（电气工程专业论文）基于uml的scada开放系统模型研究.pdf

浙江人学硕士学位论文摘要 摘要 电网监控系统广泛应用于各级电力部门，是保障电力系统安全运行的重要技 术手段，是电网调度自动化系统的基础。 随着技术的进步，不断涌现出新的软件开发方法，使得建设一个符合国际标 准，更灵活开放，更易于数据共享和系统集成的电网监控系统成为可能。 本论文研究电网监控系统的分析和设计技术，在深入分析的基础上，建立了 符合i e c6 1 9 7 0 国际标准的系统总体设计模型，并对告警子系统进行了详细的设 计。本文采用面向对象的分析和设计方法，使用可视化的u m l 语言和r u p 统 一过程这种先进的软件工程思想来保障软件系统的质量、效率和可维护性。 关键词：s c a d a ，u m l ，r u p ，i e c6 1 9 7 0 塑翌盔鲎堡圭堂丝堡堑 一堡l a b s t r a c t s c a d ai sw i d e l yu s e di nm a n yp o w e rc o m p a n i e s i ti st h ev e r yi m p o r t a n t t e c h n o l o g yt os u p p o r to p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m i ti s a l s ot h eb a s i cf o rd i s p a t c h a u t o m a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r en e ws o f t w a r ed e v e l o p i n g m e t h o d sa r ee m e r g i n g w i t ht h e s em e t h o d sw ec a nb u i l dan e ws c a d aw h i c hi s c o n f o r mt ot h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s ，m o r ef l e x i b l e ，m o r eo p e n ，m o r ee a s y t o i n t e g r a t ew i t ho t h e rs y s t e m s t h i st h e s i sd i s c u s ss c a d a sa n a l y s i sa n dd e s i g n f i r s t l y , i td e e p l ya n a l y s e st h e s y s t e m ，t h e nb u i l d s a g e n e r a ld e s i g n i n gm o d e l o ft h es y s t e mc o n f o r mt ot h e i e c 6 1 9 7 0 ，a n d t h e l a s t i t g i v e s a d e t a i l e d m o d e lo f t h e e v e n ta n d a l a r ms u b s y s t e m i nt h ep r o c e s so ft h ed e v e l o p ，t w os o f t w a r ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g i e s ，u m la n d r u pm a i n l ys u p p o r tt h ed e v e l o p ，t h e yp r e s e n tan e wk i n d o fm v a l l c e ds o f t w a r e d e v e l o p i n gi d e aa n dm e t h o d k e y w o r d ：s c a d a ，u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，r a t i o n a lu n i f yp r o c e s s ， i e c6l9 7 0s e r i e so fs t a n d a r d s ， 2 浙江人学琐i j 学位论文第一章概述 第一章概述 电网数据采集和监控系统( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，s c a d a ) ，通 常又称为电网监控系统，它的主要功能是收集和处理电网实时信息，监视电网运行状况，控 制和调节设备运行状态。s c a d a 系统是电网调度白动化的基础，广泛应用于各级电力调度 部r j ，成为电力生产不可缺少的技术手段，为电力系统的安全稳定运行发挥了巨大作用。 