（农业机械化工程专业论文）可视化配电网计算软件平台的研究与开发.pdf

摘要 随着我国电力市场化改革的逐步深入，电力企业对配电网管理的重视程度不断加 深，对配电网分析计算软件的研究与开发日益受到重视。潮流计算和短路电流计算是 配电网的一项基本运算，也是配电网状态估计、安全分析、网络结构优化和重构、电 压调整及无功优化、负荷模型的建立与校核、继电保护整定计算等的基础。配电系统 运行、规划和设计的许多工作都必须以潮流计算和短路计算的结果作为依据。 根据配电网综合自动化的实际需要，在深入分析比较现有潮流计算和短路电流算 法的基础上，开发了一套通用的可视化配电网潮流计算和短路电流计算软件。在接个 软件系统中，图形绘制、配电网拓扑分析、潮流计算、短路电流计算等功能模块共用 一套数据库，保证了数据的一致性。经i e e e 算例验证和实际应用表明：该软件具有 界面友好、操作简单、易于维护、易于扩充和通用性强等特点。本文的主要研究内容 如下： ( 1 ) 采用面向对象的编程技术，以v i s u a lc + - 为开发工具，开发了配电网接线图 绘制和参数录入模块。该绘图模块能以基本图元( 如线路、断路器、变压器等) 为绘图 单位进行电力系统接线图的绘制，对图元可进行复制、粘贴、移动、旋转、删除等摹 本操作。 ( 2 ) 设计并开发了结构合理、性能优良、通用性好的数据库模块。通过图形化界 面和消息传递，实现了在图形用户界面上输入、修改和浏览数据库中的电网数据。 ( 3 ) 采用图论的有关知识和人工智能中的广度优先搜索技术，开发了配电网的拓 扑分析模块。 ( 4 ) 基于前推回代算法，开发了适合于配电网的潮流计算和线损计算软件。 ( 5 ) 采用基于叠加原理的前推回代算法，开发了配电网短路计算模块。该模块能 计算出三相对称短路和三相不对称短路时各节点电压和各支路的短路电流。 关键词：配电网；图形界面；数据库：拓扑分析；潮流计算；短路电流计算 r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o fv i s i b l ec a l c u l a t i o n s o f t w a r ep l a f f o r mo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ( a g r i c u l t u r a lm e c h a n i z a t i o ne n g i n e e r i n g ) a b s t r a c t w i t ht h em a r k e t - b a s e dr e f o r mo f e l e c t r i c i t yo fo u i c o u n t r yd e e p e n e dg r a d u a l l y ，t h e d e g r e e o fa r e n f i o nt o a d m i n i s t r a t i o no f p o w e r n e t w o r k so fe l e c t r i c e n t e r p r i s e i s s t r e n g t h e n e dc o n s t a n t l y a n dm o r ea n dm o r ea u e n t i o ni s p a i d t ot h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fa n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n p o w e rf l o wc a l c u l a t i o na n ds h o r t c i r c u i tc u r r e n t c a l c u l a t i o ni so n eo fb a s i cc a l c u l a t i o no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，a n da l s ot h ef o u n d a t i o no f s t a t e e s t i m a d o n ，s a f e t ya n a l y s i s ，s u u c t u r a lo p d m i z a f i o na n dr e c o n s t m c f i o no ft h en e t w o r k v o l t a g ea d j u s ta n dr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o n ，b u i l da n dc h e c ko ft h el o a dm o d e l ，r e l a y p r o t e c t i o ns e t t i n gc a l c u l a t i o n ，e t c d i s t r i b u t i o ns y s t e mo p e r a t e ，p l a na n dd e s i g nm u