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变电站自动化系统通用数据服务软件平台研究 |
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| 变电站自动化系统通用数据服务软件平台研究 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 17:36:43  |
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摘 要: 针对变电站自动化系统结构复杂、功能众多的特点，提出一种用于变电站自动化系统的通用数据服务软件平台。该平台通过组织、管理变电站系统的数据，提供数据服务，使各应用系统能专注于自己功能的实现，简化了应用系统的开发。在软件平台的开发过程中，采用面向对象、组件和软总线等技术，不仅提高了软件的复用性和系统的灵活性，而且具有接口的透 明性和开放性。最后在微软Studio.Net集成开发环境下，使用Visual C++.Net语言开发了本通用数据服务软件平台。
关键词: 变电站自动化; 组件; 面向对象; 软总线
1 引言
变电站自动化系统的使用大大提高了变电站的自动化水平，不仅提高了变电站的可靠性，而且减少了变电站的运行成本［1］。变电站自动化系统包括监控站、工程师站、远动站、Web服务器、电压无功控制系统、故障诊断与恢复系统等子系统，目前大都针对不同的子系统开发相应的软件系统［2，3］，每个系统都实现从数据采集、数据管理到最终的功能实现。事实上，这些功能不同的子系统，共享着相同的数据信息，即基于相同的数据源。因而可以开发一个通用软件平台，实现整个系统的数据服务功能，使各子系 统能够专注于自己功能的实现。
软件复用技术是解决软件危机的一个重要途径，它通过软件组装和软件生成技术构建新的软件系统［4］。软件复用目前主要采用面向对象、组件和软总线等技术。通过抽象，可以表示相同类型的事物［5，8］。组件化设计可使一个组件被多处使用，也可以在后续系统开发中直接引用［6，9］。软总线技术通过定义透明的、开放的接口规范，封装模块（或系统）内部的实现细节，使模块具有通用性和互连性，非常便于软件系统的灵活组装（集成）［7］。
本文根据变电站自动化系统的实际需要，把面向对象、组件和软总线等技术结合起来，研究变电站自动化系统的通用数据服务软件平台。
2 变电站自动化系统通用数据平台
2.1 基于通用数据平台的变电站自动化系统
从结构上讲，变电站自动化系统是一个分层分布的网络系统。当前主要采用两层结构模式：间隔层和变电站层。由于变电站自动化系统结构复杂、功能众多，两层结构已不能满足系统的性能要求，故提出三层结构或更多层结构。本文根据变电站自动化系统特点，提出基于通用软件平台的三层结构模式，如图1所示。
从图1可知，该结构是在传统的两层结构基础上，把变电站层分为两层，即平台层和应用层。平台层处理变电站系统内的数据，为应用层提供一个通用的数据服务平台。应用层根据平台层提供的数据服务，实现变电站自动化系统的各种功能（监控、远动、维护、Web服务等）。
在通用数据服务软件平台层，通过两级处理实现数据服务的数据源位置无关性（即数据是本地的还是网络的，由应用数据服务系统实现）和数据源类型无关性（即数据是数据库的还是间隔层设备的，由本地数据服务系统实现）。
通过应用数据软总线，可以为各应用系统提供统一的、透明的、开放的数据服务接口。通过数据软总线，可以把不同计算机上的本地数据服务系统连接起来，使应用数据服务系统能够方便地与各计算机上的本地数据服务系统交换数据。
2.2本地数据服务系统
本系统主要用来实现单台计算机内的数据处理与数据服务功能。从数据源的性质来讲，本地 数据主要包括实时数据和归整/历史数据。实时数据是从间隔层实时获得的数据信息，最大特点是数据的时间有效性很短。归整/历史数据是保存在数据库或数据文件中的数据，最大特点是数据的时间有效性很长。图2所示为本地数据服务系统的结构框图。
由图2可知，本地数据服务系统的主要任务是进行实时数据处理和归整/历史数据处理，并通过本地数据服务组件把实时数据库的访问与本地数据库的访问统一起来，使应用数据服务系统能够采用统一的方法访问实时数据库和本地数据库。同时，通过数据软总线接口组件连接到数据软总线上，提供透明的、开放的数据服务接口方法。
1)本地数据服务组件
