ，s u p p o r t s t h e c o n n e c t i o nw i mr e a l t i m ea n d h i s t o r yd a t a b a s e s u p p o r t sp r o g r a m m i n g w i t h e m b e d d e ds c r i p tl a n g u a g ea n ds u p p o r t s p i c t u r e s w i t c h i t i sc o m b i n e dw i t ho t h e r m o d u l e ( s u c ha sr e a l t i m ea n dh i s t o r yd a t a b a s ee t c ) t of o r mt h em m is y s t e mo ft h e s u b s t a t i o na n t o m a t i o n k e yw o r d s ：m m i s y s t e m ，t h es u b s t a t i o na u t o m a t i o n ，o m t , u m l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 盒罂王些左堂 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谢 意。 学位论文作者签名：卫耍 签字日期：匆。锋牛月目 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹i 些厶堂有关保留、使用学位论文的规定有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒卫 兰些丕堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 王露 i 签字日期：仉孵午月7 日 学位论文作者毕业后去向： 。| - 作单位： 通讯地址： 导师签名：1 户为了竹杏， 签字日期：午年午月嘭日 电话 邮编 致谢 本人在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文过程中，自始至终得到了 我的导师温阳东教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收集资料、 论文成稿。都倾注了温阳东老师的心血，由衷感谢温阳东老师在学业指导及各方 面所给予我的关心以及从言传身教中学到的为人品质和道德情操，老师广博的学 识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将使我终身受益， 并激励我勇往直前。 同时，真诚感谢合肥工业大学现场总线实验室的张嫒嫒、徐华丽、毕锐、徐 海青、马力伟、邹伟、高洋、刘丽、陈玉、卫敏等同学在做课题和论文器件给予 我的关心和帮助1 2 0 0 4 年4 月日 第一章绪论 1 1 变电站综合自动化概论 1 1 1 变电站综合自动化的基本概念 变电站综合自动化是将变电站的二次设备( 包括测量仪表、信号系统、继 电保护、自动装置和远动装置等) 经过功能的组合和优化设计，利用先进的计 算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电站的主要 设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及调度通信 等综合性的自动化功能。 变电站自动化是自动化技术、计算机技术和通信技术等高科技在变电站领 域的综合应用。变电站综合自动化具有功能综合化：设备、操作、监视微机化 ( 包括信息数字化内容) ；结构分布分层化；通信网络光缆化及运行管理智能化 的特征。它的出现为变电站的小型化、智能化、扩大监控范围及变电站安全可 靠、优质、经济运行提供了数据采集及监控支持而且在其基础上可以实现高水 平的无人值班变电站的管理。 同时，变电站综合自动化是电网调度自动化不可分离的十分重要的基础自 动化。只有通过厂站自动化装置和系统向调度自动化系统提供完整可靠的信息， 调度控制中心才有可能了解和掌握电力系统实时运行状态及厂站设备工况，爿 能对其控制做出决策；同样，要实现调度控制中心的远程控制操作，也只有依 靠变电站自动化装置才能完成或执行操作命令的任务。可以说，一个完整、先 进、可靠的变电站综合自动化，是实现高水平电网调度自动化的基础。 1 1 2 变电站综合自动化系统的功能要求 变电站综合自动化系统，即利用多台微型计算机和大规模集成电路组成的 自动化系统。代替常规的测量和监视仪表，代替常规控制屏、中央信号系统和 远动屏，用微机保护代替常规的继电保护屏，根除常规的继电保护装置不能与 外界通信的缺陷。变电站综合自动化系统可以采集到比较齐全的数据和信息， 利用计算机的高速计算能力和逻辑判断功能，可方便地监视和控制变电站内各 种设备的运行和操作。