s tb e b a s e do nt h er e s u l t so f p o w e r f l o wc a l c u l a t i o na n ds h o r t - c i r c u i tc u r r e n tc a l c u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h en e e d so fr e a l i t yo fc o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o no ft h ed i s t r i b u t i o n n e t w o r ka n do nt h eb a s i so fa n a l y s i st h ee x i s t i n gm e t h o do fp o w e rf l o wc a l c u l a t i o na n d s h o r t c i r c u i tc u r r e n tc a l c u l a t i o n ，as e to fu n i v e r s a lv i s u a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k p o w e r f l o w c a l c u l a t i o na n ds h o r t - c i r c u i tc u r r e n tc a l c u l a t i o ns o f t w a r ei s d e v e l o p e d i nt h e w h o l e s o f t w a r es y s t e m ，t h ef u n c t i o nm o d u l e so f g r a p h i c a ld r a w i n g ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r kt o p o l o g y a n a l y s i s ，p o w e r f l o wc a l c u l a t i o n ，s h o r t c i r c u i tc u r r e n tc a l c u l a t i o ns h a r et h es a m ed a t a b a s e ， w h i c hg u a r a n t e e st h ed a t ac o n s i s t e n c y t h ea p p l i c a t i o nt oi e e ee x a m p l ea n dp r a c t i c a l n e t w o r ki n d i c a t e ：t h es o f t w a r eh a st h ea d v a n t a g e so ff r i e n d l yi n t e r f a c e ，e a s yo p e r a t i o n ， e a s ym a i n t e n a n c e ，e a s ye x p a n s i o na n ds 垃o n g e rg e n e r a l i z a t i o n ，e t c t h e m a i nr e s e a r c h c o n t e n t sa r ea sf o u o w s ： ( 1 ) b ya d o p t i n go b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g ya n dt a k i n gv i s u a ic + + a s d e v e l o p m e n tt o o l ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r kg r a p h i c a ld r a w i n ga n dp a r a m e t e r si n p u tm o d u l e i s d e v e l o p e d t h eg r a p h i c a ld r a w i n g m o d u l et a k e sc o m p o n e n t s ( s u c ha sf i n e s ，c i r c u i tb r e a k e r s a n dt r a n s f o r m e r s la sb a s i cd r a w i n gu n i tt od r a w 出ep o w e r s y s t e mn e t w o r k a n dc a l lo p e r a t e t h ec o m p o n e n tb y c o p y , p a s t e ，m o v e ，r o t a t ea n d d e l e t e ，e t c ( 2 ) w i t hr a t i o n a ls t r u c t a r e , g o o dp e r f o