（电力系统及其自动化专业论文）配电网可视化短路电流计算软件的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 在电力工业的设计中，经常需要进行短路电流计算。若用手工计算，则耗时耗 力，且容易出现差错。研究具有良好人机交互界面的可视化配电网短路电流计算软 件，可以减少电力管理人员的劳动强度，提高计算精度、生产效率。 本文简要介绍了可视化图形技术的发展概况。提出了图形平台的设计开发原则 和实现的功能目标。运用面向对象技术实现了电力系统设备图元的建模，并实现了 图形平台一些主要功能：设计了图元的数据库；编写了基于注入法的短路电流计算 程序，并验证了程序的准确性。 关键词：可视化，面向对象，控件，短路电流 a b s t r a c t w en e e dc a l c u l a t es h o r tc i r c u i tc u r r e n ti nt h ed e s i g no ft h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y i fc a l c u l a t e db yh a n d ，i tw i l lb et i m e c o n s u m i n ga n dl a b o r i n t e n s i v e ，a n dp r o n et oe r r o r t h ev i s u a ls o f t w a r eo ns 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 no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kt h a th a s g o o dh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c ec a ng r e a t l y r e d u c et h el a b o r i n t e n s i t y o fp o w e r m a n a g e m e n t ，a n di m p r o v et h ea c c u r a c y , p r o d u c t i v i t y i nt h i sp a p e r , t h ee v o l u t i o no fc o m p u t e rg r a p h i c sa n dv i s u a l i z a t i o na r ei n t r o d u c e d b r i e f l y t h ep r i n c i p l e sa n df u n c t i o n so fd e v e l o p i n gag r a p h i cp l a t f o r ma r ep u tf o r w a r d t h eg r a p h i cm o d e l sh a v e b e e nd e s i g n e dw i t ho b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g ya n ds o m em a j o r f u n c t i o n so fg r a p h i c sp l a t f o r mh a v eb e e nf i n i s h e d t h ed a t a b a s et h a ti su s e df o rs a v i n g d a t ea b o u tg r a p h i cc o m p o n e n t sh a sb e e nd e s i g n e d i n j e c t i o nm e t h o di su s e dt oc a l c u l a t e s h o r t - c i r c u i tc u r r e n t ，a n dt h i sp a p e rh a sp r o v e dt h ea c c u r a c yo ft h es o f t w a r e l iw e i ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db y p r o f l i a n gz h i r u i k e y w o r d s ：v i s u a l i z a t i o n ，o b j e c t o r i e n t e d ，c o n t r o l ，s h o r t - c i r c u i tc u r r e n t 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文配电网可视化短路电流计算软件的研 究，是本人在华北电力大学玫读硕士学位期间，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： 雄日期：列h 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： 引币一等影 导师签名： 竺：! ! _ 1 7 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 本课题的研究目的和意义 第一章绪论 在电力工业的设计、运行的各个部分和大型的厂矿企业，不管是在设计时需要 选择断路器等电气设备，还是在电力系统运行时要进行继电保护整定值计算，都要 事先进行短路电流计算，对电气设备校验其电动力与热稳定以及要求出各个电气设 备的保护整定值。