上述功能覆蓋了從單裝置研發到現場運行調試的相關過程。軟件的用戶包括裝置研發人員、生産制造人員、技術支持人員、産品代理人員、購買裝置的用戶。

以技術支持用戶為例，其典型的操作流程如圖2所示：

對于智能變電站的裝置，還可進行過程層變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）、模拟量采樣（sampled value, SV）的發送接收端子配置，形成單裝置ICD文件。之後在資源管理器導入其他裝置的ICD文件，将其他裝置的GOOSE-SV發送數據集對應的發送端子選擇拖入到ICD的Inputs節點内，并選擇外裝置的FCDA和本裝置的接收虛端子DAI關聯，通過ExtRef存儲對應關系。

裝置是以回路實例配置（configured circuit description, CCD）文件作為數字化傳輸的接口，配置軟件根據ICD文件中的發送數據集和Inputs接收端子信息，形成該配置文件，通過1個軟件，即完成了裝置間的數據傳輸配置。完成相關離線配置後，将驅動包下載到裝置進行在線調試。

1.3 以驅動包為核心銜接全流程設計

面向國内外市場，要求保護測控裝置具備靈活的可配置能力和快速集成能力。基于傳統的定制化編程方式，已經很難适應不同國家和地區用戶需求。需提供可配置方法，支持用戶二次開發，滿足現場需求，而面向用戶的可配置，要求風險可靠，避免用戶進行程序編譯等複雜度高的操作。

另外随着研發分工的細化，裝置程序的研發也需分步實現，模塊研發人員側重于單個功能模塊的設計，以提高模塊的研發質量和運行效率，裝置集成研發人員基于可複用的模塊庫，搭建裝置功能，并設計開放給用戶的配置接口，以提高裝置集成速度。本軟件以驅動包為核心，實現不同用戶分權限、分步驟開發，如圖3所示。

圖2 用戶操作流程設計

圖3 以驅動包為核心的分步開發過程

用戶版軟件僅顯示用戶可見的模塊、頁面、定值、配置選項等數據，用戶版本的邏輯編程數據處理采用動态注冊技術，是免編譯的。

1.4 提升裝置可配置能力設計

在PCS-Explorer軟件中，裝置運行的主體功能使用圖形化元件搭建，在保留該軟件部分核心功能前提下，PCS-Studio新增了主接線功能、圖形化跳閘矩陣功能，進一步提升母差保護裝置、主變保護裝置的可配置能力，降低上述應用的配置複雜度，并對IEC 61850建模配置進行了新的設計，提升用戶自主配置修改方便性。

1）主接線配置

母差保護采用面向間隔對象的方法來形成差動構成圖，該方法針對不同母差主接線情況下，隻需要修改母差配置，不需要修改母差程序。之前的标準母差保護支持的主接線形式固定（通過MOT提供11種可選接線方式），無法滿足一些較特殊的主接線方式，由研發人員進行二次開發實現。故需要通過繪制母差主接線圖實現自動形成母差配置的功能。其主接線實現步驟如下：

在進行變壓器保護配置前，需要了解原理圖、用戶習慣，由于變壓器主變接線方式和高中低壓側的分支數可變，所以對應的模拟量拉線、命名、HMI配置都有可能要修改，由于其靈活的可配置模式，對工程人員和用戶來說，需要深刻理解掌握變壓器保護的配置思路，專業門檻高，存在一定難度，也需要通過圖形化的方式，以直觀地進行模拟量和功能配置。其主接線配置實現步驟如下：

以主變保護為例，其主接線示意圖如圖4所示。

圖4 主變保護主接線示意圖

2）跳閘矩陣

主變三側保護多，跳閘開關多，每個保護跳的開關不一樣，如果都用繼電器就需要定義很多壓闆。之前是通過定值整定或者通過搭建繁雜的邏輯頁面實現，存在不直觀、不易彙總的問題。跳閘矩陣先将要跳的每個開關的繼電器固定，對每個保護要跳開關編碼，用點擊圓圈方式直接起動要跳開關繼電器。

通過對各種保護跳閘進行統一需求分析，設計了通用的跳閘矩陣符号，其在數據建模是個通用的元件，包括輸入、輸出、參數、邏輯節點模型，在圖形上進行特殊處理，根據輸入個數，動态調整顯示行數，固定32個輸出和定值，采用圍棋模式的按比特位進行整定，支持修改關聯變量描述，其他頁面可使用跳閘矩陣的輸出變量。

