（电力系统及其自动化专业论文）面向对象的变电站图形系统的研究与开发.pdf

r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o fs u b s t a t i o ng r a p h i c ss y s t e m b a s e do n0 b j e c t - o r i e n t e d a b s t r a e t s u b s t a t i o nc w a p h i c ss y s t e mh a sa l r e a d yb e c o m e i n d i s p e n s a b l ep a r ti nt h e s u p e r v i s i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo fs u b s t a t i o na u t o m a t i o n t h i sp a p e rr e s e a h a n dd e v e l o pt h e s u b s t a t i o n g r a p h i c ss y g e mw h i c hs u 佑c i e n t l y u t i l i z e s m a n y e x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c so fo b j e c l - o r l a n t e dp r o g r a m m i n g ，s u c ha s i n h e r i t a n c e ， p o l y m o r p h s m , a n de n c a p s u l a t i o n t h e s y s t e mh a st h ef h n 砸o no fg e n e r a t i n g e n g i n e e r i n gp i c t u r e sq u i c k l ya n de d i t i n gg r a p h i c s ，o w n sp l e n t yo f m e n t a lg r a p h i c s ， s u p p o r t si l l i m i t a b l yz o o m i n gg r a p h i c s ，s u p p o r t st h ec o n n e c t i o nw i t hr e a l - t i m ea n d h i s t o r yd a t a b a s e , s a p p o mp r o g r a m m m gw i t he m b e d d e ds c r i p tl a n g u a g e d u r i n gi t s d e v e l o p m e n t , t h ew h o l es y s t e mi sm o d e l e di nu m l ，b y0 b j e c tm o d e l i n gt e c h n i q u e t h em o d e li sr e a l i z e di nc - 阡w h i c hi st h eo b j c o t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g e b a s i n go nt h et e c h n o l o g yo fw m d o w sm f c w i t hv i s u a lc + + 6 0d e v e l o p i n gt 0 0 1 t h i sg r a p h i c ss y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f h i g hr e a l - t i m eq 幽曲吼s t a b l yr u n n i n g a n d l o g k a l s t r u c t u r e h i s w i d e l y a p p l i c a b l e o n s u b s t a t i o n m , t o m a f i o n k e yw o r d s ： s u b s t a t i o na u t o m 越o mg r a p h i c ss y s t e m o b j e c t - o r i a n t e a , u m l 插图清单 图2 - 1 变电站综合自动化系统集中式结构示意图7 图2 - 2 变电站分层分布式结构8 图2 - 3 系统硬件结构图。 圈2 - 4 监控软件结构图1 0 图2 - 5 监控软件功能框图。l l 图3 - 1 图元库的类模型结构1 4 图3 - 2 动画库的类模型结构1 6 图3 - 3 操作工具类模型结构 图3 - 4 图形系统的用例关系图1 8 图3 - 5 。旋转。