若用手工计算，则耗时耗力、尤其是对环网系统更是难以计算， 且容易出现差错。用计算机计算，则可大大减少工作量和提高计算精度。 可视化短路电流计算软件具有良好的人机交互界面。通过软件提供的绘图工 具，用户只需要用鼠标操作，对单个和多个元件编辑，可以快速的绘制好电网接线 图，也可以对已绘制好的接线图进行修改。软件具有一系列元件参数对话框，用户 能够在网络接线图上方便迅速的进行数据录入，修改，系统会自动生成电网的拓扑 关系。在进行短路电流计算时，用户只需用鼠标任意设置一故障点，软件即可计算 出各种故障情况下，各节点电压和各支路电流。随着我国经济建设的快速发展及人 民生活水平的不断提高，对电力供应的要求持续增加，我国的电力系统建设不断发 展，电网规模不断扩大，电网上的各种电力设备越来越多，电力设备的增多导致日 常的电网运行、调度、故障处理、管理和维护等各项工作越来越繁重，研究可视化 的配电网短路电流计算软件，可以大大的减少工作量，电力管理人员的劳动强度和 提高计算精度，生产效率，电网的安全稳定运行，用户使用起来也非常方便，有很 重要的实际意义。 1 2 国内外研究动态 近些年来，计算机在电力系统中的应用越来越广泛，而电力系统的网络图形又 是电力系统分析的基础，所以人们开始研究应用于电力方面的图形系统。图形图像 学一直在计算机学科中占有举足轻重的地位。当前，各类工程应用软件都非常重视 图形的应用，几乎所有的面向用户的软件系统都有友好的界面。图形是工程语言最 简洁、最直观的一种，通过图形化的人机界面表达系统图、流程图、原理图等在软 件中得到广泛应用。由于计算机软件平台、软件开发方法和硬件性能的提高，图形 用户接口( g u i ) 已是用户的基本需要和对丌发者的基本要求。 电力系统是一个复杂的庞大系统，应用可视化图形技术将有助于电力系统的研 究和运行管理。电力系统有很多图形界面的辅助分析和计算工具，可以绘制相关专 业的图纸并且基于图形和数掘的有机结合进行科学计算。早在d o s 时代，就己经有 华北电力人学硕十学位论文 成熟的图形用户界面g u i 出现。随着计算机技术的进步，涌现了许多电力系统可视 化图形分析应用软件瞳1 。文献 3 介绍了科学计算可视化的技术和应用状况，并结合 电力系统中信息与数据的特点，提出了可视化技术在电力系统研究中应用的方式和 设想。文献 4 6 是国外发表的关于科学计算可视化技术在电力系统分析应用中 的具有代表性的文章。介绍了采用可视化技术的电力系统的地理位置接线图，目的 都是为了更有效、全面、直观地表示系统的当前状态。目前已有一大批基于可视化 技术的电力系统分析软件已经在实际工作中被使用。如加拿大的p s c a d e m t d c ，美 国的e t a pp o w e r s t a t i o n 、l a b v i e w 、b p a 等等。 国内在电力系统可视化软件方面同样也有相当多得成果。例如文献 7 讨论了 发电厂继电保护可视化整定计算与定值管理系统的功能要求、实现方式和核心问 题，提出了面向单一继电器仿真的思想，使得继电保护管理相关的图纸绘制、图形 编辑、应用软件、仿真平台相对独立，将与发电厂继电保护管理相关的计算定值、 原始数据、一二次系统图、动作仿真集成一体，体现了电力系统信息化管理的发展 趋势。文献 8 介绍了潮流与无功优化计算的可视化实现，并用v b 编制了程序实现。 文献 9 将可视化技术应用于电力变压器状态检测专家系统，通过对变压器中溶解 气体色谱数据作可视化处理，不仅使得变压器故障点清晰直观，易于判断处理，还 减轻了传统分析方法所需的计算负载，较大提高了诊断效率。文献 1 0 则提出了在 e m s 中采用包括二维空间和三维空问两个部分的电力系统信息可视化新框架，并验 证了三维空间电压监视的有效性和优越性。文献 11 提出了电压稳定安全分析结果 的3 d 显示方法。文献 1 2 1 3 探索了在安全分析中利用3 d 来反映系统状态随时间 的变化情况，但只是数据的三维罗列，效率并不高。针对系统规模不断扩大，文献 1 4 15 提出将系统图的多窗口分级显示以解决系统图过大时的显示。 从图形数据结合角度上看，图形数据库主要分两类。一类是采用基于已有的比 较成熟的绘图平台来绘图，但是图形和设备属性数据库分离，其间不能进行信息互 动。目前国内外已有若干成熟的图形绘制系统，而且也有其独特的数据信息处理功 能，如a u t o d e s k 公司的a u t o c a d ，v i s i o 等系列工程绘图产品，以m a p i n f o 为代表 的地理信息系统g i s 以及m a t l a b 等图形仿真软件。