第 1 章 绪论
1.1 课题背景及研究目的和意义
在各类 SCADA 系统(Supervisory Control And Data Acquisition)的实际应用中，拓扑分析子系统为其他子系统提供了数据基础。计算机/通讯设备硬件性能的飞速提升及成熟软件构件技术带来的系统开发成本的下降，使得构建具有数字化数据采集、处理、收发能力的智能设备及自动化仪表的成本得以迅速地降低。在终端智能仪表及低成本/高带宽的现代数字通信技术的支撑下，电力配电网自动化系统顺应智能电网建设的潮流，将更多新建和改造配电网自动化系统纳入 SCADA 中进行监控。进而提高了配电网系统的自动化程度。在各级配电网自动化监控系统中，无论是馈线自动化、配电网优化运行、配网负荷优化、配电图资系统还是自动/人工线路故障分析，都对系统的实时可视化显示要求日益提高。随着 GIS(Geographic Information System)系统支持被逐步引入到配网拓扑分析中来[1][2]，主流的配网线路的拓扑分析系统已经能够与 Arc/Info/MapInfo进行无缝集成[3][4]。图元定义也基本实现了对象化，系统的通用性及软件界面的友好性也越来越受到重视。其中对于配网线路的拓扑分析及实时状态刷新（拓扑着色）成为上述各相关技术的重要基础。
电网及电站配电日趋复杂，一种具有高性能的实时拓扑分析系统已经成为必要。目前，一个大型电厂中，单机组 DCS（Distributed Control System）容量经达到 20000 个测点。配网部分，典型的 NCS 系统包含约 5000 个测点，厂用电 ECS 部分达到 10000 个测点。在电气网络日趋复杂的背景下，传统的矩阵相乘法及广度优先搜索法已经很难适应需求。与此同时，随着计算机处理能力的提高，内存的消耗问题已经不再显得那么重要。随着 DCS 系统中服务器性能的提升以及 DPU 的日益强大，实时性和安全性成为了拓扑分析系统最重要的衡量标准[5][6]。
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1.2 国内外研究应用现状
1.2.1拓扑分析系统研究应用现状
指令后，仍然要通过现场程控部分完成操作。可见，各系统间的通讯成为了 DCS系统的关键所在[31]。 拓扑分析子系统作为整个电气自动化监控系统的一部分，目前也均采用程序相互调用的方式来完成数据的收集和处理[32]。程序中抽象化的开关与现场设备通过 103/104 规约进行数据交互，使得拓扑分析程序能够通过现场设备的动作及时的刷新页面，达到拓扑分析的目的。其拓扑着色部分为最终的前端显示部分，大多数拓扑系统均是通过拓扑显示页面来调用拓扑算法，获得带电设备的信息并给予显示，其程序耦合度颇高。现行系统的特点是各项数据直接与现场数据绑定，即通过 DCS 强大的通讯能力保证前后台的交互[33]。
然而，随着机组装机容量的提升，系统中各项功能日趋复杂，模块数量变得越来越庞大。程序间的调用和交互对系统的数据通讯构成了巨大的压力。且随着各系统间的交互增多，任何一个子系统的崩溃，将使整个系统出现危机的几率增加[34]。同时，各系统对现场设备的控制将可能引起存取冲突，导致程序崩溃或出错，这对 SCADA 系统的安全性也提出了挑战[35]。因此能够有效的监控 SCADA 程序的运行也成为了系统的需求之一。
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第 2 章 拓扑分析子系统需求分析及概要设计
2.1 拓扑分析子系统的需求分析
本系统的主要工作是为电气接线图进行拓扑计算及拓扑着色功能。电气网络的拓扑计算一个重要的基础功能。由于电气网络连接形式复杂，任何可能的连接方式都可能发生。在一个复杂的网络接线图中，可能的开关点将达到几千个。此时，必须对电气网络实行一种有效的分析策略，来获得其中某些设备的带电状态。
本拓扑分析系统将作为 SCADA 系统的一个基础子系统，其具体的需求分析和总体设计如下：
2.1.1 功能性需求
本系统的主要功能是完成网络的拓扑计算和拓扑着色功能，故根据其需求可分为 5 个方面，如下所示。
(1) 数据配置：
对实时数据库进行数据配置。由于该 SCADA 系统采用以实时库为交互核心的数据耦合方式，各子系统仅能与实时库进行数据交换。这就需要预先将某个功能模块中可能需要的数据结构写入实时数据库中。通过该模块将拓扑分析子系统中需要用到的数据结构及数据对象配置到实时数据库中。拓扑分析子系统中的各模块再通过实时数据库获取所需数据，从而实现系统模块间的数据耦合。
