面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)模式在暫態(tài)仿真中的應(yīng)用

雷金勇，李 鵬，于學(xué)軍，張君泉，王成山

（1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州 510080；2.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3.積成電子股份有限公司，濟(jì)南 250100）

電力系統(tǒng)數(shù)字仿真發(fā)展至今，已有多種廣泛應(yīng)用于分布式發(fā)電系統(tǒng)及微網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域研究的數(shù)字仿真程序，包括Matlab／SimPowerSystems、DIgSILENT及PSCAD／EMTDC等［1，2］，但這些國外的商業(yè)仿真計(jì)算工具的核心模型與算法等內(nèi)容基本上不對用戶開放，借助其實(shí)現(xiàn)相關(guān)的仿真計(jì)算可能并不困難，但如果需要進(jìn)一步研究開發(fā)準(zhǔn)確、高效的仿真算法則不大可能。因此，國內(nèi)天津大學(xué)開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的分布式發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序TSDG（transient simulator of distributed generation systems and micro－grid），它不僅能夠?yàn)榉植际桨l(fā)電及微網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、實(shí)驗(yàn)及科學(xué)研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)與依據(jù)，同時(shí)也能夠提高我國在電力系統(tǒng)仿真軟件開發(fā)、設(shè)計(jì)與應(yīng)用領(lǐng)域的核心技術(shù)競爭力［3，4］。

分布式發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序的設(shè)計(jì)開發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其中最重要的是需要應(yīng)對多種功能需求的變化，具體包括：①元件模型方面，與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)成熟可靠的元件模型相比，分布式發(fā)電系統(tǒng)元件不但種類繁多，而且很多分布式電源的模型尚在不斷完善與發(fā)展之中，這就要求TSDG能夠應(yīng)對分布式發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)模型增加和變化的要求；②系統(tǒng)算法方面，分布式發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)各動(dòng)態(tài)過程的時(shí)間常數(shù)差異較大，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)典型的強(qiáng)剛性系統(tǒng)，電力電子開關(guān)器件動(dòng)作時(shí)序的不確定性以及分布式電源和控制系統(tǒng)引入的大量非線性環(huán)節(jié)對程序的計(jì)算精度和數(shù)值穩(wěn)定性提出了較高要求，需要采用高效準(zhǔn)確靈活的解算方法，但仿真算法總是在不斷改進(jìn)中，而且隨著分布式發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展，對TSDG的功能需求也會(huì)發(fā)生變化，這就要求TSDG能夠應(yīng)對暫態(tài)仿真算法和功能需求變化的要求；③用戶接口方面，輸入和輸出數(shù)據(jù)形式的多樣化，多種仿真程序的交互混合仿真等已經(jīng)成為一種趨勢，這就要求TSDG能夠應(yīng)對未來用戶接口變化的要求。

1 面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)模式

傳統(tǒng)的面向過程程序設(shè)計(jì)是面向功能的，通常使用函數(shù)或過程來實(shí)現(xiàn)所需要的功能，這種方式不利于大中型軟件的開發(fā)與維護(hù)。面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法通過創(chuàng)建對象來簡化程序設(shè)計(jì)過程，允許抽象化、模塊化的分層結(jié)構(gòu)，具有多態(tài)性、繼承性和封裝性的特點(diǎn)。面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)原則在基于面向?qū)ο蠓椒ǖ能浖到y(tǒng)的開發(fā)過程中起著重要的指導(dǎo)作用，它是各種設(shè)計(jì)模式背后的基本思想原則，遵守設(shè)計(jì)原則能夠提高軟件的可維護(hù)性和可復(fù)用性。