它们均可以提供一个成熟的图 形制作平台并且按照它们的规则添加和定义一些数据信息，以及其他已定义的计算 分析功能。但是由于这样的绘图程序侧重于通用性，无法为专门领域( 例如电力系 统) 提供专业性较强的分析工具。因此要想将其强大的绘图功能应用到电力系统分 析上来，就必须对其进行二次开发。文献 1 6 概况地讲述了几种常用编程语言进行 a u t oc a d 二次丌发的方法，并列举了简单的例子。文献 1 7 提出在通用绘图工具 ( a u t oc a d ) 制成的电子版图纸上对所关心的“区域”( 继电保护模块) 添加带属 性的图块，将继电保护模块中特有的继电保护信息分层分类地储存到相应的数据库 华北电力大学硕士学位论文 中，而不用绘制图元。然后提取数据，实现基于继电保护模块的各种查询、修改、 仿真等功能。这种方法的优点是不用设计开发监控画面的程序，在一定程度上降低 了开发成本；但用画笔等绘图工具绘制监控图形比较繁琐，而且需要另外建立一个 库存放热区的范围、用户操作以及激活时响应的事件，当监控图形比较复杂，用户 要进行的操作较多时，程序将变得非常复杂、庞大，因此这种方法适合监控画面较 简单的应用。文献 1 9 介绍了v b 应用程序中集成m a t l a b 实现程序优化的几种方法 并着重阐述了通过借助a c t i v e x 部件与d d e 技术来实现m a t l a b 与v b 的混合编程， 随后列举了其在电力系统仿真设计中的应用实例。第二类则是结合专业领域的知识 结构，数据表达，功能设计以及其它相关特征相适应的图形和分析计算一体的可视 化图形平台( 以下简称图形平台) 。通过自定义包含图形属性和电力设备连接属性 的图元来表示实际电力系统中的设备。这一类软件更有针对性，且用户界面友好， 是目前的主流做法n 3 啪1 。 从开发模式角度上看，目前比较流行的主要有采用客户机n 务器模式( c s ) 的 妇7 1 ，和采用浏览器w e b 服务器模式( b s ) 乜8 2 们，但b s 模式的应用中图形支持能 力非常有限且欠缺灵活性。 总之，随着计算机软硬件条件的提高，可视化技术在电力系统中的应用取得了 相当大的进步。现在图形化分析平台不仅仅是计算结果可视化，而是从系统的设计 出发，将图形、数据及其内部连接关系统一于一个图形化的平台，即图形化的平台 不仅仅是个输出工具，更多的是其设计和分析过程的图形乃至多媒体展示。随着计 算机硬件技术的飞速发展，原来制约软件功能的诸如c p u 的运算能力、内存外存空 间的限制以及网络设备、技术的限制等等逐渐成为历史。目前在电力系统中得到广 泛应用的调度员培训仿真系统d t s ，在线的s c a d a 和e m s 系统，以及离线的各种计 算机辅助计算分析工具等等都以图形化平台的形式提供给工程技术人员，发挥着重 要的作用。可以说，图形化的分析计算工具己经渗透到现代电力系统的控制、调度、 管理、辅助决策等等方面，这也是技术进步和电力系统发展的大势所趋。目前有些 软件虽然是用可视化编程软件开发，但是图形色彩单调，图形粗糙，元件的大小、 形态不能变化，图元只能事先预定义，实现的代码复杂，超出显示器屏幕的主接线 图需绘制多张，绘制主接线图的工作量很大。有的还需要参与计算的人员另外准备 系统图形进行参考。所以，利用可视化技术提高电力系统同常工作效率还有很大潜 力可挖。 1 3 开发工具和采用技术简介 本图形平台采用m ic r o s o f t 公司推出的v c t t ，g d i + 作为平台的开发工具。c # 语 言是一种以n e t 平台为基础的面向对象程序设计语言。它由c c + + 衍生而来，具有 3 华北电力人学硕十学位论文 v b 的简单易学，又兼备c + + 的强大的面向对象特性和功能。它是m i c r o s o f 公司推 出的下一代面向对象编程语言，它被包含在集成的开发环境v is u a ls t u d i 0 n e t 中， 但也可以采用其n e ts d k ( n e t 标准开发包) 来编译和调试c # 语言程序。利用c # 语 言和n e t 平台( 框架) 可以编写w i n d o w 应用程序、w e b 程序和w e b 服务。以后大量 的n e t 平台的应用将由c 并语言丌发。组件是指一段经常用到的公共代码，封装在 某个单元模块中。如果一个组件具有用户接口和界面，就称之为控件。控件的开发 方法以面向对象方法为基础，是界面，方法，属性的封装。本平台的电力图元通 过继承和修改v c # 提供的控件，使其拥有新的属性，方法和事件处理，就可以得到 需要的电力类控件。g d i + ( g r a p h i c sd e v i c ei n t e r f a o ep l u s ) 是一个库，它提供了 一个接口，此接口允许程序员编写与文件、监视器或打印机等图形设备进行交互的 图形应用程序。g d i + 是程序和设备之间的第三组件，转换和传送由程序发送到设备 的数据，以及由设备发送到程序的数据。因此程序和设备之间不直接进行通信，避 免了为与程序交互的每台设备编写用户接口代码。