分布式暂态稳定仿真的面向对象分析与设计王成山，张家安（天津大学电气与自动化工程学院，天津300072）
从面向对象方法学的角度对电力系统暂态稳定仿真进行了分析和系统设计，对组成仿真系统的对象类进行了分析，提出了系统网络中电力元件分组的母线树结构和实现仿真计算的系统设计层次，设计了可用于分布式计算的母线树对象类。
关键词：电力系统；暂态稳定仿真；面向对象技术；面向对象方法学；分布式计算
1引言
电力系统分析和仿真技术为电力系统规划、设计和运行提供了工具和手段，而电力系统发展与装备、技术的进步又促进了电力系统分析和仿真技术的发展。面向对象技术（OOT）为电力系统分析软件的进一步发展提供了新的手段[1,2]。
面向对象技术通过继承、关联、封装等手段实现复用，有助于开发人员、用户和管理人员的沟通，可明显地改善软件质量。其本质是识别和组织应用领域的概念而不是面向对象编程语言代码的实现，是一种对客观世界认识的朴素思想而不仅仅是一种程序设计方法[3]。面向对象技术已应用于电力系统各个领域应用软件的开发，如潮流计算、网络分析、建模、人机界面和图形接口、数据库技术、调度员培训仿真器、配电系统、专家系统等。
面向对象方法学是在面向对象技术基础上发展起来的软件系统开发方法。电力系统暂态稳定仿真的面向对象方法学可以分为面向对象分析、系统设计、对象类设计和面向对象实现4个阶段[4,5]。文献[6]对潮流计算的对象类进行了设计，提出了可用作电力仿真分析基类的网络容器类的概念，容器类可容纳所有类型母线对象，任何两端点类型支路对象都可与容器内的母线对象连接；文献[7]把面向对象技术应用于电力系统动态仿真，提出了一种包含所有电力元件的系统类划分方法，对实现电力系统动态仿真的对象类进行了设计。
本文从面向对象方法学的角度，对电力市场条件下分布式暂态稳定仿真的对象类的组成进行了分析，提出了电力网络组成的母线树概念和暂态稳定分析软件的层次结构，并设计了实现分布式计算的母线树对象类。
2暂态稳定仿真的面向对象分析
电力系统包括发电机、原动机、励磁装置、变压器、输电线路、电力保护装置、补偿装置、负荷等元件。系统网络由不同种类、型号的元件连接而成，相同类型的元件可作为一个抽象化概念——类，具体的元件可作为某个类的对象。这种连接结构可以映射到仿真软件的组织结构中来，以单机无穷大系统为例，如图1所示。面向对象的暂态稳定仿真就是通过连接模型类对象来形成与物理系统对等的数值系统，实现暂态稳定仿真计算。从暂态稳定仿真实现的角度可把对象类划分为3类：模型类、功能类和系统集成类。
（1）模型类
模型类用于建立电力系统基本元件的模型。模型类定义表征电气元件特征的参数变量、电气变量、状态变量和控制变量等，定义描述元件特性的数据流输入输出函数和相关辅助函数。模型类是暂态稳定仿真的基本组成单位，包括发电机类、原动机类、励磁调节器类、PSS类、变压器类、母线类、输电线类、负荷类、保护装置类、补偿装置类等。发电机类不仅涉及不同精度的发电机模型，还要连接不同类型的励磁控制器模型和原动机与调速器模型；母线类对象包含与母线连接的所有电力元件对象，在系统集成中是主要的被访问对象。在模型类中，发电机类和母线类是主要的设计对象，应充分利用面向对象技术的继承、虚函数等机制和类指针、双指针等语言功能。
（2）功能类
在暂态稳定仿真分析中，功能类用于导入系统参数（结构参数和运行参数）、元件对象内部矩阵运算、系统导纳阵分解和代数方程组求解等工作。
功能类包括：
1）矩阵运算类：完成模型类内部小规模矩阵的基本运算，该类可被模型类继承；
2）稀疏矩阵类：完成系统导纳阵的存储和分解运算；
3）方程求解类：完成系统网络方程求解，该类封装了代数方程的主要求解方法，求解计算与稀疏矩阵的存储结构关联；
4）用户界面服务类：完成仿真计算的人机交互工作，是用户和仿真软件的主接口；
5）系统参数服务类：从文件接收或从数据库导入系统参数，初始化仿真计算；
6）仿真运行服务类：实现仿真计算的可视化和运行数据存储；
7）网络通讯类：用于暂态稳定分布式计算，实现子系统间的信息交接。
（3）系统集成类
系统集成类用于对模型类对象数据和功能类方法进行集成，实现数据模型和概念模型的对应。
系统集成类包括：
1）仿真计算实现类：实现对模型类和功能类的封装，通过功能类对象对模型类对象的作用，抽象出数值仿真系统。在暂态稳定分布式计算方式下，该类还包括网络通讯类对象，以实现信息在区域子系统间的交接；
2）仿真运行控制类：控制仿真的计算模式、运行操作、结果显示和中间数据记录；
3）计算收敛控制类：对系统计算的收敛进行判断，是暂态稳定分布式计算的重要组成部分。
模型类、功能类和系统集成类之间的耦合度小，易实现并行开发。模型类和功能类是开放的，模型类中元件模型的加入和完善、功能类中新的代数方程求解方法的引入、甚至稀疏矩阵设计的变化都不致引起整个软件工程组织结构的变动，减小了维护工作量；而且，模型类和功能类可被复用，使软件工程成为工作可继承的事件，有助于提高软件开发效率。系统集成类是按软件目标设计的，系统的重新集成可实现新的目标。
3分布式暂态稳定仿真的系统设计
3.1概述
面向对象的暂态稳定仿真系统分为暂态仿真层和网络通讯服务层。暂态仿真层包括：电力系统网络单元层、电力系统网络关系层和电力系统仿真运算层；网络通讯服务层实现暂态稳定仿真的分布式计算。
3.2暂态仿真层
（1）电力系统网络单元层
电力系统网络的导纳矩阵或阻抗矩阵的维数由系统母线节点数决定，联接了输电线路、发电机、负荷等电力元件的母线可看作电力网络组成的基本单元¾¾母线树，电力网络可看作以母线树为基本单元的对象组合，如图2所示。母线树是从电力系统分析的角度提出的一种电力元件组合策略。母线树作为电力网络单元层的基本元素，连接有不同的模型类对象，需要封装母线树的特征信息（母线节点导纳、电力元件位置与连接信息、母线节点电压、母线节点注入电流等），母线树的设计结构如图3所示。（2）电力系统网络关系层
面向对象的仿真分析要实现[1][2]下一页