r m a n c ea n ds t r o n g e rg e n e r a l i z a t i o n ，d a t a b a s e m o d u l ei s d e v e l o p e d b yg r a p h i c a li n t e r f a c ea n dm e s s a g et r a n s m i t , t h eu s e rc a ni n p u t ， m o d i f y a n db r o w s et h ed a t a b a s e ( 3 ) c o m b i n i n gt h eg e o m e t r yk n o w l e d g ea n db r o a df i r s ts e a r c h ( b f s ) t e c h n o l o g y u s e di na r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r k t o p o l o g y m o d u l ei sd e v e l o p e d ( 4 ) b a s e d o nb a c k f o r w a r d s w e e p m e t h o d ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r kp o w e rf l o w c a l c u l a t i o na n d p o w e r l i n el o s ss o f t w a r ei sd e v e l o p e d ( 5 ) b ya d o p t i n g b a c k f o r w a r d s w e e p m e t h o db a s e d o n l a m i n a t i n gp r i n c i p l e ， d i s t r i b u t i o nn e t w o r ks h o r t c i r c u i tc u r r e n tc a l c u l a t i o nm o d u l ei s d e v e l o p e d ，w h i c hc a n c a l c u l a t ee a c hl o a dp o i n t v o l t a g ea n de a c hb r a n c hs h o r t c i r c u i t c u r r e n tw h e ns y s t e m h a p p e dt h r e e p h a s es y m m e t r i c a lh i t c ha n dt h r e e - p h a s eu n s y m m e t r i c a lh i t c h k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ；g r a p h i c a li n t e r f a c e ；d a t a b a s e ；t o p o l o g ya n a l y s i s ； p o w e rf l o wc a l c u l a t i o n ；s h o r t c i r c u i tc u r r e n tc a l c u l a t i o n 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，也不包含为获得煎i 垦盔些盘茔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：土1 翻签字嘲财年g 月j 扩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑韭盎些盘鲎有关保留、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。本人授权塑i 堡垒些叁鲎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 。1 翻 签字日期：础年 月膳日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：霍翮尉 签字日期：o o d 嫜月，孑日 电话： 邮编： 旦垫些些曼翌盐茎鏊生兰鱼堕竺至 1 1 选题背景和意义 1 绪论 配电网是电力系统电能发、变、送、配中最后一个向用户供电的环节。通常把电力系统中二 次降压变电所低压侧直接或降压后向用户供电的网络，称为配电网“1 。配电网按所在的地域或服 务对象分，由城市配电网和农村配电网。我国配电网按电压高低可分为三类：高压配电网( 包括 l l o ，6 3 和3 5 k v 的线路和变电所) 、中压配电网( 1 0 k 7 或6 k v 电压等级的电网) 低压配电网( 单 相2 2 0 v 和三相3 8 0 v ) 口“。 配电网设备繁多，用户众多，覆盖面广，地理情况变化多样，且受用户增容等外界条件以及 城市建设等因素的影响，造成工作难度大，工作繁重，再加上长期以来的“重发、轻供”的思想， 致使配电网的建设一直比较落后。