基于Qt的智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)圖形包研究

林 綱，莊麗蓉，曾朝暉（福建省電力有限公司泉州供電公司，福建泉州362000）

智能變電站是智能電網(wǎng)的重要組成部分，是能量轉(zhuǎn)換與控制的核心平臺(tái)之一，而監(jiān)控系統(tǒng)則是智能變電站監(jiān)視、控制與管理的基礎(chǔ)。但是在智能變電站的監(jiān)控過程中，數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，畫面信息量大，操作種類多，維護(hù)工作繁重，這就需要大量使用圖形繪制與顯示技術(shù)，有利于監(jiān)控人員在調(diào)度監(jiān)控室里通過屏幕直觀地了解和掌握現(xiàn)場(chǎng)的工作與運(yùn)行狀態(tài)，方便操作，實(shí)現(xiàn)所見即所得的效果［1］。所以圖形包的好壞直接影響了監(jiān)控系統(tǒng)上應(yīng)用軟件的開發(fā)以及整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

雖然目前各電力軟件廠商和二次開發(fā)商也逐步認(rèn)識(shí)到圖形包在電力監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)中的重要作用，加大了其產(chǎn)品對(duì)圖形包的支持力度，但目前傳統(tǒng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)圖形包的開發(fā)和應(yīng)用存在以下一些缺陷：①使用了不同的數(shù)據(jù)格式和存儲(chǔ)模式；②基于不同的設(shè)計(jì)工具與開發(fā)環(huán)境；③只能運(yùn)行于特定的平臺(tái)上，無法實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)；④沒有遵循通用的標(biāo)準(zhǔn)，難以實(shí)現(xiàn)互操作；⑤針對(duì)特定的應(yīng)用目標(biāo)與輸出介質(zhì)；⑥不能接入新系統(tǒng)（輔助系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等）；它們不屬于電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的范疇［2］。這就造成當(dāng)前圖形包資源的浪費(fèi)，導(dǎo)致變電站內(nèi)部具有多種監(jiān)控后臺(tái)，造成成本增加，給維護(hù)人員帶來麻煩。

Qt是Digia公司開發(fā)的一款跨平臺(tái)的C＋＋開發(fā)框架。本文利用Qt框架，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的遵循IEC 61970和IEC 61850通用標(biāo)準(zhǔn)、人機(jī)交互方便、界面友好、開放、可移植并且實(shí)用的新一代圖形包。該圖形包遵循圖模庫一體化設(shè)計(jì)思想，采用了基于插件的軟件架構(gòu)，在統(tǒng)一的系統(tǒng)界面服務(wù)平臺(tái)上，可以靈活擴(kuò)展、集成和整合各種應(yīng)用功能，可運(yùn)行于各種操作環(huán)境，具有很好的跨平臺(tái)性，并能進(jìn)行統(tǒng)一的維護(hù)。

1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)包括硬件層、操作系統(tǒng)層、支撐平臺(tái)層和應(yīng)用層4個(gè)層次，如圖1所示。其中，硬件層包括各種計(jì)算機(jī)設(shè)備，操作系統(tǒng)層包括各種操作系統(tǒng)，支撐平臺(tái)層在整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中處于核心地位［3，4］。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖形包處于整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的公共服務(wù)層中，直接從數(shù)據(jù)總線層獲取數(shù)據(jù)，發(fā)布數(shù)據(jù)。而對(duì)于應(yīng)用層，圖形包提供了大量服務(wù)，以適應(yīng)系統(tǒng)的各種操作并方便進(jìn)行觀察。

由于需求的不斷增加，圖形包必須提供統(tǒng)一而豐富的接口，既要滿足需求增長(zhǎng)，又要避免圖形在程序上改動(dòng)太大，從而增加程序穩(wěn)定性。因此本文的圖形包采用界面／邏輯／服務(wù)三層體系架構(gòu)，這是技術(shù)方案的核心部分。圖形包的總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 圖形包三層架構(gòu)圖

界面層主要負(fù)責(zé)屏蔽各種操作系統(tǒng)在繪制界面與界面響應(yīng)上的不同，從而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一風(fēng)格的應(yīng)用界面與響應(yīng)事件；邏輯層處于圖形包的核心地位，用來處理來自界面層的各種事件，選擇服務(wù)層的各種服務(wù)以實(shí)現(xiàn)各種功能；服務(wù)層主要提供各種公共的圖形服務(wù)，如圖元的繪制、圖元的事件、文件的輸入輸出等。