变电站综合自动化系统具有功能综合化、结构微机化、 操作监视屏幕化、运行管理智能化等特征。变电站综合自动化系统的主要功能 如下： ( 1 ) 微机保护功能 微机保护功能包括馈线保护、母线保护、变压器保护、备用电源自投等等。 这是变电站综合自动化首要实现的功能，对于保障变电站正常运行有着重要的 作用。 ( 2 ) 数据采集 数据采集量包括状态量、模拟量和电能量。状态量包括断路器状态、隔离 开关状态、有载调压变压器分接头位置、继电保护动作信号等。模拟量包括各 段母线电压、线路电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数等。对模拟量 的采集，有直流采样和交流采样两种方式。直流采样即将交流电压、电流等信 号经变送器转换为适合于a d 转换器输入电平的直流信号：交流采样，是指输 入各a d 转换器的是与变压器的电压、电流成比例关系的交流电压信号。电能 量包括有功电能和无功电能。 ( 3 ) 事件顺序记录s o e 及故障录波 事件顺序记录s o e ( s e q u e n c e o fe v e n t s ) 包括断路器跳合闸记录、保护动 作顺序记录。故障录波可以在出现电网故障时( 如接地短路故障) ，记录故障前 后一段时间的各项电流、电压波形供事故分析。 ( 4 ) 操作控制功能 操作人员通过c r t 屏幕对断路器进行分、合操作，对有载调压变压器分接 头开关位置进行调节控制，对电容器组进行投、切控制，同时接收遥控操作命 令，进行远方操作。为防止计算机系统故障时无法操作被控设备，在设计时， 应保留人工直接跳、合闸手段。 ( 5 ) 安全监视功能 在运行过程中，对采集的电流、电压、频率等量，要不断进行越限监视。 如发现越限，立即发出告警信号，同时记录和显示越限时间和越限值。 ( 6 ) 与远方调度中心通信 实现远动装置常规的遥测、遥信、遥控、遥调功能，即将采集的数字量和 模拟量实对地送往调度中心，并接收上级调度中心的控制和调节操作命令。若 有事故发生，即时向调度中心报警，还将故障录波和其它继电保护信息送往调 度中心同时接收调度中心发来的操作控制命令。 ( 7 ) 远方整定保护定值 对各下位机监控保护单元，可在当地或远方设置一组或多组保护定值，并 可在当地和远方显示、切换整定值。 1 1 3 变电站综合自动化发展概况 随着我国国民经济的持续发展和对能源需求的不断增长，变电站的数量逐 步增加，对变电站的二次设备的可靠性及技术水平要求同益提高，变电站的信 息量越来越大，变电站的自动化要求也越来越高。在上世纪6 0 、7 0 年代，变电 站内采用的是机电式继电保护装置和电子式远动装置，以实现对变电站电气设 备的监视和控制。随着微处理机和电子技术的高速发展，国外从上世纪8 0 年代 开始研制了微机远动装置、微机式继电保护装蚤、微机式故障录波等一系列以 微处理机和计算机技术为基础的变电站二次设备，这些装置尽管功能不一样， 但是其硬件配置都大体相同，除微处理机系统本身外，在由c t 、p t ( 电流互感 器、电压互感器) 等采集来的各种模拟量及开关和接点装置的信号量，以及对 断路器、刀闸、变压器分接头等进行控制等方面，各种装置所采集的量和要控 制的对象都有共同之处。故自2 0 世纪8 0 、9 0 年代起，国外和国内先后开发研 制成功了变电站所必须的集继电保护、故障录波、远动功能、站内监控等功能 为一体的变电站综合自动化系统，取代了变电站常规的测量系统，如变送器、 录波器、指针式仪表等；取代了常规的操作控制盘、手动无功补偿等装罱，以 及常规的报警装置如中央信号系统和光字牌等：取代了常规的远动装置等：将 变电站的各种装置和保护的信息融为一体，并可与上级调度中心进行实时通信， 把变电站的自动化程度提高到了一个崭新的阶段，大大提高了上级调度中心对 变电站的实时运行和远方操作的监控能力，为实现变电站无人值班打下了坚实 的基础，从而全面地提高了变电站地技术水平。 国外从2 0 世纪7 0 年代未、8 0 年代初就开始进行保护和控制综合自动化系 统的新技术开发和试验研究工作。如由美国西屋电气公司和美国电力科学研究 院( e p r i ) 联合研制的s p c s 变电站保护和控制综合自动化系统，由r 本关西 电力公司与三菱电气公司共同研制的s d s 2 保护和控制自动化系统( 从】9 7 7 1 9 7 9 年进行了现场测试及试运行，2 0 世纪8 0 年代初己交付商业应用) 。目前， 日本同立、三菱、东芝公司，德国西门子( s i e m e n s ) 、a e g 公司、瑞典a b b 公司，美国通用电气公司( g e ) 、西屋电气公司( w e s t i n gh o u s e ) ，法国阿尔斯 通( a l s t o m ) ，瑞士l a n d i s & g y r 公司等均已开发和生产了变电站综合自动化 系统( 或称保护与控制一体化装置) ，并取得了较为成熟的运行经验。由于国外 变电站自动化系统的研究工作起步较早，技术比较成熟，产品已同趋成熟。 