随着现代化社会和经济的快速发展，用电负荷增加，广大用户 对供电质量、供电可靠性提出更高的要求，传统的配电网结构、运行、管理等方式已不适台电网 增长的要求，配电网与用户需求矛盾日益突出”j 。因此，加强配电网的建设，提高配电网的管理 水平，全面实现配电网自动化迫在眉睫。进入八十年代，西方发达国家将电力系统自动化的重点 转向配电网”“。近几年来，我国也开始着手配电网自动化的研究和实施工作“。 根据国家电力公司安全运行与发输电运营部1 9 9 9 年公布的配电系统自动化规划设计导则 实行方案 1 1 1 配电网自动化的主要任务应包括如下内容：调度自动化系统；变电所、配电所自 动化系统；馈电线自动化系统( f a ) ；自动制图( a m ) ，设备管理( f m ) ，地理信息系统( g i s ) ： 用电管理自动化系统：配电系统运行管理自动化系统：配电网分析软件系统( d p a s ) 等。 配电网拓扑分析、潮流计算( 含线损计算) 、短路电流计算是配电网分析软件系统( d p a s ) 的最核心内容”】，是配电网状态估计 1 3 , 1 4 1 、安全分析、网络结构优化和重构 1 5 - t 8 】、配电网电压调 整及无功优化1 ”“、负荷模型的建立与校核0 2 “j 、继电保护整定计算等的基础。相对输电网来说， 配电网分析软件的研究相对较少，而配电网又具有不同于输电网的结构特点。因此，研究和开发 可视化配电网计算软件，对配电网自动化的实施具有重要意义”。 1 2 研究现状 在高等院校和电力系统相关部门中都开发了一批较完善、可靠的输电网分析计算软件。然而， 长期以来这些软件在我国大多数配电网未能得到推广应用，电阿计算仍沿用传统的手工计算。造 成这种状况的主要原因是：这些软件大多是基于文本操作界面的，需按一定的文本格式进行数据 的输入和输出，当系统达到一定规模时，这样做就变得复杂而且容易出错，计算结果也不直观： 常规电网分析软件对用户的专业水平要求也高。 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，因而也便于用户查找输入错误。迄今为止，国内外已有不少学者开展了将计算机图形引入电 河北农业大学硕士学位论文 力系统分析软件的工作，但这类软件或是借助一图形编辑器生成电网图形f 2 ”，或是图形与元件 参数很难达到一致性，且多数未包括厂站接线图o ”，从而大大限制了软件的易用性和运行方式 设置的灵活性。 网络拓扑分析是其他高级功能得以实现的前提和基础。网络拓扑的主要功能是根据开关、刀 闸、线路、变压器、母线的状态形成正确的电气连通状态和确定电岛的划分，为其它高级应用模 块服务。目前电力系统中拓扑结构的表示方法主要有元彳牛，开关，元件，节点关联表法”；邻接矩 阵法”：面向对象表示方法p “等。元件开关，元件，节点关联表法主要用于变电站结线分析和输 电网结线分析中。如果将该方法运用到配电网络中，由于配电网络结构复杂，基于关联表的分析 方法将会很复杂：邻接矩阵法在应用于具体的接线圈时，需要将图中的每个连接点都作为节点 每个图元都作为支路来处理，矩阵中节点数目远大于实际网络的节点和支路数目，速度较慢：面 向对象的表示方法是随着面向对象编程方法的发展而发展起来的新技术，需要对不同种类的配电 网设备建立不同的模型，并定义其端口，但是，要设计出好的模型，使其不但能准确地表示电气 设备，还应能满足不同分析计算应用的要求，则是目前建模中的难点。 电力系统潮流计算是研究电力系统稳态运行的一项基本运算。由于潮流计算在电力系统分析 中所处的特殊地位和作用，近年来众多学者进行了大量研究，提出了很多适合于配电网络特点的 计算方法：一类方法是研究如何对电力系统潮流计算的常规方法，如牛顿拉夫逊法和高斯赛德尔 法，进行改进使之适应求解大规模幅射结构电网的潮流计算而提出的。牛顿法是六十年代以来广 泛应用的方法。各种形式牛顿法的共同特点是：( 1 ) 收敛速度快，具有平方收敛性，其迭代次数 与系统规模基本无关；( 2 ) 能求解大部分有病态条件的问题；( 3 ) 利用了保持稀疏性技术，所需内 存适中。但具有以下缺点：( 1 ) 编程复杂：( 2 ) 需要良好的初值( 可由高斯一塞德尔法给出) ，否 则不收敛或收敛到无法运行的解上；( 3 ) 对重病态条件可能不收敛；( 4 ) 计算量较大。另一类方法 是以前推，回代法 3 7 , 3 8 1 为基础，研究如何使算法能够跟踪网络拓扑变化、或研究如何解决实际配电 网络系统中可能出现的弱环现象、并联补偿电容器和分散电源现象等问题提出的。相比较而言， 前推，回代法比较适合辐射状配电网络系统的特点，它可以方便地解决多电源问题，只需给出负荷 节点及p v 节点的运行数据即可快速求解，具有计算速度快、收敛性好、占用内存少等优点，能 够满足配臃潮流计算的要求。此外，这种算法的基本思想很容易推广到三相潮流的计算。本课题 根据前推回推配电网三相潮流计算的基本原理，按面向对象的思想设计并实现配电网拓扑分析和 三相潮流计算。 短路电流计算同样也是电网的一项基本计算。配电网的结构特点是辐射形且支路参数r 和x 相差不大，甚至有时会出现r 大于x 的情况1 3 9 , 4 0 】。