（电力系统及其自动化专业论文）输配电网高级分析软件总体设计与实现.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文输配电网高级分析软件总体设计与 实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，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：垄丝些趣日 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：壑丝灰 e t期：丝乙 导师签名： 日期： 氇z 彰 j e = ：j 一 2沙-，d- l 华北电力人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 在现代化的电力系统中，基于计算机的输配电网自动化系统己成为运行人员管 理和控制电网不可缺少的手段。但是随着计算机及信息技术的迅速发展，电网规模 的不断扩大，运行方式的日趋复杂，用户对电能质量要求的逐步提高，仅配置具有 数据采集与监控功能的s c a d a 系统已不能满足电网安全、经济运行的需要。首先， 由于现场数据采集设备不够完善、通道设备和通道本身质量的问题以及外界的随机 干扰的问题，s c a d a 系统所采集的数据是不全面和不够准确的；其次，在运行方式 复杂的大电网中，当发生严重故障或出现一系列并发故障时，单靠操作员的经验和 所掌握的有限信息是来不及处理的，甚至由于不恰当的反应，不正确的操作，可能 会造成事故的扩大。因此，配置具有网络分析、规划控制功能的输配电网自动化系 统高级分析软件( 简称高级分析软件) 是电网自动化发展的必然要求。 功能完善的高级分析软件系统不仅是现代电力系统发展的现实需要；同时，现 代科学技术的不断刨新和提高，特别是计算机技术的迅猛发展和广泛应用，也为开 发和应用高级分析软件系统提供了必要的技术和物质基础。性能价格比很高的工作 站的推出，分布式网络系统技术的发展，开放化和标准化的潮流，极大地推动了高 级分析软件的开发和应用进程。 高级分析软件是将现代电力系统理论与计算机技术相结合的一个有机整体，它 是建立在s c a d a 系统之上的，能够对大量的实时数据和历史数据进行处理与分析， 以确定系统安全与经济状况，并能够提出相应的调度策略供调度员参考的软件集 合。高级分析软件利用计算机对电力系统进行各种分析和计算，自动实现安全经济 调度，可大大地提高电力系统的安全性、稳定性和经济性，极大地提高自动化调度 控制水平，实现调度水平上的一次质的飞跃，即由经验型调度上升为分析型调度。 从国内外的应用经验来看，高级分析软件系统对保证电网的安全、经济、可靠运行 所起的巨大作用，已通过实践的检验，得到广泛的认同。 华北电力人学硕士学位论文 1 2 高级分析软件的组成 高级分析软件，按照其功能的不同可分为发电级应用软件和网络级应用软件两 个部分 4 。 发电级应用软件分为实时型和计划型应用软件。实时型应用软件主要指实时发 电控制，它实现a g c 功能。计划型应用软件分为短期和中长期两类，实现负荷、机 组、发电、交换、燃料、水库、检修等方面的预测和计划。 网络级应用软件分为实时型和研究型应用软件。实时型的核心软件是状态估计 分析，研究型的核心应用软件是潮流计算，它们分别向故障分析、安全约束调度、 最优潮流、无功优化、短路电流计算、稳定分析等软件提供实时方式和假想运行方 式数据。 一个完备的高级分析软件包应包括以下功能：网络拓扑、状态估计、调度员潮 流、电压无功优化、静态安全分析、负荷预报、最优潮流、短路电流计算、发电 计划、机组优化组合、动态安全分析等。 1 3 国内外高级分析软件的发展现状 国外输配电网自动化系统高级分析软件的开发和应用程度在相当程度上领先我 国。据悉，在国外已实现计算机化的数百个电网调度中心中，绝大多数调度中心配 备了一定的高级分析软件功能。 我国省级以上电网、绝大部分地调均已配备了计算机监控系统，大部分已经通 过了实用化验收。但是大多数的调度自动化系统应用水平停留在数据级，即只实现 了s c a d a 功能，难以满足电力系统进一步发展的需要。地、县级的调度自动化系统 在应用上更侧重于s c a d a 部分。但是，随着现场软硬件性能和调度人员素质的提高， 调度自动化系统已经逐渐进入了一个全面升级的新阶段，高级分析软件系统应用领 域正在向中小级调度中心扩展。随着新一代配备高级分析应用软件的输配电网自动 化系统产品的投入使用，将使整个电力系统电网监视、管理都上一个新台阶，从而 使电力更好地为人民服务。 国内高级分析软件产品经历了两个阶段：引进国外产品阶段和自行开发阶段。 在上世纪七十年代，国内普通的调度都是老式调度，自动化水平较低，大型调度采 华北电力人学硕十学位论文 用引进国外设备，主要是引进小型机系列。但由于国外的电网运行调度的方式与我 国有较大差异，引进方式费用昂贵；并且国外产品不符合我国国情，且汉化较困难， 极大地限制了引进产品的推广。因此，国内厂家开始了自行开发研制的阶段。 国内在电力系统自动化产品高级分析软件的开发研制上，开展比较早的两个单 位是清华和电科院，二者的算法程序都比较成熟而且具有较高的市场知名度。