基于RUP“4+1”视图建模及设计模式的整定计算软件设计.pdf

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1、基于RUP“4+1”视图建模及设计模式的整定计算软件设计杨 洋1,吕飞鹏1,廖小君2(1.四川大学电气信息学院,四川省成都市610065;2.四川电力职业技术学院,四川省成都市610072)摘要:针对现有整定计算软件系统设计和开发时的缺点和不足,提出采用Rational统一过程(RUP)“4+1”视图法对系统进行宏观描述及建模。从系统需求及功能分析出发,通过4种视图实现了对整定计算软件从逻辑功能分析到物理部署的全面规划,并运用设计模式实现了逻辑视图中的设备图元建模、整定计算原则、网络拓扑分析和数据库访问等功能模块,提高了系统的逻辑复用性、扩展性和可维护性。关键词:“4+1”视图建模;设计模式;

2、整定计算软件;电力系统中图分类号:TM744收稿日期:2008207217;修回日期:2008210214。0 引言继电保护整定计算软件作为智能、高效的计算辅助工具,目前在电力系统中得到了广泛应用。随着电力系统的飞速发展、电网规模不断扩大,系统复杂度越来越高,早期采用面向过程设计思想开发的系统已 逐渐被采用 面向 对象 设计 思 想、基 于Windows的可视化软件128所取代。由于整定计算软件的规模和复杂度随电网发展不断增加,系统开发变得效率低、周期长、不易维护和扩展,因此,有必要采用先进的软件工程思想,从需求分析到物理部署对系统进行全面的建模分析。本文从用例分析出发,提出了运用Ration

3、al统一过程(RUP rational unified process)“4+1”视图法分别从逻辑视图、开发视图、处理视图、物理视图对整定计算软件系统建模。从功能逻辑分析、框架及类库的使用、运行时各功能模块调用以及消息传递、物理部署等对系统进行分解,分析了逻辑视图中设备图元建模、整定计算原则实现、网络拓扑分析、数据库访问等功能模块的特点,提出了基于设计模式9213的解决方案,提高了软件的复用性、扩展性和可维护性。1 系统用例分析用例分析是定义整定计算软件系统功能、获取系统需求的有效手段。系统需求有效地表征了其设计特性、特征和行为,同时也描述了期望的系统功能。如图1所示,系统主要用例包括以下内容

4、:1)系统参数设置:主要包括对系统参数(基准电压、运行方式等)、设备图元参数(发电机、变压器、线路等)、保护参数等实现查询、修改、存储等功能。2)图元编辑:实现设备图元的选取、移动、复制、粘贴、删除、旋转、组合等功能。3)主接线绘制:设备图元直接连接或通过辅助连线相连,形成系统网络主接线图。4)拓扑分析:实现网络拓扑连接有效性检验、网络拓扑结构自动分析、自动生成正序和零序网络图并自动建立整定计算模型;实现各序网节点、支路编号,并建立各序网之间设备对应关系。5)故障分析:实现母线及线路任意点发生短路时系统短路电流、电压的计算。6)整定计算:实现各种电压等级线路相间短路电流、电压保护,以及相间距离

5、、接地距离、零序电流保护等整定计算原则;实现不同厂家设备的保护装置级定值整定和定值管理。图1 系统用例Fig.1Use case of system2“4+1”视图建模为了实现复杂的系统需求,采用“4+1”视图法14进行建模,实现对系统从整体到部分最高层次的划分,明确各个架构元素的功能和作用。模型从系统用例分析即场景视图出发,以4种角度描述系75第33卷 第2期2009年1月25日Vol.33No.2Jan.25,2009 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:

6、/统,其结构如图2所示。图2“4+1”视图模型Fig.2The“4+1”view model2.1 逻辑视图逻辑视图描述了系统的逻辑实现和功能需求,是系统建模的核心。根据用例分析,对系统功能进行大粒度的划分,得到如图3所示的系统逻辑视图。其中:表示层实现系统主接线图绘制,实现设备图元、正序、零序拓扑图显示,以及实现用户功能模块接口;业务规则层实现正序、零序拓扑分析,节点阻抗矩阵形成、故障计算以及整定计算原则;数据访问层实现对数据库查询、修改、删除、更新等功能。图3 系统逻辑视图Fig.3Logical view of system2.2 开发视图开发视图包括软件的源程序,以及使用的第三方系统开

