Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса разработки информационной среды автоматизированной системы контроля и учета электрической энергии 6
1.1. Современное состояние вопросов построения АСКУЭ и их баз данных 6
1.2. Анализ технического и программного обеспечения АСКУЭ 18
1.2.1. Технические средства АСКУЭ 18
1.2.2. Программные средства АСКУЭ 19
1.3. Структуры построения АСКУЭ и их организационное обеспечение 23
1.4. Постановка научной задачи и частные задачи исследования 28
1.5. Выводы 30
ГЛАВА 2. Исследование и описание предметной области базы данных АСКУЭ 31
2.1. Выбор методики описания предметной области базы данных АСКУЭ 31
2.2. Определение категорий пользователей АСКУЭ и их функций для создания унифицированных баз данных 38
2.3. Разработка методики системного анализа предметной области 46
2.4. Разработка методики моделирования предметной области базы данных АСКУЭ 53
2.5. Выводы 61
ГЛАВА 3. Разработка методики построения канонической структуры базы данных АСКУЭ 63
3.1. Разработка методики анализа информационных структур базы данных АСКУЭ и их графов 63
3.2. Разработка методики нормализации информационных структур и построения канонической структуры базы данных АСКУЭ 74
3.3. Разработка методики определения типов информационных элементов и построения базы данных АСКУЭ 77
3.4. Выводы 82
ГЛАВА 4. Разработка методики проектирования БД АСКУЭ реляционного типа 83
4.1. Представление информационных составов групп БД АСКУЭ в модели «сущность-связь» 83
4.2. Представление информационных составов групп БД АСКУЭ в реляционной модели 90
4.3. Разработка структуры программного обеспечения для АСКУЭ 95
4.4. Методика создания программного обеспечения для АСКУЭ 98
4.4.1. Выбор языковых средств для создания программного обеспечения и БД АСКУЭ 99
4.4.2. Особенности реализации БД АСКУЭ и алгоритмов обработки данных. 102
4.4.3. Методика построения графического интерфейса ПО АСКУЭ 104
4.5. Оценка эффективности применения методического аппарата 108
4.6. Выводы 112
Заключение 114
Список литературы 117
- Современное состояние вопросов построения АСКУЭ и их баз данных
- Выбор методики описания предметной области базы данных АСКУЭ
- Разработка методики анализа информационных структур базы данных АСКУЭ и их графов
- Представление информационных составов групп БД АСКУЭ в модели «сущность-связь»
Введение к работе
Мировой опыт свидетельствует, что затраты на внедрение энергосберегающих проектов в 3-5 раз меньше затрат на добычу и производство первичных энергоисточников, эквивалентных по объему сбереженным. Проблема широкого внедрения энергосберегающих технологий в России назрела давно.
Сейчас управление и контроль за потреблением [8,9,11,29] энергоресурсов становятся предметом все большего внимания как со стороны производителей энергоресурсов, так и со стороны потребителей. В настоящее время в России преобладает принцип «самообслуживания» энергопотребителя при оплате за потребленные энергоресурсы [57]. Удорожание энергоресурсов для потребителей неизбежно приводит к увеличению неплатежей и хищений энергоресурсов. Для решения данных проблем одним из эффективнейших путей является внедрение автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии [41,47].
В настоящее время, в связи с созданием оптового и розничного рынков электроэнергии, а также дальнейший переход к реализации электроэнергии на данных рынках по многостаночным и дифференцированным тарифам [47], изменилась вся структура коммерческого и технического учета электроэнергии. Эти изменения выявили множество существенных недостатков в том числе:
низкий класс точности приборов учета электрической и тепловой энергии и их недостаточная эксплуатационная надежность;
невозможность измерения коммерческих значений мощности электроэнергии за заданные интервалы времени, что не позволяет использовать этот параметр в условиях функционирования рынка;
архаичность организации учета с ручным съемом показаний приборов учета за календарный месяц, приводящей к неодновременности снятия показаний счетчиков, и, как следствие, невозможность получения
достаточно точного баланса по выработке и потреблению электроэнергии;
несовершенство существующих нормативных документов, определяющих организационные и технические аспекты учета;
отсутствие автоматизированного обмена информацией между первичным учетом энергии и финансово-расчетными системами на всех уровнях;
отсутствие современной информационной среды в системе автоматизированного учета, позволяющей объединять различные подсистемы учета и контроля потребления электроэнергии,
С другой стороны развитие современных средств вычислительной техники и компьютерных технологий, создали предпосылки для создания и совершенствования автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ).