程序员只需调用由g d i + 类提供 的方法，无需考虑特定显示设备的细节。g d i + 包含的功能有：二维矢量图形、图像 处理和版本。电力系统绘图控件的开发只用到第一个功能。 1 4 本文的主要工作 本文围绕配电网可视化短路电流计算软件的设计与实现展开讨论，主要工作包 括以下几个方面： ( 1 ) 了解电力系统可视化图形平台的开发情况和重要意义； ( 2 ) 研究如何开发可视化图形平台，并实现图元的主要绘图功能和自动形成 网络拓扑结构； ( 3 ) 进行基于a c c e s s 的电网数据库和数据库接口设计： ( 4 ) 编写短路电流计算程序，验证程序的准确性。 华北电力人学硕士学位论文 第二章图形平台的设计与开发 2 1 图形平台的设计原则及功能分析 2 1 1 电力系统图形化平台的特点分析 用户除了对软件的准确性、可靠性、运行速度等提出要求外，越来越对软件的 直观性、易用性、通用性提出更高的要求。这就要求软件开发人员开发出功能强大 的、人机界面更加友好的应用软件。为了使图形平台可以容纳其它的模块和算法以 成为一个真正意义上的平台，必须对初始的电力设备图元建模和属性数据库接口进 行开放性的设计，使得扩展模块可以根据它自己的逻辑、按照模块之间调用的规则 进行数据分析和输出。 2 1 2 图形平台系统设计原则 根据图形平台在电力系统中的应用特点，为了从整体上把握图形平台的设计， 本文提出了平台在设计过程中应遵循的一些设计原则。并按照这些设计原则进行图 形平台的开发，以使开发的图形平台功能更易扩展，使用、移植更为方便。 ( 1 ) 系统的稳定性 在实现图形平台时，稳定性是一个首先需要考虑的关键因素之一。必须保证所 有数据得到安全可靠的存储并且在图形上显示的数据也要和数据库及电网的实际 情况保持一致。如果系统稳定性考虑不够将导致数据丢失，从而无法进行有效的分 析计算，影响电力系统相关方案的决策，甚至造成安全性和经济方面的损失，因此 必须在保证系统稳定性的l ； 提下进行其它技术方案的设计和实施。传统的图形绘制 方法是采用绘图函数编程，采用格式文件读取数据，从而使得图形相对独立，图形 编辑复杂，不便修改，这也使得图形存储大多只能采用文件或二维数组的方法。这 种存储方法不能实时地反映元件状态的变化。由于图形绘制的局限性也导致图形分 析智能化的水平不高。基于稳定性的要求，本图形平台采用了图形数据一体化的设 计方法，既保证了图形显示与实际情况的一致性，同时也方便了电力系统设备数据 的录入与查询、修改等操作。 ( | 2 ) 系统的可扩展性 可扩展性是指开发者可以在不改变原有功能的情况下方便地增加新的功能或 拓展应用范围。本平台采用面向对象技术进行建模和结构设计，图元类的属性、方 法可以继承、重载，代码复用性高，提高了再开发的效率。 ) 华北电力人学硕士学位论文 ( 3 ) 系统的开放性 开放性是针对用户而言，用户可以通过平台提供的接口函数灵活地增加新的实 用工具，可以方便地参与其他应用系统进行数据共享，为下一步增加网络功能奠定 基础。要实现这一特性，必须在功能分析的基础上确定合理的接口关系。为了让图 形平台能真正做到通用，能与其他各种电力系统分析软件很好地结合，一个结构合 理，性能良好的数据库接口是必不可少的，基于此，本图形平台利用o l e d b 数据库 组件技术设计了一个速度快且能访问各种数据库的数据接口。 ( 4 ) 系统的独立性 独立性就是减小图形系统与特定应用软件的耦合程度，从而使平台具有更广泛 的适用性。根据软件工程理论，耦合是表示模块之间联系的程度。紧密耦合表示模 块之间的互相联系非常强，松散耦合表示模块之间的互相联系比较弱。非耦合表示 模块之间没有联系。实际上软件系统的模块间联系是很多的。因此，人们努力建立 一个松散耦合的系统，以减少测试和排错的费用。此处，独立性从两个方面考虑， 即数据的分离和功能的分离。数据的分离指将有关图形的参数和有关设备的参数分 别存储，二者的对应关系通过关键字或映射表实现。功能的分离是将与图形相关的 功能封装于平台之中，而将相关性较弱的部分放在应用程序中实现。两者通过数据 库访问接口进行弱耦合。 2 1 3 图形平台的功能分析 由于电力系统图纸的元件多，图形复杂且数量大，所以开发出的绘图工具必须 具有简捷快速、使用方便、绘图功能全面等特点。图形平台的图元设计、图的连通 性和拓扑分析、图形编辑、显示与图形的输出、存储组成了图形平台的主线。图元 设计模块用来完成电力系统设备图元的面向对象建模及结构设计，图形的存储和输 出以及图形的绘制、显示速度都和图元的结构密切相关，而图元的和拓扑形成则是 在图形绘制的过程中完成的，要进行故障计算等其他高级分析应用又必须基于对图 的拓扑分析。由此可以看出，它们之间存在明显的层次关系。分层设计是软件丌发 中经常用到的方法。目前已经有很多成功的设计实例，比如网络应用中的o s i 七层 模型等。将系统按层次划分，不但可以使得系统层次清晰，功能明确，易于实现， 而且代码组成灵活，方便系统维护和升级。在此，图形平台的设计原则可以看成是 对系统提出的纵向分割，它从开放性，稳定性，可扩展性，兼容性等方面从系统设 计角度提出了结构要求；而功能的分层则相当于系统的横向分割，它是从系统使用 角度提出的功能要求。