面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)OOD（object oriented design）的核心思想主要包括：①針對接口編程，而不是針對實(shí)現(xiàn)編程，極大地減少了子系統(tǒng)之間的相互依賴關(guān)系；②優(yōu)先使用對象組合，而不是類繼承，使得設(shè)計(jì)更加靈活；③封裝變化點(diǎn)，降低了對系統(tǒng)的整體影響。在此基礎(chǔ)上可以得出幾條具體的設(shè)計(jì)原則［5～7］：開放封閉原則、里氏代換原則、依賴倒置原則、接口隔離原則等，采用這些設(shè)計(jì)原則可提高軟件系統(tǒng)的可維護(hù)性和可復(fù)用性。

作為面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)手段，設(shè)計(jì)模式是指軟件開發(fā)過程中對重復(fù)出現(xiàn)問題的可重用性解決方案［8］。設(shè)計(jì)模式總結(jié)了面向?qū)ο筌浖_發(fā)中的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，描述了軟件開發(fā)過程中不斷重復(fù)出現(xiàn)的問題及該問題的解決方案，目的就是使軟件開發(fā)者可以更加簡單方便地復(fù)用成功的設(shè)計(jì)和體系結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)模式依據(jù)其目的可分為創(chuàng)建型、結(jié)構(gòu)型、行為型三種［9］。創(chuàng)建型模式抽象了實(shí)例化過程，使一個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立于創(chuàng)建、組合和表示構(gòu)成這個(gè)系統(tǒng)的對象，包括抽象工廠模式等；結(jié)構(gòu)型模式處理類與對象的組合，從而獲得更大的結(jié)構(gòu)，包括組合模式等；行為型模式描述類與對象之間的交互以及職責(zé)分配，涉及算法和對象之間責(zé)任的劃分，它不僅描述了對象或類的模式，還描述了它們之間的通信模式，包括觀察者模式等。雖然不同設(shè)計(jì)模式的設(shè)計(jì)思想有所不同，但它們并非是孤立的，而是常常組合在一起，共同完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)模式展示了面向?qū)ο笏枷胫蟹庋b、繼承和多態(tài)等特性的使用，正確地理解與使用設(shè)計(jì)模式，有助于快速開發(fā)出可維護(hù)和可復(fù)用的系統(tǒng)。雖然設(shè)計(jì)模式有許多優(yōu)點(diǎn)，但是仍然需要程序設(shè)計(jì)者深入理解設(shè)計(jì)模式背后的面向?qū)ο笏枷耄拍軌蚋玫厝ナ褂盟鼈儯嬲匕l(fā)揮它們的優(yōu)勢，同時(shí)設(shè)計(jì)者應(yīng)該避免濫用所帶來的軟件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和冗余，不能為了使用設(shè)計(jì)模式而使用。

2 分布式發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序框架

分布式發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序框架如圖1所示，主要由4部分組成。

（1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)參數(shù)和仿真結(jié)果兩部分，前者應(yīng)提供仿真步長、仿真時(shí)間、輸出采樣間隔等參數(shù)，以及元件的基本信息、拓?fù)溥B接關(guān)系、元件基本參數(shù)、數(shù)據(jù)輸出控制參數(shù)四部分，后者包括系統(tǒng)要求輸出的仿真結(jié)果，如電壓、電流及控制系統(tǒng)輸出等信息。

（2）元件模型，它主要包括分布式電源、網(wǎng)絡(luò)元件、電力電子變流裝置、控制器等模型。

（3）系統(tǒng)解算，它主要是對分布式發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)仿真算法的實(shí)現(xiàn)，從系統(tǒng)層面看，它包括電氣系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的交替求解，電氣系統(tǒng)解算側(cè)重于含電力電子設(shè)備的以伏安關(guān)系描述電氣網(wǎng)絡(luò)的求解，控制系統(tǒng)解算則側(cè)重于強(qiáng)非線性的以輸入輸出關(guān)系描述的控制器及分布式電源模型的精確求解。

（4）用戶接口，可以根據(jù)不同的數(shù)據(jù)格式提供靈活和可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)處理和輸出顯示功能。

圖1 分布式發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序框架Fig.1 Framework of TSDG