2 2 0 k v 以上输电网的短路电流计算一般采用节 点导纳距阵，并且采用稀疏技术可以明显地提高短路电流计算的效率。但该方法应用于配电网的 短路电流计算却并不是最有效的方法。原因在于：从节点编号优化到形成复数因子表耗时较多， 而且计算麻烦；网络拓扑结构变化时需垂新形成或修改原网络各序数学模型。传统的短路电流计 算一般采用对称分量法，对称分量法的优点是可以分别处理三个序网矩阵和方程，所以在过去的 几十年里对称分量法得到了广泛的应用。然而，对称分量法在应用于配电网的短路电流计算时却 遇到了困难，这是由于配电网馈线电路结构的特点决定的：配电馈线一般是三相参数不对称；三 相负荷不对称；网络极其庞大。在这种情况下，许多电力科学工作者相继提出了一些适合于配电 网短路电流计算的方法。基于叠加原理的前推回推法就是其中之一。 2 可视化配电网计算软件平台的研究 配电网络在拓扑结构、支路参数、运行状态、节点和支路数目、负蒂目拜“1 砖x 。： 置的分布、系统信息、设备的安装地点等几个方面，都其h 币同：、i ? 矗。，b 彖现j - ，二“, 3 - i i l 因此，配电嚼的两络模型建立、潮流计算、短路电流等，不能照搬输电网计算分析软件那一套 思路。配电网的拓扑处理要着眼于辐射状网络的快速搜索，配电网的潮流计算应着眼于可靠的 收敛性、计算速度快、占用内存少，配电网的短路电流计算要着重解决网络的三相模型。 1 3 系统总体设计 本软件从功能上可分为图形绘制、网络拓扑析、潮流计算、短路电流计算及数据维护五大功 能模块。用户可以用图形模块完成结线图的绘制、编辑、结构参数和运行参数输入以及图形输出 等功能。选择软件所提供各个电气设备的图标，用鼠标绘制出系统结线的单线图，然后双击电气 元件图形弹出对话框，用户在对话框中输入设备的铭牌参数然后单击“确定”按钮即可保存到 数据库中。接线图绘制结束，系统自动进行拓扑分析，分析结果存入拓扑信息表，供以后的计算 模块调用。在短路电流计算时，用户可在系统结线图上设置故障点，然后选择故障类型，软 牛便 可自动进行计算，将计算结果存入相应的数据表中，还可列表打印出来。数据维护模块主要负责 数据库中的数据的输入、修改、查询以及数据库中数据表韵测览备份等功能。 整个软件的总体框架可以用图1 1 表示：从图中可以看出，可视化配电网计算平台系统总体 分为三个体系层次，都是围绕同一数据库来实现各自功能。 田1 1 戢件钾曩体梧聚臻杩 r g ，1 1 丁恤w h o l e f r a m e 。f 出e s o 盎w 壮 第一层：图形绘制层 图形绘制层主要完成主接线圈的绘制、编辑、电气元件铭牌参数输入、开关元件状态设置以 及图形输出等功能。它是整个系统的基础层，完成配电网接线圈的绘制和第二层及第三层所需各 种参数的可视化输入。 第二层：网络拓扑层 根据当前屏幕上所绘制出的电网结线图确定图形元件与图形元件之间的连接关系，并自动完 成拓扑分析以供计算层中各模块调用。 第三层：计算层 计算层功能由潮流计算、短路电流计算、线损计算三大功能模块实现，它是整个可视化配电 网计算平台系统的核心，也为以后的配电网故障优化隔离、网络优化重构、继电保护整定值诗算 等配屯网其他应用软件的开发奠定基础。 该可视化配电网计算平台系统的特点： 3 河北农业大学硕士学位论文 ( i ) 提供方便灵活的图形绘制工具； ( 2 ) 在电网接线图上直接输入、修改电网元件参数 ( 3 ) 图形和数据库记录一一对应； ( 4 ) 所见即所得，避免人为错误： ( 5 ) 基于图形界面的环境维护方便； ( 6 ) 网络拓扑由程序自动生成； ( 7 ) 图、库、模一体化。 1 4 本文的主要工作 本文采用面向对象的编程技术，以v i s u a lc + + 为开发工具，根据配电网自动化分析计算软件 的功能要求，开发并完成了绘图模块、拓扑分析模块、潮流计算模块和短路电流计算模块。该系 统已成功地应用于元氏县配电网的分析计算中。 ( i ) 开发了配电阏图形编辑和参数录入模块 设计了基于w i n d o w s 的可视化的人机界面，具有下拉式菜单、工具栏等，图形操作简单易学。 将图形表示的电气设各作为操作对象，用户可在平台上对电气设备图元及其电气铭牌参数方便地 进行增加、删除、修改等操作。简单的鼠标操作即可形成电网一次接线图。 ( 2 ) 建立了电网信息数据库 以关系数据库知识为基础，选择s q ls e r v e r 关系数据库作为后台数据库，创建了相对独立 的电网信息数据库。可以完成对数据库中记录的添加、修改、删除、浏览及数据库的备份等功能。 用户在绘图界面上进行的各种操作，数据库都会通过自动改变相应记录以保持致。真正使用户 脱离了枯燥乏味的数据库记录或数据文件的填写工作，也为可视化潮流计算、短路电流计算和线 损计算的实现提供了完整、准确、可靠的数据源。 ( 3 ) 开发了配电网的拓扑分析模块 基于广度优先搜索的方法，编制了网络拓扑分析程序。用户绘制完电网一次接线图，系统会 自动形成原始的网络拓扑，同时生成网络节点编号。大大简化了网络拓扑的实现过程，图形和网 络拓扑建立了直接的关系。可以处理任意接线方式的配电网，也可以用于潮流计算、短路电流计 算和线损计算等网络分析软件。还可以进行元件的查询和开关变位操作。 ( 4 ) 开发了潮流计算模块 用户在网络接线图绘制时输入设备的铭牌参数的有名值并存于相应的数据表中，做潮流计算 时，软件将根据铭牌参数自动计算其相应的阻抗值，然后根据电压和功率的基准值把元件参数换 成标么值。然后根据用户所确定的精度垂动完成潮流计算并计算出相应的线路损耗。该潮流计算 采用适合于辐射或弱环网系统的前推回代算法计算速度快，收敛性好，支持单相和三相电网模 型。每一潮流画面对应一个结果文件，可以保存。并通过i e e e l 2 节点系统验证了潮流计算程序 的正确性。并在元氏县l o k v 出线和元氏县部分3 5 k v 出线上进行了应用。 ( 5 ) 开发了短路计算模块 在潮流计算结果韵基础上实现了短路电流计算功能。基于图形界面，用户可方便地设置短 路类型和短路点。 4 可视化配电网计算软件平台的研究 2 1 系统设计思路 2 绘图系统 丽向对象的程序设计( o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m n f i n g ，以下简称o p p ) 【4 1 “j 吸取了传统的结构 化程序设计的精华，是一种试图模仿人们建立现实世界模型的程序设计方法。引进了类的概念， 具有封装、继承和多态性等特点，由于其灵活性和易于管理而被人们广泛使用。 图形是工程中最简洁的语言，而电力系统的网络图形是电力系统分析的基础，随着计算机应 用技术的迅猛发展及电网综台自动化管理水平的提高。目前，国际上已有不少学者开展了将计算 机图形引入电力系统分析软件的工作，从而使这类软件的变得更直观性、易用。但这类软件均借 助于一一图形编辑器生成电罔图形，或是采用矢量图的方法使得图元的编辑操作非常困难，或是 在进行分析计算时还需要复杂的接口联系及频繁转换，使用麻烦、费时，且容易出错，不适应现 代科技发展的需要。本文基于面向对象技术，开发了既适合分析计算又具有自动拓扑功能的绘图 系统，把绘图、元件参数库、分析计算放在统一的可视化配电网计算平台软件环境下来实现，真 正实现了接线圈的绘制、拓扑分析、潮流计算和短路电流计算中信息与数据的一致性。通过绘图 界面用户可以通过点击、拖动鼠标实现元件的绘制、编辑，并完成元件参数的输入，最终成为表 示用户信息的屏幕对象，这些对象封装了数据和操作数据的过程，用户直接操作屏幕对象来管理 程序，由于图形用户界面上的对象模拟着现场环境中的真实对象，直观易懂，操作简便，因而面 向对象的图形界面易于被用户所理解和使用。 2 2 绘图系统的功能 为绘制各种电力设备提供了绘图工具箱，通过选择相应的工具可以直接完成各种设备的 制，操作非常直观、简便。 能够完成各种设备对象的复制、剪切、粘贴、删除、移动等功能，还可以屏幕漫游、图形 缩放、整屏显示等功能，所有操作都与w i n d o w s 的标准操作保持一致“5 。“。 可以在网络图上标注网络参数、以及标注后面进行的分析计算结果及其他信息。先选中某 个设备，然后利用工具箱中的“标注”工具，可以选择标注与该设备相关的参数，如设备的阻抗、 电压、流过的电流、功率等。当设备的参数发生改变时，与之相关的标注信息可以同时自动改变， 保证了标注的内容与相关设备的一致性。如果要标注的是与任何设备都不相关的信息，则不要选 中任何设备，然后选择工具箱中的“标注”工具，直接标注所需信息即可。 对每个设备，都可以通过点中图元双击鼠标，弹出对应的属性编辑对话框来完成设备参数 的输入和修改。设备的参数自动存入相应的数据库。这种方法保证了设备参数与设备的一一对应， 与传统的利用文本文件格式的原始数据输入方式相比，减少了原始数据出错的可能性。 可打印输出图形。 图形模块的功能结构如图2 1 所示。 5 河北农业大学硕士学位论文 2 3 绘图系统的设计 2 3 1 图形类的设计 幽2 1 田形横捷的功能缱掏 f i g2 l l n c t i o n3 u o f t h e n i u * m o d u l e 本文利用面向对象的方法，定义从c o b j e c t 类继承来的类c d e v i c e 作为各种电力设备类的抽 象基类，基类里包含有各种图形所具有的共同基本属性如图形的类型、颜色、线型和线宽等。其 它各个设备元件类都由此基类派生出来。如线路类c l i n e 、两卷变压器类c b i c i r c l e 等。派生类除 从基类继承所有的公共的属性和方法还可以通过虚函数修改基类的方法，这样，极大地减轻了 编程量，消除了冗余代码，又增强了程序的可读性。由于类c d e v i c e 是从c o b j e c t 类继承来的， 所以方便了对应用程序文档的管理和读写。 由基类到派生类的具体实现，我们利用如下语句： c d e v i c e * a r d e v i c e s 1 0 ；指向图形对象指针的数组 c l i n e 。p l i n e = n e wc l i n e ( ) ； a r d e v i c e s 0 = p l i n e ； c b i c i r c l e4 p b i c i r c l e = n e wc b i c i r c l e ( ) ； a r d e v i c e s 1 】_ p b i c i r c l e ； a r d e v i c e s o d r a w ( ) ；j 周用c l i n e ：d r a w 0 a r d e v i c e s 1 1 - d r a w ( ) 调用c b i c i r e l e ：d r a w o 来完成由c d e v i c e 类派生出来的任意电力系统图形元件类的绘制，如一条线路或一个两卷变 压器，实现了图形元件绘制的从抽象到具体体现了程序的多态性。