本文正是结合这两方面来进行图形平台的设计和开发，力图 使平台具有结构合理、功能强大的通用图形平台。因此本文结合图形平台系统一些 同常要求，按照软件分层设计的思想，把整个图形平台的功能结构划分为由下至上 一 6 华北电力人学硕士学位论文 的四层，图形系统全局功能是系统的底层框架，图形基本绘制功能则主要包括一些 基本图素的绘制方法和绘图环境的设置。在此基础上才能进行设备图元的各项功 能。而高级应用功能比如拓扑分析，节点编号都是建立在设备图元的各项操作之上 的。它们之间层层递进，逻辑清晰。其具体的系统功能框图，如图2 1 所示。 高级应用功能 设备图元功能 图元绘制功能 图形系统功能 图2 1 图形平台功能层次结构图 以下是对图形平台各层功能的详细分析： ( 1 ) 图形系统功能：完全的多文档w i n d o w s 软件环境，这种界面允许在单个 容器窗体中包含多个窗体。这样在图形处理模块中，用户就可以同时打开、查看和 修改多个文件，方便用户的使用。有界面友好的绘图工具条，功能全面的系统菜单， 快捷的浮动菜单，数据详实的状态条。操作灵活方便，具有与w i n d o w s 完全一样的 界面风格。提供多个快捷键，并有详细的联机帮助系统。可以进行图形、图元的新 建，打开，保存，图形的自动保存，页面设置，打印。用户可选择磁盘和路径。另 外从安全角度考虑，提供设置和修改密码功能，以确保图纸的安全性。 ( 2 ) 图素绘制功能：能绘制直线、矩形、圆形、圆弧及文字等基本图形元素。 能进行选取、移动、缩放、旋转、拷贝、粘贴。且操作与w i n d o w s 的标准操作保持 一致。随图形大小自动调整滚动条，并可以撤消操作。用户可根据自己的要求自行 定义不同的字体、不同的线型、线的颜色及字体、字体颜色、文字大小，从而使得 图形绘制更加简单，画面更加直观。为了加快图形的编辑，系统还需设置背景网点 功能，允许用户设定网点间距。这样可加快同行同列元素的绘制。 ( 3 ) 设备图元功能：可以在图形界面进行电力系统设备图元如系统电源、母 7 华北电力人学硕士学位论文 线、线路、开关、三绕组变、双绕组变、电抗器、电容器、发电机等的添加，修改， 删除，并提供图元自定义功能，用户可以定义新的电力元件的外观形状，或者根据 自己的习惯改变已有电力元件图形的各种属性，并将它添加到电力元件图元库中保 存，这样电网接线图的显示就可以符合电力工作人员的习惯。可通过鼠标点击网络 接线图上的元件弹出对话框进行参数录入，这种输入方式可方便地按照屏幕提示进 行，完全摒弃以往那种按特定格式输入输出数据文件的形式，大大提高输入数据的 效率和准确性。并可根据用户要求显示各元件的属性标注。 ( 4 ) 网络拓扑分析功能等高级应用功能。可以显示网络的连通图，可以对图 纸进行接线分析。先分析其拓扑连接的正确性，其次分析其线路特征，根据设备之 间的连接关系，可以建立接线系统的网络拓扑结构，自动编号并显示节点号。能根 据建立的一次电网模型的网络结构自动生成各序网图( 包括正序阻抗图，负序阻抗 图，零序阻抗图) ，并可以方便地查看或打印序网图。可以设置各种运行方式，通 过切换开关改变系统运行方式，各种开关切换时数据必须进行同步更新。让接线图 不再是静止的一层不变的，让它“动起来。 2 2 图形平台面向对象的设计 本文中的图形平台系统，它包含着电力系统各种电气设备图元及文本框等各种 图形元素，对图形能够实现绘制、选中、撤消、存贮等各种操作等等。如果考虑该 图形系统所有的功能，不久就会把思路搞乱，但是如果把图形系统看作是一组独立 的对象的集合，问题就容易解决得多。例如可以把一个电力系统图形分成以下主要 对象：发电机、变压器、断路器等，通过将数据和处理数据的函数封装到一起，并 通过函数与外部进行联系，实现系统设计的高度结构化。例如将发电机作为一个对 象，在这个对象中不仅包含了发电机数据结构，而且包含对发电机的各种操作( 如 绘制、选择等) ，这样就把发电机这个对象的数据资料和处理功能融合在了一起。 面向对象的继承和多态的机制又能使程序员轻而易举地重用代码。电力系统中的各 设备元件有其共性，把这些共性抽象为一个统一的基类，每增添一种设备只需由此 基类继承得到，利用类的继承关系可以方便的把不同的基本图元的通用信息提炼出 来，有效提高了实现多种图元绘图时的编程效率。同时，依此构造出各电力系统设 备图元类，这样可以使它们的操作模式统一化，高效地实现代码重用。 面向对象的基本概念： 1 类和对象 类是对一组客观对象的抽象，它将该组对象所具有的共同特征( 包括操作持征 和存储特征) 集中起来，以说明该组对象的能力与性质。在面向对象软件丌发方法 华北电力大学硕士学位论文 中，类模型是一个基本的软件模型，它既可以用来构造真实世界中的问题模型，也 用于准确地定义软件系统的体系结构，并在统一的模型下逐步细化，直至最终生成 程序代码。类是构造软件系统的最小单位。对类进行实例化，就得到了相应的对象。 在面向对象的系统中，所有信息都存储在不同的对象中，当对象按命令( 消息) 执行 相关操作时，信息和行为被封装在对象中，对象的所有操作都是按同一种方式执行 的，对象就支持了“信息隐藏 概念。