3）IEC 61850建模

目前國際市場存在IEC 61850Ed1、Ed2兩個版本建模的需求，需支持可選切換導出符合Ed1、Ed2标準的模型，為此構建了支持2個版本的SCL數據模型，通過傳入形參數，動态形成對應版本的屬性和子節點。針對單裝置的IEC 61850建模，采用三類圖形化符号實現。

（1）應用元件内嵌邏輯節點模型。例如零序過流保護元件采用類型為PDOC的邏輯節點關聯，在符号庫元件制作階段，可導入2個版本的數據模闆，将邏輯節點作為元件的成員模型，進行元件變量和邏輯節點的數據屬性映射配置、數據集配置，元件實例化時邏輯節點也同步實例化，完成裝置主體功能建模。

（2）提供通用邏輯節點圖形化符号建模，例如MMXU、GGIO，進行用戶級自定義模拟量、開關量符号建模，這類符号可以關聯跨元件的變量。

（3）提供PTRC、TCTR、TVTR等過程層GOOSE、SV的數據發送接收符号，采用圖形化方式進行發送壓闆控制、接收邏輯編程，通過分析上述符号的拓撲關系，進行過程層虛端子建模。

通過元件關聯邏輯節點和圖形化符号，實現IEC 61850的自動化、圖形化建模，用戶不用關心底層SCL語法，降低了配置建模複雜度，支持用戶基于研發人員預配置的數據集，進行用戶級數據集的創建，篩選裝置側上送給後台的信号。同時提供集中式浏覽界面，彙總各個頁面的邏輯節點模型，支持用戶集中修改實例化、前綴等内容，驅動包升級時保留用戶設置的屬性。

1.5 可靠性設計

在提升軟件可靠性方面，通過組件化的設計，提升系統的穩定性、可選升級能力；通過基于用戶角色的權限管理（role-based access control, RBAC）進行用戶操作控制；通過内置校驗規則進行防誤校驗，實現用戶操作的日志記錄，用戶驅動包下載前的配置合規檢查。

1）基于組件的軟件工程理念

軟件系統比較龐大複雜，同時用戶對軟件的發布、升級的可靠性、運行過程的穩定性的要求越來越高，對軟件的設計和開發帶來挑戰，需要有合适的軟件工程方法來指導軟件設計開發過程。基于組件軟件工程是一種基于複用方法來定義、實現和組合松散耦合的獨立組件，使之成為一個系統。組件是比對象更高層次的抽象，其接口的實現細節對其他組件是隐藏的。開發可靠易維護的軟件設計原則如下：

組件具有标準化、獨立性、可組合性、可部署性、文檔化等特征。基于組件複用的軟件開發過程包括：系統需求概覽定義、識别候選組件、根據發現的組件修改需求、體系結構設計、識别候選組件、組合組件并構建系統。本文的PCS-Studio軟件采用了組件化設計理念。

2）權限管理

按照IEEE 1686規範進行角色權限設計。預設置7種用戶角色，分别為“查看”、“控制”、“定值”、“測試”、“配置”、“調試”和“管理”。工具默認提供一個管理員賬戶，默認具有所有權限。用戶第一次配置時使用admin賬戶進行登錄，登錄以後需要立即修改默認的用戶名和密碼。

管理員可以進行權限配置：①設置哪些權限不需要校驗密碼；②設置免密碼操作的超時時間；③之後再創建角色，給角色分配權限，并且創建用戶，将用戶添加到角色組中。配置完成後相關設置信息保存到權限文件中，再下載到裝置最終生效。圖5是PCS-Studio的虛拟液晶調試子進程和裝置通信時的權限校驗過程。

圖5 虛拟液晶調試軟件登錄過程

3）防誤校驗

軟件在防誤操作設計方面，在編輯過程中進行即時校驗，例如定值設置超範圍提示、IO插件不允許邏輯編程的控制、部分元件實例個數的控制、部分元件僅能在指定插件的範圍内使用、連接線兩端輸出-輸入變量類型不匹配提示等多項細節的提示，減少用戶配置過程中的誤操作。

軟件梳理總結了裝置側系統軟件相關配置檢查規則，在驅動包形成處理過程中，進行逐條檢測，并按照錯誤/告警/提示的級别進行展示，僅當零錯誤的配置才形成可下載的驅動包。此外客戶端軟件與裝置之間的調試下載通信進行完整性校驗機制，采用了MD5對敏感數據保護進行保護，通信報文采用加密處理，避免非法會話與攻擊。