能量管理系统e m s ( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ) 建立在s c a d a 系统基础之上，除了 基本的s c a d a 功能外，还具有电刚分析和能量管理方面的高级席_ 】p a s ( p o w e r a p p l i c a t i o n s o f t w a r e ) ；调度员培训仿真系统d t s ( d i s p a t c h e r t r a i n i n gs y s t e m ) 是培训调度员的。1 ：具， 能模拟电力系统静态、动态响应和事故恢复过程，使调度员在高度逼真的环境下体验系统变 化，广义上讲，也是e m s 的一部分。 1 1s c a d a 系统基本组成 1 1 1s c a d a 系统的组成和功能 s c a d a 系统包含三部分：远程量测系统、传输通道、主站计算机应用系统。 1 1 1 1 远程量测系统 远程量测系统主要包含r t u 、i e d 、变电所控制系统等。其主要功能如下： 1 ) 采集变电所、发电厂现场的测量值和状态量，接受调度中心主站系统的命令，对现 场设各进行控制。 2 ) 对采集的数据作简单处理，如数字滤波、量测量的限值处理、状态量变位比较等。 3 ) 根据+ 定的通信规约与主站和其他厂站通信，实现数据传送。 1 1 1 2 传输通道 传输通道的功能是完成信号的传播，分为有线传输和无线传输两种方式。信号可以模拟 调制或数字调制，一般通过电力载波、微波和光纤传输，速率一般为6 0 0 、1 2 0 0 、2 4 0 0 、2 m b p s 。 通道的信噤比和误码率反映了通道的质量。为了确保传输的可靠性，一般采用不同方式 浙￥【一人学倾l 学位论文第一章概述 的敬通道传送，并自动切换。 1 1 1 3 主站计算机应用系统 包含网络设备、l 作站、服务器等硬什以及运行丁- 硬件设备环境中的软件系统。主要实 现以f 功能： 1 ) 处理现场量测系统采集的数据，将电网运行的实时信息，通过友好的人机界面有选 择地显示给用户，帮助有关人员及时掌握电网状况，指挥运行，保障电力安全生产。 2 ) 将调度控制中心的命令传递给变电所或电厂现场，以调整电网的运行方式。 3 ) 记录和存储电网信息，为进一步分析电网运行状况提供数据。 1 1 2s c a d a 系统的特点 s c a d a 系统直接反映和处理电网的实时运行状况，与电网的结构、运行任务、运行方 式、运行组织有着密切的关系，它的基础地位要求它具有强大的处理能力，很高的可靠性和 可用性，因此，s c a d a 系统有其自身的特点： 1 ) 存在着大量的数据通讯任务。来自电厂和变电所的信息需要远距离传输；上下级电 网控制中心之间、同级电网控制中心之间需要互相连接和传输信息。 2 ) 部分模块要求高可靠性。运打管理和监视必须能够昼夜连续运行，较长时间的中断 会造成指挥失灵；由于可靠性的考虑，要求关键计算机系统冗余运行，要求能及时排除故障。 3 ) 对实时应用系统必须考虑的时问要求。必须能及时响应电网运行中发生的各种事件， 准确及时执行调度员的各种控制命令；测量值更新周期及事件记录时间要达到秒级甚至毫秒 级水平；出现大故障时，要具有记录大量几乎同时发生的事件的能力。 4 ) 对存储容量、运行精度和运算数据要求较高。在电网监控中- t l , ，为了运行计划、运 行监视和运行控制而执行的高级应用程序，要求有较大的计算能力。对于每天正常运行所产 生的数据各份和事件记录，需要有大量的存储空间。 5 ) 友好的人机界面。通过友好的人机界面来完成监视、控制和数据维护功能。 6 ) 功能强人的电网模型数据存储方法。电力系统不断发展变化，电网结构参数、设备 连接情况都存在修改的需要，这需要一个功能强大的电网模型数据存储方法来支持。 2 浙江大学硕i 等! 位论文第一章概述 1 2s c a 队系统发展状况 1 - 2 - 1s c a d a 系统的三个发展阶段 s c a d a 系统是整个电网调度自动化的基础，一般认为，调度白动化系统的发展已经历 了三代。第一代系统为7 0 年代基于专用机和专用操作系统的s c a d a 系统，第二代系统为 8 0 年代基于通t 【1 = | 计算机的集中式s c a d a e m s 系统，第三代系统为9 0 年代基于r i s c u n i x 的分布式s c a d a e m s d t s 一体化系统。系统功能已从s c a d a f a g c 功能提高到电网能量 管理的负荷预测、状态估计、调度员潮流、安全分析等高级应用功能。就系统体系结构的演 进而言，可归纳为主机终端结构、客户月务器结构和功能分布式结构三种。 我国调度自动化系统的研制工作始予二十世纪五十年代，一九七八年我国自行研究的第 一套安全监控系统投入运行，标志着第一代系统的诞生。 第二代的调度自动化系统为集中式的s c a d a e m s 系统，一些e m s 高级软件开始应用。 二十世纪八十年代我国“四大网”引进的系统就是典型的集中式系统。 第三代调度自动化系统于二十世纪九十年代初期开始发展，由于计算机软硬件技术的迅 速进步，特别是r i s c 、人型关系数据库、面向对象的方法、网络技术的应用，使调度自动 化技术的发展进入了一个新的阶段，九十年代末，第三代调度自动化系统逐步成熟，达到了 实用化水平，形成功能分布、具有一定开放性的s c a d a e m s d t s 一体化系统。 