本组件的功能是通过把实时数据的访问与归整/历史数据的访问方法统一起来，为上层应用 提供统一的数据服务接口方法。也就是说，对应用数据服务系统来讲，不需要指明所访问的数据是实时数据还是归整/历史数据，即实现数据访问（对上层应用系统而言）的数据源类型无关性。
2)数据软总线接口组件
本系统是通过数据软总线与其它系统连接在一起的，为了实现系统能够连接到数据软总线上，必须提供一个符合数据软总线连接要求的接口规范。为此，专门设置一个数据软总线接口组件。实际上，本组件相当于一个接口规范封装程序，即把本系统内的数据服务接口方法转换成数据软总线接口方法。
3)实时数据（对象）库系统
本系统主要用来处理本地实时数据，维护一个统一的、唯一的本地实时数据（对象）库，以便系统其它部分能够方便地使用实时数据。为了实现实时数据处理与服务功能，本系统可划分为数据对象模板库及其维护组件、实时数据库、实时数据库维护组件与访问组件、实时数据库的监视组件与刷新组件等模块。
数据对象模板库：数据对象模板（或数据对象类）是建立实时数据库的基础。当创建数据对象模板后，实时数据库的建立就是生成相应模板的实例过程。根据变电站系统的实际需要，开发了8种类型的数据对象模板（内存/IO实型、内存/IO整型、内存/IO离散型、内存/IO消息型等）。
模板库维护组件：主要功能是创建新的数据对象模板，删除或修改已经存在的数据对象模板，以增强系统的灵活性和可扩充性。
实时数据（对象）库：把生成的实时数据对象按一定的方式（如对象列表）组织起来，构成一种库文件，以方便实时数据库的维护与其它系统的访问。它实际上是数据对象模板实例的 集合。
实时数据库维护组件：本组件功能：①根据数据对象模板库创建新的数据对象并添加到实时数据库中；②删除实时数据库中不需要的对象等。
实时数据库访问组件：本组件功能：①读取实时数据对象的属性值；②写入实时数据对象的属性值。根据实际需要，可以进行单个属性值的读取或写入，也可以实现多个属性值成批读取或写入。
实时数据库刷新组件：它的功能是通过数据通信接口模块，获取实时数据，经过处理（比如数据的工程换算）之后保存到实时数据库中（通过实时数据库访问组件）。
实时数据库监视组件：它的功能是监视实时数据库中数据对象的属性值，当某个数据对象的属性值发生变化，且该属性值需要向外部发送（如遥控命令）时，调用数据通信接口模块的方法，向外部设备发送变化的数据。
4)本地数据库系统
本系统用来处理归整数据和历史数据，这些数据的共同特点是需要长期保存和使用，故一般 都用数据库或数据文件保存在系统硬盘内。因而，本系统的主要功能是从数据库获取数据和 向数据库写入数据，另外还包括数据库的维护功能（如数据库的创建、删除、更改等）。为了实现系统功能，可以基于组件技术的思想，把本系统划分为数据库服务接口组件（包括数 据库维护和访问接口）、数据库接口组件等，还包括各种数据库。
数据库：用来保存数据文件，可以是商用数据库（如Oracle），也可以是非商用数据库（如数据文件）。只是对于不同格式的库文件，有不同的操作访问格式。对于变电站自动化系统，一般用数据文件保存配置信息，用商用数据库保存运行数据（如电压、电流数据）。
数据库接口组件：系统中可能会根据实际需要采用不同的数据库保存数据，为了实现对数据库的操作，就必须针对每种类型的数据库，开发一个数据库接口组件，以实现数据库接口的规范性。
数据库服务接口组件：实现数据库数据服务的数据库类型无关性。具体来讲，是通过数据库软总线，把各种类型的数据库接口组件集成起来，使其它系统可以通过统一的接口方法维护、访问数据库（而不必知道数据库的类型）。
5)数据通信接口模块
本模块的功能是实现数据通信接口的统一性。对上层应用，仅通过一个统一的接口实现数据 传输，而无需知道所用的通信规约和通信协议。为了实现这个功能，模块采用两个软总线，即通信数据软总线和通信协议软总线。根据基于组件的软件设计方法，本模块主要包括通信 规约转换组件、通信协议组件、通信协议集成组件和数据通信接口组件等。
规约转换组件：本组件有两个功能：①当从外部获取数据时，它实现规约解析功能，即获取数据报文并分离出其中包含的数据；②当向外部发送数据时，它实现数据封装功能，即把要发送的数据按相应的通信规约打包成发送数据报文。
通信协议组件：建立数据通信链路，实现数据发送或接收。一般与所采用的通信协议（如 TCP/IP、现场总线等）有关，与通信规约无关。
通信协议集成组件：实现数据通信的协议无关性。通过采用通信协议软总线，把各种通信协议组件集成起来，上层应用（数据通信接口组件）可以通过统一的接口方法接收或发送数据报文（而不必知道所用的通信协议）。