在TSDG的開發(fā)實(shí)現(xiàn)過程中，建立元件模型方面，一般采用創(chuàng)建型模式來管理種類繁多的分布式發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)元件模型；在系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)方面，行為型模式提供了多種靈活的算法選擇；在用戶接口設(shè)計(jì)方面，結(jié)構(gòu)型模式對多樣的接口進(jìn)行了抽象統(tǒng)一，避免了接口的不一致性。

3 設(shè)計(jì)模式在分布式發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序中的應(yīng)用

TSDG基于面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)思想，廣泛采用了設(shè)計(jì)模式理論，限于篇幅，文中僅以其中四種設(shè)計(jì)模式的應(yīng)用舉例進(jìn)行說明，分別是工廠方法模式、適配器模式、策略模式和單例模式。在TSDG的構(gòu)建過程中，利用工廠方法模式提高元件建模的靈活性，利用適配器模式實(shí)現(xiàn)稀疏算法庫的復(fù)用，利用策略模式減少程序模塊間的耦合，利用單例模式優(yōu)化和共享資源訪問。

3.1 工廠方法模式

工廠方法模式的意圖是定義一個(gè)用于創(chuàng)建對象的接口，讓子類決定實(shí)例化哪一個(gè)類，使一個(gè)類的實(shí)例化延遲到其子類。在工廠方法模式中，核心的抽象工廠類不會(huì)負(fù)責(zé)所有產(chǎn)品的創(chuàng)建，僅負(fù)責(zé)給出具體工廠類必須實(shí)現(xiàn)的接口，具體產(chǎn)品的創(chuàng)建由具體工廠類去實(shí)現(xiàn)。因此，系統(tǒng)在加入新的產(chǎn)品時(shí)就不需要修改抽象工廠類和具體工廠類，只需要增加與新產(chǎn)品相應(yīng)的具體工廠類即可。工廠類與產(chǎn)品類往往具有平行的對等結(jié)構(gòu)，它們之間一一對應(yīng)。

與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)成熟穩(wěn)定的元件模型相比，分布式發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)不但元件模型種類繁多，而且很多分布式電源的模型尚在不斷完善與發(fā)展之中。隨著分布式發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)研究的深入，需要不斷地對元件模型庫進(jìn)行增加或者修改。傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方法需要修改原有的創(chuàng)建具體元件類的實(shí)現(xiàn)部分，使得實(shí)例的創(chuàng)建不靈活，而且由于其在開放擴(kuò)展的同時(shí)也開放了其他無關(guān)元件模型的修改，違背了開放－封閉原則。工廠方法模式則是定義一個(gè)用于創(chuàng)建對象的接口，讓子類決定需要實(shí)例化的類，所以工廠方法模式可較好地解決這個(gè)問題。

圖2給出了基于工廠方法模式的元件對象創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)方法，主要包括四個(gè)部分，分別為抽象工廠，具體工廠，抽象產(chǎn)品和具體產(chǎn)品。抽象工廠類AbstractFactory定義了創(chuàng)建各種元件對象行為的接口，通過該接口可以實(shí)現(xiàn)具體產(chǎn)品；Transformer Factory類、BranchRLCFactory類和DiodeFactory類等為具體工廠，在具體工廠中，工廠方法CreateElement對具體元件的創(chuàng)建進(jìn)行了定義與實(shí)現(xiàn)，返回一個(gè)ElectricalSystem類型的對象實(shí)例。ElectricalElement類是工廠模式所創(chuàng)建產(chǎn)品的基類。由于具體工廠返回的是抽象產(chǎn)品的實(shí)例，從而屏蔽了接口的不同實(shí)現(xiàn)所造成的用戶邏輯對具體類訪問所造成的差異。在具體的應(yīng)用中，增加或者修改元件庫模型時(shí)，軟件開發(fā)人員只需要而且只允許增加或修改相應(yīng)元件模型的具體工廠和具體產(chǎn)品，無法修改其他元件模型，不但遵守了開放－封閉原則，又保持了封裝元件對象創(chuàng)建過程的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 基于工廠方法模式的元件對象創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)Fig.2 Implementation of element object creation based on factory method pattern