Современное состояние вопросов построения АСКУЭ и их баз данных
Основной целью создания АСКУЭ является решение на основе точной и оперативно получаемой информации вопросов повышения эффективности и рационального использования топливно-энергетических ресурсов, энергосбережения, а также финансовых взаимоотношений субъектов рынка и банковских структур. С учетом определенной выше цели инструментальные средства АСКУЭ обеспечивают сбор и оперативную дистанционную передачу по различным каналам связи на диспетчерские пункты {коммерческие центры) энергоснабжающих предприятий всего необходимого объема данных для оперативного контроля и производства коммерческих расчетов за потребление электроэнергии по многоставочным, дифференцированным по времени суток или сезонам тарифам любой сложности [1,4]. Благодаря оперативному и одновременному контролю со стороны энергоснабжающей организации и потребителя возможно применение бесконфликтной безакцептной формы взаиморасчетов с автоматической выпиской и доставкой счетов каждому абоненту. Ускорение банковских операций, позволяет существенно компенсировать затраты на создание и эксплуатацию АСКУЭ. Кроме того, внедрение АСКУЭ обеспечивает возможность целенаправленного регулирования режимов энергопотребления в целях обеспечения энергосбережения. Необходимость такого регулирования обусловлена значительной разницей между пиком нагрузки и ночным провалом в энергосистемах, недостаточной регулирующей возможностью тепловых электростанций и АЭС для покрытия переменной части графиков нагрузки, неблагоприятной тенденцией снижения доли маневренных мощностей в энергосистемах, вызванной укрупнением энергоблоков, значительными капитальными и энергетическими затратами, связанными с сооружением и эксплуатацией пиковых агрегатов. При очевидной целесообразности выравнивания графиков нагрузки внедрение АСКУЭ позволяет использовать для этой цели технические возможности регуляторов потребителей. Однако для решения коммерческих и технических вопросов электроснабжения с помощью АСКУЭ необходимо обеспечить полную информацию по учету вырабатываемой, потребляемой и объективно теряемой электроэнергией. Учет электроэнергии осуществляется приборами учета — счетчиками электрической активной и реактивной энергии [14]. Они являются источниками и хранителями исходной информации об электроэнергии для всех видов учета, в том числе автоматизированного. Описанные выше операции на уровне программного обеспечения решаются с применением современных сетевых технологий и технологий баз данных. Автоматизированные системы учета в электроэнергетике строятся на следующих основных принципах [41]: ? исходной информацией для систем должны служить данные, получаемые от счетчиков электрической энергии в виде кодо-импульсной или цифровой информации (приоритетными являются счетчики электрической энергии с цифровым выходом как более точные); ? системы должны создаваться как расчетные (коммерческие), использующие для расчетного и технического учета в основном одни и те же комплексы технических средств; ? сбор, обработка, накопление, хранение, отображение и передача информации об электроэнергии и мощности для коммерческих расчетов на объектах должны производиться с помощью метрологически аттестованных и защищенных от несанкционированного доступа устройств — информационно-измерительных систем; ? структура системы сбора и передачи информации (ССПИ) АСКУЭ должна по возможности использовать средства и совмещаться с ССПИ автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ) энергосистем и ОЭС; информация об электроэнергии и мощности, получаемая и циркулирующая в системах АСКУЭ, должна быть привязана к единому астрономическому времени ее образования и обеспечивать единые временные интервалы измеряемых и вычисляемых данных по системе в целом. Системы АСКУЭ обеспечивают все уровни управления точной, достоверной и надежной информацией об учете электроэнергии и мощности для производства расчетов: ? за межгосударственные перетоки электроэнергии; ? на оптовом рынке электроэнергии и мощности (ОРЭМ); ? между энергоснабжающими организациями и потребителями на розничных рынках электроэнергии и мощности (РРЭМ). АСКУЭ также служат источником информации для контроля выполнения договорных обязательств между субъектами ОРЭМ и между энергоснабжающими организациями и потребителями на РРЭМ.