随后， 主要有南瑞和东方电子等企业。 1 4 本论文的主要工作 本课题从电力用户对于电网自动化软件系统操作的习惯，和当今软件开发的主 要方式等方面考虑，提出了一套具有指导性和实践性的输配电网高级分析软件的总 体设计思想。并在这个总体设计思想的指导下，开展了一系列的软件模块设计工作。 同时本文对于具体的高级分析算法软件如网络拓扑、潮流计算、状态估计等一 一的设计，提出了一些建设性的理论改进和实施方案。 具体工作如下： 提出了一套具有指导性和实践性的输配电网高级分析软件的总体设计思想。 设计了一个融合图形编辑、模型构建、高级分析于一体的可视化高级分析编辑 与运行软件。 设计了一个封装类生成器软件。 借助于封装类生成器，开发了网络拓扑、潮流计算、状态估计等算法组件。 借助于封装类生成器，开发了一系列高级分析配套软件，如设备图元编辑器、 数据库操作访问器、数据库数据浏览器、颜色编辑器等组件。 通过对于一个2 6 节点算例的应用，验证了整套高级分析软件的建设功能和分析 功能。 华北电力人学硕士学位论文 第二章总体设计思想与软件特色 2 1 总体设计思想 本文的输配电网高级分析软件，按照以下几点设计思想进行总体设计。 1 ) 以图形设计为中心。 通过图形软件来绘制各种电气接线图，向用户显示电网一次系统的设备及设备 连接情况，显示系统的各种电气参数。通过图形软件来加载和管理各个高级分析软 件算法模块，由图形来构建高级分析软件算法数据模型，启动高级分析软件算法模 块，显示高级分析软件算法的计算结果。总之，用户的一切工作围绕着图形界面来 展开。 2 ) 面向图形对象的设计和操作思想，实现图模一体化操作方式 高级分析软件的计算是基于以计算母线( 即节点) 为基础的逻辑数据模型来开 展的，需要具有较深专业理论知识的人士才能构建这个数据模型。但是本软件采用 面向对象的设计和操作思想，实现图模一体化操作。图形中的电力设备图元对应于 模型库中相应设备表中的一条记录，反之，模型库设备表中的一条记录对应于图形 界面中的一个电力设备图元。删除图形界面中的一个电力设备图元，则相应地删除 模型库设备表中对应的一条记录；而恢复原来删除的电力设备图元，则重新在模型 库设备表中添加一条对应的记录。用户只需要针对电力设备对象( 即图形界面上的 设备图元) 进行对象自身的属性参数录入就可以了，而不需要针对高级分析软件算 法的逻辑数据模型录入数据，软件会自动生成各个高级分析软件模块所需要的逻辑 数据模型。这样，降低了对用户的理论知识要求，并简化了用户的数据建模工作量， 同时提高了高级分析软件图模数据的一致性和算法运行的可靠性。 3 ) 采用组件化设计技术，实现软件的可灵活定制、易于扩展与升级等特性。 本软件系统设计了一个基于组件( c o m ) 技术思想的封装类生成器。采用这个封 装类生成器，可以将图形软件中可复用模块和各种高级分析算法模块设计成一个个 组件和封装类。通过图形软件框架来组装各个模块，并可以通过配置文件来灵活定 制用户所需要的算法模块。当某一个算法模块需要升级其性能时，只需要对该算法 模块的组件( 表现为一个独立的d l l 文件) 进行升级和替换工作就可以了，而不需 华北电力人学硕士学位论文 要对整个软件系统的代码作任何修改，也不需要重行编译整个软件系统。这样，使 软件系统具备了可灵活定制、易于扩展与升级等特性，最大地实现了软件系统的低 耦合性和高内聚性，提高了软件系统的健壮性和可靠性。 4 ) 对于图形界面采用分级、分状态操作与管理的思想。 分级管理，是指对于整个电力系统输配电网采用两级图形管理方式，即系统级 和厂站级。系统级和厂站级采用不同的图形界面，在系统级图形界面中，显示整个 系统所包含的厂站情况，各厂站之间线路的连接关系，以及系统总体的运行信息； 在厂站级图形界面中，显示单个厂站内的电气接线图和该厂站的运行信息。这样使 整个图形界面的管理和显示井然有序，单个界面的电气接线图不至于太复杂，可适 应于大型电网的设计和显示需求。 分状态管理，是指将用户的各个操作根据其操作性质分成不同的类型，每一种 类型操作在其对应的软件运行状态中完成。具体说，就是把整个软件系统的运行状 态分为：图形编辑、图形建模和高级分析三大类状态，高级分析状态根据其调用的 算法模块性质又分为：网络拓扑、潮流计算、状态估计、无功优化等状态，并且可 灵活地加载和扩展新的算法运行状态。在图形编辑状态下，可以生成和编辑图形界 面的显示内容和形状。在图形建模状态下，可以进行图模一体化操作，也就是将单 个具体的电力设备图元与数据库设备表建立关联，创建或修改图元对应的设备表记 录的内容。在各种高级分析运行状态，可以设置对应高级分析算法模块的各种计算 条件，启动高级分析算法，动态、友好地显示高级分析软件的计算结果，方便地查 询各种计算数据。可以按照状态给各个用户设置其操作权限。用户只有在拥有某一 状态的操作权限下，才可以进入该状态下的图形界面进行操作。 2 2 软件的组成部分 本文的输配电网高级分析软件，由以下一些软件模块共同组成：可视化高级分 析编辑与运行软件、电力设备图元编辑器、数据库操作访问器、数据库数据浏览器、 网络拓扑组件、潮流计算组件、状态估计组件、无功优化组件，以及其他一些可重 用软件模块( 如图形文件选择器、颜色编辑器、电力设备图元装载器、特色属性单、 基本图元操作模块等) 。