国内对于专用于电力综合自动化领域的软件的研究时间不长，对于它的发 展有两个推动因素：一是电力系统综合自动化程度的不断提高，对自动化软件 提出了更高的要求：二是软件i 丌发技术的不断发展和完善，使得它能够胜任电 力系统自动化领域的特殊要求。由于我国综合自动化技术的研究比较晚，虽然 也取得了很大的进步，但是和国外先进技术相比，无论是硬件还是软件上都存 在较大的差距。因此如何提高我国变电站综合自动化的水平，是一个非常有意 义的课题。 近几年，大规模集成电路技术和通信技术的迅猛发展，给变电站综合自动 化技术水平的提高，注入了新的活力。1 6 位、3 2 位单片机以及p e n t i u m 微处理 器的问世，活跃了计算机市场：网络技术、现场总线等技术的应用，给广大电 力科技工作者创造了大显才能的条件。因此，近几年研究变电站综合自动化进 入了高潮，其功能和性能也不断完善。 1 2 变电站综合自动化图形界面系统概述 变电站综合自动化图形界面系统是系统与工程人员交互的接口，是自动化 工程的调度和控制中心，它在变电站综合自动化系统中一直起着极其重要的作 用。操作人员和调度员只要面对c r t 显示器的屏幕，通过操作鼠标和键盘， 就可以清楚地了解全站的运行工况和运行参数，可对全站的断路器等进行分合 操作，彻底改变了传统的依靠指针式仪表和依靠模拟屏或操作屏等手段的操作 方式。变电站综合自动化图形界面系统通过c r t 显示器不仅可以取代常规的仪 器仪表，而且可以实现许多常规仪表无法完成的功能。它可显示的内容归纳起 来有以下几个方面： 1 ) 显示采集和计算的实时运行参数 2 ) 显示实时主接线图 3 ) 事件顺序记录( s o e ) 显示 4 ) 越限报警显示 5 ) 值班记录显示 6 ) 历史趋势显示 7 ) 保护定值和自控装罱的设定值显示 8 ) 其它，包括故障记录显示、设备运行状况显示 同时，通过变电站综合自动化图形界面系统，还可绘制主接线图，设定t a 和t v 变比、保护定值和越限报警定值、自控装置的设定值、管理员和用户密 码等。 1 3 面向对象方法学概述 传统的生命周期方法学曾经给软件产业带来巨大的进步，部分地缓解了软 件危机，但是这种方法学仍然存在比较明显的缺点。面向对象方法学所追求的 目标就是将解决问题的方法同客观世界的问题空间结构达成一致，对于软件工 程濒临的困境和人工智能所遇到的障碍都是很有希望的突破口之一，已经成为 目前软件开发的主流方法。 1 3 1 传统方法学的缺点 1 3 1 1 存在的问题 ( 1 1 软件生产率低 随着计算机技术、电子技术的惊人进步，计算机与全球互联网络i n t e r n e t 相连接，使今天的社会进入了以计算机为核心的信息社会。在信息社会中，信 息的获取、处理、交流和决策都需要大量高质量的计算机软件，这样就促使人 们对计算机的软件的品种、数量、功能、质量、成本和开发时间等提出越来越 高的要求。然而，对功能和方便性的期望越大，开发出来的软件就越庞大，入 4 们的软件开发能力就越显得力不从心。软件生产速度远远低于社会对计算机软 件需求量的增长速度，以至软件开发计划一拖再拖，成本失去控制，软件的质 量得不到保证。 ( 2 ) 软件重用程度低 利用可重用的软件成分开发软件的技术叫软件重用，软件重用是节约人力， 提高软件生产率的重要途径，这样将有助于加快开发速度。结构化没能解决软 件重用问题，几乎每开发一个新的软件系统时，都要针对这个具体的系统做大 量重复而又繁琐的工作。 ( 3 ) 软件维护艰辛 软件维护成本是指修复那些已正式发行的以及正在运行的软件错误所需的 代价总和。软件研制成本越大，软件维护成本就更大。这部分工作量十分巨大， 它往往接近、甚至超过软件的初期成本。 ( 4 ) 软件非用户所需 应当指出，在描绘系统需求时，有时系统的要求是模糊的，同时系统的变 化是不可避免的。所以用传统方法开发出的软件系统往往不能真j 下满足用户的 需要。据报道，在美国开发出的软件系统中，真正符合用户需要并顺利投入使 用的系统仅占总数的四分之一，因此造成了用户对“已经完成”的软件系统不 满意的现象经常发生。 1 3 1 2 存在问题的原因 ( 1 ) 僵化的瀑布模型 幽l 一1 瀑布模型 传统软件生命周期模型的典型代表是“瀑布模型”。如图l 一1 所示，这种 模型的核心使将软件生命周期划分为软件计划、需求分析、软件设计、编码、 测试和运行维护等阶段，根据不同阶段工作的特点，运用不同的手段完成任务。 软件设计者遵循严格的规范，在每一阶段工作结束时都要进行评审和确认，以 得到该阶段的一致、完整、正确和无多义性的文档资料，把这些文档资料作为 阶段结束的标志“冻结”起来，并以它们作为下一阶段工作的基础，然后，再 一步步地实现这些目标，从而保证软件的质量。 但是，实际情况是： 1 ) 有些类型的系统需求是模糊的 2 ) 项目参与者之间存在通信鸿沟 3 ) 预先定义的需求可能过时 软件规格说明难以完善、需求的变更、以及通信中的模糊和误解，都会成 为软件开发顺利推进的障碍。