1　引言
　　微机继电保护装置在我国已得到了广泛的应用。从500 kV高电压等级的线路保护、元件保护以及低压保护测控一体化装置等各领域范围都取得了引人瞩目的成果，微机继电保护装置的制造和研究也达到国际水平，其核心元件CPU已从原来的8051、8096、80196、80296等发展到32位的68332、浮点或定点DSP等等。软件开发也从原来单一的汇编语言向PLM、C、C＋＋等高级语言转换。特别是在低压保护测控一体化装置的研发中，汇编语言和高级语言（C、C＋＋）的混合编程方法已得到了肯定和实现，这种混合编程方法能提高程序编写效率，利于程序维护。
　　在35 kV及以下电压等级的保护测控一体化装置的工程应用中，由于各地区各电力运行部门对 继电保护的要求不尽相同，低压保护领域中形成的运行习惯差异较大，如华东部分地区在低压馈线上要求前加速功能，华北部分地区要求线路具有多次重合闸，各地对低频减载闭锁条件的要求也各不相同等等。因此需要软件开发人员编写大量的非标程序来满足现场需要。在过去基于汇编语言的程序编制下，需要各类软件开发人员投入大量精力来修改相应的汇编程序代码，给工程维护增加了工作量。为了适应低压变电站运行环境和用户需求的变化，更好地为变电站综合自动化提供服务，要求低压保护测控一体化装置有很强的适应性，将用户的新需求反映到软件系统之中，并易于修改和维护。显然，传统的结构化的单一汇编语言的微机保护测控软件的开发方法已不能适应新一代低压保护测控软件开发的需要。本文介绍一种面向对象的微机保护　　测控软件设计方法，使程序简洁高效，提高了程序的可读性和可维护性。该设计方法已在我们研制的低压保护测控一体化装置中得到应用，现场投运良好。

2　面向对象方法在微机继电保护软件编制中的优点
　　传统的微机保护软件编制大都采用汇编语言。因为微机继电保护装置对装置的可靠性和计算的实时性要求较高，而汇编语言直接面向底层硬件，可以极端高效地使用内存和优化程序的执行速度，能较好地满足其技术要求。但是，用传统的面向功能的结构化汇编语言开发方法也存在先天不足，具体表现为
　　（1）结构化方法以功能为主体，侧重子功能和功能抽象，其出发点是问题空间中实体的行为，实体的行为是随功能要求变动而变动的，是不稳定的。所以用结构化方法开发出来的系统适应性较差，难以满足用户提出的功能要求的变化。对于低压微机保护测控装置，用户需求的微小变化可能导致整个系统的改变。
　　（2）传统的结构化方法的开发过程中，系统分析和系统设计有着严格的先后关系。在软件开发后期，如果系统需求有变动，就要对前期工作进行修改，而这种修改是非常困难的，甚至软件设计要从头重新开始。
　　面向对象技术将对象作为系统结构的基本组成单元，以主体数据为中心，将数据及其上的操作封装在一起，这种主体—动作模式符合人们对客观世界的认识规律。相对于传统的结构化方法，用面向对象的方法进行微机继电保护软件开发，可以实现微机保护装置的柔性构造，更好地适应各类变电站和用户需求的变化，方便程序的修改和维护。用面向对象方法开发的微机保护测控装置有如下优点：
　　（1）一旦用户需求发生变化，变电站工程要求非标软件，那么部分对象可以进行扩充和再定义，整个软件系统可以重新组合装配。因此用面向对象方法开发出的微机继电保护测控装置具有较好的适应性和可扩充性，能很好地适应用户需求的变化。
　　（2）采用面向对象方法的软件开发，其分析，设计，实现等各阶段都是基于同样的系统模型，采用螺旋式循环往复的工作方式。后一阶段的开发可以直接复用前一阶段的成果，软件向前的追溯和向
后的持续开发都非常方便。
　　（3）用面向对象方法开发出来的微机保护软件易于维护，对象实现了抽象与封装，使其中可能出现的修改或错误限制在自身，易于检测和修改。