要使用一个对象，只需知道它提供哪些操作， 而不必要了解对象的内部行为或信息的表示或实现，对象则是系统执行的最小单 位。类的设计至关重要，它关系到整个系统的性能、灵活性、可维护性、可扩展性。 自从面向对象技术被引入到电力系统分析软件开发以来，电力系统的面向对象建模 就一直是电力科技工作者研究的热点和难点。 2 多态性 多态性( p o l y m o r p h i s m ) 是指给行为起一个名字或符号，它共享一个类的层次， 在这个层次中的每个类都以适合自己的方式实现这个行为，也就意味着以同样的方 法可以处理多种不同类型的函数。发出消息的对象并不知道接受消息的是哪个类的 对象，只有接收消息的类的对象知道采用何种操作来响应该消息。 3 继承 继承是一个很直观的概念。在现实生活中，对事物进行分类时，并不是一次就 能分得特别精细。通常是先进行粗分类，然后进一步细化分类，使类相互联系而形 成完整系统的有机机制。这种分类方法就导致类相互联系的类等级结构。继承功能 提供了从一般到特殊的演绎手段，基类为其所有的子类提供了它们共同的特征和行 为，通过一层层的继承直到现实世界中的实体。在具有多层类继承性结构中，由新 类与已存在类之i 日j 的差别定义新类，如果这种扩展变得过于广泛，那么继承性层次 可能变得难以理解，因此，有限定其层次的必要。为了建立合理的继承性结构，还 需在实践中获得更多的经验，通常耍在清晰的继承性结构与工作代价之间作合理的 权衡。 4 封装 封装可以使设计者摆脱具体实施方法的约束，而把主要精力集中在进行对象的 合理分类、确定对象之间的证确关系和定义对象的外部视图上。使用封装可以完成 将对象的内部实施方法、操作执行细节、私有数据等对外隐藏，从而保护对象的这 些部分免受非法修改。同时，实现对象可靠有效的封装还可以防止由于程序模块之 间的互相依赖性而导致的程序不稳定。实现了对象的封装以后，用户或丌发者对于 某个操作的实现方法的修改一般只是局限在一个对象内部，只要对象之间的接口方 式没有改变，通常不会影响其它对象的实现，这就保证了程序修改灵活性的同时使 o 华北电力大学硕士学位论文 系统兼备很高的稳定性。封装为系统的可靠性、安全性、独立性、易维护性提供了 有效保障。 2 2 1 图形平台的结构 本图形平台是按照面向对象的思想设计和实现的。图形平台本身就是一个大的 对象。图2 2 是图形平台的系统结构示意图。 图2 2 图形平台系统结构图 2 2 2 电网图元的面向对象建模 现代大型企业的互联电力系统，由发电厂，变电站，线路和负荷组成。按在电 力系统中的作用，可分为一次设备和二次设备，一次设备和一次设备的相互连接和 状态便构成了系统网络拓扑。各元件属性的相对独立性和元件间拓扑连接的特点特 别适合于用面向对象的管理方式，将各种属性封装在对象的类中，既可在图形模块 也可在计算分析模块中得到使用。在电网数据建模中采用面向对象机制，每一种类 型的设备都代表一个对象，从而将复杂的电网参数可以分类组织起来，易于编程和 扩充。把电力系统的各种设备用图形符号来描述，每一种设备对应一个图形单元( 简 称图元) 这种图元不仅包含设备形状、几何大小、线形、颜色等特征要素，同时要 表示图元的操作行为( 图元间的拓扑关系、设备之间的操作规范等) 。图元设计要满 足电力系统设备图形符号直观显示、图元大小任意比例缩放等要求，并可分为系统 图元和用户定制图元。由上所知，图元是构造网络拓扑图的基本元素。在实际设计 中，往往需要绘制一些既要反映网络拓扑结构，又要表现一定物理意义，美观、清 晰的电网接线图。这样对图元就提出以下的要求。 唯一性，图元与其表示的对象要有确定性，即已绘制的接线图中每个图元对 l o 华北电力大学硕士学位论文 应的设备是唯一确定的。 图元要具有同一性与多样性两重特色。同一性保证同一类设备图元具有明显 的相同特征，这样可以避免设备图元杂乱无章，使用户能够清楚地确认每一种图元 所代表的设备类型。多样性是指图元能根据用户的使用要求可以以不同的样式显 示。 图元要具有可操作性，图元的某些特征必须是可方便地进行增加、修改、替 换等，以保证网络设计者能实时地对网络配置进行调整。 图元要能表现某些状态，可以模拟网络各设备的运行状态。 图元要具有开放性，可扩展性。即系统不应局限于事先定义好的几种图元形 状，而应考虑到以后设备符号的更改及用户的使用情况可以自行定义，替换原有图 元。在具体实现时先将所有设备先抽象出一个基类，再由此类分别派生出各种功能 的基本图元类，它们继承基类中通用的方法和数据，同时根据各自功能实现的需要， 添加新的类成员。如图2 3 所示： 图2 3 图元类的生成 按照该继承规则生产各设备图元类之后，就可以定义各种类的实例对象，各个 类的对象就包含了相应设备的图形外观显示的所有信息。 2 2 2 1 设备图元基类的构造 由于各种元件具有一些相同的属性、方法、事件，因此首先定义一个元件基本 类作为所有元件的父类。该图元基类为所有图元类的祖先，具有它们的共性，即具 有通用的成员数据和函数，用于实现所有图元的基本功能。