消息传递序列图1 9 图3 5 属性编辑消息传递序列图 图3 - 7 图元选择操作状态图2 l 图3 - 8 属性编辑操作的状态图 图3 - 9 图形系统的操作用例图 图4 1 图元对象旋转算法示意图 图4 - 2 创建图元操作和编辑图元属性操作流程3 9 图5 1 图元与设备关联图4 0 图5 - 2 图形无级缩放实例图“4 2 图5 - 3 画面的缩放设置和导航切换流程图4 3 图5 - 4 工程画面管理结构图。 图5 5 工程画面操作的数据流图。 图5 - 6 图元显示的数据流图 图6 1 图形系统与其它模块接口关联图4 7 图6 - 2 图形系统访问实时数据库流程图 。4 9 图6 3 图形系统与历史数据库接口关系图。5 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人庄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，也不包含为获得盒目垦：j ：些左堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材科。与我一同j | 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 井表示酎意。 洲姗签名嘭巧# 签字日期伽7 年霸1 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒筵! = 丝占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fj 或机构送交论文的复印什煮i 融盘，允许论文被查阅和借阅t 本人授权金 目曼! ：些厶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体) 删一貔玛确虹 签字日期：2 品k 箩月e 1 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 、 # p 直， 签字日期；。7 r 年f 月j 7 日 电活： 邮编： 致谢 在论文完成之际，首先感谢合肥工业大学给我这个学习和提高的机会，并 衷心地感谢导师温阳东教授在我学习和论文写作过程中给予的关怀和帮助导 师渊博的学识、严谨的治学、开阔的视野、认真的态度使我受益匪浅a 研究生 期间，导师在学习和生活上给我很多的关怀、帮助和鼓励，在此学生表示衷心 的感谢和深深的敬意。 其次，要借此机会感谢研究生期间所有老师对我学业的指导。此外论文工 作得以顺利完成还要感谢实验室的毕锐、唐黎江、于晖、刘卫平、黄璐、蒋妍 妍、李洪林、黎婷婷、王欣、王海义、尹浩、程柏林、孙似海，喻春笋、姬春 义、贾贤龙，刘艳丽同学给予我的支持和帮助，在此深表谢意l 作者；彭丽虹 2 0 0 7 年5 月 第一章绪论 1 1 变电站综合自动化概述 1 1 1 变电站综合自动化的基本概念 变电蛄自动化是应用控制技术、信息处理和通信技术，利用计算机软件和 硬件系统或自动装置代替人工进行各种监控作业，提高变电站运行、管理水平 的一种自动化系统 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。 1 i 2 变电站综合自动化的主要内容及功能 变电站综合自动化是以微型计算机为基础，实现了对变电站传统的继电保 护、控制方式、测量手段、通信和管理模式的全面技术改造。它是将变电站的 监视控制、继电保护、自动控制装置和远动等所要完成的功能组合在一起，通 过计算机硬件、模块化软件和数据通信网构成一个完整的系统。因此，其功能 可从以下几个方面说明。 ( 1 ) 维电保护的功能。微机继电保护主要包括输电线路保护、电力变压器保 护、母线保护、电容器保护、小电流接地系统自动选线、自动重合闸。 ( 2 ) 监视控制的功能。其基本功能主要包括实时数据采集与处理、运行监视 功能、故障录波功能、事故顺序记录与事故追忆功能、控制及安全操作闭锁功 能、数据处理与记录功能、人机联系功能，打印功能、运行的技术管理功能、 谐波的分析和监视功能。 ( 3 ) 自动控制装置的功能 变电站综合自动化系统必须具有保证安全、可靠供电和提高电能质量的自 动控制功能为此，典型的变电站综合自动化系统都配置了相应的自动控制装 置，如电压、无功综合控制装置、低频率减负荷控制装置、备用电源自投控制 装置、小电流接地选线装置等 ( 4 ) 远动及数据通讯功能 变电站综合自动化的通信功能包括系统内部的现场级间的通信和自动化系 统与上级调度的通信两部分。综合自动化系统的现场级通信，主要解决自动化 系统内部各子系统与上位机和鲁子系统间的数据和信息交换问题，它们的通信 范围是变电站内部。另外，综合自动化系统必须兼有r = 兀j 的全部功能，应该能 够将所采集的模拟量和状态量信息，以及事件顺序记录等远传至调度端；同时 应该能够接收调度端下达的各种操作、控制、修改定值等命令。即完成新型r t u 等全部四遥功能。 1 2 变电站自动化图形系统概述 1 2 1 电力系统图形界面的发展 图形图像学一直在计算机学科中占重要地位，现在开发软件系统都会具备 友好界面因计算机软件平台、软件开发方法和硬件性能的提高，图形用户接 口( g u i ) 已成为用户的基本需要和对开发者的基本要求。