基于Qt的智能变电站监控系统图形包研究

林 纲，庄丽蓉，曾朝晖（福建省电力有限公司泉州供电公司，福建泉州362000）

智能变电站是智能电网的重要组成部分，是能量转换与控制的核心平台之一，而监控系统则是智能变电站监视、控制与管理的基础。但是在智能变电站的监控过程中，数学模型较为复杂，画面信息量大，操作种类多，维护工作繁重，这就需要大量使用图形绘制与显示技术，有利于监控人员在调度监控室里通过屏幕直观地了解和掌握现场的工作与运行状态，方便操作，实现所见即所得的效果［1］。所以图形包的好坏直接影响了监控系统上应用软件的开发以及整个系统的运行效率。

虽然目前各电力软件厂商和二次开发商也逐步认识到图形包在电力监控系统开发中的重要作用，加大了其产品对图形包的支持力度，但目前传统变电站监控系统图形包的开发和应用存在以下一些缺陷：①使用了不同的数据格式和存储模式；②基于不同的设计工具与开发环境；③只能运行于特定的平台上，无法实现跨平台；④没有遵循通用的标准，难以实现互操作；⑤针对特定的应用目标与输出介质；⑥不能接入新系统（辅助系统、状态监测系统等）；它们不属于电网实时监控的范畴［2］。这就造成当前图形包资源的浪费，导致变电站内部具有多种监控后台，造成成本增加，给维护人员带来麻烦。

Qt是Digia公司开发的一款跨平台的C＋＋开发框架。本文利用Qt框架，设计并实现了一种新型的遵循IEC 61970和IEC 61850通用标准、人机交互方便、界面友好、开放、可移植并且实用的新一代图形包。该图形包遵循图模库一体化设计思想，采用了基于插件的软件架构，在统一的系统界面服务平台上，可以灵活扩展、集成和整合各种应用功能，可运行于各种操作环境，具有很好的跨平台性，并能进行统一的维护。

1 架构设计

智能变电站监控系统包括硬件层、操作系统层、支撑平台层和应用层4个层次，如图1所示。其中，硬件层包括各种计算机设备，操作系统层包括各种操作系统，支撑平台层在整个系统架构中处于核心地位［3，4］。

图1 系统架构图

图形包处于整个监控系统的公共服务层中，直接从数据总线层获取数据，发布数据。而对于应用层，图形包提供了大量服务，以适应系统的各种操作并方便进行观察。

由于需求的不断增加，图形包必须提供统一而丰富的接口，既要满足需求增长，又要避免图形在程序上改动太大，从而增加程序稳定性。因此本文的图形包采用界面／逻辑／服务三层体系架构，这是技术方案的核心部分。图形包的总体架构如图2所示。

图2 图形包三层架构图

界面层主要负责屏蔽各种操作系统在绘制界面与界面响应上的不同，从而实现统一风格的应用界面与响应事件；逻辑层处于图形包的核心地位，用来处理来自界面层的各种事件，选择服务层的各种服务以实现各种功能；服务层主要提供各种公共的图形服务，如图元的绘制、图元的事件、文件的输入输出等。

智能变电站建设初期，由于众多设备和功能的增加，导致一些子系统出现，如智能辅助系统、状态监测系统等。同时在智能变电站监控系统中引入了高级应用，如智能告警等［5］。这些新系统和功能都不属于传统变电站监控的范畴，为了实现智能变电站的一体化监控，新的监控系统必须考虑对这些系统和功能的操作与展示，针对这些要求，本文提出如下功能框架，主要包括图形编辑功能和图形显示功能，以满足智能变电站的一体化监控要求，其功能结构如图3所示。

图3 软件包功能结构图

2 关键技术

2.1 MOVE框架

MVC模式在编程中被广泛地使用，其中，M（Model）代表数据模型，数据可以被封装与应用程序的业务逻辑和数据处理方法；V代表视图层（View），可以实现显示数据的目的；C（Controller）代表控制器，可以在不同层面之间起到组织作用，对程序的流程进行控制。在使用MVC模式的过程中，不难发现，此三层模式会让人越来越迷惑。因为代码量极大，开发人员不知道该把代码放在哪里，因而只能选择控制层，这就导致控制层填充太多的代码，使得代码更加难以维护。所以本文选用另外一种模式：MOVE模式，即Models、Operations、Views、Events。