其中的主体软件是可视化高级分析编辑与运行软件。 华北电力人学硕士学位论文 2 3软件的总体特色 本文的输配电网高级分析软件，界面友好，使用方便。采用分层图形管理和树 视窗口技术，不同类型的操作在不同运行状态下进行，使用起来灵活、方便、可靠。 具体说，具有以下一些特色： 1 ) 强大的图形编辑功能。 可以灵活方便地绘制各种基本的静态图元和电力设备图元。基本的静态图元有 直线、矩形、圆与椭圆、曲线、多边形、文字等；电力设备图元包括：厂站、线路、 母线、发电机、变压器、断路器、刀闸、电容器、电抗器、负荷和其它设备图元。 还可以插入各种o l e 对象。 双击某个背景图元，就可以编辑该图元的属性。对于静态图元，可以随意调整 它的位置、大小、颜色、线宽、线类型( 实线或虚线) 、是否填充等属性。对于文 字，可以任意设置它的字体、大小、颜色和是否为粗体、是否为斜体、是否带下划 线以及排列方式( 居左、居右、居中) 等属性。对于电力设备图元，可以通过图元 编辑器定制它的显示形状。每一类设备图元，可定制多个显示形状。 丰富的对象排版功能，包括：向左对齐、向右对齐、向上对齐、向下对齐、水 平中齐、垂直中齐、水平等间距、垂直等间距、等宽、等高、等大小、向前移动、 向后移动、移到最前、移到最后，等等。 强大的图元撤销与重做功能。可以连续撤销或重做2 0 0 步操作。对于电力设备 图元的撤销或重做操作，会同时操作数据库记录，使得图元的显示与数据库中的记 录保持同步。 这些共同构成了强大的图形编辑功能。 2 ) 两级图形管理，第一级为系统图，第二级为厂站图。 系统图包括系统接线图和系统单线图。系统接线图显示整个电力系统的厂站分 布及厂站之间的连线情况。系统单线图显示整个电力系统中的所有支路元件( 包括 线路、变压器和母联断路器) 、主要电力设备( 如主母线、发电机、电抗器、重要 的负荷等) 等之间的总体连接方式。一个系统接线图上可以含有多个厂站图元，每 一个厂站图元均带有一个厂站接线图，厂站接线图显示一个发电厂或变电站内部的 一次设备电气接线图( 其中可能包含一些测量仪表) 情况。 3 ) 分状态管理各个阶段的界面操作工作。 6 华北电力大学硕七学位论文 目前软件有以下几种状态：图形绘制、图元关联、网络拓扑、潮流计算、状态 估计。其中图形绘制、图元关联属于编辑型状态，网络拓扑、潮流计算、状态估计 属于运行型状态。每一种状态的软件界面管理自身状态下的信息显示和操作工作。 4 ) 分模式管理各种工作场景的信息 这里的模式是指系统在一个时问断面上的一种整体运行方式，这一方式包括了 系统在这一时问断面上的所有信息，是系统中所有元件的显示信息和电气参数信息 的总和。它分为：典型模式、实时模式和历史模式。 典型模式又称为研究模式，主要是为了满足用户对某种特定运行场景进行深入 研究的需要而设置的。系统可以同时记录四个典型模式，代表着系统中四个典型的 运行场景。其中基准模式是最典型的一种研究态模式，它存储了系统在最大运行方 式下每一元件的状态。 实时模式反映着实时运行的系统状况，其实时遥信数据( 如开关的通断状态、 变压器分接头的档位) 和实时遥测数据( 如母线的电压、支路的功率量) 是定期( 一 般为一分钟) 由s c a d a 库发送过来的。可以设定或修改实时计算和实时数据刷新 的频率。 当把某一时刻的实时模式保存下来时，该时刻的运行信息就成为了一个历史模 式。系统可以拥有无数多个历史模式。历史模式是一种真实存在的研究态模式，主 要供调度员回顾历史运行方式时用。它也可以转换为典型模式。历史模式与典型模 式的区别在于：典型模式是可以编辑的，可以修改图形和更改设备的运行信息；而 历史模式是不能编辑的，从而保证了它记录真实的运行断面。 5 ) 面向图元的建模方式。 对各类电力设备，可以通过操作其在界面上对应的图元动态地添加、修改、删 除数据表中对应的记录。用户可以随意地操作电力设备图元，而软件能自动保证已 关联图元与数据表记录的一一对应关系。即一个已关联的图元在对应的数据表中有 且只有一条记录相对应，数据表中的一条记录有且只有一个图元相对应。画面上没 有多余的已关联图元，数据库中也没有多余的数据表记录。 6 ) 灵活而强大的系统设置功能 可以隐藏或显示状态栏和各种工具栏( 包括通用工具条、字体工具条，图元工 具条、标尺条) ，隐藏或显示反映电网系统组织结构的树视窗，可以进行全屏显示， 可以进行图纸的大小、颜色等设旨，可以只显示某一类数据( 如有功功率数据、电 7 华北电力大学硕士学位论文 压幅值数据等) 。这些构成了灵活而强大的系统信息展示和操作功能。 7 ) 强大的数据查询功能 可以将高级分析软件算法模块的任何计算结果灵活的显示在图形界面的任何位 置。对于某一个具体的电力设备，可以直接点击该设备对应的图元，从而查看它自 身的输入参数信息和计算结果信息。 可以以表格的方式统计信息表全面地查询数据表中的所有数据。统计 信息表包括各类电力设备的所有内容统计表及越限记录统计表。利用统计信息表， 可以查看某一类电力设备的所有信息；可以查看所有电压越限的母线、查看状态估 计的所有坏数据，等等。 