图形是工程中最简 单明了的语言。在计算机图形上实现数据输入及结果输出会产生一目了然的效 果。便于用户查找输入错误。此谓科学计算可视化，又称科学可视化，是近年 来发展起来的计算机应用技术。它融合了图像处理、图形学、数据管理、计算 机网络等相关领域技术，旨在解决大量数据的处理和信息综合表达问题。提高 信息的利用效率 电力系统作为一个复杂的大系统，应用科学计算可视化将有助于电力系统 的发展。因此，很多学者展开了将计算机图形引入电力系统分析软件的工作 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。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。 1 2 2 电力系统图形界面目前存在的问题 目前的电力系统图形界面软件已经较好地满足了要求，达到了预期的效果， 但其中仍然存在一些问题： ( 1 ) 浏览形式较单一电力系统规模庞大、结构繁杂，要将数量种类众多的 元件组织管理好，并在图形中准确的表达出来是图形系统最要紧的功能。若同 一层次中显示所有元件，则图形版面将会随系统规模的增大而愈发巨大。这不 仅增加了对软硬件配置的要求，而且造成用户使用图形时的不便，使得浏览查 找都变得很困难。 ( 2 ) 通用性较差目前大部分的图形界面都是为某一特定分析软件而设计， 如故障分析系统、操作票系统等，给出的设备参数单一，造成了不得不为达到 不同的功能而重复性开发图形界面的精力浪费。 ( 图模库一体化虽提出许多年，但适合多种应用功能图模一体化的技术仍 有待改进。许多电力系统软件虽都能做到绘图、置库、建模一次性完成，但功 能较单一 2 1 2 3 变电站自动化图形系统功能 变电站自动化图形界面是系统与工程人员交互的接口，是自动化工程的控 制和调度中心。操作人员面对c r t 显示器屏幕，操作鼠标及键盘，即可掌握全 站的运行工况和参数，并对断路器、隔离开关等进行分合操作，颠覆了传统的 依靠指针式仪表、操作屏、模拟屏等手段的操作方式变电站自动化图形系统 通过c r t 显示器不仅可取代常规的仪器仪表，更可实现常规仪表所不能完成的 功能其显示内容包括： ( 1 ) 显示实时主接线图： c ，) 显示采集及计算处理的实时运行参数； ( 3 ) 事件顺序记录( s o e ) 显示； “) 值班记录显示： ( 5 ) 越限报警显示： ( 6 ) 历史趋势显示： ( 7 ) 保护定值和自控装置定值的显示； ( 8 ) 故障记录显示 ( 9 ) 设备运行状况显示等。 变电站图形系统除了显示功能外，还可为运行作其他方面的调度服务如 绘制主接线圈。设定电流互感器和电压互感器变比，设定保护定值及越限报警 定值，设定自控装置定值，设定用户密码等等。 1 3 开发工具的选择 在w m d o w s 平台下有种类繁多的开发工具，例如v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等。前者因其降低图形用户界面的编程难度而被广泛采用，但其执行效率较低， 且运行速度较慢，不适于系统庞大、计算复杂的场合而且v b 作为一种高级 语言，对很多底层操作显得无能为力，严重影响了软件功能的扩展和深化。 v i s u a l c 十+ 相比之下具有很多优势v i s u a lc h 是m i c r o s o f t 公司推出的目前 使用极为广泛的基于w i n d o w s 平台的可视化开发环境。v i s u a lc 卜6 0 是在以往 版本不断更薪的基础上形成的，由于其功能强大、灵活性好、完全可扩展以及 具有强有力的i n t e r n e t 支持，在各种c h 语言开发工具中脱颖而出，成为目前最 为流行的c + + 语言集成开发环境，一直是w t n d o w s 环境下主要的应用开发系统。 它提供的m i e r o s o t t 基础类库( m f c ) 应用程序框架，及各种实用工具。如 a p p w t z a r d 、d e v e l o p e rs t u d i o 资源编辑器、c l a s sw i z a r d 等，大大减轻了开发人 员的负担，降低了编写程序相关代码的时间 v o 卜 除了是c + + 语言的集成开发环境，还与晰n 3 2 紧密相连，因此，利用 v i s u a lc h 开发系统可以完成各式各样的应用程序的开发。从底层平台到上层直 接面向用户的软件都可以用其完成开发。另外，v i s u a lc h 强大的调试功能也为 大型复杂软件的开发提供了有效的撵错手段与其他语言相比，编译型的v i s u a l c 抖具有更加精炼的代码、更高的执行效率、更突出的灵活性因此。本软件 图形用户界面的编写采用v i s u a lc + + ，是明智选择。 1 4 面向对氖技术概述 程序设计方法经历了由传统的面向过程的设计到目前被日益广泛接受的面 向对象的设计。 1 4 1 传统的结构化设计概念及缺陷 传统韵程序设计方法可以归纳为“程序= 算法+ 数据结构8 ，将程序定义为处 理数据的一系列过程。这种设计方法的着眼点是面向过程的，特点是数据与程 序分离，即数据与数据处理分离。