1 ) 系统典型配置( s c a d a e m s 系统) 服务器a服务器b s c a d as c a d a 数据库数据库 1 矧” 黧l 群作站性警i e m s 应用e m s 麻用 双e t h e m e t 卜1g ? 8 叫嘲辫l司关路由鞯 峄i耋i 陌印机l 理、厂定时 l 终端服务器al 终端服务器b l 、f ；3 晶jl 二0 r t u 浙江大学硕j ：学位论文第一章概述 2 ) 主要功能 第三代调度自动化系统的s c a d a 功能如f ： 采集电网实时数据，电网实时数据处理，电网运行设备控制，实时数据的计算和统计， 事件告警处理，历史数据处理，报表处理，数据维护，图形和人机界面，用户权限和安全， 网络通信管理。 3 ) 技术特点 分布式的体系结构：所有功能采用c i l e n t j s e r v e r 结构分布于网络中，负载分散，配 置灵活，易于控制，有较好的扩充、升级能力。 统一的软件支撑平台：具有统一的数据库管理、图形和人机界面、网络通信、进程 管理等系统，使得s c a d a 、e m s 、d t s 等麻片j 实现了一体化。 采用了面向对象的设计思想和编程方法：面向电力系统的设备而不是测点建立数据 模型，使s c a d a 和e m s 等应用具有相同的模型结构。 商用数据库和实时数据库统一管理：历史数据库采用商用数据库以满足海量存储和 复杂处理的要求，实时数据库采用自行开发的常驻内存数据库以满足实时性的要 求，数据库进行统一管理，有丰富的数据库接口，对用户透明。 4 ) 存在问题 系统层次结构不灵活，支撑平台结构不够合理，造成维护困难、可移植性不好，存 在资源不足和安全问题。 由于没有统一的工业标准，系统开放程度有限，仅限于计算机硬件体系，而不是应 用软件本身，造成不同厂商的s c a d a 、e m s 系统有大量的接口问题要解决，第三 方软件加入困难，难以满足电力市场条件下的计算要求。 电力对象模型缺乏统一建模规范，建模方法私有，使得地区间、部门间交换数据幽 难，s c a d a e m s 系统和其他系统很难有效集成；建模往往由所开发的特殊应用决 定，当需求变动时，一些基础性的数据结构修改可能会扩散并导致灾难性后果。 1 2 2s c a d a 系统的发展趋势 纵观电网调度自动化技术的发展历程，可以看出s c a d a 系统总的发展趋势是由专用走 向通用，由集中走向分布，由封闭走向开放，从基础的应用走向高级应用。而这种变化主要 取决于电力上业的发展和计算机技术的进步。 4 浙江大学碗士学位论文 第一章概述 首先，电力_ l = 业的快速发展是推动s c a d a 系统不断进步的原动力。人机组、大电网的 联网运行，必然需要可靠的自动化系统来帮助掌握电网情况，及时处理各种问题，合理安排 电网运行方式。目前电力体制的改革、电力市场的发展又对s c a d a 系统以及整个调度自动 化提出了新的要求，电网的实时数据，不仅要用于生产，而且要用于管理、经营等方面，因 此需要建立更灵活开放，易于数据共享和系统集成的基础平台。 其次，s c a d a 系统随着计算机技术的发展而不断进步。近二十年迅猛发展的计算机软 硬件技术对s c a d a 系统的发展产生了深刻的影响，特别是面向对象的软件翻隍方法，具有 划时代的意义，它对保障软件的质量，提高效率，增加灵活性起着决定性的作用。 为了推动数据开放和信息共享，国际电工委员会i e c 提出了i e c6 1 9 7 0 系列标准，目的 是为了统一的信息标准，通过定义应用程序接口，使得调度白动化系统的各种戍用能够实现 方便的集成和数据交换。 i e c6 1 9 7 0 标准自问世以来，就受到工业界的高度重视，国内、国外纷纷展开研究= 作。 从国外来看，标准中的c 1 m 模型已经被a b b 、a l s t o m 、s i e m e n s 、s 1 s c o 和i c l 等2 0 多个 开发商用于s c a d a 、n a 、o t s 等3 0 多个应用；在国内，标准的研究也越来越受到重视， 主要开发单位正在抓紧研制基于i e c6 1 9 7 0 标准的新一代的调度自动化系统。 1 3 论文所做的主要工作 在论文期间，本人参加了浙江省电力公司关于电网调度自动化技术的课题研究，目的是 通过研究符合i e c6 1 9 7 0 标准的模型，探索新一代调度自动化系统开发的分析和设计技术。 在论文中，本人运用面向对象的可视化统一建模语言u m l ，对s c a d a 系统进行了分 析和设计t 作，在分析和设计过程中遵循了r u p 统一开发过程的要求，体现了以用例为驱 动，以体系架构为核心，增量和迭代的软什开发思想。 本文对s c a d a 系统的开发进行了详细的需求分析，建立了需求模型，按照i e c6 1 9 7 0 标准c i m 的要求，分析提取了电力领域对象，建立了领域概念模型；在此基础上，分析设 计了s c a d a 系统的总体架构，并以告警子系统为例，对应用程序接口做山了比较详细的设 计，建立子系统设计模型。 