尽管传统软件生命周期管理中通过加强评审和确 认，全面测试，甚至依靠维护阶段能够缓解上述问题，但不能从根本上解决这 些问题。 ( 2 ) 传统结构化技术的缺点 生命周期方法学使用的基本技术，是结构分析与结构设计技术，这种技术 虽然有许多优点，但也有许多明显的缺点：用这种技术开发出的软件，其稳定 性、可修改性和重用性都比较差。 首先，结构分析与结构设计技术的本质是功能分解，是围绕实现处理功能 的过程来构造系统的。结构化方法强调过程抽象和模块化，将现实世界映射为 数据流和加工，加工之间通过数据流进行通信，数据作为被动的实体被主动的 操作所加工，是以过程为中心来构造系统和设计程序的。 然而用户需求的变化大部分是针对加工的，因此这种变化对基于过程的设 计来说是灾难性的，用这种技术设计出的系统往往是不稳定的。也就是浣，用 户需求的变化往往造成系统结构的较大变化，从而需要花费很大代价才能实现 这种变化。 结构分析与结构设计技术清楚地定义了目标系统的接口。当系统对外界的 接口发生变化时，结构分析与结构设计技术很难扩充新的接口，也就是说，这 样的系统较难修改和扩充。 结构化方法从本质上仍具有“冯诺依曼”计算机的结构特点，把数据和 操作作为分离的事实，以至在实现阶段，一些具有潜在可重用价值的软件部分 已和具体应用环境密不可分。上述种种原因都使得结构分析与结构设计技术开 发出的软件可重用性较差。 1 3 2 面向对象方法学 为克服传统方法的缺点，人们在实践中逐渐创造出软件工程的一种新途径， 即面向对象方法学。 1 3 2 1 面向对象方法学简介 从2 0 世纪8 0 年代后期丌始，进行了面向对象分析( o o a ) 、面向对象设 计( o o d ) 和面向对象程序设计( o o p ) 等新的系统开发方式模型的研究，在 6 有些文献中称为0 0 范型。 计算机的能力可以概括为三个方面：计算的能力、推理的能力和人机交互 的能力。能同时支持这三种能力开发的技术是面向对象技术。面向对象是一种t 新的非常有效的程序设计范型，对软件的生产率、可靠性、可重用性等都有帮 助，面向对象正在为颓的信息系统的设计方法论开辟道路，面向对象的作用还 涉及更加广泛的领域。所以面向对象是正在兴起的影响面最广的新技术。 面向对象的需求分析方法通过提供对象、对象间消息传递等语言机制，让 分析人员在解空间中定义对象及其行为，从而削弱了语义断层，为需求建模活 动提供了直观、自然的语言支持和方法学指导。 面向对象方法学包括以下核心概念： ( 1 ) 对象 在面向对象的系统中，对象是基本的运行时的实体，它包括数据属性，也 包括作用于数据的操作( 行为) 。所以一个对象把属性和行为密封成个整体。 扶设计者的角度来看，对象是一个程序模块：从用户的角度来看，对象为他们 提供了所希望的行为。在对象内的操作通常叫做方法。 ( 2 ) 类 一个类定义了一组大体上相似的对象。一个类所包含的方法和数据描述 组对象的共同行为和属性。把一组对象的共同特性加以抽象并存储在一个类中 的能力，是面向对象技术最重要的点：是否建立了一个丰富的类库是衡量 个面向对象程序语言成熟与否的重要标志。 ( 3 ) 继承 类之间的继承关系是现实世界中遗传关系的直接模拟，它表示类之间的内 在联系以及对属性和操作的共享，即子类可以沿用父类( 被继承类) 的某些特 征。当然，子类也可以具有自己独立的属性和操作。继承性是面向对象程序设 计语言的最主要的特点，是其它语言( 如面向过程语言) 所没有的。 ( 4 ) 消息 对象之间进行通信的一种构造叫做消息。当一个消息发送给某个对象时， 包含要求接受对象去执行某些活动的信息。接收到消息的对象经过解释，然后 予以响应。这种通信机制叫做消息传递。发送消息的对象不需要知道接收消息 的对象如何对请求予以响应。 因为对象的操作主要用来响应外来消息并为其它对象服务，所以它们也被 称作“外部服务”。 简而言之，面向对象= 对象+ 类+ 继承+ 消息。 1 3 2 ，2 面向对象方法学的主要优点 面向对象方法可以克服传统方法学的缺陷，缓解软件危机，它具有许多特 点，主要表现在： ( 1 ) 符合人们通常的思维方式 面向对象方法强调把问题域的概念直接映射到对象及对象间的接口，符合 人们通常的思维方式，减少了结构化方法从问题域到分析阶段的映射误差。 传统的程序设计技术忽略了数据和操作之间的内在联系，用这种联系方法 设计出来的软件系统其解空间与问题空间并不一致，令人感到难于理解。实际 上，用计算机解决的问题都是现实世界中的问题，这些问题无非是由相互间存 在一定联系的事物所组成。每个具体的事物都具有行为和属性两方面特征。因 此，把描述事物静态属性的数据结构和表示事物动态行为的操作放在一起构成 一个整体，才能完整、自然地表示客观世界中的实体。 面向对象的软件以对象为核心，用这种技术开发出的软件系统由对象组成。 对象是对现实世界的正确抽象，它是由描述内部状态表示静态属性的数据，以 及可以对这些数据施加的操作( 表示对象的动态行为) ，封装在一起所构成的统 一体。对象之间通过传递信息互相联系，以模拟现实世界中不同事物彼此之间 的关系。 ( 2 ) 高度连续性 面向对象方法从分析到设计再到编码采用一致的模型表示，后一阶段可以 直接利用前一阶段的工作成果，弥合了结构化方法从数据流图到模块结构图转 换的鸿沟，减少了工作量和映射误差。 面向对象分析文档的视点不同于过程性分析的文档。传统的文档是面向功 能的，其视点是把系统看作一组服务。面向对象的分析文档把问题当作一组互 相作用的实体，并确定这些实体之间的关系。这种视点把系统看作是一个能够 以已有控制的方式执行的模型。 ( 3 ) 重用性好 面向对象方法具有的继承性和封装性支持软件复用，并易于扩充，能较好 地适应复杂大系统不断发展和变化的要求，有两种方法可以重复使用一个对象 类：种方法是创建该类的实例，从而直接使用它；另一种方法是从它派生出 一个满足需要的新类。继承机制使得子类不仅可以重复其父类的数据结构和数 据代码，而且可以在父类的基础之上方便地修改和扩充，这种修改并不影响对 原类的使用。 ( 4 1 可维护性好 在客观世界以及作为它的映射的软件系统中，实体的结构是相对稳定的。 面向对象方法通过把属性和服务封装在“对象”中，当外部功能发生变化时， 保持对象结构的相对稳定，使改动局限于一个对象的内部，减少了改动所引起 的系统波动效应。 它的维护主要从已有类派生出来的子类进行。类是独立性很强的模块，向 8 类的实例发消息即可运行它，观察它是否能正确地完成要求的工作，对类的测 试通常比较容易实现，如果发现错误也往往集中在类的内部，比较容易调试。 所以，按照面向对象方法开发的软件，具有易于扩充、修改和维护的特性。 1 4 论文研究的目的和意义 变电站综合自动化系统是一个典型的工控领域的监控和数据采集系统 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 。传统的s c a d a 系统采用集 中式的监控软件结构，这种结构软件的各部分过于紧密，使得系统过于复杂并 且使得系统的更新和扩展受到很大的限制。另外一个就是软件重复开发的难度 较大，对于不同的监控系统，即使差别很小，软件也难以重用。这一点在变电 站综合自动化系统中尤其明显，在不同变电站之间有可能硬件配最变化不大， 但使用传统的开发方法还必须从头开发监控软件。因此如何提高监控软件的可 靠性、稳定性和通用性变得越来越重要。面向对象的技术对于提高软件质量和 提高程序的可重用性都起着重大作用。 1 5 论文研究的主要内容 本课题源于肥南变电站综合自动化系统，以w i n d o w s 2 0 0 0 为开发平台以 c + + 为开发语言，分别以m i c r o s o f t v i s i o2 0 0 2 和v i s u a lc + + 6 0 为系统建模工具 和编程工具。 本文从变电站综合自动化软件的特点出发，利用面向对象的建模和设计方 法，设计并实现出一套专用于电力综合自动化领域，具有工程画面快速生成、 图形编辑和撤销功能，具有动态属性的丰富图元，支持图形无级缩放和漫游， 支持与实时数据和历史数据库连接，支持工程画面切换和快速更新，高度可视 化、全中文界面、高度开放性、功能强大的图形界面系统，与其它功能模块( 实 时数据库、脚本引擎等) 共同构成变电站综合自动化软件系统。 本论文的主要工作如下： ( 1 ) 收集变电站综合自动化相关的资料：收集当前国内外软件开发的相关 技术文献，了解软件开发的最新技术和发展趋势。 ( 2 ) 根据收集的技术资料，分析系统的总体需求，基于现有技术，确定出 系统的总体技术路线。 ( 3 ) 利用u m l 语言、m i c r o s o f t v i s i o 工具实现对变电站综合自动化图形界 面系统模型的建立。 ( 4 ) 基于m f c 技术，利用c 抖编程语言、v i s u a lc + + 6 o 编程工具实现图 形界面系统的模型。 ( 5 ) 通过历史数据库和实时数掘库实现工程画面上的各图元与设备的数据 关联，从而实现对现场设备的监控功能。 9 第二章变电站综合自动化系统的总体设计 2 1 变电站综合自动化系统的硬件结构 2 1 1 变电站综合自动化系统的结构 目前变电站综合自动化基本上采用两种结构：集中式和分层分布式。 集中式结构的综合自动化系统，采用不同档次的计算机，扩展其外围接口 电路，集中采集变电站的模拟量、开关量和数字量等信息，集中进行计算和处 理，分别完成微机监控、微机保护和一些自动控制等功能。这种结构形式，主 要出现在变电站综合自动化问世初期，由于当时电子数字计算机和小型机价格 昂贵，只能是高度集中的结构形式，如图2 1 所示。 各保护装置 显示器| l 打印机i 广一键盘i 调度中心 监控主机h _ 叫通信控制器 摸入接口ll 开入接口ll 输出接口iia d 摸块ii 输入接订il 输出接n 主 变 压 器 t v t a 线 路 t v t a 断 路 器 分合 状态 模 拟 量 输 入 几 继 电 器 图2 1 集中式结构的综合自动化系统框 集中式结构的优点是：结构紧凑、体积小；造价低：实用性好。