结构化的程序设计核心是算法设计，基本思 想是采用自项向下、逐步细化的设计方法和单入单出的控制结构结构化程序 设计将任务分成模块，对各个模块进行独立的设计和测试，这为处理复杂问题 提供了有利手段，但这种设计方法逐渐暴露出缺陷。主要表现在： ( 1 ) 难以适应大型软件的设计。结构化程序设计方法在一定程度上为解决复 杂词题和大型软件设计提供了便利，但由于数据与数据处理相对独立，在大型 多文件软件系统中，随着数据量的增大。程序变得越来越难以理解，多个文件 之问的数据沟通也愈发困难，常常产生意想不到的不良后果，即所谓的副作用 c 玲程序可重用性差。基于可重用性的思想是建立一些具有已知特性的部 件，从而使软件设计能模仿硬件组合的方法，在需要时将已知部件插入到程序 当中，而非任何问题都需重新设计。但结构化程序设计方法缺乏具各此能力的 工具。对于老问题，处理方法的改变或数据类型的改变都将导致重新设计，这 种额外开销与可重用性相矛盾，称之为重复投入。 t 4 2 面向对象的程序设计概述 面向过程设计缺陷的根源在于数据与数据处理分离，而面向对象程序设计 ( o b j e c to r i e a t e c ! p r o g r a m m i n g ，o o p ) 方法正是克服这个缺点，同时吸纳结构化 设计思想的合理部分而发展起来，这两种设计思想并不对立面向对象设计思 想将数据和对数据的操作方法放在一起，形成一个相对独立的整体对象 ( o b j e c t ) ，对同类型对象抽象出共性，形成类( c k 曲任何一个类中的数据都只 能用本类自由的方法去处理，并通过简单的接口与外部联系。对象之间通过消 息( m e s s a g e ) 进行通信 4 2 1 基本概念 ( 1 ) 对象 对象是组成程序系统的基本单位，它包括数据属性，也包括作用于数据的 操作( 行为) 对象是属性和行为的统一体。对设计者而言，对象是一个程序模 4 块：丽对用户丽言，对象则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 通过抽象的方法，从一些对象中概括出此类对象共有的静态特征( 属性) 和动态特征( 行为) 。形成类。任何一个对象都是这个类的一个具体体现，称为 实例( i n s t a n c e ) 。在程序设计中，“类”表现为一种用户定义的数据类型，用这种 数据类型描述该类所具有的属性和行为，其中属性用数据描述，而行为用一系 列函数描述，称为操作 ( 3 ) 消息 对象之间产生相互作用所传递的信息称作消息。当一个消息发送给某个对 象时，包含要求接收对象去执行某些活动的信息。接收到消息的对象经解释 然后予以响应这种通信机制叫做消息传递。 1 4 2 2 面向对象软件的开发方法 面向对象的软件工程遵循分层抽象、逐步细化的原则，软件开发过程包括5 个阶段：面向对象分析、面向对象设计、面向对象编程、面向对象测试、面向 对象维护。分析阶段是按照面向对象的概念和方法，从问题中识别出有意义的 对象，及其属性、行为和对象间的通信，进而抽象出类结构，最终将它们描述 出来，形成一个需求模型设计阶段从需求模型出发。分别进行类的设计和应 用程序的设计。类的设计需要应用分层抽象的方法，而应用程牟的设计需要根 据已设计出的类来构造满足要求的应用程序 统一建模语言( u n i f i e d m o d e l i n gl n g u a g c ，u m l ) 是面向对象系统开发的 工具编程阶段实现由设计表示到面向对象程序设计语言描述的转换。测试的 任务在于发现并改正程序中的错误。经过测试后的程序进入运行维护期，即投 入使用 1 4 2 3 面向对象程序设计的特点 面向对象程序设计中，对象是程序的基本单元。从类和对象的概念及面向 对象设计方法所提供的支持角度看，该设计方法具有以下几个特点： ( 1 ) 封装性指将一个数据和与其有关的操作集合放在一起。形成一个能动 的实体一对象，用户不必了解对象行为实现的具体细节，仅根据对象所提供 的外部特性接口访问对象 ( 2 ) 多态性。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 ) 继承和派生性。它表达的是一种对象类之闻的相交关系。它使得某类对 象可以继承另外一类对象的特征和能力。继承性可以简化问题在开发新程序 和修改旧程序时最大限度利用已有的程序，提高了程序的可重用性，减小代码 5 和数据的冗余度。实现了在一般的类基础上构造、建立和扩充新类的最有效手 段。特别对于电力系统而言，元件设备有自己特性，也有共性，所以利用继承 性的特点，更易于建造电力系统的元件类。通过不断的测试的类，更可作为一 种资源，广泛适用其他场合 对于本设计而言，输入、输出界面都是面向对象的，元件类均是基类的派 生类，元件都拥有相同的由基类所规定的图形接口，封装了所有的图形操作函 数，有效发挥了类库的重用机制。 1 5 论文研究的目的及意义 变电站综合自动化系统包括变电站微机监控、微机保护、微机自动控制、 电压和无功综合控制等子系统。微机监控软件是面向监控与数据采集( s c a d a ) 的软件平台工具。