7、发套件(SDK)、框架及类库,如图4所示。表示层使用COM+组件OWC11以EXCEL形式自动生成定值单,使用第三方SDK实现程序主界面。业务规则层使用SharpZipLib对序列化后的图元对象在数据库中的压缩存储。数据访问层使用SQLDBProvider,OracleDBProvider支持对不同数据库的访问。图4 系统开发视图Fig.4Development View of System2.3 处理视图处理视图关注软件系统中的对象、线程、进程以及系统各功能模块之间的消息通信和单元交互。图5中,表示层的主窗体代表系统的主线程,负责与用户交互。业务规则层采用独立线程接受来自表示层的控制,调用相

8、应逻辑处理模块实现如拓扑分析、故障分析、整定计算、设备图元管理等功能,并把运算结果以消息的方式发送回表示层。数据访问层接受上层消息,负责访问数据库。图5 系统处理视图Fig.5Process view of system2.4 物理视图物理视图关注目标程序及其依赖的运行库在目标物理机器上的部署,以及目标程序静态位置问题,它是综合考虑软件系统和整个IT系统相互影响的架构视图。3 基于设计模式的逻辑视图实现在“4+1”视图模型中,逻辑视图是实现系统逻辑和功能、满足用户需求的关键,其实现的好坏直接影响系统的逻辑功能、复杂度以及可维护性。因此,在实现逻辑视图时,除了运用传统面向对象的方法,可以使用设计

9、模式15封装系统变化点,使各个模块之间具有松耦合、逻辑复用等特点。3.1 设备图元建模系统接线图是图形化整定计算软件的基础,为拓扑分析、故障分析、整定计算提供物理模型,系统图形建模需考虑设备图元的特点和模型的扩展性、复用性。设备图元可由多个基本图元组合而成,如图6所示的变压器图元,包含文字、连接线、连接点、圆等基本图元以及星形、三角形绕组等复杂图元。图6 三绕组变压器示意图Fig.6Three2winding transformer852009,33(2)1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All right

10、s reserved.http:/Composite模式15用于表示“部分整体”的层次结构,可以用来描述图元之间的递归组合关系。运用Composite模式对系统设备图元建模,如图7所示。基本图形如线、圆、文字等作为叶节点从根节点基类GraphicObject继承。子类ShapeGraphic与GraphicObject类之间具有一对多的聚合关系,作为设备图元的父类派生出母线、输电线路、断路器、发电机、变压器等子类。Composite模式解耦了复杂图元结构,提高了图元模型的适应性、复用性。图7Composite模式实现图元建模Fig.7G raphic modeling using compos

11、ite pattern3.2 整定计算原则实现整定计算原则的实现是系统业务规则层的核心,计算保护定值时常常需要同时考虑多个计算原则。传统方法在客户端实现所有的整定原则,利用条件语句选择计算原则,导致客户端代码直接耦合计算业务逻辑,可读性差、难以扩展。Strategy模式15定义并封装一系列的算法,并且使它们可互相转换,因此可运用策略模式实现具体整定计算原则算法。以相间距离 段为例,如图8(a)所示,其整定原则分别由计算原则公共接口类Strategy的子类实现,Strategy定义各个计算原则子类必需的公用接口。图8(b)中,客户端程序Context先初始化Strategy接口,再通过Strat

12、egy接口实例化具体整定原则。Strategy模式屏蔽了不同原则算法的差异,客户端不涉及算法的具体实现,算法的增减、修改都不会影响客户端,使算法独立于使用它的客户而变化,易于扩展,便于同时定制多个整定原则计算。图8Strategy模式的应用Fig.8Application of strategy pattern3.3 网络拓扑分析拓扑分析是图形化故障分析和整定计算的基础。进行拓扑分析时,需要遍历系统设备图元集合,因此,需要实现一种能够存储设备图元并提供遍历内部数据机制的集合对象。Iterator模式15提供遍历集合内部数据对象的行为,并将遍历行为与集合对象分离。图9中,母线、发电机、变压器迭代

13、器类分别继承自Iterator接口类,实现通过遍历系统设备图元集合得到发电机、变压器、母线等设备集合。母线、发电机、变压器集合对象继承自List类。图9Iterator模式在拓扑分析中的应用Fig.9Application of Iterator pattern in topologyanalysis3.4 数据库访问数据访问层的设计直接影响系统业务规则层的访问以及系统的扩展性和维护难度。为了实现对常用数据库MS SQL Server、Oracle的支持,可采用抽象工厂(Abstract Factory)模式15封装数据访问层。抽象工厂模式为创建一系列相关对象提供了统95 研制与开发 杨 洋,