缺点是： 每台计算机的功能较集中，如果一台计算机出故障，影响面大，因此必须采用 双机并联运行的结构才能提高可靠性：软件复杂，修改工作量大，系统调试麻 烦；组态不灵活，对不同主接线或规模不同的变电站，软、硬件都必须另行设 计，工作量大，不利于推广；与长期采用一对的常规保护相比，不直观，不 符合运行和维护人员的习惯，调试维修不方便。 分层分布式结构的综合自动化系统，整个生产过程的控制功能、管理功能 分散开，各现场输入输出单元部件分别安装在中低压开关柜或高压一次设各附 近，现场单元部件是保护和监控功能的二合一装置，用以处理各开关单元的继 电保护和监控功能，亦可以使现场的微机保护和监控部件分别保持期独立性。 在变电站控制室内设置计算机系统，对各现场单元部件进行通信联系。通信方 式采用局域网或现场总线。至于变电站自动化的功能，则将遥信采集及处理， 遥控命令执行和继电保护功能等由现场单元部件独立完成，并将这些信息送到 本地监控系统，而变电站自动化的综合功能均由本地监控系统承担。如图2 2 电护 息入 继保 信输 路0 离荚合态断2 隔开分状 所示。 变 电 站 层 间 隔 层 t v 状出 t a 卷口 信叫 号路 t v 状出 t a 态口 信川 号路 t v 状出 t a 各口 信同 号j t v 状出 t a 奎口 情同 号路 图2 2 分层分布式结构的综合自动化系统框幽 这种结构节省控制室面积、电缆和安装费用，提高系统可靠性，使分层分 布式变电站综合自动化系统的优点体现在以下几点： 第一、模块化结构，可靠性高，输入输出回路都相互独立，不同电气设备 均单独对应的模块单元部件，其任一模块出现故障，只能影响局邦功能，不影 响系统其它部分的正常工作。 第二、系统内装置间信息的传输均为数字信号，系统抗干扰能力强。 第三、各装置均有一定的数据处理能力，从而大大减轻了本地监控机的负 担。 第四、系统扩充灵活方便。 第五、室内工作环境好，管理维护方便。 因此，为了提高变电站综合自动化系统的可靠性和性能价格比，在设计时 应采用分层分布式的变电站综合自动化系统的配置模式。 2 1 2 本系统的结构框架设计 由于分层分布式系统具有种种优点，本系统的设计中采用了分层分布式结 构，结构图如图2 3 所示。 变 电 站 层 一 设 各 茧 兀 层 本地监控机 一厂 调制解调器 一一l c a n 总线 一 1 一 一 i 一 一 i 单元l 单元n单元护单元单元 幽2 3 硬件结构圈 由图2 3 可看出，整个变电站自动化系统是一个分层分稀式系统，它可分 为以下几个部分： ( 1 ) 下位机测控保护单元。包括电容器保护单元、主变压器保护单元、主 变后备保护单元和线路保护单元，每个单元都作为c a n 总线的一个节点挂接在 总线上。变电站综合自动化系统通过这些下位机测控保护单元获取变电站设备 的遥信遥测信息，并通过这些单元发送控制命令来实现对变电站设备的控制。 ( 2 ) c a n 总线。下位机测控保护单元通过c a n 总线，将遥信遥测信息发 送到当地监控机，并接收遥控命令。 ( 3 ) 网络适配器。网络适配器是本地监控机与c a n 总线的通信接口，要 实现对各下位机节点的监控，它担负着数据传输的重要任务。网络适配器主要 有三方面的功能：一方面与c a n 总线的接口，另一方面与p c 机即当地监控机 的接口，最后还要与调度中心的通信接口即与m o d e m 的接口。 ( 4 ) 本地监控机。又称前置机、上位机，一般选用工业控制计算机，当地 监控机的功能主要是对下位机测控保护单元进行集中监控，包括实时数据显示、 数据处理、数据存储和打印，还可实现向下位机相应监控保护单元发送遥控和 遥调命令。 ( 5 ) 打印机。主要提供电力数据信息报表打印功能。 2 2 变电站综合自动化系统的监控软件结构 一般的变电站自动化软件系统是一个具有实时多任务、接口开放、使用灵 活、功能多样、运行可靠的软件系统，其中实时多任务是它的最突出特点。例 如，数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据 库的存储、梭索管理、实时通信等多任务在同一台计算机上同时进行。本系统 软件由若干个功能模块组成，模块之间的通信以及模块与数据库的通信均通过 共享内存和o d b c 完成。实时数据库是系统的核心，它可以实现机器内各应用 程序的实时数据交换，并可以通过网络通讯程序将实时数据扩展到整个网络。 其结构如图2 4 所示： ! 圉困： ； ： 幽2 4 监控软什结构圈 2 2 1 监控软件结构划分 监控软件的结构通常以两种方法来划分： 1 ) 以使用软件的工作划分，从整体上讲，监控软件是由系统开发环境和系 统运行环境两大部分构成。 ( 1 ) 系统开发环境。它是自动化设计师为实施其方案，在监控软件支持下进 行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。通过建立一系列用户数据 文件，生成最终的图形目标系统，供系统运行时使用。 ( 2 ) 系统运行环境。