数据通信接口组件：为上层应用（实时数据库系统）提供统一的数据通信接口方法，即做到数据通信的规约无关性和协议无关性。它通过采用通信数据软总线，把各种通信规约组件集成起来，并通过通信协议集成组件实现数据通信。
2.3 应用数据服务系统
本地数据服务系统提供一个与应用领域无关的通用数据服务平台，但仅针对单台计算机。而在实际系统中，大都是多台计算机互连的网络系统。为了实现网络数据的共享和便于应用系 统的实现，设置本应用数据服务系统。
本系统的主要功能包括：建立和维护应用数据对象库，与各计算机的本地数据服务系统连接，为应用层系统提供数据服务等。通过数据软总线，把各计算机的本地数据服务系统集成起来，实现数据服务的网络位置无关性（对应用层系统来讲，不需要知道数据在哪台计算机上）。另外，通过应用数据软总线，为应用层系统提供统一的、透明的、开发的数据服务接口 。
根据基于组件的软件设计方法，本系统可划分为应用数据（对象）模板库及其维护组件、应用数据对象库（简称应用数据库）及其维护组件与访问组件、应用数据服务组件、应用数据软总线接口组件和数据软总线接口组件等，如图3所示。
应用数据（对象）模板库：应用数据对象模板是建立应用数据库的基础。每个应用数据 对象模板对应变电站中一类电气设备。根据实际变电站系统，抽象出8种类型的应用数据对象模板（变压器、电容器、电抗器、断路器、开关、地刀、线路和母线等对象模板）。
应用数据对象模板库维护组件：本组件的主要功能是创建新的应用数据对象模板，删除或修改已经存在的应用数据对象模板，也可以根据这些对象组成更复杂的对象模板（如间隔对象），以增强系统的灵活性和可扩充性。
应用数据（对象）库：把生成的应用数据对象按一定的方式（如对象列表）组织起来，构成一种库文件，以方便应用数据库的维护和与其它系统的访问。它实际上是应用数据对象模板的实例集合，每个实例对应变电站的一个电气设备。
应用数据库维护组件：本组件的功能：①根据应用数据对象模板库创建新的应用数据对象并添加到应用数据库中；②删除应用数据库中不需要的应用数据对象等。 应用数据库访问组件：本组件功能：①读取应用数据对象的属性值；②写入应用数据对象的属性值。根据实际需要，可进行单个属性值的读取或写入，也可实现多个属性值成批读取或写入。
应用数据服务组件：把应用数据库的维护组件和访问组件统一起来，为应用层系统提供统一的数据服务接口方法。
数据软总线接口组件：把本系统向下连接接口转换成数据软总线要求的标准规范，实现通过数据软总线与各计算机本地数据服务系统的连接。
应用数据软总线接口组件：把本系统与应用层系统的接口转换成应用数据软总线规定的标准规范，以实现通过应用数据软总线向各应用层系统提供统一的、透明的、开发的数据服务接口。
3 通用软件平台实现
为了实现本文提出的通用数据服务软件平台，在微软Studio.Net集成开发环境下，利用 Visual C++.Net语言编写。
在开发过程中，使用面向对象技术，把变电站中可能用到的数据类型抽象为8种数据对象，利用类型指针集合模板（CTypedPtrList）建立数据对象列表，以构成实时数据（对象）库。另外，为了便于应用层系统的使用，把变电站中的电气设备抽象为应用数据对象，通过建立应用数据对象列表来构成应用数据（对象）库。
为了便于系统的集成，采用软总线技术以实现模块或系统接口的开放性和透明性。同时，采用基于组件（本系统中采用微软COM+）的软件开发思想，把系统划分为26个组件。通过组装这些组件，构成通用数据服务软件平台，为应用层系统提供数据服务。
4 结论
本文针对变电站自动化系统结构复杂、功能众多的特点，提出建立变电站自动化系统通用数据服务软件平台。该软件平台解决了以下问题：
(1)各应用系统共用统一的数据服务平台，优化了系统结构，减少了系统开发成本。
(2)通过软总线技术实现数据服务接口的统一性、透明性和开放性。
(3)采用基于面向对象和组件技术的设计思想，不仅提高了软件复用性，而且增强了系统的灵活性和可扩展性。
参考文献
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［9］白建社,董海鹰,樊波,等.基于组件和CAN总线的水电站综合自动化系统［J］.电力系统及其自动化学报,2002,14(6):20-23
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