(2) 安全模块：
在本拓扑分析系统中，要求在 Windows 操作系统下，配置模块、拓扑分析模块及拓扑着色模块运行过程中，应防止程序被关闭或意外退出。某些应用可能会被 Windows 进程管理器终止。这会导致程序退出，操作员暂时无法获取系统中各设备的运行状态。如果此时发生开关动作，将影响操作员对系统运行状态的判断，造成安全隐患。同时，若程序出现意外终止的情况，该模块应能立即重启相应程序，将可能造成的安全隐患降到最低。故该模块应包含防止程序被关闭和自动重启程序两个功能。
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2.2 SCADA 系统介绍
2.2.1 MVP 模式设计
基于本系统的功能结构，将采用典型的 MVP( Model-View-Presenter)模式。该模式将系统的输入、输出、数据处理分为三个层次，分别为：Model 层，主要负责业务逻辑；View 层，主要负责前端显示；Presenter 层，其主要功能是连接 View 层级 Model 层。
然而，随着机组装机容量的提升，系统中各项功能日趋复杂，模块数量变得越来越庞大。程序间的调用和交互对系统的数据通讯构成了巨大的压力。且随着各系统间的交互增多，任何一个子系统的崩溃，将使整个系统出现危机的几率增加[34]。同时，各系统对现场设备的控制将可能引起存取冲突，导致程序崩溃或出错，这对 SCADA 系统的安全性也提出了挑战[35]。因此能够有效的监控 SCADA 程序的运行也成为了系统的需求之一。
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第 2 章 拓扑分析子系统需求分析及概要设计
2.1 拓扑分析子系统的需求分析
本系统的主要工作是为电气接线图进行拓扑计算及拓扑着色功能。电气网络的拓扑计算一个重要的基础功能。由于电气网络连接形式复杂，任何可能的连接方式都可能发生。在一个复杂的网络接线图中，可能的开关点将达到几千个。此时，必须对电气网络实行一种有效的分析策略，来获得其中某些设备的带电状态。
本拓扑分析系统将作为 SCADA 系统的一个基础子系统，其具体的需求分析和总体设计如下：
2.1.1 功能性需求
本系统的主要功能是完成网络的拓扑计算和拓扑着色功能，故根据其需求可分为 5 个方面，如下所示。
(1) 数据配置：
对实时数据库进行数据配置。由于该 SCADA 系统采用以实时库为交互核心的数据耦合方式，各子系统仅能与实时库进行数据交换。这就需要预先将某个功能模块中可能需要的数据结构写入实时数据库中。通过该模块将拓扑分析子系统中需要用到的数据结构及数据对象配置到实时数据库中。拓扑分析子系统中的各模块再通过实时数据库获取所需数据，从而实现系统模块间的数据耦合。
(2) 安全模块：
在本拓扑分析系统中，要求在 Windows 操作系统下，配置模块、拓扑分析模块及拓扑着色模块运行过程中，应防止程序被关闭或意外退出。某些应用可能会被 Windows 进程管理器终止。这会导致程序退出，操作员暂时无法获取系统中各设备的运行状态。如果此时发生开关动作，将影响操作员对系统运行状态的判断，造成安全隐患。同时，若程序出现意外终止的情况，该模块应能立即重启相应程序，将可能造成的安全隐患降到最低。故该模块应包含防止程序被关闭和自动重启程序两个功能。
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2.2 SCADA 系统介绍
2.2.1 MVP 模式设计
基于本系统的功能结构，将采用典型的 MVP( Model-View-Presenter)模式。该模式将系统的输入、输出、数据处理分为三个层次，分别为：Model 层，主要负责业务逻辑；View 层，主要负责前端显示；Presenter 层，其主要功能是连接 View 层级 Model 层。
MVP 模式是 MVC 模式的衍生架构。其与传统的 MVC 架构相比：
(1) MVP 架构中 View 层不可直接访问 Model 层 在 MVP 模式中，
View 层不能与 Model 层进行直接的通讯，Model 层也无法调用 View 层。它们之间必须通过 Presenter 层进行通讯，进而实现了 Model层和 View 层的真正解耦[39].