14、等 基于RUP“4+1”视图建模及设计模式的整定计算软件设计 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/一接口,上层应用只需调用该接口即可,从而可封装和隔 离 变化,使 上层 代码 稳 定。图10(a)中,DBProvider封装具体数据工厂类SQLDBProvider和OracleDBProvider,提供上层客户代码访问的接口,具体工厂类包含访问具体数据库的逻辑。图10(b)中,当客户端对SQL Server进行Update操作时,通过SQLDBProvide

15、r实现对SQLUpdate类的实例化和调用。图10Abstract Factory模式的应用Fig.10Application of Abstract Factory4 结语针对整定计算软件系统的发展现状,提出了基于RUP“4+1”视图的系统建模方法,实现了设备图元建模、整定计算原则实现、网络拓扑分析和数据库访问模块,提高了系统的可靠性、扩展性。该软件目前已在多个电业局成功投入使用。参 考 文 献1 FOLEY M,BOSE A,MITCHELL W,et al.An object basedgraphical user interface for power systems.IEEE Tra

16、ns onPower Systems,1993,8(1):972104.2 FOLEY M,BOSE A.Object2oriented online network analysis.IEEE Trans on Power Systems,1995,10(1):1252132.3 ZHOU E Z.Object2oriented programming,C+and powersystem simulation.IEEE Trans on Power Systems,1996,11(1):2062215.4 DZAFIC I,ALVARADO F L,GLAVIC M,et al.Compon

17、entbased approach to power system applications development/Proceedings of the 14th Power System Computation Conference,June 24228,2002,Sevilla,Spain.5刘志超,黄俊,承文新.电网继电保护及故障信息管理系统的实现.电力系统自动化,2003,27(1):72275.LIU Zhichao,HUANGJun,CHENG Wenxin.Implementationof management information system for protective

18、 relaying andfault recorder.Automation of Electric Power Systems,2003,27(1):72275.6王慧芳,姚勇,何奔腾,等.电网继电保护整定计算软件的实用性研究.电力系统自动化,2004,28(21):85288.WANG Huifang,YAO Yong,HE Benteng,et al.Practicalitystudy of a protection setting calculation software.Automation ofElectric Power Systems,2004,28(21):85288.7 D

19、ZAFIC I,GLAVIC M,TESNJAK S.A component2basedpower system model2driven architecture.IEEE Trans on PowerSystems,2004,19(4):210922110.8 DZAFIC I.An object2oriented graphical framework for powersystem analysis/Proceedings ofInternational Conference onPower Engineering,Energy and Electrical Drives,April

20、12214,2007,Setuba,Portugal.9 BOUCHARDDE,KNIGHTG S,CHIKHANIAY.Representingpowerdistributionsystemusing objectsandpatterns/ProceedingsofIEEECanadianConferenceonElectrical and Computer Engineering:Vol 2,May 24228,1998,Waterloo,Canada.Piscataway,NJ,USA:IEEE,1998:8462849.10 ZHU J,JOSSMAN P.Application of

21、 design patterns for objectoriented modeling of power systems.IEEE Trans on PowerSystems,1999,14(2):5322537.11 SELVAN M P,SWARUP K S.Development of power flowsoftwareusingdesignpatterns.IEEETransonPowerSystems,2006,21(2):112321128.12王康元,黄武浩,刘宇,等.设计模式在电网监控系统软件框架设计中的应用.电力系统自动化,2003,27(13):50253.WANGKa

22、ngyuan,HUANGWuhao,LIUYu,etal.Application of design pattern in software framework of powersystem supervisory and control.Automation of Electric PowerSystems,2003,27(13):50253.13桂勋,刘志刚,钱清泉.基于模式的电力系统通用可扩展故障分析软件系统.电力系统自动化,2007,31(15):992102.GUI Xun,LIU Zhigang,QIAN Qingquan.General extensiblefault analy

23、sis software for power system based on patterns.Automation of Electric Power Systems,2007,31(15):992102.14 KRUCHTEN P.The 4+1 view model of architecture.IEEESoftware,1995,12(6):42250.15 GAMMA E,HELM R,JOHNSON R,et al.Design patterns2elements of reusable object2oriented software.Reading,MA,USA:Addiso