8 ) 运行信息动态显示，分析结果形象而直观。 按照电压等级和带电状况进行电力设备的拓扑着色；根据断路器、刀闸的实时 通断情况动态显示它的开合状态；动态显示线路上有功、无功潮流的流动及越限情 况；动态显示母线电压的大小、相角；对于电压越限的母线进行闪烁报警，等等。 这些使得整个高级分析运行界面呈现活动性。 华北电力大学硕士学位论文 第三章软件模块 3 1 封装类生成器软件 3 1 1 封装类生成器的优点及作用 采用基于c o m 技术的设计思想，即采用零部件生产的方式，使软件项目的开发 可以采用工厂生产的方式。一个大的软件项目由多个人共同完成，每人完成其中的 一部分，每个人把自己负责的那部分设计成一个封装类群( 由几个或几十个封装类 组成) 。通过把所有的封装类组装到一起，形成一个软件产品。这些封装类配合使 用，共同完成整个软件产品的工作任务。具体而言，它具有以下优点及作用。 1 ) 便于产品保护 每个人只能知道自己开发的类的内部实现方式，不能看到别人开发的类的内部 实现方式。对于别人提供的封装类，我只要知道它提供的成员方法及每个成员方法 的功能就可以了，不需知道这个成员方法内部的实现方式。这样，对于每一个封装 类，只有它的开发者才能进行完善和升级。别人除非自己按照同样的接口开发一个 替代的封装类，否则不能去修改封装类的内部实现方式。这样，保护了开发者的知 识产权。 2 ) 便于产品的升级。 产品的升级可以针对每一个封装类来升级。一个封装类升级时，只要更换这个 类的d l l 文件就行了。整个软件系统的其它地方不需要做任何变动，而且不需要重 新编译程序，可以实现在线产品升级。即使软件产品处于运行状态，也可以直接替 换d l l 文件而使软件获得升级。 3 ) 软件项目的开发可以实现工厂方式的生产流程。 软件项目的开发可以实现工厂方式的生产流程，每一个人负责自己的零部件生 产就可以了。对于个人来说，更能发挥自己的特长，把自己负责的零部件设计成精 品。对于公司来说，人员的离去对于产品的技术机密的损失也会大大地降低。 因此，使用封装类生成器软件进行一个个封装类的开发，对于软件产品的保护、 升级和开发方式都会带来很大的改进。 华北电力人学硕十学位论文 3 1 2 封装类生成器的内部结构及工作原理 封装类生成器软件是提供给进行软件组件开发的设计人员使用的。它由五个公 用文件组成，即：d l l e x p o r t d e f h 、i b a s e o b j e c t h 、b a s e o b j e c t h 、e x p o r t c l a s s h 、 i m p o r t d l l c l a s s h 。参见附录b 。 1 ) d l l e x p o r t d e l h 它定义组件d l l 内部需要输出的实现类的输出标志，如下所示： # d e f i n eh m i e x p o r t _ _ d e c l s p e c ( d l l e x p o r t ) 2 ) i b a s e o b j e c t h 它定义所有组件的输出类和接口类的公用接口。有以下三个公用接口： ，生成对象 v i r t u a lb o o lm a k e o b j e c t ( c o n s tc h a r * o b j n a m e , v o i d + + p p o b j c c t ) 20 ： q l 用对象 v i r t u a li n tq u o t e o = o ： ，结束对象的引用 v i r t u a li n tu n q u o t e 0 = o ： 3 ) b a s e o b j e c t h 定义并实现所有输出类的基类( c b a s e o b j c c t 类) 。该基类实现了公用接口的通 用处理方法。它的作用就是输出d l l 内部的实现应用接口的类对象指针；管理外部 对于d l l 的内部实现类对象的引用和释放引用工作；当外部不再引用d l l 的内部实 现类对象时，它还负责释放内部实现类对象占用的内存。 该基类提供了一个重要的虚拟方法，即下面的方法 v i r t u a lb o o ls e l f m a k e o b j e c t ( c o n s tc h a r + o b j n a m e ，v o i d + + p p o b j e c t ) ； 该方法是给派生类重载使用的，它的作用是获取d l l 内部的实现应用接口的类 对象指针。一个d l l 可以拥有实现多个应用接口的多个类，通过参数o b j n a m e 决定 获取的是实现具体的哪一个应用接口的类。通过参数p p o b j e c t 获取d l l 内部实现应 用接口的类对象指针。 该基类还提供了一个给外部使用的重要方法，如下所示。 v i r t u a lb o o lm a k e o b j e c t ( c o n s tc h a r + o b j n a m e , v o i d + + p p o b j e c t ) ： 1 0 华北电力大学硕士学位论文 它用于获取d l l 内部的实现应用接口的类对象指针。 