（1）Models（模型）

这里以Qt的一个QGraphicsItem对象为原型，它有一个tool Tip属性。在一个MOVE模式的Models中只包装了知识。这就意味着除了Get和Set功能，它可以包含检查对象位置是否存在冲突这样的方法，但不会包含把位置信息保存到数据库或传递给外部API这样的功能，因为后面这些工作将由Operations来完成。

（2）Operations（操作）

对应用程序来说，常见的一个操作是用户登陆。实际上这是由两个子操作组成的：首先是从QGraphicsItem那里获取范围信息和位置信息，接着从数据库载入QGraphicsItem模型，同时检查密码是否匹配。Operations是MOVE模式中的行动者，它负责修改模型，并在正确的时间显示正确的视图，以及用户响应的相互作用引发的事件。

（3）Views（视图）

Views是数据展示与交互的一种方式，它主要负责显示一些文本框给用户。当用户点击QGraphicsItem对象时，视图将会产生一个mousePressEvent事件，其中包含鼠标点击的位置与击键方式。

（4）Events（事件）

当用户点击QGraphicsItem对象时，视图会发起mousePressEvent事件。在点击完成后，QGraphicsItem模型会发出一个事件通知当前鼠标位置信息。事件监听让MOVE（及MVC）实现控制反转，允许模型更新视图。这是一种强大的抽象技巧，允许组件互不干扰地耦合在一起。

2.2 图模库一体化技术

图模库一体化的核心思想是利用图形生成设备模型和拓扑结构关系，使得图形和数据库模型一一对应，从而紧密联系起图形和数据库模型，降低系统管理和维护的难度［6］。电力设备的CIM（Common Information Model）模型是一个抽象的模型，在图模库一体化技术中，设备模型和拓扑关系是产生的CIM的核心内容，接着通过相应的数据库实现对象持久化。图模库一体化技术可以根据图形性能的需求进行调整、加强，以确保拓扑关系的一致性和CIM拓扑结构。在本文图形包中，图模库一体化的实质是：各个设备图元的对象和CIM模型一一对应，同时CIM模型和数据库中表信息一一对应。在图形包上定义一个设备图元的时候，无须过多操作就可增加、修改、删除一个或多个数据库的记录数［7-8］。

本文图形包的图元数据属性是从CIM模型中继承，拓扑关系是根据图形绘制自动生成，同时在数据库中存在和CIM模型相对应的关系表。在图形包内对画面的操作和图元数据属性的修改都直接保存到对应的数据库中，实现关系的持久化。同时通过图形包提供的逻辑判断，可以验证拓扑关系正确与否。

3 应用实例

按照以上设计，本文采用Qt框架和C＋＋语言开发并实现了可运行于Windows、UNIX、Linux、以及国产操作系统平台下的基于IEC 61970和IEC 61850的通用图形包，并可实现风格的统一。该图形包可实现电力系统图形的生成、编辑、展示和操作，实现效果如图4所示。

图4 图形包在Linux计算机上的实现效果图

本文图形包采用G语言存储，解决数据格式与存储模式问题；采用Qt＋Eclipse解决了跨平台统一开发的问题；图形包遵循CIM模型，实现互操作；采用新数据接口，实现新系统无缝接入。目前该智能变电站监控系统图形包已经在一百多个现场投入运行，并取得了良好的经济和社会效益，实践证明该图形包可以满足智能变电站一体化监控的发展需求。

4 结束语

基于Qt的智能变电站监控系统图形包遵循了图模库一体化设计思想，采用了MOVE框架，在统一的系统界面服务平台上，可以灵活扩展、集成和整合各种应用功能，可运行于各种操作系统环境，具有良好的跨平台性，并能进行统一的维护，这些都展现了该图形包具有广泛的应用前景。

［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］ 国家电网公司.Q／GDW 679-2011：智能变电站一体化监控系统建设规范［S］.2012.

［4］ 国家电网公司.Q／GDW 678-2011：智能变电站一体化监控系统功能规范［S］.2012.

［5］ 李林川.智能变电站相关技术研究及应用［D］.天津：天津大学硕士论文，2010.

［6］ 林济铿，覃 岭.基于图形建模的电力系统拓扑分析新方法［J］.电力系统自动化，2005，22（16）：25-28.

［7］ 胡 旦.电力系统通用图形平台功能分析与技术研究［D］.武汉：华中科技大学硕士论文，2005.

［8］ 李 刚.基于QT的电力调度系统通信前置机软件的开发研究［D］.成都：西南交通大学硕士论文，2011.