基于圖形界面的GIS暫態計算軟件研究與開發

王 濤，張 寧，孫勝濤

（淄博供電公司，山東 淄博 255032）

0 引言

20世紀60年代以來，氣體絕緣變電站（簡稱GIS）以其占地面積小、不受環境條件影響、運行可靠、維護工作量小等優點，廣泛應用于電力系統中。 但在GIS中操作隔離開關和斷路器時，會在GIS 內部產生特快速暫態過電壓（VFTO）［1］，隨著GIS電壓等級的提高，VFTO的危害愈加嚴重，已引起電力科研、設計、建設和運行工作者的高度重視，并進行了一定程度的研究。

應用數字計算機對電力系統的暫態過電壓進行分析計算，具有計算速度快、適應性強、改變計算參數方便、精確度高等很多優點，目前已成為電力系統過電壓計算的最重要手段［2］。但是，目前的過電壓計算軟件像 EMTP、EMTDC［3］等大都要求操作人員具有較為扎實的電力設備（元件）建模知識［4］，這給現場人員的使用帶來諸多不便。

1 設計思想

電力系統的網絡圖形是電力系統分析的基礎，將圖形引入電力系統分析軟件的開發，為運行人員提供一套具有良好人機界面的電力系統分析軟件，將可視化編程技術應用于軟件開發已成為當前電力系統應用軟件的一個發展趨勢。

為了提高軟件可重用性和可擴充性，軟件采用面向對象的設計思想。面向對象技術［5］（Object Orient Technology，OOT）是一種試圖模仿人們建立現實世界模型的程序設計方法，引進了類的概念,具有封裝、繼承和多態性等特點，其基本原理是：按問題領域的基本事物實現自然分割，按人們通常的思維方式建立問題領域的模型，設計盡可能直接、自然的表現求解問題。 由于在整個過程中始終貫穿面向對象的思想，其現實世界中的對象和特性最終和計算機模型中的類和方法一一對應，整個系統具有很好的可讀性，可維護性。

電力系統是由各種物理元件組成的，各元件屬性的相對獨立性和元件間拓撲連接的特點特別適合于面向對象的管理方式。在系統模型的建立過程中，通常將系統中的實際物理設備和系統模型中的對象一一對應，對象間的繼承和歸屬關系充分反映實際設備間的關系，充分保證了可讀性。因此以Microsoft Visual Studio 2008為開發平臺，采用C#語言和面向對象技術開發用于GIS的暫態計算軟件。軟件主結構框圖如圖1。

圖1 軟件主結構框圖

2 系統設計與功能實現

基于圖形界面的電力系統計算軟件的一個基本特征就是圖形化，即用戶在使用該軟件時的大部分操作都能在圖形上通過鼠標的點擊、拖動等操作來完成。開發的GIS暫態計算程序（GIS Transient Program，簡稱GISTP）根據電站一次系統圖進行圖形元件設計，最大程度上與現場運行人員的使用習慣保持一致，用于暫態計算的主要設備元件及其圖形如表1所示。軟件提供方便快捷的圖形操作手段，如縮放、旋轉、復制、粘貼、刪除、移動等，用戶能方便地繪制和修改網絡接線圖。在繪圖的過程中，可以通過雙擊圖中的元件，彈出對話框進行輸入、瀏覽和修改元件的參數。繪圖完成以后，自動完成電路節點編號，根據自動生成的參數信息可以進行網絡拓撲分析，并通過ADO.NET技術訪問后臺數據庫［6］，將電路圖信息存于數據庫表中更新拓撲結果數據。軟件主界面如圖2所示。

2.1 圖形元件屬性定義

在圖形化系統中，由于電力系統元件具有各種共同的基本事件和屬性。在本軟件中，圖形元件的操作與編程平臺自帶的Lable的操作極其相似，因此定義從Lable類繼承來的類MyBtn作為各種電力設備類的公共類，所有元件均為該類的實例化對象，利用如下語句：來完成由MyBtn類實例化的任意電力系統元件，如線路或變壓器，實現圖形元件從抽象到具體的實現過程，從而可利用switch語句來對元件進行判斷，使得程序簡潔明了，提高了可讀性。

表1 GIS電站主要設備圖形設計

圖2 軟件主界面

2.2 圖形的選取

選取圖形元件是交互式用戶接口中的重要任務之一，是對其進行操作的前提，圖形的刪、改過程中，均以選取圖形為基礎。也就是說，要想對某一圖元進行編輯就需要首先對該圖元進行選取。