(2) 在该模式中，View 层采用被动视图模式(Passive View) 这使得该层得到简化，其没有任何的业务逻辑需要部署，无需关心具体的业务，增加了复用性。
(3) 系统中所有的耦合都发生在 Presenter 层的内部 故相比于 MVC 架构，Presenter 层与 View 层及 Model 层的交互都是双向的。Presenter 层承担了更多的任务[40]。本系统的层次结构如下图 2-2 所示。
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(1) MVP 架构中 View 层不可直接访问 Model 层 在 MVP 模式中，
View 层不能与 Model 层进行直接的通讯，Model 层也无法调用 View 层。它们之间必须通过 Presenter 层进行通讯，进而实现了 Model层和 View 层的真正解耦[39].
(2) 在该模式中，View 层采用被动视图模式(Passive View) 这使得该层得到简化，其没有任何的业务逻辑需要部署，无需关心具体的业务，增加了复用性。
(3) 系统中所有的耦合都发生在 Presenter 层的内部 故相比于 MVC 架构，Presenter 层与 View 层及 Model 层的交互都是双向的。Presenter 层承担了更多的任务[40]。本系统的层次结构如下图 2-2 所示。
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第 3 章 电气网络的拓扑计算方法的优化 .................................. 20
3.1 电气网络的拓扑计算所解决的问题 .................................. 20
3.2 电气网络的拓扑计算方法的问题转化 ................................ 20
第 4 章 拓扑分析子系统的详细设计与实现 .......................... 39
4.1 拓扑计算模块设计与实现 ................................... 39
4.1.1 拓扑计算模块功能设计 ................................. 39
4.1.2 拓扑计算模块数据结构设计 .................................. 40
第 5 章 拓扑分析系统的测试 .............................. 71
5.1 测试环境 ......................... 72
5.1.1 硬件环境 ...................................... 72
5.1.2 软件环境 ................................... 72
第 5 章 拓扑分析系统的测试
5.1 测试环境
5.1.1 硬件环境
(1) Client 端：
CPU：英特尔 Core i7 860 @ 2.80GHz 四核
内存：DDR3 1600MHz 4GB
硬盘：600MB/秒
(2) RDB 端：
服务站名称：IEC870Device103Station1 IEC870Device103 Station2 IEC870Device103 Station2
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结论
本论文源自基于实时数据库系统的电气自动化控制系统对于拓扑分析的新需求。论文从客户的需求分析入手，采用 MVP 架构作为系统的整体框架并对系统所应具有的功能进行划分。通过对系统总体进行概要设计，再对各个功能模块进行详细设计，最终实现了该拓扑分析子系统。 本论文通过对拓扑分析子系统的设计与实现，取得如下研究成果：
(1) 本文提高了现有拓扑计算方法的实时计算效率及其可扩展性
本文结合了矩阵表示法易于扩展的优点，同时兼具 BFS 搜索方法的高效。较之传统的拓扑计算方法，其在大多数非极端情况下需要遍历更少的节点即可判定出节点的状态变化，效率上有所上升。尤其是当节点数据较多时，其只需遍历与动作位置想关联的少部分节点即可完成连通矩阵的维护。故其实时性能虽仍为 O(n)，但其 n 值远小于 BFS 搜索方法所需遍历的节点数目。同时，其实现基于连通矩阵，这使得其不仅仅实现了节点带电状态的更新，更为电气岛查询、孤岛判定提供了数据基础。该计算方法已经申请国家发明专利，申请号：201510647006.2，目前处于实审阶段。
(2) 本文实现了从拓扑计算到拓扑着色的完整人机交互
本文将所提出的拓扑计算方法实现。理论与事件存在差异，本文不仅提出了一种高效的拓扑计算方法，更完成了其相关软件模块的设计与实现。
本系统提供了软件监控工具。在本系统中加入安全监控工具。其主要功能为在 Windows 系统下实时监控程序运行状态，防止进程管理器将程序关闭，如程序发生意外关闭将自动重新启动程序
本系统提供了组态绘图工具。本系统提供了组态绘图工具，用快速绘制电气网络。并将绘制的图元对象与绑定实时数据库，使得当订阅的信息发生改变时，能够驱动其进行拓扑着色操作。
参考文献(略)