在系统运行环境下，目标应用程序被载入计算机内存并 投入实时运行。系统运行环境根据工程画面上图元的动画连接实时更新图形画 面，将现场工程运行状况以图形的方式显示出来。 自动化工程师首先利用系统的开发环境，通过一定工作量的系统调试，生 成目标应用程序，并最终将目标程序在系统运行环境中投入实时运行，完成一 个工程项目。 2 ) 按照成员构成划分，监控软件因为其功能强大，而每个功能模块相对来 说具有一定的独立性，因此其组成形式是一个集成软件平台，由若干程序组件 构成。通常典型的组件由以下几部分构成： ( 1 ) 图形界面开发程序。它是自动化工程师为实施其控制方案，在图形编辑 工具的支持下进行图形系统生成工作所依赖的开发环境。通过建立一系列工程 画面文件生成图形目标应用系统。 ( 2 ) 图形界面运行程序。在系统运行环境下，图形目标应用程序被图形界面 运行程序载入内存并投入实时运行。图形界面开发程序和运行程序就是本论文 的主要研究内容。 ( 3 ) 实时数据库模块。实时数据库模块主要完成实时数据库的建立、维护、 访问以及历史数据生成等功能，它是整个系统的基础和核心。实时数据库描述 了电力自动化系统监控、管理数据点的集合，它的单位是变量( 点) ，从这种意 义上讲，实时数据库就是按一定方式组织的监控和管理点( 变量) 的集合。根 据自动化需要而进行的诸如规约转换、h m i 、曲线、报警、数据浏览等功能都 是基于实时数据库展开的。 ( 4 ) 网络通信模块。网络通信模块是本系统实时网络通信的内核，通过网络 适配器与调度中心的点对点通信，一方面将处理过的实时的遥信、遥测数据通 过网络送到调度中心，以供显示和处理；另一方面接收调度中心通过网络发送 的调度命令，然后送到相应的模块等待处理。 ( 5 ) 前置通信模块。前置通信模块通过网络适配器完成与下位机监控保护单 元的通讯任务。将下位机监控保护单元采集的实时数据送往实时数据库模块， 同时将调度中心的遥控遥调命令送往下位机监控保护单元。 ( 6 ) 历史数据库。历史数据库存储系统运行的历史信息。数据一般是出实时 数据库模块以一定的采样周期将其数据信息向历史数据库转存而来的。因为实 时数据库驻留在内存中，而且数据随时间在不断更新，所以只有通过历史数据 库才有可能对系统在一段时间内的运行状态做出评估。 ( 7 ) 数据报表模块。数据报表模块以图表的方式向用户提供系统运行的历史 数据信息，并提供报表的打印输出功能。 2 2 2 监控软件的数据处理流程 本监控软件通过前置通信模块从现场设各获得实时数据。对数据进行必要 的加工后，一方面通过图形界面系统以图形的方式直观地显示在c r t 屏幕上： 另一方面通过网络通信模块根据调度中心的要求和操作人员的指令将控制数据 传送给现场设备，对执行机构实施遥控或遥调。将已经形成历史趋势的变量存 储到历史数据库，对历史数据检索请求给予响应。当发生报警事件时及时将报 警以声音、图像的方式通知给操作人员，并记录报警历史信息。图2 5 直观地 描述了本监控软件的数据处理流程。 图2 - - 5 监控软件数据处理流程图 从图中可以清楚地看到，实时数据库是本软件的核心引擎。运行程序、编 辑程序、历史数据的存储与检索、数据报表模块、报警处理模块、前置通信模 块、网络通信模块等都是构建在它之上的，各功能模块间实时数据共享。 2 3 图形界面系统简介 图形界面系统是系统与工程人员交互的接口，是自动化工程系统的调度中 心和控制中一i i , ，它在变电站综合自动化系统中一直起着极其重要的作用。图形 界面系统一般由两部分组成：图形开发环境和图形运行环境。 图形开发环境是目标系统的主要生成工具之一，是自动化工程设计人员使 用最频繁的组件之一，所有的操作画面都是在开发环境下制作、生成的。它依 照操作系统的图形标准，采用面向对象的图形技术，为使用者提供丰富、强大 的绘图编辑和动画连接工具和脚本引擎。 图形运行环境是目标系统投入运行的环境，目标系统通过运行环境以图形 的方式显示系统的设备数据信息及运行状况，实现对系统的监视功能。图形运 行环境还可接收系统操作人员的操作命令，并将命令传送给控制模块去控制硬 件，实现对设备的控制功能。 由于电力综合自动化系统中的对象繁多，而且有些对象的结构复杂，所以 图形界面系统的建模和实现都有一定的难度。针对图形对象的建模问题，本论 文采用了面向对象的建模技术、借助u m l 建模语言，使用m i c r o s o f t v i s i o2 0 0 2 建模工具实现图形系统的建模。对于图形界面系统的实现，本论文采用面向对 象的编程方法，基于w i n d o w s 的m f c 技术，以c + 十为编程语言，v i s u a lc + + 6 0 为工具，依据图形界面系统的模型，实现了整个图形界面系统。 第三章图形界面系统的建模 模型就是为了理解事物而做出的一种抽象，是对事物无歧义的书面描述。 由于模型忽略了事物的非本质特征，所以它比原始事物更容易操作。在创建复 杂系统之前，软件开发者必须从不同角度对系统进行抽象，用精确的符号表示 建立模型，校验该模型能否满足系统的需求。