在TSDG中，除了元件對象模型的創(chuàng)建之外，算例參數(shù)輸入和仿真結(jié)果輸出也采用了工廠方法模式。TSDG兼容兩種算例參數(shù)和輸出結(jié)果的存儲(chǔ)形式：Mysql數(shù)據(jù)庫和自定義數(shù)據(jù)文件。這兩種形式的數(shù)據(jù)具有相同的行為，包括數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、修改等，但是兩者的結(jié)構(gòu)和訪問方式完全不同，前者需使用數(shù)據(jù)庫接口，后者需使用文件流接口，在接口實(shí)現(xiàn)上存在較大差異。TSDG采用工廠方法模式定義了統(tǒng)一的抽象接口集，包括數(shù)據(jù)庫連接（文件打開）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、修改等一系列行為，并在該抽象接口集的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了用于Mysql數(shù)據(jù)庫和自定義數(shù)據(jù)文件格式的具體實(shí)現(xiàn)。在具體的應(yīng)用中，無需指定數(shù)據(jù)形式的子類，只需創(chuàng)建父類即可得到一系列該父類所管理的數(shù)據(jù)形式實(shí)現(xiàn)，使上層應(yīng)用獨(dú)立于數(shù)據(jù)形式的變化。

工廠方法模式通常可以看作是創(chuàng)建對象（實(shí)例化）的替代品，任何需要生成對象的場景都可以使用，但是要在復(fù)雜度與便捷之間權(quán)衡，另外在需要靈活的、可擴(kuò)展的框架時(shí)，也可以考慮采用該模式。

工廠方法模式具有如下優(yōu)點(diǎn)：1）良好的封裝性，代碼結(jié)構(gòu)清晰；2）很強(qiáng)的可擴(kuò)展性；3）降低了程序的耦合性。

3.2 適配器模式

適配器模式的意圖是將一個(gè)類的接口轉(zhuǎn)換成客戶希望的另外一個(gè)接口，使得接口不兼容的多個(gè)類可以一起工作。

軟件開發(fā)過程中總是希望復(fù)用一些現(xiàn)成的類，已存在類的功能可能符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，但是它們的接口卻和當(dāng)前的系統(tǒng)不匹配造成不能復(fù)用。一般的做法是逐個(gè)修改這些類的接口，這也是一件很繁瑣的工作。適配器模式能夠從軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上解決這個(gè)問題。適配器模式可以提供一個(gè)接口，直接將現(xiàn)有的模塊加入到新的仿真軟件中去，加快軟件開發(fā)進(jìn)度。

TSDG需要高效可靠的稀疏算法庫，從軟件工程的角度來看，自主重新開發(fā)一套稀疏算法庫是不現(xiàn)實(shí)的，降低了軟件代碼重用和開發(fā)效率，通常的做法是盡可能利用現(xiàn)有成熟的稀疏算法庫。開源免費(fèi)的Sparse庫［10］能夠?qū)崿F(xiàn)對線性稀疏方程組的求解，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，但其接口卻和TSDG不一致。因此在TSDG的實(shí)現(xiàn)過程中采用適配器模式將Sparse庫的接口轉(zhuǎn)換為適合TSDG的接口，實(shí)現(xiàn)了Sparse庫的復(fù)用，這不但大大加快了程序的開發(fā)進(jìn)度，增加了仿真軟件的通用性和可維護(hù)性，也為以后采用其他更為高效的第三方稀疏算法庫［11～14］替換Sparse庫提供了便捷，提高了程序的可維護(hù)性。