利用它来实现对变电站的监控，显示断路器等设备的运行状 态，记录有关参数，通过鼠标对断路器进行开台控制，具有人机界面友好、操 作直观等特点 变电站监控软件在以往的开发过程中，采用过于紧密的集中式结构，使得 系统更新和扩展受到限制，且软件重用度小提高监控软件的可靠性、稳定性 和通用性越来越重要，面向对象技术对于提高软件质量和提高程序的可重用性 都起了很大作用。 1 6 论文研究的主要内容 本文主要是开发一套变电站图形系统，能提供良好的图形用户界面，可方 便的绘制和修改电力系统网络接线图；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，支持与实时数据库和历史数据库的连接 本文所做的工作如下： 第二章分析了变电站综合自动化系统的整体设计方案，包括对变电站自动 化硬件结构和监控软件的设计。 第三章采用面向对象的建模技术，借助于u m l 建模语言，利用m i e r o s o t v i s i o 建模工具实现图形系统的整体建模 第四章采用面向对象的编程方法，基于w m d o w s 的m f c 技术，以v i s u a l c _ h 为编程工具，实现了整个图形系统。 第五章侧重介绍了画面图元与设备数据关联和画面无级缩放、切换等系统 面面功能的实现问题 第六章描述了图形系统和数据库、脚本引擎等其他模块的关系结构。 第二章变电站综合自动化的总体构架 2 1 变电站综合自动化的硬件结构 2 1 变电站综合自动化的硬件结构类型 从国内外变电站综合自动化系统的发展过程来看。其结构形式有集中式、 分层分布式、分散集中安装式、分散集中结合式、完全分散( 层) 分布式：从 安装物理位置上来划分有集中组屏、分层组屏和分散在一次设备间隔上安装等 形式 下面重点介绍集中式和分层分布式 ( 1 ) 集中式变电站综合自动化系统 集中式结构的变电站综合自动化系统。指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 计算与处理，分别完成微机监控、微机保护和一些自动控制等功能结构如图 2 - i 所示。 调度中心 翻2 1 变电站综合自动化系统集中式结构示意图 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软件复杂，修改工作量大，调试难度大；组态不灵 活；与长期以来采用一对一的常规保护相比，不直观、不符合运行和维护人员 的习惯，调试和维护不方便，程序设计麻烦 集中式综合自动化系统，适合于小型变电站的新建或改造。 c 2 ) 分层分布式变电站综合自动化系统 所谓分布式结构。是在结构上采用主从c p u 协同工作方式各功能模块之 间采用网络技术或串行方式实现数据通信，多c p u 系统提高了处理并行多发事 件的能力、解决了集中式结构中独立c p u 计算处理的瓶颈问题方便系统扩展 7 和维护，局部故障不影响其他模块正常运行。 变电站通信体系分为三层；变电站层、间隔层、设备层变电站的分层式 结构中，变电站层由一台或多台微机组成，这种微机操作简单方便，界面汉化。 通常把继电保护、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能综合在一起称为保 护单元，把测量和控制功能综合在一起的装置称为控制单元，两者通称为间隔 层单元。设备层主要是指变电站内的变压器和断路器、隔离开关及其辅助触点， 电流互感器、电压互感器等一次设备。分层分布式结构如图2 - 2 所示。 图2 - 2 变电站分层分布式结构 分层分布式结构的特点有以下几个方面： 首先，分层分布式结构配置采用功能尽量下放原则，凡是在本间隔层就地 完成的功能，绝不依赖通信两，较之集中式的优点是可靠性高、任一部分设备 有故障是只影响局部、可扩展性和灵活性高、站内二次电缆大大简化，既节约 投资，也减少了维护量 其次，模块化结构。可靠性高。分布式系统为多c p u 工作方式，各装置都 有一定数据处理能力，从而大大减轻主控制机的负担。 再次，继电保护相对独立。继电保护装置是电力系统中对可靠性要求非常 严格的设备，在综合自动化系统中，继电保护单元宣相对独立，其功能不依赖 于通信网络和其他设备。 最后，该结构具有与系统调度中心通信功能。综合自动化系统本身具有对 模拟量、开关量、电能脉冲量进行数据采集和处理的功能。也具有收集继电保 护动作信息、事件顺序记录等功能因此不必另设独立的r t u 装置，不必为调 度中心单独采集信息，采集的信息直接传送给调度中心，同时接受调度中心下 达命令。 分层分布式的缺点是安装时需要控制电缆相对较多，增加了电缆投资。 2 1 2 本文的硬件结构设计 经过以上对集中式结构和分层分布式结构的比较，本文采用分层分布式结 构，结构图如图2 - 3 所示。 变 屯 站 层 讯 隔 层 本地监控机 画 智幕一 1 一i一一i一一i c 雅 丌f - - n盯 - -m丌m盯f - -_ n盯v -m 保护单元1保护单元保护单元保护单元保护单元 图2 - 3 系统硬件结构图 分层分布式结构分为变电站层和问隔层，两层之问建立了基于c a n 总线的 站内通讯网。变电站层包括前置机通信单元和后台监控主机单元，这些构成了 上位机系统。