3　微机继电保护测控装置的需求描述
　　微机保护测控装置的软件需求是十分独特的，它需要专业的电力继电保护知识和对装置硬件的深刻认识。
　　在基于CPU的微机保护装置中，其保护逻辑程序大致归纳为以下几类：突变量启动；稳态定值量启动；（方向）过流保护；零序（方向）过流保护、反时限过流保护、低电压保护；过电压保护；PT断线、CT断线、过负荷告警；重合闸（检同期、检无压）；低频减载；全阻抗保护；方向阻抗；横差方向；方向高频；负序方向高频；相差高频；纵差保护；过激励；非电量保护等等。还有一些微机保护装置不可缺少的辅助功能程序，如：液晶循环显示，键盘输入，定值修改，装置自检，采样精度自校，保护事件显示，通讯模块等等。对于低压保护测控一体化装置，还需要加上一些测控程序，如：遥信，遥测，遥控，SOE事件等等。这些基本功能的有效组合组成了微机保护测控装置的系统软件。
　　传统的以汇编语言为主体的微机保护装置中，一旦程序编制完成，各种功能模块的相互配合是固定不变和全局联系的，部分功能的更改需要对全体程序模块重新定义和修改，其后果是编程时间较长，程序的可读性差，调试和维护极其困难等等。
　　对于低压保护测控一体化装置，其硬件一般采用模块化设计，如电源模块、CPU模块、交流采样模块、继电器板模块、扩展遥信板等。这种硬件模块化设计思想便于大规模批量生产。针对不同的保护测控装置，只要更换相应的交流采样板和保护测控软件，其余硬件不变，可组成各类保护测控产品。
　　在软件开发中，需考虑以下几方面的功能需求：
　　（1）装置交流采样功能的实现，主要是指交流电压、交流电流（分为保护电流CT和测量电流CT）及其谐波分量、序分量的幅值计算、相位计算、频率计算、功率计算等等，这些计算数值将直接作为保护逻辑判断依据和电力参数的遥测数据（该程序模块以汇编语言为主，提高算法的计算速度。同时该模块内的各功能函数能被其他功能模块用C语言调用）。
　　（2）保护逻辑功能的实现，主要是指过流保护、重合闸逻辑、低频减载、PT断线等等各类保护功能的逻辑判断，并跳闸出口。此保护逻辑判断程序一般需要在采样中断（对于50 Hz的工频，24点采样时间间隔为0．833 Ms，12点采样时间间隔为1．667 Ms）中计算完毕。
　　（3）装置对各类事件的报文处理，包括：保护事件，SOE事件（实遥信和虚遥信），COS主动上送报文和装置自检出错信息。这些事件还要完成液晶显示和通讯上送的功能。
　　（4）装置对保护定值以及装置参数的操作，包括：各种保护定值的数据类型，定值在内存中的修改，定值在E2PROM中的存入和读出，定值的液晶显示，后台机远方调定值，下装定值，远方修改定值等等。
　　（5）装置通讯功能的实现，包括：通讯芯片的初始化，发送、接收缓冲区的设置，长短帧的定义等等。
　　（6）装置时间功能的实现，包括：时间芯片的初始化，时间设置，读时间以及和总控装置的通讯对时等等。
　　（7）装置的键盘操作、液晶显示以及菜单功能的实现，包括：液晶菜单的各类显示数据，各种键值的处理，各类事件的显示等等。
　　微机保护测控装置就是由以上的基本功能组成的。对于品种繁多，应用不一的低压保护测控装置，如馈线、线路、电容器、所用变压器、电动机、分段开关备自投、变压器后备保护测控装置等等，其基本的软件功能是一致的，只要根据相应对象的保护测控的技术要求，修改相应的保护逻辑判断，液晶显示，通讯内容等等，即可完成各种系列产品的软件编制。

4　对象的标识
4．1　对象的抽取
　　对象是面向对象方法的基本点，软件系统分析的关键任务就是进行对象的标识。发现和识别对象是面向对象分析中一项十分重要而又困难的工作。根据上节描述的保护测控装置的功能需求，以馈线保护测控装置为例，用统一建模语言UML定义，如图1的对象类图。