本章应用面向对象的建模技术， 利用u m l 建模工具实现了图形界面系统模型的建立。本章将主要分四部分来讨 论图形界面系统的建模问题：面向对象的建模技术简介；图形界面系统的对象 模型：图形界面系统的动态模型：图形界面系统的功能模型。 3 1 面向对象的建模技术简介 为了提高软件系统的稳定性、可修改性和重用性，人们在实践中逐渐创造 出软件工程的一种新途径，即面向对象方法学。作为o o 范型分析软件系统的 过程，面向对象需求分析的核心是利用面向对象的概念和方法为软件需求建立 模型。对象建模技术( o b j e c tm o d e l i n gt e c h n i q u e ，o m t ) 就是一种面向对象分 析方法。o m t 的出发点和基本原则是尽可能模拟人类的思维方式，使开发软件 的方法与过程尽可能接近人类认识世界、解决问题的方法与过程，也就是使描 述问题的问题空间与实现解法的解空间在结构上尽可能一致。o m t 是以系统的 三种模型为基础的系统建模方法，它从三个不同但又相关的角度去建立系统模 型。“对象模型”表示系统的静态的、结构化的数据：“动态模型”表示系统的 时态的、行为的控制方式；“功能模型”则表示系统的转换功能。下面将具体介 绍o m t 中三种模型。 3 1 1 对象模型 对象模型是三个模型中关键的模型，它的作用是描述系统的静态结构，包 括构成系统的类和对象，它们的属性和操作，以及它们之间的关系。对象模型 为建立动态模型和功能模型提供了实质的框架。 对象模型用包含对象类的对象类图来表示。类按层次排列，并共享公共结 构和行为特征，类与其它类相关联。类定义了每个对象实例所取的属性值和每 个对象执行的操作。 3 ，1 ，2 动态模型 要清楚地了解一个系统，首先应当考察它的静态结构，即在某一时刻它的 对象和这些对象之间相互关系的结构：然后应当考察在任何时刻对象及其关系 的改变。系统的这些涉及时序和改变的状况，用动态模型来描述。也就是说， 动念模型描述了系统中与时间和操作序列有关的内容，包括标志改变的事件、 1 6 事件序列、定义事件上下文状态以及事件和状态的组织。动态模型着眼于“控 制”，即描述系统中发生的操作序列，而不考虑操作做什么、对什么进行操作、 如何操作及如何实现这些操作。 动态模型用状态图表示。每一个状态图展示了系统中对象类所允许的状态 和事件序列。状态图也涉及到其它模型，状态图中的动作对应于功能模型中的 功能。状态图中的事件为对象模型中对象的操作。 3 1 3 功能模型 功能模型描述了系统与值转换有关的各个方面，包含功能、映像、约束和 功能性依赖。功能模型着重于系统内部数据的传送和处理。功能模型定义了“做 什么”，动态模型定义了“何时做”，对象模型定义了“对谁做”。 功能模型主要用数据流图表示。数据流图表示根据输入值和函数进行的输 出值的计算与值之间的相关性，而不考虑功能是否执行和什么时候执行。 3 1 4 三种模型的相互关系 以上每种模型描述系统的一个侧面，同时包含对其它模型的联系。功能模 型表达用户的功能需求，反映用户的状态，其处理对应于对象模型中的操作： 动态模型中动作对象的流入流出表示对象上的操作或对象执行的操作，数据流 值是操作的结果或变量，数据存储对象也是模型中的组成部分。每一个进入数 据存储对象的流都是一个修改操作，每一个从存储对象出来的流都是一个查询 操作。动态模型中的动作决定操作的执行次序，对象模型决定数据流的结构。 3 2 图形界面系统的对象模型的建立 图形界面系统的对象模型是系统的最基本的模型，它的主要表达方式是类 图( c l a s sd i a g r a m ) 。类图主要构成成分是：类、属性、服务、一般一特殊结构、 整体一部分结构、实例连接结构和消息连接。这些成分所表达的模型信息可以 从以下三个层次来看： ( 1 ) 对象层，给出系统中所有反映问题域与系统责任的对象，用类符号表 达属于每一个类的对象。类作为对象的抽象描述，是构成系统的基本单位。 ( 2 ) 特征层，给出每一个类( 及其所代表的对象) 的内部特征，即给出每 一个类的属性和操作。这个层次描述了对象的内部特征，以建模阶段所能达到 的程度为限给出对象的内部细节。 ( 3 ) 关系层，给出各个类( 及其所代表的对象) 彼此间的关系，这些关系 包括：继承关系，用一般一特殊结构表示：组装关系，用整体一部分结构表示； 反映于属性的静态依赖关系，用实例连接表示；反映于操作的动态依赖关系， 用消息连接表示。这个层次描述了对象外部的联系情况。 1 7 概括来说，图形界面系统对象模型从三个层次分别描述系统：( 1 ) 系统中 应该设立哪几个对象；( 2 ) 每一个对象的内部结构：( 3 ) 各类对象与外部的关 系。三个层次的信息( 包括图形符号和文字) 叠加在一起，形成一个完整的类 图，从而把系统的总体内核展现出来。 图形界面系统主要由图元对象、动画对象和图形操作工具对象三大类构成， 这三类对象既相互独立，又存在一定的联系。在设计中将他们分别归为三个对 象包：图元库( 图元对象包) 、动画库( 动画对象包)