间隔层也就是下位机系统，按断路器间隔划分，包括线路监控保 护单元、主变监控保护单元，主变后备保护单元、电容器保护单元等系统底 层网络采用c a n 总线技术上位机和下位机的各单元分别作为c a n 总线的节 点挂接在总线上，相互之间通过总线进行数据传输和通信联系 2 2 变电站综合自动化的监控软件结构 监控软件可以分为三个层次；操作系统、支撑软件、应用软件如图2 - 4 所示。操作系统采用w i n d o w s 系列的操作系统；支撑软件指数据库管理系统、 办公应用软件提供运行支撑的系统软件和工具软件；应用软件指完成监控功能 本身的软件。它在操作系统和支撑软件之上根据需要自行开发的软件，包括数 据处理系统、图形查看程序、告警显示、图形显示和维护、下发命令管理程序、 9 报表打印程序等。 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、运行可控的软件系统，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、图形显示与人机对话、实时数据库的存 储、检索管理、实时通信等多任务在同一台计算机上同时进行。 本设计的软件由多个功能模块组成，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。实时数据库是系统核心，它可以实现机器内 各应用程序的实时数据交换，并可通过网络通讯程序将实时数据扩展到整个网 络。 广一一f 二= 二= 二= 二彳一一1 i 节i 数据库管理系统l l f 每= = 二= = ： i i 软 i 办公应用软件 i i l 件l _ ji l - j 三受三三三 图2 4 监控软件结构图 下面介绍监控软件的每部分功能。 ( 1 ) 图形界面开发程序。它是工程师为实施其控制方案，在图形编辑工具下 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。 以上两部分为本论文研究重点。 ( 3 ) 实时数据库模块。它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，是整个系统的基础和核心 ( 4 ) 历史数据库。它存储系统运行的历史信息。数据一般由实耐数据库模块 以一定的采样周期将其数据信息向历史数据库转存而来 ( 5 ) 网络通信模块。它是本系统实时网络通信的内核，通过网络适配器与调 度中心通信。它将实时数据送至调度中心，以供显示和处理，井接收调度中心 通过网络发送的调度命令，然后送达相应模块，等待处理。 ( 回前置通信模块。它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，并将调度中 心的遥控遥调命令送往下位机监控保护单元 ( 7 ) 数据报表模块。数据报表模块以图表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。 图2 - 5 表示的是监控软件与其他模块之间的联系该软件系统的整体工作 流程是：平时处于正常监控运行状态，数据采集及通讯模块负责接收来自下位 机保护测量单元的实时数据，同时把接收到的数据送到数据管理模块进行处理 并同时存入数据库，图形显示模块完成变电站运行状态的实时显示，报表打印 模块完成定时打印日报表、月报表l 当用户通过对下位机遥控量进行操作时， 命令管理模块通过对下通讯模块与下位机进行通信，以实现对实际设备操作； 当有事件发生时。报警模块通过图形显示对运行人员进行提示，同时由对上通 讯模块对远方调度上传报警信息。 下位祝保护测量单元 图2 - 5 监控软件功能框图 2 3 图形系统简介 本系统主要开发的图形系统包括两部分；图形开发环境和图形运行环境 开发环境是目标系统生成工具之一，所有操作画面都在开发环境中生成：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方式显示系统 的设备数据信息及运行状况，并将用户的命令传达给控制模块，以达到对变电 站运行的监视控制功能。 图形系统是电力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 第三章变电站图形系统的建模 模型足现实世界的简化建模是对现实的系统进行适当的过滤，运用适当 的表现规则描绘出简洁的模型模型是理解、分析、开发或改造现实系统的一 种常用手段。软件开发者在创建系统前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，校验模型是否满足需求。模型可以促进软件开发者对 系统的理解和交流，有助于挑选出代价较小的解决方案，缩短系统的开发周期。 3 1 统一建模语言 u m l 是一种定义良好的、易于表达的、功能较强的且普遍适用的建模语言。 它吸收了软件工程领域的新思想、新方法和新技术。u m l 的应用领域非常广发， 不单单适用于建立软件系统的模型，而且也适用于描述非软件领域内的系统模 型以及处理复杂数据的信息相同，具有实时要求的工业系统或工业过程等本 章将运用u m l 来为变电站图形系统建立模型。 