关键词：图形界面 电力系统分析计算 面向对象 软件 设计
1 引言
电力系统的发展趋势是大系统、大联网，运行调度人员要处理的数据量日益庞大。电网的运行由各级调度员调度，由于电网结构的复杂性，各级调度员调度系统运行必须依靠电力系统分析软件，依据计算结果确定各发电厂的出力，功率如何平衡，如何调控负荷，怎样发电最经济，怎样输电最经济，以怎样一种方式运行最为安全，预想事故对策等等。总之，利用电力系统分析软件进行计算和分析是现代电力系统运行最基本的手段，是必不可少的部分。
传统的电力系统分析计算软件大多由FORTRAN语言编制，数据的输入输出以数据文件的方式进行，而且输入输出数据文件的格式要求非常严格，数据文件的填写过程中有时仅仅因为填写数据发生一位错误就将导致计算结果的千差万别。很难想象在计算机技术发展的今天，电力系统运行调度人员仍必须通过数据文件的填写和阅读来对电力系统进行分析。因此，有必要为运行调度人员提供一套具有良好的人机界面的电力系统分析软件，将可视化编程技术应用于电力系统分析和仿真软件已成为当前电力系统应用软件的一个发展趋势。
2 软件总体结构
基于图形界面的电力系统分析软件的一个基本特征就是图形化，即用户在使用该软件时的大部分操作都能在图形上通过鼠标的点击、拖动等操作来完成，抛弃了以往的填写、修改和阅读数据文件的方法。该软件主要有四大模块组成，分别为图形模块、稳态分析模块、故障分析模块和暂态分析模块。软件总体结构如图1所示。
图形模块负责电力网络图的建立、电气元件数据的输入和计算结果的图形输出以及稳定计算曲线的输出等功能。
稳态分析模块负责将每个元件的输入数据转化为稳态分析程序要求的数据格式，在稳态分析完毕后将稳态分析的结果文件转化为用户所见的表格输出和图形输出。
故障分析模块有着和稳态分析模块相似的功能，同时该模块要将稳态分析的结果文件转化为故障分析程序的输入文件。
暂态分析模块将每个元件的暂态分析所需要的输入数据转化为暂态分析程序要求的数据格式，并将稳态分析的结果文件转化为暂态分析的输入文件，然后将运算后的结果文件转化为用户所见的表格和曲线输出。
3 软件功能的实现
3．1 设计思想
近年来面向对象（OOP）方法被引入电力系统软件的开发，并逐渐开始在实际软件设计中应用这一思想进行设计，并取得了良好的效果。电力系统是由各种物理元件组成的，各元件属性的相对独立性和元件间拓扑连接的特点特别适合于用面向对象的管理方式，将各种属性封装在对象的类中，既可在图形模块也可在计算分析模块中得到使用。为了提高软件可重用性和可扩充性，本软件采用了面向对象的设计思想。在OOP程序中，程序由一个或多个类组成，它们用来描述一组具有共同特性的对象。对象是在系统中运行时刻的基本成分，是属性和行为的封装体。“对象”和“类”具有可继承性和多态性，它们给外界提供了统一的接口，而且一旦建立，就可重复使用。
“对象”和“类”的组建是本程序设计的基础，也是实现软件开放性的关键所在。电力系统包含许多元件，这些不同种类的元件有相对独立的属性，而元件之间有相互关联的拓扑关系。由于各种元件具有一些相同的属性和方法，因此首先定义一个元件基本类作为所有元件的父类。
classCdevElement∷publicCObject
｛public∶
char＊m－Name；
上述类定义中，m－Name为一指向字符串的指针，该字符串用于描述元件的名称，m－Index为一整型变量，用于存储该元件在电网中的一个标识符，该标识符与数据库相关联，形成实例后，即可表示元件的唯一性又便于与数据库对应。各类元件均由该基类派生，如母线类（CBus）、线路类（Cline）、负荷类（CLoad）、断路器类（CBreaker）、变压器类（CTransformer）以及发电机类（CGenerator）。
传统的电力系统分析软件大多是以FORTRAN语言开发的，这些软件经过运行调度人员长期的运行验证，重新开发电力系统计算软件对于一般的电力系统来说是不必要的。本软件首先将FORTRAN语言编制的稳态分析、暂态分析等电力系统分析计算程序改写为子程序，并在FORTRAN环境下将其编译为Windows环境下的动态链接库，然后由可视化高级语言直接调用此动态链接库。通过这种方式，由FORTRAN语言编制的电力系统分析软件就完好地被封装在由可视化高级语言实现的友好的人机界面下，充分地利用了已有的资源。同时由于动态连接库的使用，使得在同一时刻完成多项计算成为了一项极为简单的任务。
3．2 图形模块的设计
把文档类CMycppDoc定义为一块存放了所有绘图所需的信息的数据区域，包括：位置信息、尺寸信息、颜色、线型、网络连接关系以及稳态分析、故障分析、暂态分析所需的电气参数、计算信息。这些数据按用途可分为绘制图形用数据、电气参数数据、分析计算数据等三块。根据电气元件的不同，把绘图用数据和电气参数数据结合起来封装成多个类。这样，这些类中不仅包含了这些数据和绘图用信息，还包含了表示网络连接关系的信息。将表示网络连接关系的信息与数据和绘图用信息放在一条链中，可以保证在图形中各元件的连接关系一旦建立好后，仅改变元件的尺寸或位置将不会影响其连接关系。也就是说，连接关系一旦建立，若不进行删除操作，则将保持这种连接关系。
