基于組件模型技術(shù)的變電站監(jiān)控及預(yù)測軟件設(shè)計(jì)

崔靜安 ，周 通 ，趙紅慶 ，盧 慧 ，鐘金柱

（1.國網(wǎng)西安供電公司陜西西安710000；2.北京許繼電氣有限公司北京100000）

隨著國民經(jīng)濟(jì)水平的提高，社會(huì)各界對(duì)于電力的需求不斷增強(qiáng)，各行業(yè)對(duì)電力質(zhì)量提出更高的要求。變電站在電網(wǎng)中的承擔(dān)著傳輸電能及分配任務(wù)的重任，但常規(guī)變電子一般存在安全性不高、實(shí)時(shí)計(jì)算不高、維護(hù)量大等問題。隨著通信、電子等技術(shù)的快速發(fā)展，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)也迎來快速發(fā)展期。變電站監(jiān)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化的核心，變電站監(jiān)控及預(yù)測軟件主要功能是實(shí)時(shí)采集、分析并對(duì)這些量進(jìn)行處理，為工作人員提供觀測數(shù)據(jù)的窗口。此外，操作人員可以依托監(jiān)控及預(yù)測軟件向現(xiàn)場測控設(shè)備下達(dá)命令，從而達(dá)到控制變電站運(yùn)轉(zhuǎn)的效果。近些年，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及應(yīng)用，跨越平臺(tái)分布式應(yīng)用要求被提出來，這就需要一種可以實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)用，也滿足分布式計(jì)算應(yīng)用要求新型的軟件開發(fā)方式。上述背景下，組件模型技術(shù)順勢而生。組件作用一種能夠重復(fù)運(yùn)用的構(gòu)建，它作為預(yù)先構(gòu)建的一段經(jīng)過封裝處理的程度代碼，它能夠與部分組件及代碼組合起來，快速形成一個(gè)具有定制功能的應(yīng)用程序。組件模型技術(shù)則在是基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)后軟件工程領(lǐng)域的又一次飛躍，它具有重用性、分布式等特點(diǎn)，可以快速構(gòu)造靈活、具有擴(kuò)展功能的應(yīng)用系統(tǒng)。文中根據(jù)變電站的實(shí)際需求，提出依托組件模型技術(shù)如何設(shè)計(jì)變電站監(jiān)控及預(yù)測軟件，以推動(dòng)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)邁入新的發(fā)展階段。

1 組件對(duì)象模型技術(shù)

組件對(duì)象模型（Component Object Model，DCOM）是由微軟公司研發(fā)的二進(jìn)制通信規(guī)范，主要作用是軟件組建之間跨越不同進(jìn)程、計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)完成操作，這種技術(shù)也是具有開放性、跨平臺(tái)特征的客戶服務(wù)器開發(fā)技術(shù)[1-2]。分布式組件對(duì)象模型（Distributed COM，DCOM）則是COM無縫擴(kuò)展形式，確保其可以支持廣域、局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上不同計(jì)算機(jī)對(duì)象之間的通訊。同時(shí)，運(yùn)用DCOM能保障應(yīng)用程序在物理空間順利實(shí)現(xiàn)分布，以此滿足客戶及實(shí)際應(yīng)用需求。

COM對(duì)組件服務(wù)器與客戶間的作用方式進(jìn)行定義，促使組件服務(wù)器和客戶不需要設(shè)置中介軟件就能實(shí)現(xiàn)聯(lián)系[3]。客戶進(jìn)程則利用COM所提供的接口直接調(diào)用組件服務(wù)器的方法，其中，接口是集合在相同名稱下相關(guān)方法的結(jié)合，組件之間的通訊也是基于接口實(shí)現(xiàn)。因操作系統(tǒng)內(nèi)各進(jìn)程間具有相互屏蔽的作用，如果一個(gè)客戶進(jìn)程與另一各進(jìn)程內(nèi)的組件通訊時(shí)，不需要直接調(diào)用這個(gè)進(jìn)程，而要按照操作系統(tǒng)對(duì)進(jìn)程之間的通訊進(jìn)行約定[4]。此外，COM能提供某種透明的方法實(shí)現(xiàn)通訊。必須注意，COM只有創(chuàng)建客戶與服務(wù)器間的連接方可順利運(yùn)行，連接建立后它會(huì)自動(dòng)退出。客戶與組建服務(wù)在不同機(jī)器上的運(yùn)行如圖1所示。