3 2 面向对象的软件建模 对象建模技术( o b j e c t m o d e l i n g t h n i q u e ，o m t ) 是一种面向对象的分析 方法。o m t 的出发点和基本原则是模拟人类的思维方式，使开发软件的方法与 过程尽量接近人类认识世界、解决问题的方法与过程，也就是描述问题的问蘧 空间与实现解法的解空间在结构上尽量一致 我们从三种相关但又不同的角度来进行建模，每种角度都捕获了重要的系 统层面，但完整描述就需要全部三种模型：类模型，状态模型和交互模型。类 模型表示系统静态的、结构化的。数据。层面状态模型表示系统时序的、行 为的“控制”层面。交互模型表示独立对象的协作，系统的。交互”层面典 型的软件过程合并了这三个方面；它是用数据结构( 类模型) ，按照时间设定操 作顺序( 状态模型) ，并在对象之间传递数据和控制( 交互模型) 每种模型均 包含对其他模型中的实体的引用。比方说类模型将操作依附于类，而状态模 型和交互模型则详细描述这些操作。 3 2 1 类模型 类模型。描述系统内部对象的特征、对象之间的相互关系以及对象所属的 每个类的属性和操作。捕获系统的静态特征。类模型在三种模型中是最重要的。 类建模的目的是描述对象。我们强调要围绕对象而不是功能来构建系统，因为 面向对象系统与现实世界更贴近，更容易响应变化。类模型用直观的图形化方 式表示系统，有益于与客户的沟通。 3 2 2 状态模型 状态模型描述了与操作的时同和顺序相关的对象层面标记变化的事 件，界定事件上下文的状态，以及事件和状态的组织。状态模型捕获控制，也 就是描述操作出现顺序的系统层面，。 3 2 3 交互模型 、交互模型描述对象之间的交互各个对象之闻如何协作。来从整体上完 成系统的行为。状态和交互模型描述了行为的不同侧面，它们两者配合才能完 整地描述行为。 3 2 4 三种模型之间的相互关系 简单的概括三种模型的作用，类模型定义了“做什么”，状态模型定义了“何 时做”，两交互模型则定义了“谁来做或对谁敲”。每一种模型都描述了系统的 一个层面，同时也包含了对其他模型的引用类模型中的操作对应于事件和动 作状态模型描述对象的控制结构。它显示了依赖于对象取值的决策，并引发 动作来改变对象取值和状态。交互模型专注于对象之间的信息互换，并提供了 系统操作的整体视图。 3 3 图形系统类模型的建立 类建模的目的是是描述对象。对象是指具有标示的一个概念、一种抽象或 事物。对象是类的一个实例或一次出现。类描述了拥有相同特性( 属性) 、行为 ( 操作) ，关系种别以及语义的一组对象。 图形系统的类模型从三个层次描述系统：系统中所设立的对象、每个对象 的内部结构、各类对象与外部的关联。图形系统主要由三大模块组成：图元库、 动画库和图形操作工具三个模块既各自独立，又存在关联。本节将对这三大 模块分别建立类模型。 3 3 1 图元库的类模型的建立 图元库的类模型给出了图形系统支持的所有图元的类的结构和相互关系， 所有图形功能都建立在图元库上。由于本系统要求所支持的图形在变电站综合 自动化领域具有通用性，故图元种类繁多但是本系统充分利用面向对象方法 的封装、继承等特点实现了图元库的类建模。图3 一l 描述的是图元库的类模型 的结构。 图3 - 1图元库的类模型结构 图元库主要由八大类组成： ( 1 ) 所有图元的抽象基类c n t a w o b j 。它不表征具体某个对象，只是定义了 所有图元类所具有的共同的属性及操作接口，是其余图元类的父类 ( 2 ) 文本类c d r a w t e x t 。它负责文本的显示，包括静态文本和动态文本 静态文本是将预先定义好的文本以一定的格式直接显示在工程画面上，在工程 投入运行后并不再改变其内容；动态文本则是按照系统运行过程中所连接的数 据源，将数据的以文本的方式显示在工程画面上 ( 3 ) 矩形类c d r a w r _ e c t 它是界面系统图形的基本构成元素之一，可以绘制 的图形包括矩形、圆角矩形、圆、圆弧、水平和垂直直线等，也可以绘制开关、 电容、刀闸、电抗器、接地线等电力系统设备。 “) 不规则曲线类c d r a w p o l y 。它主要绘制各种多边角及不规则曲线，如 贝尔赛曲线、多边曲线等。不规则曲线类用于表征电力工程画面中电力线路或 系统的地理信息 ( 5 ) 趋势曲线类c d r a w c u r v e 。趋势曲线包括历史趋势曲线和实时趋势曲 线。在电力系统中，趋势曲线是最常用的对象之一历史趋势曲线用来描述一 些电力参数如电压，电流盼变化情况。而实时趋势曲线则表征这些电力参数在 当前的一段时间内的状况。用户通过图形系统上的这两类曲线就可以从总体上 掌握电力线路的大体运行状况。 ( 6 ) 位图类c d r a w b i t m a p 它定义了对位图的操作使得图元库可以载入 已有的由其他程序生成的位图文件，可以使工程画面更美观，系统从而具有开 放性。 ( 7 ) 设备类c d r a w e q u i p 。它定义了电力系统中的常用设备。包括子类 c d r a w t r a n s ( 电力配变系统中的两圈、三圈变压器) 、c d r a w b r e a k e r ( 断路器) 、 c d r a w i s o ( 隔离开关) 、c d m w ( 3 e n ( 发电机) 等等 ( 8 ) 组合类c d r a w c n o u p 。