3．3 稳态分析模块的设计
稳态分析模块包括三个子模块：潮流分析模块、网损分析模块和静态安全分析模块。
潮流分析是电力系统最基本的内容，除了它本身的重要作用外，它还是网损分析、静态安全分析、故障分析和暂态分析计算的基础，它的原始数据和计算结果是上述分析不可缺少的组成部分。它的任务是依给定的运行条件确定系统的运行状态，如各母线上的电压（幅值和相角）、网络中的功率分布及功率损耗等，从而对系统的运行性能进行分析，提出必要的改进措施。
网损分析模块的功能是在潮流分析基础上，分别计算线路及变压器的有功损耗和无功损耗，统计各种汇总结果及多种百分比。网损分析模块体系结构如图2所示。
静态安全分析模块的功能是全面分析电力网静态运行特性。功能主要包括：切除某一元件或某些元件后电网的运行特性、潮流分布；投入某一元件或某些元件后电网的运行特性；切除或改变发电机的输出功率后电网的运行特性；切除或改变负荷功率后电网的运行特性。该模块的体系结构如图3所示。
3．4 故障分析模块的设计
故障分析模块包括短路分析和断线故障分析，故障分析可在给定潮流方式下进行，也可不在给定潮流方式下进行。前者考虑实际发电机电势和负荷电流的影响，后者计算时发电机取E″＝1∠0°。它可以计算任意指定点上任意故障类型的简单故障和复杂故障。计算结果可用表格输出，简单故障可通过图形界面在网络图上显示及打印输出。该模块的结构如图4所示。
3．5 暂态分析模块的设计
暂态稳定分析模块用于分析电力系统遭受各种扰动后，系统同步运行稳定性的问题。它是分析事故、研究提高系统稳定性措施，设计选择合理利用电网结构的重要手段。该模块的结构如图5所示。
4 软件的功能与特点
基于图形界面的电力系统分析软件的主要功能是作为电力系统调度人员的一种辅助分析工具，本软件的主界面如图6所示。与其它电力系统分析软件相比，主要有以下特点。
（1）线路、变压器、发电机和负荷等所有的输入数据可通过鼠标点击网络结线图上的元件弹出对话框进行输入，大大提高了输入数据的效率和准确性。
（2）图形编辑功能强大，包括网络图的绘制、块拷贝、块移动、剪贴、缩放、图形及字体的选择和颜色的设置等，用户可根据自己的要求自行定义不同的字体、不同电压等级母线的线型和颜色，从而使得图形的绘制更加简单，画面更加直观。特定的电力系统元件的图标如线路、变压器等的连线可多折，这样就使得绘制出来的网络图更符合实际。
（3）各元件的参数可以有名值输入，也可以标么值输入，还可以元件的原始参数输入，如输入线路的型号、长度和界面；变压器的短路电压、短路损耗、空载损耗和空载电流的百分比。
（4）能在网络主接线图上显示全网稳态分析结果，包括各节点电压、角度、线路潮流、发电机出力、全网网损等，可根据自己的需要调整显示结果在主接线图上的位置。潮流计算结果可选择显示，这样运行调度人员可只输出所关心的数据。此外，潮流计算结果也可以表格的形式打印输出。
（5）可通过控制断路器的开断改变网络拓扑结构和通过调整发电机的出力、负荷的大小进行静态安全分析，对于越限的元件，图标变成闪烁的红色。这样可以方便调度员对网络进行静态安全分析。
（6）可进行多重故障分析，结果可以图形的方式在主接线图上显示，也可以表格的形式打印输出。
（7）暂态分析结果可以表格或曲线的形式输出，而且输出曲线的形式多样化，一次可开多个窗口以显示不同类型的多条曲线。
（8）本软件采用了面向对象的设计思想，具有开放性，因此使得本软件能很容易扩充新的功能模块。
5 结论
综上所述，基于图形界面的电力系统分析软件具有良好的人机界面，用户只需通过鼠标的点击、拖动等操作就可实现软件的大部分功能。软件具有强大的图形功能，用户可根据自己的习惯来布置网络图、选择输出的元素、布置输出结果的位置、设置其线型、颜色以及字体等。本软件已在浙江省和山东省几个地区电网中投入运行，其使用的方便性与灵活性得到了用户的好评。
本软件是离线式的电力系统分析软件，如将软件与实时数据库联接，根据实时数据库中的数据自动地绘制网络图，然后进行分析计算，可实现在线式的功能。这样用户无需进行网络图的绘制和数据的输入工作，进一步简化了调度人员的工作。
6 参考文献
1 西安交通大学．电力系统计算．北京：水利电力出版社，1978
2 张小平．面向对象的程序设计及其在EMS软件中的应用．电力系统自动化，1998，22（5）：72～76
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4 Foley M，Bose A et al．An ObjectBased GraphicalUserInterface for Power System．IEEETranson Power Sys－tems，1993，8（1）