圖1 各機(jī)器上客戶與組件通信過程

2 軟件主要模塊及接口設(shè)計(jì)

變電站監(jiān)控及預(yù)測模塊運(yùn)用C/S和B/S相結(jié)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，基于這種結(jié)構(gòu)下，對(duì)軟件功能模塊進(jìn)行劃分并設(shè)計(jì)合理的接口尤為重要。業(yè)務(wù)層作為整個(gè)系統(tǒng)的核心層，其主要功能是對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時(shí)管理及維護(hù)，從而完成大部分業(yè)務(wù)處理[8]。進(jìn)行軟件模塊劃分要求各功能相關(guān)獨(dú)立且界面清晰，監(jiān)控及預(yù)測軟件劃分情況見圖2。

圖2 監(jiān)控及預(yù)測軟件具體模塊

2.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)及事務(wù)均有定時(shí)特性或顯示定時(shí)限制的數(shù)據(jù)庫，也是綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的核心。通常來說，因其對(duì)實(shí)時(shí)性有較高的要求，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫一般較小，常依據(jù)具體應(yīng)用狀況進(jìn)一步確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成。數(shù)據(jù)點(diǎn)作為一組數(shù)據(jù)值集合，也是設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的核心。在這種數(shù)據(jù)庫內(nèi)，用戶操縱主要對(duì)象是點(diǎn)，系統(tǒng)能夠以點(diǎn)為單位存儲(chǔ)各類信息[9]。因此，對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)合理抽象尤為重要。本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控及預(yù)測軟件中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫主要包含遙測量、事件記量及遙信量等數(shù)據(jù)點(diǎn)，并把這些量實(shí)時(shí)類抽象處理，以此組成相應(yīng)的變量類圖（圖3）。這些數(shù)據(jù)量能夠滿足監(jiān)控及預(yù)測軟件的要求，為便于進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和訪問，需要合理組織各變量。本次設(shè)計(jì)中，把變量以設(shè)備為基本單位完成組織，每一個(gè)現(xiàn)場IED設(shè)備全部測量及控制變量均已變量鏈表的方式由CTcsUnit類派生出與之對(duì)應(yīng)的類展開管理。對(duì)所有中間變量、虛擬變量等均通過虛擬單元類（CTcsUnit Virtual）實(shí)現(xiàn)管理，這種組織結(jié)構(gòu)不僅清晰，也便于展開訪問和操作處理。

2.2 設(shè)計(jì)合理的組件接口

DCOM組件開發(fā)是基于對(duì)接口實(shí)現(xiàn)的條件下，各組件間的接口則是設(shè)計(jì)組件軟件的關(guān)鍵。由于接口是實(shí)現(xiàn)雙方通信的前提，一個(gè)應(yīng)用程序由多數(shù)COM組件組成，每個(gè)組件均可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)接口[10]。通常情況下，客戶和組件間的通信是依托接口調(diào)用組件對(duì)象提供的功能實(shí)現(xiàn)，這屬于單向的通信模式，客戶一直是積極主動(dòng)的，組件則時(shí)刻處在被動(dòng)狀態(tài)。但有時(shí)候組件也要主動(dòng)與客戶進(jìn)行通信，如：若組件某個(gè)狀態(tài)出現(xiàn)明顯改變，要及時(shí)通知客戶具體情況，這就需要客戶與組件間創(chuàng)建雙向的連接[11]。可以創(chuàng)建雙向連接組建的對(duì)象被稱作源對(duì)象，其主要支持入和出兩種接口。入接口為客戶發(fā)出請求組件功能的接口，出接口則是組件對(duì)象與客戶實(shí)現(xiàn)通信的接口[12]。必須注意，出接口并非由組件對(duì)象實(shí)現(xiàn)，而是要依賴客戶程序完成。客戶接收器及可連接對(duì)象具體關(guān)系見圖4。所設(shè)計(jì)的監(jiān)控及預(yù)測軟件中監(jiān)控服務(wù)其主要包含訂單管理、事件及設(shè)備服務(wù)器電燈組件。其中，事件服務(wù)器組件主要處理事件通知，與客戶進(jìn)行雙向通信。