它可以将多个图元对象组合成一个图形对象，提 供了一种由现有的简单图形对象构成复杂图形对象的途径 类模型中的类之间存在一定的关联性和层次性在任何一个复杂的问题域 里，事物之间不是孤立存在的，而是存在许多关系，从而构成一个有机体那 么类模型中的类与类之间存在哪些关系呢? 以下列出一些主要的关系： ( 1 ) 泛化和继承。泛化是指类( 父类) 与其一个或多个交体( 子类) 之间的 关系，泛纯利用类的相似性和差异来组织类，同时描述对象的结构父类拥有 公共属性操作和关联；子类增加了特定的属性、操作和关联。每个子类继承 了父类的特征泛化关系在类图中的符号是带有空心箭头的实线。 在图元库的类模型中类c m a w o b j 由b l f c 的根类c o b j e c t 的派生而来。 类c d r a w o b j 是所有图元对象的基类，是圈元库的类模型的根结点，处于层次 结构中的最高层它的属性和操作在所有图元库类中都存在，相对于其予类来 说是一般的类。描述了子类拥有的一般特征。类c d m w b i t m a p 、类c d r a w r e c t 、 类c d r a w p o l y 、类c d r a w c u r v e 、类c d r a w e q u i p 、类c d r a w o r o u p 是类 c d r a , o b j 的直接子类；而类c d r a w t r a n s 、类c d r a w b r c a k e r 、类c d r a w l s n 、类 c d r a w g e n 是类c d r a w e q u i p 的直接予类。子类不仅继承父类的所有属性和操 作，每个子类还有表征自己的特殊的属性和操作。从父类继承的特征描述了该 子类与整个系统中其他类的关系，而独有的特征又将其与其他类相区别，这就 是泛化继承关系所体现的一般与特殊关系 ( 2 ) 关联。两个类对象之间存在可以相互通信的关系。包含普通关联( 单向， 双向关联，表示类之间1 对多，多对多等关系) ；递归关联( 一个类与它本身有 关联关系，同类对象之间语义上的连接) ；限定关联( 将关联中多的那一端的具体 对象分成对象集) ；或关联( 对两个或者更多个关联附加约束条件，使类的对象一 次只能应用于一个关联关系) ；有序关联( 明确表示* 联中的次序关系) ；三元关 联( - - 个类的关联关系) ；关联的符号为一条无向的实线。 ( 3 ) 聚合又称聚集是关联的特例。表示相关类之间“整体一部分”的关系。 在关联直线一端末加一个菱形，紧贴具有整体性质的类聚合包含共享聚合和 复合聚合。共享聚合中处于部分韵对象同对参与了多个处于整体的对象的构成； 复合聚合的部分类则完全隶属于整体类，即没有整体类，部分类也就没有存在 大的价值了，此时。聚合符号改为一个带实心菱形的直线。如下面的图3 2 中， 类c p h y o b j 和类c i ) r a w o b j 即为聚合关系。 ( 4 ) 依赖。依赖关系是一种类闻的关系。描述的是一个类使用了男一个类。 最常见的依赖关系是一个类是另一个类中操作的参数类型。依赖的符号为带有 箭头的虚线。如下面的图3 3 中，类c t o o l o b j 与类c d r a w o b j 即为依赖关系 3 3 2 动画库的类模型的建立 动画库描述了本系统支持的所有动面的类的结构及相互关系，所有动态图 形功能都是建立在动画库上的。动画库对象以图元库对象为其载体，定义了图 元对象以何种方式动态灵活地描述电力系统中的设备的运行状况，定义了图元 对象所操作的数据源，即定义了图元所代表的现场设备，实现了工程画面上的 阻元和现场设各之间相关联。图3 - 2 描述的是动画库的类模型结构 图3 - 2 动画库的类模型结构 动画库主要由十二类组成： ( 1 ) 所有动画的抽象基类c p h y o b j 。它是所有动画库对象的基类，是动画 库类模型的根结点。其他十一个动画类都是由其派生而来。 e 2 ) 模拟量输出类c p l a y a o u t 。它定义了根据对象所连的模拟量数据源，将 数据源的值按一定格式借助于图元对象动态输出并显示到工程画面上，并据所 连的数据源动态更新。 ( 3 ) 模拟量颜色类c p h y a c o l o u t 它定义了由所连模拟量数据源的值的变 化，动态地为动画类所属的图元对象着色，使图元能以颜色变化来反映模拟置 数据源的值的变化。 ( 4 ) 数字量输出类c p l a y d o u t 。同模拟量输出类，它反映的是图元对象数字 量( o 、l 或1 ) 的变化。 ( 5 ) 数字量颜色类c p l a y d c o l o u r 。同模拟量颜色类，它使图元能以颜色变 化来反映数字量数据源的值的变化 ( 6 ) 百分比填充类c p l a y p a f i u 。它动态填充动画类所属的圈元对象的区 域，使图元能以填充区域的百分比来反驶模拟量数据源的值的变化 ( 7 ) 闪烁动画类c p l 孙f l a s h 。它定义了按预定的条件，根据数字量或模拟 量数据源的值