圖3給出了基于適配器模式的稀疏算法庫實(shí)現(xiàn)，Target類定義了TSDG所用的接口，Sparse Lib類是已經(jīng)存在的稀疏算法庫，可以是Sparse庫，也可以是其他第三方稀疏算法庫，該庫實(shí)現(xiàn)了稀疏算法的相關(guān)功能，但是其接口與TSDG不匹配，利用Sparse類將Sparse Lib和Target接口進(jìn)行匹配。通過使用適配器模式，在基本不改變原有代碼的基礎(chǔ)上，通過Sparse類調(diào)用Sparse Lib中的相應(yīng)接口來實(shí)現(xiàn)稀疏算法的功能，實(shí)現(xiàn)了原先并不兼容的Sparse Lib類的復(fù)用。

圖3 基于適配器模式的稀疏算法實(shí)現(xiàn)Fig.3 Implementation of sparse algorithm based on adapter pattern

適配器模式主要應(yīng)用于希望復(fù)用一些現(xiàn)存的類，但是接口又與復(fù)用環(huán)境要求不一致的情況，優(yōu)點(diǎn)是提高了類的可復(fù)用性。但是適配器模式的主要場景是擴(kuò)展應(yīng)用，所以在開發(fā)階段不要考慮適配器模式，在該階段通常采用外觀模式。

3.3 策略模式

策略模式是一種對象行為型模式，它定義了一系列的算法，并將它們分別封裝成類，讓它們之間可以相互替換，使得算法可以獨(dú)立于客戶而變化，非常適用于具有算法分支選擇情況的實(shí)例。

針對不同的應(yīng)用場合，分布式發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)仿真的要求也不盡相同，需要在仿真精度和速度上有所側(cè)重，使得暫態(tài)仿真程序通常含有多種算法。如果將多種算法以行為方式和數(shù)據(jù)狀態(tài)靜態(tài)地封裝在一起，不僅使解算類變得龐大復(fù)雜，也不利于算法類的修改和替換。考慮到這些具體的算法類具有同樣的接口，僅是在方法的具體實(shí)現(xiàn)上存在差異，因此TSDG采用策略模式將電氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)和算法分離，并將各個(gè)算法逐個(gè)封裝，使各個(gè)算法之間可以相互切換，實(shí)現(xiàn)算法與算法之間、算法和數(shù)據(jù)之間的解耦。

圖4給出了基于策略模式的電氣系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)，Sim Algorithm為抽象類，提供了各種算法的統(tǒng)一接口，所有具體算法都從該接口派生，Context類使用這個(gè)接口來調(diào)用具體的電氣系統(tǒng)解算算法，而Trapezoid、Backward Euler和Mixed類實(shí)現(xiàn)了具體的算法，分別是梯形積分法，后向歐拉法和梯形法和后向歐拉法的混合算法。使用策略模式后，TSDG將大部分算法統(tǒng)一在同一框架下，只需針對接口Electrical Algorithm進(jìn)行開發(fā)，通過算法與數(shù)據(jù)的分離機(jī)制，提高了算法復(fù)用程度，便于算法的移植，可用于其他電力系統(tǒng)仿真程序的開發(fā)。在具體的應(yīng)用中，由于具體的算法類都是從接口Electrical Algorithm派生的，根據(jù)多態(tài)機(jī)制，只要修改變類名就可以完成電氣系統(tǒng)解算算法的更換，無需大量代碼的更改。顯然，通過使用策略模式大大提高了程序的靈活性。

圖4 基于策略模式的電氣系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)Fig.4 Implementation of electrical system algorithm based on strategy pattern

策略模式通常應(yīng)用于以下場景：①多個(gè)類的區(qū)別僅為表現(xiàn)行為不同，運(yùn)用策略模式在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地選擇具體行為；②需要在不同情況下使用不同的算法；③對客戶隱藏具體算法的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，彼此完全獨(dú)立對于策略模式來說，主要有如下優(yōu)點(diǎn)：①避免程序中使用多重條件轉(zhuǎn)移語句，提高了系統(tǒng)靈活性和擴(kuò)展能力；②提供了一種替代繼承的方法，比繼承更靈活；③增加對象內(nèi)聚性、降低程序耦合性。