4 ) e x p o r t c l a s s h 它定义一个方法的函数名称及函数的参数列表信息，这个被定义的方法是实现 d l l 的内部实现类导出功能的。实现这个定义功能的方法如下所示。 d l l e x p o r t b o o le x p o r t c l a s s ( c o n s tc h a r + d s n a m e , i b a s e o b j e c t + + p p c l a s s , v o i d p p a r a m s = 0 ) ； 其中参数c l s n a m e 决定获取的是与具体哪一个应用接口相关的内部实现类，通过参 数p p c l a s s 获取d l l 的内部实现类对象指针，参数p p a r a m s 是传入该内部实现类构 造时需要的参数列表。p p 聪匝s _ 0 表示该内部实现类构造时不需要带参数。 5 ) i m p o h 定义一个导出d l l 内部实现类的d l l 管理类。这个d l l 管理类管理d l l 的装载 和卸载，管理d l l 内部实现类的输出方法。有了这个d l l 管理类，软件组件的设计 人员就不需要关注如何装载、卸载d l l ，如何输出d l l 内部实现类对象指针。组件 设计人员可以直接借用这个类轻松地把d l l 输出的内部实现类封装成为外部用的封 装类。因此，这个d l l 管理类本质就是一个外部用的封装类生成器。 封装类生成器定义了一个重要的方法，该方法用于输出d l l 的内部实现类对象。 b o o l i m p o r t c l a s s ( c o n s t c h a r + c l s n a m e ， i b a s e o b j e c t + 4 p p c l a s s ， v o i d + p p a r a m s = 0 ) ； 3 1 3 封装类生成器的使用方法 除了直接使用上面提到的五个公用文件外，软件组件设计者还必须做以下的设 计工作： 1 ) 定义一个实际应用的接口文件。 该文件定义了一个实际应用的接口类，该接口类定义了封装类要对外提供的成 员方法。该接口类必须继承i b a s e o b j e c t h 文件中定义的公用接口类，该接口类的 成员方法应该被设计成纯虚方法。 2 ) 设计一个d l l 组件。 该d l l 组件有一个内部实现类，该内部实现类从b a s e o b j e c t h 文件中定义的基 华j 匕电力人学硕： 学位论文 类派生出来，并且重载了s e l f m a k e o b j c c t ( c o n s tc h a r + o b j n a m e ，v o i d ”p p o b j e c t ) 方 法。 该d l l 组件还有一个实现外部应用接口的类，该类从外部实际应用的接口类派 生出来，实现了外部应用的接口类的所有成员方法。这个实现外部应用接口的类一 般被设计成d l l 组件的内部实现类的内嵌成员类。 该d l l 组件还必须实现e x p o r t c l a s s h 文件中定义的e x p o r t c l a s s ( c o n s tc h a r + c l s n a m e , i b a s g o b j e t * * p p c l a s s v o i d + p p a r a m s = o ) 方法。 3 ) 将d l l 组件封装成一个具体应用的封装类。 该封装类一般有一个全局的或静态的d l l 管理类对象。通过这个d l l 管理类去 装载d l l ，并获取d l l 内部实现类对象指针。 通过这个d l l 内部实现类对象指针去获取d l l 内部的实现应用接口的类对象指 针。 通过调用这个实现应用接口的类对象指针的成员方法，去实现这个封装类提供 给外界的成员方法。 3 2图形编辑 3 2 1 图形编辑的界面 图形编辑是可视化高级分析编辑与运行软件中一个重要的软件模块。软件中对 图形的管理分为两级：系统图和厂站图，系统图编辑界面如下： 华北电力大学硕士学位论文 厂站图编辑界面如下： 图1 系统图编辑界面 图2 厂站图编辑界面 华北电力大学硕十学位论文 3 2 2 图形编辑的操作方式 高级分析软件的整个工作分为编辑阶段和高级分析阶段，总体的工作过程为： 先利用绘图软件包绘制出整个系统电气接线图和所有厂站电气接线图；通过对这些 电气接线图的所有电力设备进行关联，生成各设备的原始参数表：利用这些设备的 原始参数，通过网络拓扑分析软件处理后，生成逻辑数据模型( 如节点表、支路表 等) ；利用逻辑数据模型的初始数据，进行潮流计算、状态估计等高级分析处理， 得到逻辑数据模型的结果数据；最后在电气接线图上以友好的方式将结果数据显示 出来。 图形编辑软件模块是编辑状态的第一阶段工作，它的任务是绘制电气接线图， 绘制可视化的电力设备电气参数和高级分析计算结果。它是图形关联的前提工作， 也是可视化高级分析软件的前提工作。 电网接线图分为两级：系统级和厂站级。系统级的接线图有系统接线图和系统 单线图。