圖3 系統(tǒng)變量分類圖

圖4 客戶與可連接對(duì)象的關(guān)系效果圖

2.3 圖形組態(tài)設(shè)計(jì)

圖形是變電站監(jiān)控及預(yù)測軟件不可缺少的一部分，操作人員能夠依托直觀的監(jiān)控畫面了解變電站監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并適當(dāng)調(diào)整其參數(shù)，從而提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和效率。此外，圖片展現(xiàn)部分?jǐn)?shù)值及開關(guān)狀態(tài)以外，有時(shí)還需要將部分異常狀態(tài)給予特別顯示，例如：閃爍等[12]。因此，設(shè)備功能強(qiáng)大、操作簡單的圖形組態(tài)在一定程度上影響變電站監(jiān)控及預(yù)測軟件的使用。為達(dá)到上述要求，該軟件圖形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)用組合與裝飾設(shè)計(jì)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方式。其中，組合模式旨在運(yùn)用遞歸的方法把對(duì)象組合為樹狀，以此代表各對(duì)象間復(fù)雜的整體—部分的關(guān)系[13]。使用這種模式，用戶能夠?qū)⒍鄶?shù)簡單的對(duì)象組成部分較大的組合對(duì)象，這些組合對(duì)象也能繼續(xù)組合為更復(fù)雜的對(duì)象，以此類推，就能采用簡單的對(duì)象組合為多層次、復(fù)雜的對(duì)象。組合模式基本結(jié)構(gòu)如圖6所示，由改圖可知，該模式主要包含部件、客戶對(duì)象等參與者組成。運(yùn)用組合設(shè)計(jì)模式，能實(shí)現(xiàn)只提供部分簡單元圖，依托對(duì)元圖的組合組成相對(duì)復(fù)雜的組合圖，促使圖形組態(tài)系統(tǒng)具有組態(tài)任意復(fù)雜監(jiān)控畫面的能力[14]。此外，開展圖形組態(tài)操作時(shí)，自定義圖元能夠像簡單圖元一樣直接應(yīng)用，依托自定義圖元，使用者能夠定義自己的圖元庫，便于開展圖形組態(tài)操作，有效節(jié)省軟件工程開發(fā)時(shí)間。裝飾模式是指動(dòng)態(tài)的為某個(gè)對(duì)象增加一系列額外的職責(zé)。有時(shí)使用者希望為某個(gè)對(duì)象并非整個(gè)類添加部分功能。如：一個(gè)圖形用戶界面工具箱支持對(duì)任意用戶界面組件增添特征或者行為，又如：邊框[15]。依據(jù)監(jiān)控及預(yù)測軟件配置和實(shí)際監(jiān)控需求，監(jiān)控圖片內(nèi)部分反映關(guān)鍵監(jiān)測量及狀態(tài)圖元的顯示效果，裝飾模式能為實(shí)現(xiàn)這種功能提供行之有效的解決方案。

圖5 組合模型結(jié)構(gòu)簡圖

2.4 虛擬模擬及多狀態(tài)量設(shè)計(jì)

在變電站監(jiān)控及預(yù)測軟件中，除需要直接對(duì)下位機(jī)上傳的監(jiān)測量進(jìn)行采集以外，還要對(duì)部分無法通過智能設(shè)備直接上傳的數(shù)據(jù)量進(jìn)行監(jiān)控，但這些量依托智能設(shè)備上傳多個(gè)變量計(jì)算獲得。對(duì)操作人員來說，這些計(jì)算量應(yīng)該與一般系統(tǒng)變量的應(yīng)用一樣方便，但因這些變量是利用系統(tǒng)變量算術(shù)運(yùn)算獲得的，但這種運(yùn)算并不確定，因此，需要為這些變量設(shè)計(jì)一種組態(tài)及解析方式。