但是需要強(qiáng)調(diào)的是，雖然策略模式非常有效，但不應(yīng)該濫用，因?yàn)閿?shù)據(jù)和算法的分離引發(fā)的相互調(diào)用會(huì)影響程序的執(zhí)行性能。

3.4 單例模式

單例模式的意圖是保證一個(gè)類僅有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)訪問它的全局訪問點(diǎn)。對一些類來說，只有一個(gè)實(shí)例是很重要的。單例模式讓類自身負(fù)責(zé)保存它的唯一實(shí)例。這個(gè)類可以保證沒有其他實(shí)例可以被創(chuàng)建，并且它可以提供一個(gè)訪問該實(shí)例的方法。單例模式比較簡單，經(jīng)常用于對系統(tǒng)資源的控制，有時(shí)也會(huì)作為一種通信媒介，在不建立直接關(guān)聯(lián)的條件下讓不相關(guān)的兩個(gè)程序進(jìn)行通信，尤其是多線程。

仿真程序通常需要具備同時(shí)仿真多個(gè)系統(tǒng)的能力，系統(tǒng)解算器是獨(dú)立于系統(tǒng)存在的，對于多個(gè)系統(tǒng)來說，如果每個(gè)系統(tǒng)都實(shí)例化一個(gè)解算器，這就造成資源的浪費(fèi)，所以TSDG中系統(tǒng)解算器采用了單例模式，由解算器類自己負(fù)責(zé)實(shí)例化，并且保證實(shí)例唯一，單個(gè)的解算器可以同時(shí)對多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行解算。

在分布式發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)仿真軟件中，將整個(gè)暫態(tài)仿真系統(tǒng)定義為一個(gè)SimSystem類，該類是分布式發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)仿真中的主類，負(fù)責(zé)軟件中各個(gè)類的協(xié)調(diào)，因此，其實(shí)例應(yīng)該是唯一的，為了保證只有一個(gè)SimSystem的實(shí)例存在，TSDG使用了單例模式。

圖5 基于單例模式的系統(tǒng)解算器實(shí)現(xiàn)Fig.5 Implementation of system solver based on singleton pattern

圖5給出了基于單例模式的系統(tǒng)解算器實(shí)現(xiàn)，SimSystem類是TSDG中的主類，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真功能，在具體的應(yīng)用中，SimSystem類定義一個(gè)GetInstance靜態(tài)方法，以及一個(gè)靜態(tài)屬性，類型為SimSystem類的實(shí)例。GetInstance方法創(chuàng)建了SimSystem的唯一實(shí)例，可以嚴(yán)格地控制客戶對其的訪問。

單例模式使得整個(gè)軟件運(yùn)行過程中都只有一個(gè)實(shí)例，減少了內(nèi)存和系統(tǒng)的開銷，并且可以在系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)全局的訪問點(diǎn)，優(yōu)化和共享資源訪問，但是單例模式?jīng)]有接口，很難擴(kuò)展，違背了開放原則。