厂站级的接线图是一个厂站对应于一个厂站接线图。系统接线图是所有接 线图的入口点和基础。系统接线图中拥有的电力设备图元有：厂站图元和线路图元。 一个线路图元连接两个厂站图元。整个系统接线图是一个反映全系统中各个厂站之 间的连接关系的网状接线图。 系统单线图是系统接线图的补充，它是整个系统中主要的一次电力设备的接线 图。它可以显示整个系统中主要的线路、变压器、母线、断路器等设备的连接关系， 因此它能够显示比系统接线图更加详细的信息。 如果系统中的线路存在t 型接线，则将t 型接线的交叉点当作一个虚拟的厂站 看待。如果系统通过联络线路与外部电力网络连接在一起，则将这些联络线路看作 是相应厂站的发电机( 或负荷) 设备。 从系统接线图切换到厂站接线图有两种方式：一是双击某厂站图元；二是在电 气接线图树视窗口中单击某厂站名称，均能进入相应厂站的厂站接线图。从厂站接 线图切换到系统接线图也有两条途径：一是选中工具条上的“系统图”命令；二是 电气接线图树视窗口中单击系统接线图名称，均能进入系统接线图。 华北电力人学硕十学位论文 3 2 3 绘制电气接线图 图元：电气接线图是由许许多多的图元组成的。具有同种特定属性绘图元素的 集合构成了一类图元。图元是图形的基本要素，它既可以和电力系统中的实际元件 ( 如线路、变压器等) 相对应，也可以是一般的绘图元素( 如线、文字等) 。为了 方便地区分这两类图元，我们把一般的绘图元素叫做背景图元，把和电力系统中的 实际元件相对应的图元叫做前景图元。此外，由于网络拓扑分析的需要，把一些需 要与数据库进行关联的特殊的图元( 如连接点、连接线、电气数据等) 也称为前景 图元。 选中图元：在图形编辑状态下，图元在被选中时可以进行移动、删除、拷贝等 操作。一次同时被选中的图元可以有多个，也可以包括当前图形上的所有图元。选 择图元的方法有多种，对于单个图元，可以直接在要选择的图元上单击鼠标左键实 现；对于多个图元，可以按住键盘上的“s h i f t ”键不放，然后按照选择单个图元的 方法，依次在要选择的图元上用鼠标左键单击，即可选中一组图元；或者按住并移 动鼠标左键，则会出现一个选图的矩形框，位于矩形框内或与矩形框相交的所有图 元会被选中。被选中的图元和没有被选中的图元在图形上有明显的差异。被选中的 “面图元”( 如变压器等) 或“点图元”( 如连接点) 被图形边框的八个定位点( 称 为“句柄”) 所包围；被选中的“线图元”( 如线路、连接线等) 则在线的两端有两 个定位点，如图3 所示。 图3 处于选中状态的图元 编辑图元：对处在选中状态的图元( 或图元组) ，我们可以执行各种操作，如剪 切、复制、粘贴、删除等，这些命令在菜单“编辑操作”中，而对应工具条上的按 钮如图4 所示。我们还可以通过调用“编辑操作”菜单中的“全部选中”或“全部 清除”项来一次性选中图上的所有元素或对删除选中的所有元素。此外，对图元我 们还可以进行移动操作，如在其上按住鼠标左键不放，然后移动鼠标就可以移动选 华北电力人学硕十学位论文 中的图元。 图4 工具条上的图元编辑命令 对图元的操作也可以按照如下的简便方法进行：在某一图元上单击鼠标右键， 此时弹出浮动菜单如图5 所示，此时可以根据需要选择合适的菜单项进行相应的操 作。 图5 图元操作的简便方法 对象排版：对于一组图元，可以在菜单或工具栏中选择“对象排版”命令，进 行对象的各种排版操作。如向左对齐、向上对齐、水平中齐、水平等间距、等宽、 等大小、向前移动、向后移动、移到最前，等等。 撤消与重做：如果觉得当前绘制的图形不如之前绘制的图形满意，或者不小心 把原来已绘好的图形改坏了，可以选择“撤消”操作，将图形界面回到先前的形状。 如果，又想要保留后面绘制的效果，或者不小心使撤消的步骤过多，则可以选择“重 做”操作，将图形界面往后恢复。软件可以连续撤销或重做2 0 0 步操作。对于电力 设备图元的撤销或重做操作，会同时操作数据库记录，使得图元的显示与数据库中 的记录保持同步。 设备图元定制：如果觉得某个电力设备图元的显示形象不满意，可以打开图元 编辑器，将指定的图元修改为自己满意的形状，或者添加一个新的设备图元。图元 编辑器的工作界面如图6 所示。 华北电力人学硕十学位论文 图6 图元编辑器的工作界面 全屏显示：为了强化图形的显示，软件提供了图形的全屏显示功能。这一功能 是在屏幕上隐藏掉菜单、工具条、状态条等，只保留绘图区，这样就加大了图形显 示窗口，使用户可以查看更多的信息。这一功能可以通过选择“系统设置”菜单中 的“全屏显示”菜单项实现，也可以通过工具条上相应按钮( 图7 ( a ) ) 实现。当 程序进入全屏显示状态后，在屏幕上单击鼠标右键，此时出现如图7 ( b ) 所示的浮 动菜单，选择“取消全屏”选项之后就可以回到正常工作状态了。 ( a )( b )( c ) 图7 全屏显示、取消全屏、图纸属性、图纸颜色、图纸缩放按钮 图纸设置：图7 ( c ) 还给出了图纸属性、图纸颜色、图纸缩放三个按钮，它们 分别与“系统设置”菜单中的相应项相对应。选择图纸属性则弹出对话框如图8 ( a ) 所示。这是一个多页对话框，可以进行图纸尺寸、图纸边框形式、图纸网格、通用 工具、缺省字体等的设置。