浙江人学硕1 学位论文第二章建模过程的主要技术 第二章建模过程的主要技术 2 - 1 面向对象的软件工程方法 二十世纪七十年代以来，软什工程的发展经历了传统到现代的变革。传统软什r 程方法 以结构化方法为典型，它为规范软件开发，为克服软件危机，提高软件的生产率和质量立r 了汗马功劳。但是，随着计算机应用的深入，结构化的方法己不能满足软件开发的需要，主 要表现在软件的重用程度低、稳定性差、很难维护、用户的需要难以真正满足等现象。针对 这些问题的研究，导致了一种新的软件工程方法，即面向对象方法的产生。 面向对象( o b j e c to r i e n t e d ) 的方法包含了面向对象的分析( o o a ) 、面向对象的设计 ( o o d ) 和面向对象的编程( o o p ) ，是一种新的思维方法，一套完整的软件工程方法。 面向对象的方法与人类习惯思维一致，具有稳定性好、可复用性好、适应变化、易于维 护等优点，可以显著地提高软件开发的效率和质量，增加软件的灵活性。 2 1 1 面向对象方法的基本概念 1 ) 对象( o b j e c t ) 对象是封装了数据结构以及可以施加在这些数据结构上的操作的封装体，它具有唯一的 标识，可以向外界提供一组服务。对象中的数据表示了对象的状态属性，一个对象的状态只 能由该对象的操作来改变。 对象可以是实际的物理对象，也可以是一类抽象概念的实例。如具体的变压器、开关、 母线都是对象，电力公司、电力系统本身，也可以看成对象。 2 ) 类( c i a s s ) 类是一组具有相同属性、操作、关系和相同语义的对象的集合。由于对象广泛而繁杂， 因此独立描述每一个对象非常繁琐。类是对象共同特征的提炼和归纳。在一个类中，每个对 象都是类的实例，它们可以使用类中提供的函数，对象的状态包含在它的实例变量中。 3 ) 消息( m e s s a g e ) 消息是对象之间互相请求和互相协作的唯一手段。消息有两种，用于对象内部操作的称 为私有消息；可对外界对象发送的消息，称为公有消息。一个对象可以同时向多个对象发送 6 浙江大学硕士学位论文第二章建模过程的主要技术 消息，多个对象也可以同时向一个对象发送消息，两个对象之间可以同时向对方发送消息。 4 ) 继承( i n h e r i t a n c e ) 继承是使崩可重用性部件的机制，它使得某类对象具有继承另外一类对象特征的能力。 借用继承，可以在已有类的基础j 二建立新的类。可见，继承大大降低了软件的复杂性和费用， 并使得软件系统非常易于扩充、改进和更新。 2 1 2 面向对象方法的基本原则 在分析和设计过程中，面向对象的方法需要遵循一系列的基本原则，最根本的原j j ! i l 为抽 象、封装和层次。 1 ) 抽象( a b s t r a c t i o n ) 抽象就是要抓住事物的重要的、本质的和显著的特征，忽略次要的、非本质的和分散注 意力的特征。 2 ) 封状( e n c a p s u l a t i o n ) 封装是将对象特征的实现方式隐藏在一个公共接口之后的黑盒子之中。封装的信息有两 层含义，一方面是接口操作的具体实施方法，另一方面是对象的内部信息。封装使得系统具 有更明显的高内聚、低耦合特征，进而使系统的体系结构变得更具有延展一陛。 3 ) 层次( h i e r a r c h y ) 层次就是一个描述分类的结构。层次的基本概念是不同级别的抽象组成一个树形的结 构。层次的种类是多样的，可以是集合层次、类属层次、包含层次、继承层次等。 2 2u m l 语言和r u p 过程 2 2 。1u m l 语言的概念 统一建模语言( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 是一种标准的图形化建模语言，它是面向 对象分析与设计的一种标准表示，它溶入了软件工程领域的新思想、新方法和新技术。它的 作用域不限于支持面向对象的分析与设计，还支持从需求分析开始的软件开发的全过程，可 以被各种可视建模工具支持。u m l 获得了广泛支持，代表了，软件开发技术的发展方向。 方法学大师j i mr u m b a u g h 、g r a d yb o o t h 和l v a rj a c o b s o n 为面向对象的开发做出了重大 贡献。九十年代他程1 分别创造了各自不同的符号体系并各有所& 。 i t 方法，擅长分析；b o o c h 7 浙江人学硕j 一学位论文 第二章建模过程的主要技术 方法，擅长设计；o o s e 方法擅长业务建模。三种方法互相融合，并从其它的方法f 1 1 1 1 2 程 实践中吸收了许多最新技术，最终产生了u m l 。1 9 9 5 年1 0 月发布了第一个公开版本，称 之为统一方法u m0 8 ( u n i f i e d m e t h o d ) 。1 9 9 7 年9 月，u m l l 1 提交给o m g 并于1 1 月被 认定为标准建模语言，1 9 9 8 年秋，o m g 的修订专组织r t f 发布u m l l 3 版本，目前u m l 语言已经发展到2 0 版，并作了很多改进。 