利用C#中的單擊、右擊等事件進行選取操作，用改變圖形顏色的方法對其選取與否進行表示。在圖形系統中，圖形元件自身具有特定的區域，可通過判斷當前坐標是否在區域內來判斷是否選中。語法形式如下：

2.3 圖形元件的連接

圖元連接前要先利用元件端口數量與旋轉角度來判斷元件的可連接區域。用MyBtn類中自定義的Rotate屬性實現對圖元旋轉的記錄，每旋轉90°對應一個值，這樣Rotate屬性就有4個值，再結合元件的端口數即可知道元件的連線區域。

各元件均是一個對象，每個對象均有左右節點和左右點擊屬性。連接時，首先點擊第一個元件的一端，然后再點擊另一個元件的某一端，將這兩個元件對象添加到一個新建節點對象的相應屬性里面，然后將該新建節點對象的屬性值賦給這兩個元件相應的節點對象，屬性值相同的節點對象即表示已被連接。如再有新元件與前兩個元件相連，則將新元件加入前兩個共有的節點對象中，并將該節點對象賦值給這3個元件相應的節點對象，依次類推即可連接新元件。連接完成后，就可得到網絡拓撲關系。

2.4 數據庫的設計

由于電力系統網絡規模的日益擴大，復雜程度越來越高，軟件的分析計算模塊所要處理的數據量也越來越大，所以，必須采用數據庫系統管理這些浩繁的數據。Microsoft Access的功能強大、簡單易用、具備良好的接口與兼容性。軟件基于圖形系統的特點采用Microsoft Access進行數據庫開發，在數據庫結構上，以元件屬性為字段進行數據庫結構設計，使用SQL語言作為操作、查詢語言，依照ADO數據庫訪問標準，實現數據庫的建立和修改。

為了能將全部圖形信息與物理信息保存，在創建完系統接線圖對元件進行參數錄入后，也就把元件的圖形類參數以及系統類參數存入數據庫，每一個系統接線圖對應數據庫的一個表，并且圖元類屬性和數據庫字段一一對應。此時的數據庫里存放的圖形類參數包括圖元的坐標、長度以及放置方向等圖形信息，當打開文件時，使用System.Data.OleDb命名空間下的OleDbConnection類來連接數據庫，由嵌入SQL語句的主程序對數據庫進行查詢和轉換，生成包含網絡拓撲信息的電路文件。

2.5 計算功能的實現

貝杰龍（Bergeron）法是計算電力系統暫態過電壓的有效方法，它是在計算前將分布參數線路，儲能集中參數元件L、C用歷史電流源和電阻進行網絡組件替換，再運用求解電阻性網絡的通用計算方法求解每個時間步長下的節點電壓值從而計算整個網絡的暫態過程［7］。其計算流程如圖3。

3 系統特點

可完成大型GIS的過電壓仿真計算，結線方式、電壓等級均不受限制，能夠滿足電站規模要求和計算精度要求。

通過變電站的一次系統圖進行建模，形象直觀的圖形顯示，所有的輸入數據可通過鼠標點擊元件彈出對話框進行輸入，易于現場人員的操作使用，可對建模圖形打印輸出。

輸入、計算過程簡單，一次自動生成網絡拓撲關系和結果數據并自動保存，可選擇文檔和圖形兩種輸出方式。

支持多文檔模式，多種圖形查看方式，可對圖形進行復制、移動、旋轉、縮放、文字標注等操作，元件的連線可多折，使繪制出來的網絡圖更符合實際。

圖3 計算功能流程圖

本軟件采用面向對象技術，各設備元件都為公共類的實例化對象，所以能很方便地將新的元件引入編輯系統以及擴充新的功能模塊，具有一定的可拓展性和開放性。

4 實驗驗證

利用開發的GISTP對圖4所示的網絡進行計算，結果如圖5（a），利用國際通用的電磁暫態計算程序 EMTP［3］進行驗證計算，結果如圖 5（b）,結果一致，證明了軟件的準確性。

圖4 網絡接線圖

圖5 電壓波形圖

5 結語

闡述了一種基于面向對象的程序設計思想開發GIS暫態計算軟件的方法。軟件基于Visual Studio 2008開發平臺，利用Visual Studio.NET的面向對象技術、GDI+圖形處理技術以及ADO.NET數據庫訪問技術，具有良好的人機界面，強大的圖形功能，用戶只需通過鼠標的點擊、拖動等操作就可實現軟件的大部分功能。實踐證明，用該方法開發出的軟件能方便地將圖形編輯與計算分析功能有效結合，最大程度上滿足現場運行人員的使用需求，具有較高的實用性，應用前景廣闊。