从而避免了采用许多的s w i s h 语句来区分不同的对象，提高了程序的可读性及设计类的层次性。图2 2 说明了本系统中绘图软 件中类的层次。 6 可视化配电网计算软件平台的研究 2 3 2 面向对象的消息响应机制 围22 圈元类屡次图 p i g 22 t h ea r r a n g e m e n t o f d r a w i n gc l a s s 在w i n d o w s 环境中，一个特定的消息可代表一个简单通用的事件，如鼠标移动、按键或客户 区刷新：而任何特定的消息可以在不同的对象中引发不同的动作，如按下鼠标左键的消息 ( w m l b u t t o n d o w n ) 对于“绘制直线”和“绘制两卷变压器”将引发不同的操作行为。消 息还可由一个对象发送给另一个对象，或是由操作环境本身发送给某个对象。 在绘图界面中，用户是先单击了鼠标左键还是先单击了鼠标右键，在程序中是不可预知的， 但是却可以对这两个消息加入相应的代码从而引发各自的操作行为。 本系统中，如果在绘制两卷变压器命令状态下，单击鼠标左键将引发的消息处理。具体过程 如下： 通过菜单或工具条进入绘制两卷变压器的命令状态。 在客户区单击鼠标左键。 此时操作系统便可将消息w m _ l b u t i d n d o w n 传递给视类对象，视类对象接受到消息， 然后视类对象通过手工触发的方法( 即在c v c a d v i e w ：o n l b u t t o n d o w n 中插入代码) 消息传递给 绘制两卷变压器类的对象，绘制两卷变压器的对象接受到消息，根据自身的特点和当前的状态处 理该消息( 即在c b i c i r c l e 中插入代码) ，并将消息处理的结果反馈给视对象或文档对象。该过程 用代码描述大致如下： c b i c i r c l e * m _ p c m d ；绘制两卷变压器命令的指针 给绘制两卷变压器命令的指针赋值 v o i dc v c a d v i e w ：o n l b u t t o n d o w n ( u i n t n f l a g ，c p o i n tp o i n t ) i f ( 绘制两卷变压器) m p c m d o n l b u t l o n d o w n ( n f l a g s ，p o i n t ) ；调用绘制两卷变压器命令类处理函数 c v i e w ：o n l b u t t o n d o w n ( n f l a g s ，p o i n t ) ； v o i dc b i c i r c l e ：o n l b u t t o n d o w n ( u i n tn f l a g s ，c p o i n tp o i n t ) 7 河北农业大学硕士学位论文 根据图形本身的特点和当前的状态进行消息的处理 2 3 3 图元绘制功能的实现 在电力元件的绘制过程中，图元的编辑功能是最重要的部分，而图元的拾取和图形变换中的 旋转又是图元编辑功能中的两个最关键的环节。 ( 1 ) 图元的拾取 拾取图元是交互式用户接口中的重要任务之一。图元的拾取是对图元进行编辑的前提，图形 的增添、删除、修改过程中均以拾取图形为基础。也就是说，要想对某一图元进行编辑( 如旋 转、平移等) 就要求首先对该图元拾取。在对图元进行选取时，应该给定一个拾取的精度也就是 拾取的范围，在给定范围内的图元将被选中。 交互式图形系统中图形拾取大致有6 个步骤： 做图形对象链表中图形元素的测试包围盒( 该包搠盒可由图元的最小包围盒向四周扩展 给定拾取精度得到) 。 判断拾取点是否在测试包围盒内。如果不在，则拾取失败。 否则，计算拾取点到直线( 或拾取点到圆心) 的距离( 对母线和输电线等为拾取点到直 线的距离，对变压器、发电机、电抗器等为拾取点到圆心的距离) 。其中点到直线的距离有 ( 更确切地说是点到线段的距离) 多种近似算法，。所以我们用下砸的公式计算： d i s t = f a b s ( x 4 c o s a + y 4 s i n a - p 、 其中，x 、y 是拾取点与直线段的起始点的坐标差：a 为直线段与x 轴正向的夹角：p 为拾 取点与直线段的起始点之间的距离。如果计算的是拾取点到圆心的距离，则d i s t = i d i s t - r l tr 为 圆的半径。 当d i s t 的值在给定误差r a n g 范围里，则此图元被拾取到；否则拾取失败。 如拾取到，将拾取的图元存入当前选择链表中。 改变图形的显示方式。 任何元件的选取都遵循上面六步，唯一的不同就是得到的测试包围盒的不同。 下面以拾取过程较复杂的两卷变压器为例，介绍其具体实现过程如下： 做一个包容此变压器的测试包围盒( 该包围盒可由变压器两个圆的两个外接矩形区域的 并集向四周扩展给定拾取精度得到) ， 判断拾取点是否在测试包围盒内。