С учетом новых рыночных отношений АСКУЭ совместно с автоматизированными системами управления потреблением и сбытом энергии (АСУ ПСЭ) энергосистем автоматизируют расчеты с потребителями за потребляемую электроэнергию и имеют связь с финансово-расчетными структурами для контроля за прохождением платежей, передавая об этом информацию на все уровни управления.
Выбор методики описания предметной области базы данных АСКУЭ
Для создания любой автоматизированной системы необходим подготовительный этап, связанный с исследованием и описанием предметной области, объектов или процессов автоматизации, а также различных видов взаимосвязей между ними [34].
Под предметной областью будем понимать информацию о совокупности объектов автоматизации и их характеристиках, которая представляется в виде специальных структур данных, хранятся в базах данных (БД) и используется пользователями для решения различных функциональных задач.
С точки зрения проектирования БД в рамках системного анализа, необходимо провести подробное словесное описание объектов предметной области и реальных связей, которые присутствуют между описываемыми объектами. Желательно, чтобы данное описание позволяло корректно определить все взаимосвязи между объектами предметной области.
В общем случае существует два подхода к выбору состава и структуры предметной области [5,27]:
Функциональный подход - он реализует принцип движения «от задач» и применяется тогда, когда заранее известны функции некоторой группы лиц и комплексов задач, для обслуживания информационных потребностей, для которых создается БД. В этом случае необходимо выделить минимальный набор объектов предметной области, которые должны быть описаны.
Предметный подход — когда информационные потребности будущих пользователей БД жестко не фиксируются. Они могут быть многоаспектными и весьма динамичными. Невозможно точно выделить минимальный набор объектов предметной области, которые необходимо описывать. В описание предметной области в этом случае включаются такие объекты и взаимосвязи, которые наиболее характерны и наиболее существенны для нее. Такая база данных, называется предметной, то есть она может быть использована при решении множества разнообразных, заранее не определенных задач. Конструирование предметной БД в некотором смысле кажется гораздо более заманчивым, однако трудность всеобщего охвата предметной области с невозможностью конкретизации потребностей пользователей может привести к избыточно сложной схеме БД, которая для конкретных задач будет неэффективной. В случае с предметной областью АСКУЭ необходимо использовать некоторый компромиссный вариант, который с одной стороны, ориентирован на конкретные задачи автоматизированного учета электроэнергии и функциональные потребности субъектов АСКУЭ, а с другой стороны, должен учитывать возможности наращивания новых информационных элементов и связей [29,30,31]. Для начального анализа предметной области АСКУЭ будем использовать диаграммы потоков данных (DFD - Data Flow Diagramm) [60]. Основные элементы представлены в таблице 2.1. Такой тип обозначений элементов DFD-диаграммы получил название "нотация Йордона - Де Марко", по именам разработавших его специалистов. Функции, хранилища и внешние сущности на DFD-диаграмме связываются дугами, представляющими потоки данных. Дуги могут разветвляться или сливаться, что означает, соответственно, разделение потока данных на части, либо слияние объектов. При интерпретации DFD-диаграммы используются следующие правила: Функции преобразуют входящие потоки данных в выходящие Хранилища данных не изменяют потоки данных, а служат только для хранения поступающих объектов Преобразования потоков данных во внешних сущностях игнорируется Помимо этого, для каждого информационного потока и хранилища определяются связанные с ними элементы данных. Каждому элементу данных присваивается имя, также для него может быть указан тип данных и формат. Чтобы построить DFD-диаграмму АСКУЭ необходимо выделить какие элементы системы будут функциями, внешними сущностями, определить потоки данных. В соответствии с проведенным анализом АСКУЭ, определим эти элементы DFD диаграммы. Так как источником первичной информации в АСКУЭ выступают «Счетчики», то их можно считать «внешними сущностями». К внешним сущностям также отнесем «Абонентов» и «Верхний уровень». Под «Абонентом» подразумевается субъект (потребитель) электроэнергии элемента АСКУЭ. Под «Верхним уровнем» будем понимать систему, элементом которой является проектируемое АСКУЭ (АСКУЭ краевого, регионального, федерального уровней ). Потоками данных в нашем случае будут данные, получаемые со счетчиков, которые в дальнейшем обрабатываются, передаются и хранятся, а также команды и запросы циркулирующие между коммуникационным оборудованием. В общем случае согласно нотации «Иордона - Де Марко» схема функционирования АСКУЭ представлена на рисунке 2.1. DFD-диаграмма функционирования АСКУЭ Эта диаграмма представляет самый верхний описательный уровень. Естественно, это весьма грубое описание предметной области. Уточнение модели производится путем детализации необходимых функций. Структура команд счетчиков и контроллеров, а также формат передаваемых счетчиком данных определяется в соответствии с информацией разработчиков коммуникационного оборудования. Однако для всех счетчиков существуют минимальный набор передаваемых данных, необходимый для обеспечения единого стандарта измерений. Этот набор регламентирован в типовых инструкциях по учету электроэнергии и мощности [1,13,14,16,17,19,22,23,24,25,44,46,4748,49,51,52,53]. Измерения электроэнергии выполняют методом интегрирования по времени электрической мощности контролируемой сети при помощи индукционного или электронного счетчика электроэнергии и периодического считывания непрерывно нарастающих показаний счетчика [26,47,48,52]. Значение электроэнергии за учетный период определяют по разности показаний счетчика в конце и начале этого периода согласно.