2 2 2u m l 语言的基本内容 2 2 2 1u m l 的构造要素 u m l 的词汇表包含三种构造要素：事物 事物是对模型中最具有代表性的成分的抽象 1 ) 事物 ( t h i n g s ) ，关系( r e l a t i o n s h i p s ) ，图( d i a g r a m s ) 。 关系把事物组合在一起；图聚集了相关的事物。 u m l 有四种事物，分别为： a ) 结构事物( s t r u c t u r a lt h i n g ) ：模型的静态部分，描述概念或物理元素，共有七种形式。 类( c l a s s ) ：是对一组具有相同属性、相同操作、相同关系和相同语义的对象的描述。 如下图2 2 - l 。 接口( i n t e r f a c e ) ：描述了一个类或组件的一个服务的操作集。接口描述的是元素的 外部行为，可以是全部或部分行为，通常依附于实现接口的类或组件。 如下图2 2 2 。 用例( u s ec a s e ) ：用例是对一组动作序列的描述，对模型的行为事物结构化，用例 通过协作实现。如下图2 2 2 _ 3 。 协作( c o l l a b o r a t i o n ) ：表示了实现用例内部依赖关系的解决方案。实现用例的主要 任务是把用例描述的动作和步骤转变为协作中的类、类的操作和类之间的关系。如 下图2 2 2 - 4 。 组件( c o m p o n e n t ) ：是系统中物理的、可替代的部件，它遵循且提供一组接口的实 现。如下图2 2 2 _ 5 。 节点( n o d e ) ：是在运行时存在的物理元素，表示了一种可计算的资源，通常至少 有一些记忆能力和处理能力。如f 图2 2 26 。 o i o b s e r v e r ( f r o m 接口与子系统代理) 浙江人学碗上学位论文第一二章建模过程的主要技术 - 一、 、，一一7 报警显示 ( f r o m 报警系统) 图2 2 23 报警显示 幽2 2 24 图2 2 5 图2 2 ，2 _ 6 b ) 行为事物( b e h a v i o r a lt h i n g ) ：模犁的动态部分，共有以下两种主要的事物。 交互( i n t e r a c t i o n ) ：是一种行为，它由在特定语境中共同完成一定任务的一组对象 之间交换的消息组成。如下图2 2 27 。 状态机( s t a t em a c h i n e ) ：状态机是展示状态与状态转换的图。如下图2 2 28 。 d i s p l a y 厂五j i i 一1 图2 2 一一7 图2 2 2 c ) 分组事物( g r o u pt h i n g ) ：模型的组织部分，最主要的是包。 包( p a c k a g e ) ：是把元素组织成分组的机制。结构事物、行为事物和其他事物都可 以放进包内，但必须遵循一些合理的原则，如紧密耦合，如下图2 ，2 2 _ 9 。 d ) 注释事物( a l m o t a t i o n a lt h i n g ) ：模型的解释部分，用来描述、标注模型的任何元素。 一种主要的注释，称为注解( n o t e ) ，是对一个元素或一组元素进行约束或注释的 符号，如下图2 2 21 0 。 图2 2 29 2 ) 关系 依赖关系( d e p e n d e n c y ) ：两个事物间的语义关系。其中一个事物的变化会影响另 一个事物的语义。 关联关系( a s s o c i a t i o n ) ：表示两个事物之问存在某种语义上的联系关联可以有方 向，表示该关联单方向被使州。聚合( a g g r e g a t i o n ) ：是特殊的关联关系，表示之间的 关系是整体与部分的关系。 泛化关系( g e n e r a l i z a t i o n ) ：是一种特殊和一般之间的关系。 9 浙江大学硕士学位论文第二章建模过程的主要技术 实现关系( r e a l i z a t i o n ) ：是类元之间的语义关系，其中的一个类元指定了由另个类 元保证执行的契约。两种地方要用到实现关系，一是接1 3 和实现他们的类或组件问： 二是用例和实现他们的协作问。 3 ) 图 例由图片组成，图片是符号化的模型元素。一个典型的系统模型有多种图组成。u m l 提供了九种不同的图，可分成两大类，一类是静态图，包括用例幽、类图、对象图、组什图、 配置图；另一类是动态图，包括序列图、协作图、状态图和活动图。 类图( c l a s sd i a g r a m ) ：描述系统中类的静态结构，定义系统的类，表示类之间的联 系，如关联、依赖、聚合等，电包括类的内部结构( 类的属性和操作) 。类图描述 的是一种静态关系，在系统的整个生命周期都有效。 对象图( o b j e c td i a g r a m ) ：对象图烂类图的实例，描述一组对象以及他们之间的关系。 用例i 虱( u s ec a s ed i a g r a m ) ：从用户角度描述系统功能，描述一组片j 例、角色和他们 之间的关系。 序y l j 虱( s e q u e n e ed i a g r a m ) ：是交互图的一种，按时间顺序描述对象间的交互强调 消息发送的顺序。 