智能變電站建設(shè)初期，由于眾多設(shè)備和功能的增加，導(dǎo)致一些子系統(tǒng)出現(xiàn)，如智能輔助系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。同時(shí)在智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)中引入了高級(jí)應(yīng)用，如智能告警等［5］。這些新系統(tǒng)和功能都不屬于傳統(tǒng)變電站監(jiān)控的范疇，為了實(shí)現(xiàn)智能變電站的一體化監(jiān)控，新的監(jiān)控系統(tǒng)必須考慮對(duì)這些系統(tǒng)和功能的操作與展示，針對(duì)這些要求，本文提出如下功能框架，主要包括圖形編輯功能和圖形顯示功能，以滿足智能變電站的一體化監(jiān)控要求，其功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件包功能結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 MOVE框架

MVC模式在編程中被廣泛地使用，其中，M（Model）代表數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)可以被封裝與應(yīng)用程序的業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)處理方法；V代表視圖層（View），可以實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的目的；C（Controller）代表控制器，可以在不同層面之間起到組織作用，對(duì)程序的流程進(jìn)行控制。在使用MVC模式的過程中，不難發(fā)現(xiàn)，此三層模式會(huì)讓人越來越迷惑。因?yàn)榇a量極大，開發(fā)人員不知道該把代碼放在哪里，因而只能選擇控制層，這就導(dǎo)致控制層填充太多的代碼，使得代碼更加難以維護(hù)。所以本文選用另外一種模式：MOVE模式，即Models、Operations、Views、Events。

（1）Models（模型）

這里以Qt的一個(gè)QGraphicsItem對(duì)象為原型，它有一個(gè)tool Tip屬性。在一個(gè)MOVE模式的Models中只包裝了知識(shí)。這就意味著除了Get和Set功能，它可以包含檢查對(duì)象位置是否存在沖突這樣的方法，但不會(huì)包含把位置信息保存到數(shù)據(jù)庫或傳遞給外部API這樣的功能，因?yàn)楹竺孢@些工作將由Operations來完成。

（2）Operations（操作）

對(duì)應(yīng)用程序來說，常見的一個(gè)操作是用戶登陸。實(shí)際上這是由兩個(gè)子操作組成的：首先是從QGraphicsItem那里獲取范圍信息和位置信息，接著從數(shù)據(jù)庫載入QGraphicsItem模型，同時(shí)檢查密碼是否匹配。Operations是MOVE模式中的行動(dòng)者，它負(fù)責(zé)修改模型，并在正確的時(shí)間顯示正確的視圖，以及用戶響應(yīng)的相互作用引發(fā)的事件。

（3）Views（視圖）

Views是數(shù)據(jù)展示與交互的一種方式，它主要負(fù)責(zé)顯示一些文本框給用戶。當(dāng)用戶點(diǎn)擊QGraphicsItem對(duì)象時(shí)，視圖將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)mousePressEvent事件，其中包含鼠標(biāo)點(diǎn)擊的位置與擊鍵方式。

（4）Events（事件）

當(dāng)用戶點(diǎn)擊QGraphicsItem對(duì)象時(shí)，視圖會(huì)發(fā)起mousePressEvent事件。在點(diǎn)擊完成后，QGraphicsItem模型會(huì)發(fā)出一個(gè)事件通知當(dāng)前鼠標(biāo)位置信息。事件監(jiān)聽讓MOVE（及MVC）實(shí)現(xiàn)控制反轉(zhuǎn)，允許模型更新視圖。這是一種強(qiáng)大的抽象技巧，允許組件互不干擾地耦合在一起。

2.2 圖模庫一體化技術(shù)