图8 ( b ) 给出了选择图纸颜色选项后弹出的颜色对话 框，此时即可以为图纸选择合适的底色。如果此对话框中没有合适的颜色，可以单 华北电力人学硕士学位论文 击“其它图纸颜色”按钮，此时将弹出标准的w i n d o w s 颜色对话框，用户可以根据 需要进行选择。图8 ( c ) 给出了选择图纸缩放选项后弹出的缩放比例选择对话 框。单击合适的比例，则绘图区将自动缩放。 ( c ) ( 8 )( b ) 图8 图纸属性、图纸颜色和图纸缩放 3 3图形建模 3 3 1 图形建模的界面 系统图建模界面如下： 华北电力人学硕十学位论文 厂站图建模界面如下： 图9 系统图建模界面 图1 0 厂站图建模界面 华北电力人学硕士学位论文 3 3 2 图形建模的功能和操作方式 本软件采用面向对象的设计和操作思想，实现图模一体化操作。图形中的电力 设备图元对应于模型库中相应设备表中的一条记录，反之，模型库设备表中的一条 记录对应于图形界面中的一个电力设备图元。 建立高级分析软件模型库的功能由图形建模软件模块完成。图形建模工作就是 针对于前景图元进行关联。在系统接线图中拥有的前景图元有：厂站、线路和电气 参数图元。这些图元的关联工作也是在系统接线图中进行。在厂站接线图中拥有的 前景图元有：线路、发电机、变压器、断路器、刀闸、母线、电容器、电抗器、负 荷、仪表、连接线、电气参数等图元。线路的关联信息是在系统接线图中完成的， 在厂站接线图中只进行已关联线路的选择工作。而其他前景图元则是在厂站接线图 中进行关联。 对各类电力设备图元可以通过操作图元动态地添加、修改、删除数据表中对应 的记录，用户不需要直接与高级分析软件的计算模型数据库打交道。在图元关联状 态下，双击某电力设备图元，则会弹出与该图元相对应的“数据输入”对话框，通 过对话框可以编辑该图元在电网中的位置、图元自身的电气参数等原始数据。按“确 认”按钮，若该图元原先未关联，则会自动在该图元对应的数据表中添加一条新记 录；若该图元原先己关联，则在该图元对应的数据表中修改对应的记录内容。当把 已关联的图元变为未关联的图元，或删除已关联的图元时，则会自动在该图元对应 的数据表中删除相应的一条记录。当复制一个已经与数据库关联的图元时，数据表 中也会复制一条该图元的记录( 会生成一个新的图元标识号) ；当删除一个已经与 数据库关联的图元时，数据表中也会删除一条该图元的记录。这样处理，可以保证 一个已关联的图元在对应的数据表中有且只有一条记录相对应，而数据表中的一条 记录有且只有一个图元相对应，从而保证了已关联图元和数据表记录的一一对应关 系。因此，数据库的维护相当简单、可靠。 对于已与数据库关联的图元，会显示出一个关联标志，即在相应图元的右上角 有一个红色勾状的关联符号。未与数据库关联的图元就没有这个标志。这个关联标 志可提醒用户不要漏掉了对所有需要关联的图元进行关联。 华北电力人学硕士学位论文 3 3 3 图形建模的实现方式 在软件系统中，开发了一个特色属性单，用于装载各类属性对话框。目前系统 中有三类属性对话框，即：输入数据编辑属性框、输入数据查看属性框、输出数据 查看属性框。输入数据编辑属性框用于图形建模状态下进行图模一体化关联操作。 输入数据查看属性框和输出数据查看属性框，分别用于高级分析状态下查看电力设 备的输入参数和输出计算结果。特色属性单可以灵活设置其按钮的位置、文字。系 统中有三类属性单按钮，即：确定、取消、厂站接线图。“厂站接线图”按钮专用 于厂站图元对应的属性单，点击“厂站接线图”按钮，图形界面会从系统接线图切 换到对应厂站的厂站接线图。 软件系统中，还开发了一个数据库操作访问器，用于与商业数据库打交道，进 行数据库数据的读写操作，对电力设备的电气参数和高级分析的计算结果进行持久 化存储工作。 通过特色属性单和数据库操作访问器，就可以实现图模一体化关联操作。在图 形建模状态下，双击某电力设备图元，则会弹出与该图元相对应的特色属性单，该 属性单初始化时会借助于数据库操作访问器从数据库设备表中读取对应于指定图 元设备的记录内容，显示在属性对话框中。当点击“确认”按钮时，特色属性单会 把属性对话框中数据，通过数据库操作访问器写入数据库设备表中。若该图元原先 未关联，则会自动在该图元对应的数据表中添加一条新记录；若该图元原先已关联， 则在该图元对应的数据表中修改对应的记录内容。 删除一个已关联的图元时，图元的图形数据存放于撤消重做数据队列中，但是 图元对应设备的参数数据只存在于数据库设备表中。为了实现对于图元的删除操作 进行撤消或重做操作时，图元对应的数据库设备表中的记录能够恢复和删除，软件 对于已关联的图元进行删除操作时并没有真正删除数据库设备表中的记录，只是把 对应记录的i d ( 设备标识号) 取负值( 原i d 的相反数) 。软件的界面框架中查询不 到数据库中i d 为负值的记录数据。当对于图元的删除操作进行撤消工作时，软件 则把该图元在数据库设备表中对应记录的i d 值再恢复为正值。当保存图形界面后， 对于已关联图元的删除操作就不能进行撤消或重做操作了，此时软件会对数据库设 备表中所有i d 为负值的记录进行真正的删除工作。这样能够保证已关联图元和数 据表记录的一一对应关系。 