协作l 琴1 ( c o n a b o r a t i o nd i a g r a m ) ：是交互图的一种，按时间和空间的顺序描述对象间 的协作关系，强调收发消息对象的组织结构。 状, 态 ( s t a t e c h a r t d i a g r a m ) ：展示了一个状态机，描述类的对象在其生命周期中所有 可能的状态以及事件发生时状态的转移条件，强调对象行为的事件顺序。 活动 到( a c t i v i t yd i a g r a m ) ：展示系统从一个活动到另一个活动的流程，描述满足用 例要求所要进行的活动及约束关系，强调对象之间的控制流程。 组件图( c o m p o n e n td i a g r a m ) ：描述组件问的依赖关系和代码组件的物理结构，包 含逻辑类或实现类的有关信息。 配置图( d e p l o y m e md i a g r a m ) ：描述系统中软硬件的物理体系结构，能显示实际的硬 件节点及其之间的连接关系；在节点内部，放置可执行组件和对象以显示节点与可 执行软件单元的对应关系。 2 2 2 2u m l 的模型 u m l 是用来描述模璋! 的语言，它用模型来描述系统的结构( 静态特征) 和行为( 动态 特征) ，它从不同的视角为系统的架构建模，形成系统的不同视图( v i e w ) 。 1 ) 用例视图( u s ec a s ev i e w ) 由用例图组成，强凋从用户的角度看到的或需要的系统功能，描述可被最终用户、分析 人员、设计人员、测试者看到的系统行为。 1 0 浙江人学硕士学位论文第二二章建模过程的主要技术 2 ) 逻辑视图( l o g i c a iv ie w ) 用来显示系统内部的功能是怎样设计的，利用系统的静态结构和动态行为米描述系统功 能。静态结构在类图和对象图中描述：动态建模用状态幽、序列图，协作图和活动图描述。 3 ) 组件视图( c o m p o n e n tv i e n ) 用米显示代码组件的组织方式。它描述了实现模块和他们之间的依赖关系，主要提供给 开发者使用。 4 ) 部署视图( d e p l o y m e n tv i e w ) 用来显示系统的物理架构，即系统的物理展开。部署视剀含有一个映射，显示在物理架 构中组件的部署分配状况。 2 2 3r u p 过程的概念 软件开发过程是将h j 户需求转化为软件系统的一系列活动的总称，是一种工作和思考方 法，过程描述做什么、怎么做、什么时候做以及为什么做。 r a t i o n a l 的统一过程r u p 由三三位方法学家b e e c h 、r u m b a u g h 、j a c o b s e n 提出，为实践 证明是一个优秀的软件开发过程，在这个过程中可以很自然地使用u m i 。r u p 不仅是一个 过程，而且是一个通用框架，可以应付各种不同种类、不同领域、不同组织类型、不同性能 水平的软件系统，r u p 过程突出体现了以f 软件开发思想： 1 ) 用例驱动( o s ec a s ed r i v e n ) 把用例作为划分问题的组织单元，分析和设计活动的局部粒度都按照这一划分原则。用 例反映了外部要素根据特定目标使用拟建系统的状况，能保证全局问题和局部问题的平衡。 2 ) 以体系结构为核心( a r c h it e c t u r ec e n t ric ) 以系统的体系结构为分析设计的核心内容，确保方案从一开始就具有高内聚和低耦合的 可持续成长架构。 3 ) 迭代和增量的过程( i t e r a t i v ep r o c e s s ，i n c r e m e n t a ip r o c e s s ) 基于风险前驱的原则，渐进地展开分析、设计及其相关活动，每个迭代都会提供一次验 证调整模型的机会，推动软件质量的提升。 2 2 4 遵循r u p 过程的软件开发 1 ) r u p 过程的二维结构 r u p 过程可用两维空间来描述，水平轴代表时间，垂真轴代表静态结构，如下图所示 浙江大学硕士学位论文 第二章建模过程的主要投术 工结谴翟 韭务建橇 需求 分析设毒+ 实施 渊漩 部署 配置与 壹更曾理 璜自管理 环境 图2 2 41r u p 的二维结构 横轴：把一个开发周期划分为四个连续的阶段，分别为初始化阶段、精化阶段、构 建阶段、产品化阶段，每个阶段的结果都是一个里程碑，在这个时间点上必须做出 重要的决策，达到一些重要的目标。 纵轴：表现了过程的静态结构，定义了九种核心工作流程。在迭代化的开发过程中， 这些t 作流程被不断访问。 2 ) s c a d a 系统开发的工作流程 s c a d a 系统开发遵循r u p 过程的思想，整个开发过程在时间坐标上包含了先启、精 化、构建和产品化四个阶段，在工作流程方面主要包含了需求分析、系统分析和殴计、系统 实施和系统测试四项内容。其中的系统分析和设计流程细分为领域对象分析、总体分析和设 计、局部分析和设计等子工作流程。_ l = 作流程的关系如f 如所示，图示中的逆向箭头表示了 迭代的过程。 暑伍圃i ：疰至三巫= = = - = 图= = 至垂圈：= - = = ： 图2 。2 。42j = 作流程 1 2 浙江大学硕士学位论文 鹅一章建模过程的主要技术 需求分析：目标是描述系统应做什么。