4 結(jié)語

分布式發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)過程的研究需要相應(yīng)仿真計(jì)算工具的支持。分布式發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序TSDG的開發(fā)不僅是對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真程序應(yīng)用范圍的拓展，同時(shí)也引入了很多新技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜非線性系統(tǒng)的準(zhǔn)確、快速仿真。基于現(xiàn)代軟件架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)C＋＋程序設(shè)計(jì)語言開發(fā)的TSDG更好地支持了面向?qū)ο笏枷肱c設(shè)計(jì)模式，這是基于Fortran語言開發(fā)的EMTP等程序所不能比擬的。與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真程序的開發(fā)不同，當(dāng)前已具有許多成熟的開源的算法庫，程序開發(fā)人員可以充分利用這些基礎(chǔ)條件，減少軟件開發(fā)的工作量，并更專注于專業(yè)軟件本身的開發(fā)，此時(shí)需要清晰明確的程序接口。同時(shí)，對于分布式發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性仿真與潮流計(jì)算等其他功能的仿真計(jì)算程序，而這些程序從仿真計(jì)算功能到基礎(chǔ)計(jì)算資源的需求與TSDG是非常接近的，在一些情況下，TSDG甚至可能需要與穩(wěn)定性仿真或潮流計(jì)算程序交換數(shù)據(jù)與信息，這都使得暫態(tài)仿真程序的架構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。此時(shí)，面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)模式為上述問題的解決提供了有效的方法。

本文以工廠方法模式、適配器模式、策略模式和單例模式為例描述了面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)模式在分布式發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序TSDG中的應(yīng)用。TSDG的開發(fā)實(shí)現(xiàn)基于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，廣泛采用設(shè)計(jì)模式理論，實(shí)現(xiàn)了模塊間的低耦合和模塊內(nèi)部的高內(nèi)聚，提高了程序的可維護(hù)性和可復(fù)用性，能夠應(yīng)對功能需求的變化。TSDG中多種設(shè)計(jì)模式的應(yīng)用和集成方法具有一定的通用性，可作為其他電力系統(tǒng)仿真軟件開發(fā)的參考。

［1］ Brooks N，Baldwin T，Brinson T，et al.Analysis of fuel cell based power systems using EMTDC electrical power simulator［C］∥The 36th Southeastern Symposium on System Theory.Atlanta，USA：2004.

［2］ 郭力，王成山（Guo Li，Wang Chengshan）.含多種分布式電源的微網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真（Dynamical simulation on microgrid with different types of distributed generations）［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化（Automation of Electric Power Systems），2009，33（2）：82－86.

［3］ 李鵬（Li Peng）.分布式發(fā)電供能微網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)仿真方法研究（Research on the Transient Simulation Methodology of Micro－grid Powered by Distributed Energy Resources）［D］.天津：天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院（Tianjin：School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University），2010.

［4］ 王成山，李鵬，王立偉（Wang Chengshan，Li Peng，Wang Liwei）.配電系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真算法分析（A－nalysis of electromagnetic transients simulation algorithm for distribution systems）［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU－EPSA），2008，20（6）：1－5.

［5］ Bob T.Some object－oriented design principles［EB／OL］.http：／／userpages.umbc.edu／～tarr／dp／lectures／OOPrinciples.pdf，2010.

［6］ Martin R C.Design principles and design patterns［EB／OL］.http：／／www.objectmentor.com，2000.

［7］ Prieto－Diaz R.Status report：Software reusability［J］.IEEE Software，1993，10（3）：61－66.

［8］ Di Felice P.Reusability of mathematical software：A contribution［J］.IEEE Trans on Software Engineering，1993，19（8）：835－843.

［9］ Zhou E Z.Object－oriented programming，C＋＋and power system simulation［J］.IEEE Trans on Power Systems，1996，11（1）：206－215.

［10］Kundert K S.Sparse 1.3－A sparse linear equation solver［EB／OL］.http：／／www.netlib.org／sparse／，1986.

［11］Demmel J W，Gilbert J R，Li X S.Super LU users＇guide［EB／OL］.http：／／crd.lbl.gov／～xiaoye／Super LU／，2009.

［12］Intel Corporation.Intel math kernal library for windows OS users＇guide［EB／OL］.http：／／www.intel.com／software／products／，2009.

［13］Tim D.SuiteSparse／UMFPACK［EB／OL］.http：／／www.cise.ufl.edu／research／sparse／umfpack／，2011.

［14］Tim D.SuiteSparse／KLU［EB／OL］.http：／／www.cise.ufl.edu／research／sparse／klu／，2011.