该类定义的属性有：线 型、线宽、画笔颜色、画刷颜色、插入点坐标、隐藏标志、图元i d 、图元的名称， 对这些属性进行操作的方法以及一些通用的操作虚函数比如绘制、缩放、复制、旋 转等。本平台电力图元基类继承于s y s t e m w in d o w s f o r m c o n t r o l 。c o n t r o l 是带 可视化形式的组件，它是界面，属性，方法，事件的封装。功能十分强大。 p u b l i cc l a s sm p e c o n t r o l ：c o n t r o l ，m p e r e s o u r c e fp r i v a t em p e c o n t r o l t y p et y p e ；l 訇元的类型 l l 华北电力人学硕士学位论文 p r o t e c t e dm p e s c r e e ns c r e e n ；h 图元的画布 p r o t e c t e di n ti d ；图元的i d p r o t e c t e db o o lf o c u s e d ；h 是否被选中 p r o t e c t e db o o lv i s i b l e ；是否被显示 p r i v a t eb o o lm o d i f i e d ；是否能被修改 p r o t e c t e dc o l o rd i f f u s e c o l o r ；图元的颜色 p r o t e c t e ds o l i d b r u s ht e x t b r u s h ；画刷 p r o t e c t e dp e nb o r d e r p e n ；画笔 p r o t e c t e dm p e t a g c o l l e c t i o nt a g s ；标签 p u b l i cf l o a t0 ；旋转角度 p u b l i cf l o a t 】x ；l l 储存画图点的x 坐标 p u b l i cf l o a t 】y ；储存画图点的y 坐标 p u b l i ci n tm a x ；画图点的个数 p u b l i cb o o lt u r n ；是否旋转 p u b l i cf l o a ts t a r t a n g l e ；画弧起始角度 其它的属性 p u b l i cv o i dp r e p a r e ( ) 图元的初始化方法 p u b l i cv i r t u a lm p e c o n t r o lc o p y ( ) 的复制 p u b l i cv i r t u a lv o i dd e s t r o y ( ) 的释放 p u b l i cv i r t u a lv o i dl o a d ( ) 蛩元的读取 p u b l i cv i r t u a lv o i ds a v e ( ) 图元的保存 其它的方法 p r o t e c t e do v e r r i d ev o i do n s i z e c h a n g e d 改变大小的事件 p r o t e c t e do v e r r i d ev o i do n p a i n t 图元的绘制事件 其它的事件 12 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 2 图元类继承结构图 电力系统虽然元件众多，但是基本上都是由相互间通过输电线路连接在一起的 厂站系统组成。而厂站又包括开关、各种电气设备( 出线、母线、发电机、变压器 等) 等各种电力设备。在整个网络结构中，厂站是核心。根据这个特点，在元件类 构造时采用了如图2 4 所示的元件继承类图： 图2 4 兀类结构继承图 这些图元几乎涵盖了所有的电气元件，包括发电机、变压器、断路器、电容器、 电抗器、负荷、母线、线路等。图形处理功能的实现关键在于坐标的定位与图元的 绘制方法。最终，使用户只需执行像用鼠标点击菜单或工具栏按钮之类的简单操作， 极大地解除了以往人工绘制的繁琐。 下面详细介绍了各个设备图元类的构成： 电力元件类 它直接从基类继承下来，并作为其他电力元件的父类。这个类定义的主要参数 有：元件绘制虚函数、当前显示图形样式序号、显示网格标志、正交绘制标志等。 标注类 标注是用来标识某个图元的字符串或数字，该类属性与作图无关，但对于图形 对象是非常必要的。用来显示图形中各元件的物理参数，可以实时显示设备的运行 参数，并可以根据需要定制不同的标注内容。该控件与v c # 里面的l a b e l 控件类似。 它定义的主要参数有字体大小，字体颜色等。 1 3 华北电力人学硕士学位论文 从电力元件类派生有下面几个类： 1 母线类：任何设备的端点都是通过连接在“母线 或者“节点”上来形成网 络的。母线是实际的物理设备的抽象，节点则只是代表计算中的一个概念，并没有 与之相对应的物理实体，是虚拟的。比如发电机和变压器不通过母线直接相连，在 分析时就需要在发电机和变压器之间虚构出一个节点出来，另外与之相似的情况是 线路的t 节点。但是从分析问题的角度看，其实母线和节点是等价的。