Разработка методики анализа информационных структур базы данных АСКУЭ и их графов
Выбор теоретико-множественных и графовых моделей БД обусловлен наличием в них развитого математического аппарата, позволяющего исследовать структурные характеристики графов предметной области, а также возможностью аналитического описания и формализации в терминах теории множеств. Эти положения являются основными достоинствами теоретико-множественных моделей и методов, подробно они описаны в [5,12,27,37,38].
С другой стороны одним из основных недостатков этих моделей является отсутствие наглядности и естественности представления структуры предметной области.
Прежде, чем приступать к созданию БД АСКУЭ, разработчик должен сформировать понятия о предметах, фактах и событиях, которыми будет оперировать данная система. Одним из наиболее удобных инструментов унифицированного, наглядного представления данных, независимого от реализующего его программного обеспечения, является модель "сущность-связь" (entity - relationship model, ER - model). Подробный анализ данной модели приведен в [33,45,59,60].
Модель "сущность-связь" основывается на некой важной семантической информации о реальном мире и предназначена для логического представления данных. Она определяет значения данных в контексте их взаимосвязи с другими данными. Важным для БД АСКУЭ является тот факт, что из модели "сущность-связь" могут быть порождены все существующие модели данных (иерархическая, сетевая, реляционная, объектная), поэтому она является наиболее общей.
Отметим, что модель "сущность-связь" не является моделью данных поскольку не определяет операций над данными и ограничивается описанием только их логической структуры.
Для того, чтобы привести информационные составы групп (каноническую структуру БД АСКУЭ) к модели «сущность-связь» необходимо каждую группу информационных элементов представить в виде сущности. Неключевые информационные элементы группы представить в виде неключевых атрибутов сущности, а ключи представить в виде ключа сущности. Для преобразования взаимосвязей между информационными группами во взаимосвязи между сущностями необходимо дополнительно построить для информационных групп матрицу типов взаимосвязей: где іц- =1, если между группами с индексами /, / существует отношение типа «1:1», "2, если между группами с индексами / , Г существует отношение типа «1:М», /,-,--0, если между группами с индексами і, і не существует взаимосвязи (w,-(- =0). Другие типы отношений для построенных информационных групп БД АСКУЭ не предусмотрены. Считается, что типы взаимосвязей устанавливаются на основе реальных, имеющих смысл взаимосвязей элементов предметной области.
Информационные группы БД АСКУЭ, представляют собой информационные параметры объектов автоматизации АСКУЭ. Поэтому выявление типов взаимосвязей между группами информационных элементов сводится к выявлению реальных (естественных, объективных) взаимосвязей между объектами автоматизации. Вернемся к прежним обозначениям структурных и информационных элементов и введем новые обозначения. Данные обозначения представлены в таблице 4.1.