2 1 华北电力人学硕士学位论文 第四章高级分析算法 4 1 网络拓扑分析 4 1 1 概述 文献【3 1 【4 】中介绍，电力系统在正常运行的情况下，状态估计、潮流分析等许多 高级分析算法都是以导纳阵为基础的。由于节点导纳阵会随网络结线而变，若不能 迅速而准确地随着开关所处状态的实时变化而修改网络结线，必然会导致错误的分 析与判断。特别是在电力系统紧急和恢复状态下，更需要将网络结线的实际变化情 况随时反应给调度人员。 网络拓扑分析，又称为结线分析，是根据电力系统网络中的断路器、隔离开关 等设备的状态及各电气元件的连接关系生成电网分析用的母线和网络模型。它的任 务是实时处理开关信息的变化，自动划分发电厂、变电站的计算用节点数，形成新 的网络结线，随之分配量测量与注入量等数据，给有关的应用程序提供新结线方式 下的信息与数据。它是潮流计算、状态估计、静态安全分析等网络分析软件的基石。 电力系统实时开关状态的变化，可能是切除或投入发电机或负荷；可能使变电 站的母线段对应的计算用节点发生变化；还可能引起电网开环、合环、解列或并列 等。实际电网中的开关数量可能达到几百或几千个，为了满足实时性的要求，网络 拓扑分析算法既要保证对各种复杂结线的可靠分析，又应该尽可能降低计算量，要 能够准确而快速地进行大量的、复杂的逻辑运算。 4 1 2 网络拓扑分析软件的特点 本文的网络拓扑分析软件作为一个独立的组件设计的，可以灵活升级和更换。 它具有以下一些特点： 1 ) 采用基于稀疏矩阵技术的广度优先搜索算法。 网络拓扑分析算法的本质是一个连通图的搜索分析算法。搜索分析算法，在图 论中称为遍历算法，有两大类：即深度优先遍历和广度优先遍历。根据文献 2 1 介 绍，深度优先遍历，就是第一次经过一个顶点时就进行访问操作；访问完一个顶点 华北电力人学硕士学位论文 后，接着访问与该顶点相邻接的且未被访问过的顶点；当某一个顶点没有相邻接的 且未被访问过的顶点时，则沿着刚才访问的次序、方向回溯到一个尚有未被访问过 的相邻接顶点的顶点，再往下访问；直到回溯到第一个顶点，而没有找到任何一个 尚有未被访问过的相邻接顶点的顶点为止。广度优先遍历，就是第一次经过一个顶 点时就进行访问操作；访问完一个顶点后，接着访问与该顶点相邻接的所有未被访 问过的顶点；然后分别从这些邻接点出发依次访问它们的邻接顶点，并使“先被访 问的顶点的邻接顶点”先于“后被访问的顶点的邻接顶点”被访问；直到图中所有 已被访问的顶点均没有“未被访问过的邻接顶点”为止。 搜索分析算法中，用到一个表征点与点之间直接连线情况的连接矩阵脚。连接 矩阵有满阵存储( c u n c h u ) 和稀疏矩阵存储两种处理技术。1 。而为了加快搜索速度， 降低内存要求，本文算法模块对系统的连接矩阵采用稀疏矩阵技术。稀疏矩阵技术 适合于按行横向处理数据，而广度优先遍历的特点就是尽可能先进行横向搜索，因 此稀疏矩阵技术适合于采用广度优先搜索算法。本软件采用的搜索算法就是基于稀疏 矩阵技术的广度优先搜索算法，它具有内存要求低、搜索速度快的特性。 2 ) 采用节点拓扑和子系统拓扑相结合的两级分析模式。 先进行节点拓扑分析，节点拓扑分析是基于断路器、刀闸等开关元件的通断情 况进行分析的，它将闭合开关连接的所有端点合并到一个节点中，最终找出整个电 网系统中存在的节点个数和每一个节点的位置，并给每一个节点编号。 然后再节点拓扑分析的基础上进行子系统拓扑分析，子系统拓扑分析是基于线 路、变压器、电容器、电抗器等阻抗型元件的各个端口的节点信息进行分析的。双 端口阻抗型元件的首末端节点连接成一条支路( 直接接地元件的末端节点号取与首 端相同的节点号) ，三绕组变压器按照星型模式产生一个中性点节点和三条支路。 一条支路一端的节点号与另一条支路一端的节点号相同时，则这两条支路是连通 的。子系统拓扑分析根据支路的互相连通情况将一个连通子图的所有节点划归到一 个子系统中，分析整个系统中存在多少个子系统，各个子系统拥有哪些节点，并且 对每一个节点分配一个子系统内部的编号信息。 3 ) 实现了各种节点编号优化方案。 节点编号优化方案是针对于一个连通子系统内的所有节点进行的，它会影响潮 流计算修正方程式进行高斯消去法求解时，系数矩阵中新增非零元素( 又称为注入 元素) 的个数。它只对于采用稀疏矩阵技术求解修正方程式有影响。 2 3 华北电力人学硕十学位论文 常见的节点编号优化方案有：普通排序编号、静态优化编号、半动态优化编号、 动态优化编号嘲。普通排序编号，即先发现先编号方式，它不作任何的编号优化处 理。静态优化编号，就是先计算每一个节点在消去时会产生的注入元素数目，按照 注入元素数目从小到大对节点依次进行编号。半动态优化编号，即先计算每一个未 优化编号的节点在消去时会产生的注入元素数目，取注入元素数目最小的一组节点 依次进行优化编号，并消去它们；然后对剩余的所有未优化编号的节点，对每一个 节点重新计算在消去时会产生的注入元素数目，并作同样的处理。动态优化编号， 类似于半动态优化编号，但它每次只消去注入元素数目最小的一组节点中的一个节 点，再对剩余的所有未优化编号的节点重复处理。在半动态优化编号和动态优化编 号方案中，当消去一个节点节点时，会同时消去与该节点相连的支路，同时检查该 节点的所有相邻接点两