需求分析的任务是找出用户的需求并加以描 述，并就该描述达成共识，需求分析的结果是建立用例模型。 系统分析和设计：目标是显示系统如何在实簏阶段被实现。分析设计的结果是一个 设计模型和可选的分析模型。设计模型是源代码的抽象，起到设计蓝图的作用，由 设计类和子系统接口组成，他们被结构化为设计包和设计子系统。 系统实施：目的是通过分层次的组织实现子系统米定义代码的结构，用组件来实现 类，把所有开发的组件按单元来测试。 系统测试：目的是验证对象之间的交互，验证是否恰当地集成了软件所有的组件， 以便尽早修正错误。测试按照可靠性、功能性、应用性能和系统性能三个维度进行。 本文研究s c a d a 系统的分析和设计，目的是为了建立系统的设计模型，为系统的实施 和测试提供可描述的、确定的依据，本文涉及的主要工作流程为需求分析、系统分析和设计。 2 3e m s _ a p i 标准体系 国际电工委员会i e c 定义了两个系列标准1 e c 6 1 9 7 0 和i e c 6 1 9 6 8 ，分别描述了能量管 理系统和配电管理系统的应用程序接口，它们共同定义了一种电力系统公共信息模型c i m ( c o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l ) ，c i m 适用于电力系统许多不同应用的集成，它是逻辑数据 结构的灵魂，可据此定义信息交换模型。 i e c6 1 9 7 0 系列标准包含五部分内容，分别是：导则和总需求；术语；公共信息模型 ( c 1 m ) ；组件接口规范( c 1 s ) ；c i s 的技术映射。 2 3 1 公共信息模型c 咖 c i m 抽象地表示了电力系统的所有主要对象，包括了这些对象的公共类、属性及它们 之间的关系。通过定义基于c i m 的标准应用程序接口，使得应用系统能够不依赖于信息的 内部表示而存取公共数据和交换信息，可实现不同的e m s 应用集成，e m s 系统和其他应用 系统集成，例如发电和配电管理系统集成。c i m 的目标类被组织在多个逻辑包中，每个包 表示要建模的电力系统的一个特定部分，c i m 包含以下逻辑包： 1 ) i e c6 1 9 7 0 的3 0 1 核心包( c o r e )域包( d o m a i n )发电包( g e n e r a t i o n ) 负荷包( l o a d m o d e l )测量包( m e a s ) 停运包( o u t a g e ) 3 浙江_ 人学硕1 学位论义第二章建模过程的主要技术 生产包( p r o d u c t i o n ) 电线包( w i r e s ) 2 ) i e c6 1 9 7 0 的3 0 2 保护包( p r o t e c t i o n ) 拓扑包( t o p o l o g y ) 发电动态包( g e n e r a t i o nd y n a m i c s ) 能量计划包( e n e r g ys c h e d u l i n g ) 财务包( f i n a n c i a l ) 各用包( r e s e r v a t i o n ) 2 3 2 组件接口规范c i s i e c6 1 9 7 0c i s ( c o m p o n e n ti n t e r l a c es p e c i f i t i o n ) 定义了两个级别的组件接口，其中第 四部分为级别1 ，仅对组件接口做一般性描述，不涉及具体的计算机技术；第五部分为级别 2 ，是组件接e l 的技术映射，将c i s 映射到c o r b a 、x m l 等具体实现技术。c i s 的目的是 为了不同的组件间能方便的交换数据。组件接口包含：事项、方法和属性。 2 3 21 级别1 1 ) p a r t4 0 1 ：c i s 总论和框架。 2 ) p a r t s4 0 2 4 4 9 ：为规定组件接口支持的通用服务所保留。定义了在应用之间进行 信息交换或者公共数据访问所使用的通用服务。 3 ) p a r t 4 5 0 ：定义了信息内霹的用例处理概览以及使用c i s 标准进行系统集成的范例。 4 ) p a r t s4 5 1 4 9 9 ：本部分为解决在p a r t4 0 1 中所定义的典型应用的特殊信息交换需求 规范保留。定义了应用间标准信息交换的信息内容。他们作为事项定义，但可以通过各种方 法进行交换，例如：作为消息发布、请求后通知、x m l 文档。 2 3 2 2 级别2 是c i s 的技术映射。由于c i s 基于独立的基础体系设计，为了实现它，必须映射到特 定的技术。为了确保互操作性，接口到每一种技术都必须有标准的映射。 映射到c + + ，c ，c o r b a ，d c o m ，j a v a ，x m l 等特定的语言或中间件技术的规范， 被期望成为这一系列标准的伴随标准。 1 4 浙江大学顶 学位论文 第一章建模过程的主要技术 2 3 2 3 应用服务接口标准 s c a d a 系统处理的数据涉及四个方面，模型数据、实时数据、事件和告警数据、历史 数据，应用程序接口需遵循1 e c6 1 9 7 0 c i s 标准，该标准吸收了o p c 、o m g 、e p r i 等组织 现有工业标准的成果。