1）虛擬模擬量是模擬量依據(jù)算術(shù)運(yùn)算最終獲取的數(shù)據(jù)點(diǎn)，借助虛擬模擬量組態(tài)工具，對(duì)虛擬模擬量的運(yùn)算公式進(jìn)行定義，虛擬模擬量存儲(chǔ)自己的組態(tài)數(shù)據(jù)。實(shí)際運(yùn)行中，虛擬模擬量被添加至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫虛擬設(shè)備空間內(nèi)，當(dāng)做虛擬設(shè)備的計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過相應(yīng)的解析求解得到與變量對(duì)應(yīng)的數(shù)值。如此一來，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫能夠?qū)θ奎c(diǎn)實(shí)時(shí)統(tǒng)一處理，無需進(jìn)一步了解虛擬模擬量的額外信息。此外，組態(tài)信息需要依托一個(gè)公式解析器完成解析操作，具體流程見圖6。

圖6 公式解析流程簡圖

2）目前，多數(shù)IED對(duì)現(xiàn)場設(shè)備開關(guān)情況監(jiān)測用0和1兩種狀態(tài)代表開關(guān)量，并上傳至上位監(jiān)控軟件中[16]。這兩種狀態(tài)開關(guān)量對(duì)大多數(shù)只有兩種狀態(tài)的設(shè)備能夠滿足具體要求，例如：斷路器、分閘及分閘。但也有一些設(shè)備的狀態(tài)明顯多于兩個(gè)，如：直流屏實(shí)際運(yùn)行包含均沖、放電、故障及浮沖這四種情況，此時(shí)，傳統(tǒng)兩個(gè)狀態(tài)開關(guān)量無法真實(shí)反應(yīng)這些狀態(tài)。如今，多數(shù)IED難以直接向監(jiān)控軟件提供多狀態(tài)表示，但可運(yùn)用多個(gè)兩狀態(tài)開關(guān)量進(jìn)行代表，隨之傳送至上位監(jiān)控系統(tǒng)，通過上位監(jiān)控軟件對(duì)多個(gè)兩狀態(tài)開關(guān)量實(shí)施組合處理，準(zhǔn)確表示設(shè)備的多種狀態(tài)。因此，虛擬多狀態(tài)量也就是計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)，參與運(yùn)行的對(duì)象為兩狀態(tài)開關(guān)量，運(yùn)行操作則屬于邏輯運(yùn)算。虛擬多狀態(tài)量和模擬量的組態(tài)過程基本相同，因無需考慮復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算，虛擬多狀態(tài)量公式解析更簡單。了解到開關(guān)量組合內(nèi)狀態(tài)數(shù)并不會(huì)過多，且代表狀態(tài)的值不存在實(shí)在意義，僅僅代表不同的狀態(tài)。因此，開展公式組態(tài)操作時(shí)，假定狀態(tài)數(shù)不超過256種，即：參與邏輯運(yùn)算的數(shù)量不大于8個(gè)，這種情況下[17]，只要對(duì)參與運(yùn)算的開關(guān)量實(shí)施排列組合運(yùn)算即能滿足實(shí)際要求，有利于進(jìn)一步簡化公式解析過程。

3 結(jié) 論

綜上所述，組件模型技術(shù)因具有能夠獨(dú)立開發(fā)各組件、維護(hù)效率高等優(yōu)勢，受到多數(shù)軟件開發(fā)人員的青睞。本文依托組件模型就似乎開發(fā)一款用于變電站的監(jiān)控及預(yù)測軟件，并詳細(xì)介紹該軟件數(shù)據(jù)庫、圖形組態(tài)、接口等方面的設(shè)計(jì)情況，以期為類似研究提供一定參考。