4．2　对象属性和方法的标识
　　在面向对象分析中，“属性”用来具体反映问题域和信息系统的任务。一个属性是一些数据（对象的状态信息），在类的每个实例化对象中均有该对象自己的属性值。属性的值（状态）只能由该对象的方法来处理。“方法”是指某类的对象所具有的特定的行为，它表示对象在收到消息以后所要完成的工作。　　
　　 以通讯类为例，其属性描述如下：
　　（1）各类通讯标志的定义；
　　（2）发送缓冲区、接收缓冲区的定义；
　　（3）通讯长度、通讯计数器的定义；
　　 通讯类的“方法”描述如下：
　　（1）通讯芯片的初始化；
　　（2）发送，接收功能的实现；
　　（3）遥测、遥信、遥控、远方修改定值、保护事件报文的通讯功能实现。
　　保护测控装置的通讯是由现场总线CAN实现的，其通讯类定义如下：　　
　　typedefclass
｛　
　　public：　　
　　void Init（）；　　　　　　　　／／CAN通讯芯片的初始化
　　void InitCanBaud（short Baud）；／／通讯波特率的设置
　　void ProcessReceive（）；／／接收处理函数
　　void SendStart（）；／／发送函数
　　void ReceiveFrame（）；／／接收帧处理函数
　　void AutoSendWholeYX（）；／／主动上送遥信变位函数
　　BYTEReceiveBuffer［1024］；／／接收缓冲区的设置
　　UINTSendDataLen；／／发送数据长度
　　BYTESendBuffer［1024］；／／发送缓冲区的设置
　　BYTEFlag＿SendStop；／／发送停止标志BYTEAutoSendBuffer［1024］；／／主动上送缓冲区的设置　
　　private：　　
　　BYTEFlag＿Receive；　　　　　　　　　　　／／接收标志　　BYTEReceiveFrameCounter；／／接收帧计数器
　　BYTESendFrameCounter；／／发送帧计数器
　　void PresetBufferToSendBuffer（short Squ，short Pos）；／／定值送到发送缓冲区
　　｝CANCLASS；　　
　　微机保护测控装置中其余对象属性和方法的标识不再一一说明。
4．3　标识消息机制
　　消息是指一个对象请求另一个对象执行某些处理或回答某些信息的要求。程序的执行是靠在对象间传递消息来完成的。利用消息机制实现微机保护测控某个功能的过程一般描述为一个对象接收某个消息，在满足一定的条件下激发一种动作，这种动作引起对象状态的变化，而这又可能引发一个新的消息作用于别的对象。对象之间通过相互的功能调用来发送消息以激发彼此的动作，引起对象状态的变化，从而完成系统的功能。
　　在图1的对象类图中，对象间消息传递过程以及对象自身方法的执行过程如下：
　　（1）“保护逻辑”是微机保护测控装置软件的核心，其属性可由各种保护定值和控制字组成，并可派生出“过流保护”、“零序保护”、“低频减载”、“过负荷”、“重合闸”等各种保护子类。“交流采样”得到的保护电流、电压，送入“保护逻辑”进行判断，一旦交流量越限（大于定值）将产生保护事件（其类型为跳闸或报警）。
　　（2）保护事件发生后，将产生保护事件报文，一方面送到“人机界面”液晶显示；一方面由“通讯类”上送到后台或调度。
　　（3）“交流采样”得到的测量电流、电压，一方到后台或调度；另一方面送到“人机界面”液晶显示。
　　（4）“测控类”的遥信（包括实遥信、虚遥信、COS主动上送报文）一方面送到“人机界面”液晶显示，另一方面经“通讯类”上送到后台或调度。
　　（5）“通讯类”对装置进行“遥控”操作，保护定值的上调，下装及远方修改。
　　（6）“人机界面类”的键盘、液晶、菜单完成对保护定值的修改和显示。

5　子系统划分和系统的实现
　　标识了微机保护测控装置软件的对象后，把具有强烈相互作用的对象划分成一个子系统，并尽可能地使各子系统之间的联系最弱。根据此原则，微机保护测控装置软件可划分为4个子系统：
　　（1）人机界面子系统：包括键盘、液晶、菜单的对象集合。
　　（2）测控子系统：包括交流采样，遥测，遥控，遥信的对象集合。
　　（3）通讯子系统。
　　（4）保护逻辑子系统：包括交流采样，保护逻辑判断（定值、控制字），保护动作出口，保护事件报文的对象的集合。
　　所研制的保护测控一体化装置的软件，采用以上设计思路，完成了装置的保护测控功能。

6　结束语
　　本文介绍的面向对象的微机保护测控软件设计方法，将保护测控软件中的一些基本功能抽取为对象，通过对象之间的消息传递，激发各种装置功能，从而有效地组成保护测控软件的整体功能。该设计方法使程序简洁高效，提高了程序的可读性和可维护性。同时针对低压变电站众多的非标软件，该设计思路能使软件编程人员减轻开发工作量，提高工作效率。该设计方法在所研制的低压保护测控一体化装置中得到了应用，系列装置已在变电站成功投运多套，运行良好。

参考文献

［1］李轶群，吴国炀．基于模块的可编程保护装置软件设计新概念［J］．电力系统自动化，2002，26（15）：66－69
［2］易鲜红，王汝传．基于面向对象技术的火电厂经理信息系统分析［J］．南京邮电学院学报（自然科学版），2002，22（1）：86－90
［3］冯玉琳，黄涛，倪彬．对象技术导论［M］．北京：科学出版社，1998
［4］杨佳宁，蔡德礼．微机保护资源的优化利用［J］．继电器，1999，27（1）：8－10
［5］宋云辉，于江鲲．变电站微机综合保护的优化设计思路［J］．电站设备自动化，2002，（3）：13－16
［6］薛敏，陈家骏．一种面向对象的电力系统监控软件模型［J］．计算机应用研究，2002，19（6）：52－56
［7］刘艳，韩肖清．面向对象数据库及其在电力系统中的应用［J］．电力系统及其自动化学报，2001，13（1）：35-37