如果不在则拾取失败。 否则，分别计算拾取点到两个圆心点的距离( d i s t l ，d i s t 2 与计算次序无关) ，分别与 半径做差取绝对值得到( a d i s t l ，d i s t 2 ) 。取其中较小的一个给d i s t a 当d i s t 的值在给定误差r a n g 范围里，则此图元被拾取到；否则拾取失败。 如拾取到，将拾取的图元存入当前选择链表中。 改变图形的显示方式。 整个拾取过程都是建立在内存对象基础上的，与在文件基础上操作相比，提高了查找速度。 8 可视化配电网计算软件平台的研究 对于选中的图元保存在当前选择链表中，以便后续的操作对这个集合中的对象进行操作。选择链 表的建立，使用c o b l i s t 类的派类来管理内存对象的建立与撤销。c o b l i s t 类似于双向链，应用程 序可以从c o b l i s t 类派生自己的类用来保存c o b j e c t 派生类的对象的指针，它可以增加新数据、 成员和成员函数。在拾取操作中，应用程序遍历图元对象链表，得到对象的测试包围盒，然后按 上面，步进行操作，便可完成拾取操作过程。 ( 2 ) 图元的旋转 图元的编辑就是对己存在的图元对象进行编辑修改，然后计算出修改后的结果，并进行显示。 在图元的编辑过程中，关键是图形变换，而图形变换中最复杂的，也是最主要的是旋转变换。对 各种图元的编辑，最终都归结为对其特征点的编辑。图元的特征点指的是能够完全定义图元形状 的点。如母线的特征点就是其起始点和终止点：二卷变压器的的特征点就是两个圆心和半径。旋 转变换也对图元的特征点的变换。 旋转变换的数学模型： 旋转是以某个参考点为圆心，将对象的各点( x ，y ) 围绕圆心转动一个角度0 ( 顺时针旋转 0 角为负值，逆时针旋转0 角为正值) ，变为新的坐标( x y ) 。 参考点为( o ，0 ) 时，旋转公式为： x = r c o s r + 0 ) = - r c o s * c o s0 一r s i n 4 s i n0 v = r s i n ( d + 0 ) = r s i n q * c o s0 + r c o sa * s i n 0 因为x = r c o s ，y - - r s i n q ，所以上式可以化为： x = x 4 c o s0 一y s i n0 y 2 y 4 c 0 88 + 舻s i n 0 参考点为任意一点( x 【，y t ) ，那么，绕( x 。，y 。) 点的旋转由三个步骤完成： ( a ) 将对象平移t ；_ 一x c ，研_ - y t ( b ) 按上式作旋转变换 ( c ) 将对象平移t x = x t ，1 声孔 下面以两卷变压器的绘制介绍一下旋转变换的实现。类p o s i t i o n 与m f c 类库中类c p o i n t 有 些相似之处，只不过p o s i t i o n 提供的点的坐标( d o u b l e 型) 要比c p o i n t 类提供的点的举标( i n t 型) 的精度要高，同时类p o s i t i o n 还提供了一些与位置操作有关的函数。 d o u b l ea n g l e = ：g e t a n g l e t o x a x i s ( m _ b a s e p o s 。m _ d e s p o s ) , v o i dc d e v i c e b i w a n ：r o t a t e ( c o n s tp o s i t i o nb a s e p o s ，c o n s td o u b l ea n g l e ) m _ c e n t e r l = m _ c e m e r l r o t a t e ( b a s e p o s ，a n g l e ) ； m _ c e m e r 2 = mc e n t e r 2 r o t a t e ( b a s e p o s ，a n g l e ) 求出旋转后的两圆圆心坐标然后画出图 形即可 ) 因为m _ c e n t e r l ，r e _ c e n t e r 2 为p o s i t i o n 的对象，则调用以下函数( 任何图元特征点的旋转都 要用到它) ： p o s i t i o np o s i t i o n ：r o t a t e ( c o n s tp o s i t i o nb a s e p o s ，c o a s td o u b l ea n g l e ) p o s i t i o np ； d o u b l ec o s v = c o s ( a n g l e ) ：c o s 值 9 河北农业大学硕士学位论文 d o u b l es i n v = s m ( a n g l e ) ； d o u b l ex e = x ： d o u b l ey c = y ： p x = x c * e o s v y c + s i n v + ( 1 一c o s v ) 4b a s e p o s x + b a s e p o s y 4 s i n v ； p y = x c + s i n v + y