2.1 可擴展腳本技術

在MOT選型、系統配置、可視化主接線等場景，配置選項的修改，需要即時生效。例如投入退出插件、顯示隐藏頁面、修改内部參數等。QT庫的QObject類和派生類有property屬性和c slot接口，可以在python解釋引擎中注冊相關實體對象，在腳本中調用注冊對象的API接口，界面上點擊保存或失去焦點時自動執行相關腳本，實現數據聯動修改功能。圖6是可視化主接線中雙CT母聯符号内置的腳本示例。

圖6 配置腳本

在圖6中，Bay表示當前符号注冊名，Graph表示主接線畫面注冊名，GetSymbolByName等是軟件預先定義的接口函數，裝置應用開發人員可調用軟件提供的API函數，編寫應用層邏輯，實現工具軟件和不同應用邏輯之間解耦。

2.2 數據刷新同步技術

由于模塊化元件支持該元件内變量菜單分組配置功能，在可視化頁面組件和LCD菜單組件均可進行菜單分組配置，因此采用一次讀取驅動包内容到共享内存、多處視圖編輯浏覽、即時刷新同步的策略實現數據一緻性。

軟件需實現離線HMI菜單配置和可視化頁面配置的同步生效。将配置相關的數據源主體存儲在可視化頁面文件中，集中分組配置的菜單文件按順序存儲變量的ID。首次點擊裝置節點時，需一次讀取菜單分組、定值、錄波和可視化頁面信息，确保需同步的數據在内存中。

以新建元件為例，從符号庫中選擇元件塊釋放到頁面，則從變量庫中獲取默認實例名、默認的邏輯節點實例名，構建符号、變量的ID。讀取符号内分組引用表的配置，彙總各個菜單引用表的變量ID，根據層次菜單英文名，查找離線HMI配置的數據（包括菜單、錄波、事件、定值），将相關變量ID順次添加到對應的離線分組内存數據中。

2.3 組件化集成技術

PCS-Studio軟件采用組件加載和子進程調用的集成模式，設計了主進程-子進程-子組件的分層架構，分主框架、頂層界面組件層、數據模型層、公共服務驅動層，支持功能靈活擴展。

基于組件的開發設計要點包括：①實現對組件的管理，宿主程序可以搜索、加載、卸載組件和維護組件的狀态。将這些功能放到組件配置樹（組件容器）模塊實現；②接口的設計和識别，接口是不同組件之間、宿主程序與組件之間的通信基礎。宿主程序隻有識别接口，才能加載組件；③資源的互斥和同步，多個組件的并行運行可能對申請資源産生競争。

組件系統的功能由組件實現，設計了基礎數據basedata.dll、基礎界面basegui.dll、抽象組件basepackage.dll、消息總線msgbus.dll作為底層驅動公共服務模塊，數據模塊和應用能夠組件繼承自上述基礎模塊，組件之間通過消息總線交互數據，各應用層組件如圖7所示，包括工程管理組件、圖形化配置組件、全局配置組件等。

2.4 主界面框架設計技術

軟件主框架的頂層窗體QWidget由區域1、區域2、區域3組成，3個區域使用QVBoxLayout豎式對齊。其中區域1為主标題窗體，顯示軟件名字和當前打開的工程名稱。區域2包括菜單欄、工具欄。區域3為QMainWindow，由QSpliter和狀态欄組成。

使用QSpliter作為中心窗體，依次豎式管理左側工具欄、左側停靠窗體、中間界面容器、右側停靠窗體、右側工具欄。中間界面容器分兩個子區域，包括QWorkSpace工作空間、底部停靠窗體，使用橫式排列。QWorkSpace用于管理各中子界面。整個軟件的配色使用QSS的層次樣式表設計，通過分層主界面框架，實現新型自定義軟件界面風格。

圖7 組件集成架構

圖8 PCS-Studio主界面框架

PCS-Studio軟件采用模塊化設計思想，通過可視化的方式配置調試PCS-S系列裝置。以變電站為單位管理PCS-S系列裝置，能有效管理全站的裝置配置方案。使用驅動包和MOT創建裝置，基于标準模闆，可快速構建配置。提供功能豐富的離線配置和在線調試。支持跨裝置的GOOSE-SV數據傳輸配置功能。軟件在功能完善性、界面友好性、操作易用性、運行穩定性等方面有了較大改進提升，促進了PCS-S系列裝置的市場推廣。