该类定义的 主要参数有：连接元件个数，节点类型，母线绘制方向( 母线只能沿水平或者垂直 方向绘制) ，重载图元绘制函数，元件添加、删除、鼠标按下、拖动、单击、双击 等虚函数以实现母线及节点操作相对应的功能。 2 单连接元件类，表示只有一个连接端口只需一个节点编号来记录它所连接的 元件。它又派生出发电机类、等值电源类、负荷类等。 3 双连接元件类，表示有两个连接端口，需要两个节点编号来分别记录其首末 两端的连接元件。它派生出两卷变类、线路类、电容器类、断路器类。 4 三连接元件类，表示三个连接端口，需要三个节点编号来分别记录其三端的 连接元件。它派生出三卷变类、分裂电抗器类。 下面给出双绕组变压器类t w o t r a n s f o m e r 的代码实现： p u b l i cc l a s sm p e t w o t r a n s f o r m e r ：m p e e l e m e n t p u b l i cf l o a tu k ；短路电压百分比 p u b l i cf l o a ts n ：三相额定容量 p u b l i cf l o a tu l ；高压侧电压 p u b l i cf l o a tu 2 ；低压侧电压 p u b l i cf l o a tx t ；等效电抗 p u b l i cf l o a tn o ；高压侧节点编号 p u b l i cf l o a tn 1 ；低压侧节点编号 p u b l i cm p e t w o t r a n s f o r m e r ( m p e t w o t r a n s f o r m e rt w o t r a n s f o r m e r ) ： b a s e ( t w o t r a n s f o r m e r ) 构造函数 p u b l i co v e r r i d em p e c o n t r o lc o p y ( ) 变压器的复制 p u b l i co v e r r i d ev o i dl o a d ( ) 变压器参数的读取 p u b l i co v e r r i d ev o i ds a v e ( x m l d o c u m e n td o c ，x m l n o d en o d e ，m p e p a r s e rp a r s e r ， 1 4 华北电力大学硕士学位论文 m p e c o n t r o lr e f e r e n c e ) 变压器参数的保存 其他方法 p r o t e c t e do v e r r i d ev o i do n p a i n t ( p a i n t e v e n t a r g se ) 绘图函数 ) 2 3 图形平台功能的实现 2 3 1 图形的绘制 图元绘制就是根据图元对象的几何参数按图元的显示特性绘制在屏幕上。它首 先要根据绘图状态( 即图元在正常显示、选中、拖曳等状态) 或图元的显示特性创建 画笔，然后按图元的几何参数和数学模型绘制图元。在图元绘制的同时，系统的状 态提示条上将显示图元数据，如坐标位置，图元类型，图元名称，编辑状态等。图 元有多种显示样式，只需为它们设计不同的外形绘制函数模型即可。比如绘制一个 刀闸，把刀闸的图形分解为四条直线，调用g d i + 里面的g r a p h i c s p a t h 类中的d r a w 方法，使用特定的p e n 来绘制一定的形状，以控件自身的坐标系为参考坐标系，计 算出它的坐标。以刀闸图元为例，代码如下： p r o t e c t e do v e r r i d ev o i do n p a i n t ( p a i n t e v e n t a r g se ) i f ( t y p e = = m p e c o n t r o l t y p e s ) x 0 】= o ； y 0 = h e i g h t 2 ； x 1 】= w i d t h 3 ； y 1 】= h e i g h t 2 ； x 2 】= w i d t h 2 ； y 2 】= h e i g h t 3 ； x 3 】= 2 木w i d t h 3 ； y 3 】= h e i g h t 2 ； x 【4 】= w i d t h ； y 4 】= h e i g h t 2 ； x 【5 】_ 2 幸w i d t h 3 ； y 【5 】= h e i g h t 4 l5 华北电力人学硕十学位论文 x 【6 】- 2 宰w i d t h 3 ； y 【6 】= 3 奉h e i g h t 4 e g r a p h i c s d r a w “n e ( b o r d e r p e n ，x 0 】，y o 】，x 【1 】，y 1 】) ； e g r a p h i c s d r a w l i n e ( b o r d e r p e n ，x 【1 】，y 【l 】，x 2 1 ，y 【2 ) ； e g r a p h i c s d r a w l i n e ( b o r d e r p e n ，x 【3