24、n Wesley,1995.杨 洋(1982),男,通信作者,硕士研究生,主要研究方向:电力系统继电保护。E2mail:snowdyalan 吕飞鹏(1968),男,博士,教授,主要研究方向:电力系统继电保护和故障信息处理智能系统。E2mail:fp.lu 廖小君(1974),男,硕士,讲师,主要研究方向:电力系统继电保护。(下转第77页 continued on page 77)062009,33(2)1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/该曲线兼顾了接收灵

25、敏度和测量范围,测量范围可以达 到-35 dBm-8dBm,测 量 精 度 达110 dBm,满足继电保护光纤装置的要求。3 应用该功率测量电路已经应用到RCS2900系列光纤差动保护装置中,完成了相关试验工作,完善了保护装置对光信号的测量功能,通过液晶显示器可以显示出实时的收信光功率。当收信光功率过高、过低时,可以通过报文、指示灯给出提示或告警,收信的高、低门槛可以通过软件预置或整定。参 考 文 献1曹更新,王芊.提高数字接口设备抗干扰性能的措施.电力自动化设备,2007,27(4):1242126.CAOGengxin,WANG Qian.Measurestoimproveanti2jam

26、ming performance of digital interface devices.Electric PowerAutomation Equipment,2007,27(4):1242126.2金华锋.复用通道误码和延时对线路纵差保护的影响.电力系统自动化,2005,29(21):63266.JIN Huafeng.Effect of bit error and transmission delay ofmultiplex channel on line current differential relay.Automationof Electric Power Systems,200

27、5,29(21):63266.3王芊,金华锋,石铁洪,等.用于差动保护的E1速率通信接口.电力系统自动化,2003,27(7):55257.WANG Qian,J IN Huafeng,SHI Tiehong,et al.Research ofE1 interface used in current differential protection.Automationof Electric Power Systems,2003,27(7):55257.4杨家桂,钟跃明.基于对数比率放大电路的光功率测量.电光与控制,2006,13(1):1102112.YANGJiagui,ZHONG Yuem

28、ing.Optical power measurementbased on log2ration amplifier.Electronic Optics&Control,2006,13(1):1102112.王 芊(1967),男,通信作者,硕士,高级工程师,主要研究方向:电力系统继电保护。E2mail:qianwang 刘国伟(1978),男,硕士,工程师,主要研究方向:电力系统继电保护。E2mail:liugw 曹更新(1979),男,硕士,工程师,主要研究方向:电力系统继电保护。E2mail:caogx Online Measurement of Optical Power and It

29、s ApplicationsWA N G Qian,L IU Guowei,CAO Gengxin,Z HAO Qingchun,DON G Yunf ei(Nanjing NARI2Relays Electric Co.Ltd.,Nanjing 211102,China)Abstract:Fiber protection equipment must usually measure the optical transmitted power and received power,check theattenuation and judge whether the received power

30、 is in normal condition,which asks for considerable workload and often resultsin man2made errors.In order to overcome these shortcomings,this paper presents an online measuring method of opticalpower.With the fiber protection equipment,the received power can be measured without disconnecting the fib

31、er,more quicklyand with less harm done to the fiber channel.Key words:optical power meter;online measurement;optical coupling;responsivity(上接第60页 continued from page 60)Relay Coordination Softw are Development Based on RUP“4+1 View Modeling and Design PatternsYA N G Yang1,LFeipeng1,L IAO Xiaojun2(1.

32、Sichuan University,Chengdu 610065,China;2.Sichuan Electric Power Vocational Technical College,Chengdu 610072,China)Abstract:Considering the defects of design and practical development of the relay coordination software,the rational unifiedprocess(RUP)“4+1 view method is proposed to make a macroscopi

33、c description and modeling.By proceeding from thesystem demand and function analysis,a comprehensive planning process is made from logical function analysis to physicaldeployment through four view modeling with the design patterns applied to achieve four function modules in logical view,namely,equip

34、ment graphic modeling,network topology analysis,setting calculation principle and database access,whichprovide greater logical reusability,expansibility and flexibility of the system.Key words:“4+1 view modeling;design pattern;relay coordination software;power system77 研制与开发 王 芊,等 光功率在线测量方法及应用 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/