Представление информационных составов групп БД АСКУЭ в модели «сущность-связь»
Развитие технологии БД осуществлялось по направлению от локальных приложений, когда реально с БД могло работать одно приложение до построения БД в качестве разделяемых информационных ресурсов коллективного пользования. Локальное приложение устанавливалось вместе с базой данных. Необходимость коллективной работы с БД предопределила перенос БД на сетевой сервер. Появились версии локальных СУБД, позволяющие создавать приложения, одновременно работающие с одной БД на файловом сервере. Основной проблемой при этом становилась проблема обеспечения смысловой и ссылочной целостности БД при одновременном изменении одних и тех же данных. Возникновение этой проблемы достаточно очевидно в силу того, что файл-серверная архитектура означает фактическое отсутствие каких либо определений серверной БД. Очевидным оказались и недостатки реализации файл-серверной архитектуры [33,45,59,60]: ? перенос всей тяжести вычислительной нагрузки на приложение клиентов; ? использование локальными СУБД навигационного подхода, ориентированного на работу с отдельными записями (строками); ? неоптимальный расход клиентских компьютерных ресурсов; ? низкий уровень безопасности данных; ? реализация бизнес-правил в приложениях, что способствует нарушению смысловой целостности данных БД; ? возникновение ошибок в режиме работы с транзакциями. Все эти проблемы разрешены в архитектуре клиент-сервер, в которой нет прямого доступа приложений в серверную БД. Функции прямого обращения к БД осуществляет специальная управляющая программа, которая называется SQL-сервер. SQL-сервер способен централизованно обеспечивать безопасность данных, управлять защитой данных, реализовывать бизнес правила и выполнять многие функции определения связанности данных БД. К числу наиболее применимых SQL-серверов относятся: InterBase, MS SQL Server, Oracle, Informix, Sybase, DB2. В связи с широким распространением в нашей стране программных продуктов фирмы Borland. Очевидным представляется использование в качестве SQL-сервера сервер InterBase. InterBase поддерживается двумя такими наиболее популярными и распространенными средствами программирования как Delphi и C++Builder [43]. SQL-сервер InterBase является промышленной СУБД. Для создания ссылочной и смысловой целостности в БД можно определить: ? отношения подчиненности между таблицами путем определения первичных ключей у родительских и внешних ключей у дочерних таблиц; ? ограничение на значения отдельных столбцов заданием ограничением на значения домена или столбца; ? бизнес-правила при помощи триггеров, обеспечивающих автоматическое выполнение заданных процедур сервером до или после событий модификации БД; ? применение генераторов для обеспечения уникальности значений полей. Для ускорения работы клиентских приложений, а также для централизованной обработки связанности данных может применяться механизм хранимых процедур. InterBase предоставляет возможность использования определенных пользователем функций (UDF) с реализацией не предусмотренных в стандартном наборе функций. Функции пишутся на любом алгоритмическом языке программирования, позволяющем разрабатывать DLL. В качестве языка программирования предлагается использовать объектно-ориентированный язык программирования высокого уровня C++. В данной работе предполагается использование среды программирования C++ Builder. Благодаря визуальному объектно-ориентированному 101 программированию была создана технология, получившая название быстрая разработка приложений или RAD - Rapid Application Development. Эта технология характерна для нового поколения систем программирования, к которому относится и C++ Builder. Визуальное программирование [32,34,43] позволило свести проектирование пользовательского интерфейса к простым и наглядным процедурам. Но одним из самых больших достоинств является возможность создавать в среде программирования эффективные приложения для работы с базами данных, поддерживающее технологию клиент-сервер и язык SQL. А широкие возможности интеграции приложений C++ Builder с InterBase позволяют создать за короткий срок приложения для АСКУЭ. оервер Основной принцип технологии клиент-сервер применительно к технологии баз данных заключается в разделении функций стандартного интерактивного приложения на 5 групп, имеющих различную природу. Структура технологии «Клиент-сервер» представлена на рисунке 4.5. функции ввода и отображения данных (presentation logic) Презентационная логика как часть приложения определяется тем, что пользователь видит на своем экране, когда работает приложение. прикладные функции, определяющие основные алгоритмы решения задач приложения (business logic) Бизнес-логика, или логика приложений - это часть кода приложения, которая определяет алгоритмы решения конкретных задач приложения функции обработки данных внутри приложения (database logic) 102 Логика обработки данных - это часть кода приложения, которая связана с обработкой данных внутри приложения. Данными управляет собственно СУБД. Для обеспечения доступа к данным используется язык запросов и средства манипулирования данными стандартного языка SQL. функции управления информационными ресурсами (database manager system) Это собственно СУБД, которая обеспечивает хранение и управление базами данных служебные функции, играющие роль связок между функциями первых четырех групп.