圖模庫一體化的核心思想是利用圖形生成設(shè)備模型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系，使得圖形和數(shù)據(jù)庫模型一一對(duì)應(yīng)，從而緊密聯(lián)系起圖形和數(shù)據(jù)庫模型，降低系統(tǒng)管理和維護(hù)的難度［6］。電力設(shè)備的CIM（Common Information Model）模型是一個(gè)抽象的模型，在圖模庫一體化技術(shù)中，設(shè)備模型和拓?fù)潢P(guān)系是產(chǎn)生的CIM的核心內(nèi)容，接著通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)對(duì)象持久化。圖模庫一體化技術(shù)可以根據(jù)圖形性能的需求進(jìn)行調(diào)整、加強(qiáng)，以確保拓?fù)潢P(guān)系的一致性和CIM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在本文圖形包中，圖模庫一體化的實(shí)質(zhì)是：各個(gè)設(shè)備圖元的對(duì)象和CIM模型一一對(duì)應(yīng)，同時(shí)CIM模型和數(shù)據(jù)庫中表信息一一對(duì)應(yīng)。在圖形包上定義一個(gè)設(shè)備圖元的時(shí)候，無須過多操作就可增加、修改、刪除一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)庫的記錄數(shù)［7-8］。

本文圖形包的圖元數(shù)據(jù)屬性是從CIM模型中繼承，拓?fù)潢P(guān)系是根據(jù)圖形繪制自動(dòng)生成，同時(shí)在數(shù)據(jù)庫中存在和CIM模型相對(duì)應(yīng)的關(guān)系表。在圖形包內(nèi)對(duì)畫面的操作和圖元數(shù)據(jù)屬性的修改都直接保存到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)關(guān)系的持久化。同時(shí)通過圖形包提供的邏輯判斷，可以驗(yàn)證拓?fù)潢P(guān)系正確與否。

3 應(yīng)用實(shí)例

按照以上設(shè)計(jì)，本文采用Qt框架和C＋＋語言開發(fā)并實(shí)現(xiàn)了可運(yùn)行于Windows、UNIX、Linux、以及國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)平臺(tái)下的基于IEC 61970和IEC 61850的通用圖形包，并可實(shí)現(xiàn)風(fēng)格的統(tǒng)一。該圖形包可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)圖形的生成、編輯、展示和操作，實(shí)現(xiàn)效果如圖4所示。

圖4 圖形包在Linux計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)效果圖

本文圖形包采用G語言存儲(chǔ)，解決數(shù)據(jù)格式與存儲(chǔ)模式問題；采用Qt＋Eclipse解決了跨平臺(tái)統(tǒng)一開發(fā)的問題；圖形包遵循CIM模型，實(shí)現(xiàn)互操作；采用新數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)新系統(tǒng)無縫接入。目前該智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)圖形包已經(jīng)在一百多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)投入運(yùn)行，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，實(shí)踐證明該圖形包可以滿足智能變電站一體化監(jiān)控的發(fā)展需求。

4 結(jié)束語

基于Qt的智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)圖形包遵循了圖模庫一體化設(shè)計(jì)思想，采用了MOVE框架，在統(tǒng)一的系統(tǒng)界面服務(wù)平臺(tái)上，可以靈活擴(kuò)展、集成和整合各種應(yīng)用功能，可運(yùn)行于各種操作系統(tǒng)環(huán)境，具有良好的跨平臺(tái)性，并能進(jìn)行統(tǒng)一的維護(hù)，這些都展現(xiàn)了該圖形包具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］ McCormick B H，DeFanti T A，Brown M D.Special Issue on Visualization in Scientific Computing［J］.ACM SIGGRAPH Computer Graphics，1987，21（6）：1-14.

［2］ Islam S，Chowdhury N.A Case-Based Windows Graphic Package for the Education and Training of Power System Restoration［J］.IEEE Transactions On Power Systems，2001，16（2）：181-187.

［3］ 國(guó)家電網(wǎng)公司.Q／GDW 679-2011：智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范［S］.2012.

［4］ 國(guó)家電網(wǎng)公司.Q／GDW 678-2011：智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)功能規(guī)范［S］.2012.

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［6］ 林濟(jì)鏗，覃 嶺.基于圖形建模的電力系統(tǒng)拓?fù)浞治鲂路椒ǎ跩］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，22（16）：25-28.

［7］ 胡 旦.電力系統(tǒng)通用圖形平臺(tái)功能分析與技術(shù)研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)碩士論文，2005.

［8］ 李 剛.基于QT的電力調(diào)度系統(tǒng)通信前置機(jī)軟件的開發(fā)研究［D］.成都：西南交通大學(xué)碩士論文，2011.