本文在设计中主要采用了标准中的以下服务机制： 1 ) 基本服务 命名：使c 1 m 模型通过d a i s 接口表示出来，本质上是通过d a i s 接口表征c i m 的层 次结构。与g i d ( g e n e r i ci n t e r f a c ed e f i n i t i o n ) 的c c a p l 名字空间机制一致。 标识：一种识别对象、类和属性的方法。是对d a f ( d a fd a t a a c c e s sf a c i l i t y ) 资源标 识接口机制的扩展。 浏览：提供一种浏览名字空间的能力，用来发现什么数据可被存取。浏览也可用作发现 与应用种类关联的事件类型和参数。与d a i s ( d a t a a c q u j s i t i o nf r o mi n d u s t r i a ls p e c i f i c a t i o n ) 的节点接口机制一致。 过滤：基于特征值的过滤，可以用来作为最顶层的订阅。与g i d 的过滤接口机制一致。 2 ) 请求应答服务 提供基于c i m 层次结构的公共数据访问的a p i 服务，即客户只要了解c i m 模型，就 可以访问另一个组件或者维护系统数据，而不需要了解数据内部存储所使用的逻辑模式。请 求应答服务针对复杂数据结构进行同步、非实时访问。该服务与d a f 机制一致。 3 ) 高速数据访问服务 提供对简单数据结构的高速数据访问的a p i 服务。在这种方式下，多个实例经常作为 一个数据组访问，需要有效地映射到客户端的内存空间。通常数据组预先定义好，然后周期 性发布，或在变化更新时发布。实时数据访问使用了这个服务，此外该服务还使用在命令执 行并返回结果、设置控制值和测量点等。该服务与d a i s 数据访问机制一致。 4 ) 事件和订阅服务 提供了事件和告警的订阅发布的通用a p i 服务。包含了订阅和发布主题的能力，也支 持事件发送并忽略的交换模式。这种方式下，事件仅发布一次，且不需要知道接收者。例如 告警，服务器具有发布告警事件的能力，客户端具有订阅所需要告警的能力。该服务与d a i s 的简单事件机制一致。 浙江人学顺l 学位论文 第三章需求分析 第三章需求分析弟二早而冰万忻 s c a d a 系统是个实时监控系统，有其自身特点，针对它的需求分析主要涉及用户需 求和功能需求两方面。本文采用r u p 以用户为中心的需求分析方法，最点放在用户的实际 需要上，有别于从系统角度出发，分析系统应该做什么和提供什么的传统分析方法。 本章建立了s c a d a 系统需求分析的用例模型，目的是确定s c a d a 系统应具各的功能 并提供清晰的描述，以便为后续的系统开发_ j 作打下良好的基础。 3 1 用例模型分析 用例模型描述的是外部角色所理解的系统功能，表明了开发者和用户对需求规格达成的 共识，并不关心内部的具体实现细节。用例模型驱动了需求分析之后各阶段的开发工作，影 响到u m l 的各种模型。 用例模型可以分为静态模型和动态模型。静态模型显示了角色和用例、用例和用例间的 关系，在宏观上给出模型的总体轮廓；动态模型则描述了事物的处理过程。 3 1 1 系统边界定义 s c a d a 系统有自身的特点，需求分析时需要明确拟建用例模型的应用范围，因此有必 要确定了系统的边界，明确合适的系统功能范围，使需求分析在一个稳定的、精确的框架下 逐步进行a 第一章中概述了s c a d a 系统的基本组成和基本功能，本文研究的s c a d a 系 统为主站应用系统部分，基于前面所述，系统边界按下图界定。 图3 l l - ls c a d a 系统边界 6 浙江人学碗上学位论文第= 章需求分析 3 1 2 角色定义 角色( a c t o r ) 是与系统进行交互的外部实体，s c a d a 系统的角色，可以是使用这个系 统的人，也可以是任何的外部系统或硬件设备。角色通过向系统输入或请求系统输出某些事 件来触发系统的执行。 3 1 2 1 识别角色的方法 本文借助以下问题发现角色： 1 ) 使用s c a d a 系统主要功能的人是谁? 2 ) 要借助于s c a d a 系统完成日常工作的人是谁? 3 ) 谁来维护管理系统，保证系统正常工作? 4 ) s c a d a 系统控制的硬件设备有哪些? 5 ) s c a d a 系统需要与那些其他系统交互? 6 ) 对s c a d a 系统产生的结果感兴趣的人或事是那些? 3 1 2 2 实际角色 对照上述问题，可以发现以下角色。分别为： 1 ) 人员：调度员，遥控操作员，运方人员，继保人员，自动化运行人员，自动化管理 人员，分管生产领导，用电、检修、变电、计划等人员。 2 ) 系统：p a s 、d t s 等高级应用系统，w e b 服务器( w e b 用户通过它间接访问s c a d a 系统) ，r t u ( 通过通道、终端服务器与s c a d a 系统通信) ，g p s 时钟。 3 1 2 3 角色分类整理 以上角色，在需求上存在类同或相似，为了更好地分析问题，