向官騰，郭健，汪煜，謝學(xué)平

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002;2.國(guó)網(wǎng)湖北電力公司孝感供電公司，湖北孝感 442001)

1 引言

輸電線路的微氣象條件是指某一個(gè)大區(qū)域內(nèi)的局部地段，由于地形、位置、坡向、溫度和濕度等出現(xiàn)特殊變化，造成局部區(qū)域形成有別于大區(qū)域的特殊氣候條件，而這些特殊的氣候條件經(jīng)常會(huì)影響輸電線路的正常運(yùn)行，例如大風(fēng)和覆冰引起的斷線、倒塔與絕緣子冰閃，嚴(yán)重?fù)p壞輸電線路，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。微氣象條件受多種因素影響，同時(shí)也對(duì)輸電線路安全起著至關(guān)重要的作用，因此對(duì)輸電線路微氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析是非常必要的。通過采集輸電線路附近的環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓氣象等參數(shù)實(shí)時(shí)對(duì)輸電線路進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與災(zāi)害預(yù)測(cè)，避免事故發(fā)生，為電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供有利參考[2]。

由于需要對(duì)輸電線路多個(gè)參數(shù)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，而且又要考慮到采集的實(shí)時(shí)性與同步性，因此本文介紹了一種基于Matlab/RTW/xPC目標(biāo)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)[3]，利用MATLAB軟件具有的數(shù)值分析與處理功能、豐富的仿真功能和方便的接口等特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并可以通過實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)室中模擬不同條件下輸電線路工況，進(jìn)行輸電線路理論分析與算法驗(yàn)證。

2 xPC目標(biāo)實(shí)時(shí)系統(tǒng)

實(shí)時(shí)代碼生成工具箱(Real-Time Workshops，RTW)是Matlab圖形建模和仿真環(huán)境Simulink的一個(gè)重要補(bǔ)充功能模塊，它是一個(gè)基于Simulink的代碼自動(dòng)生成環(huán)境，能直接從Simulink的模型中產(chǎn)生優(yōu)化可移植的代碼，并根據(jù)目標(biāo)配置自動(dòng)生成多種環(huán)境下的程序，利用它可以生成各種快速原型化實(shí)時(shí)環(huán)境或產(chǎn)品目標(biāo)下運(yùn)行的產(chǎn)品。xPC目標(biāo)是RTW下的附加產(chǎn)品，是一種用于產(chǎn)品原型開發(fā)、測(cè)試和配置實(shí)時(shí)系統(tǒng)的PC機(jī)解決途徑。它采用了“宿主機(jī)－目標(biāo)機(jī)”的技術(shù)途徑，即“雙機(jī)”模式，宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)可以是不同類型的計(jì)算機(jī)。其中，宿主機(jī)用于運(yùn)行Simulink模型，而目標(biāo)機(jī)則用于執(zhí)行所生成的代碼。目標(biāo)機(jī)上不需要任何操作系統(tǒng)，它可以通過U盤或軟盤啟動(dòng)，目標(biāo)機(jī)啟動(dòng)后直接調(diào)用xPC目標(biāo)啟動(dòng)盤中一個(gè)采用了32位保護(hù)模式的實(shí)時(shí)內(nèi)核，該內(nèi)核用于激活應(yīng)用程序載入程序，具有很高的運(yùn)行效率。宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)間的通信連接采用RS232協(xié)議的串口通信或TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)“雙機(jī)”間的通信連接、數(shù)據(jù)傳遞、人機(jī)交互和宿主機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[4]。

3 構(gòu)建xPC實(shí)時(shí)環(huán)境

3.1 構(gòu)建“雙機(jī)”通訊模式

在“雙機(jī)”模式中，宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)之間可以通過網(wǎng)絡(luò)或串口連接，在雙機(jī)之間交換目標(biāo)應(yīng)用程序、控制信號(hào)、信號(hào)數(shù)據(jù)、模型參數(shù)值等信息。目標(biāo)機(jī)通過裝載有實(shí)時(shí)內(nèi)核的啟動(dòng)盤啟動(dòng)，其內(nèi)信息包含C編譯器類型、路徑、“宿主機(jī)－目標(biāo)機(jī)”通信方式、串口端口以及目標(biāo)機(jī)的IP地址、網(wǎng)關(guān)及其他環(huán)境屬性，這些屬性都可以在 Matlab工作空間中調(diào)用命令 xpcexplr完成設(shè)置。

3.2 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)與硬件連接

利用xPC技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真時(shí)，目標(biāo)機(jī)作為原型機(jī)通常需要與外圍硬件電路進(jìn)行信號(hào)的傳遞，這便需要與目標(biāo)機(jī)相連接的I/O設(shè)備來(lái)完成，而xPC對(duì)于I/O設(shè)備的使用則需要通過調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。xPC目標(biāo)具有豐富的I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊庫(kù)，支持包括PCI總線在內(nèi)的40余種標(biāo)準(zhǔn)板，將其添加到Simulink中與物理模型連接作為信號(hào)輸入或輸出來(lái)完成信號(hào)接收與反饋。在實(shí)際工程中還有很多硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是xPC驅(qū)動(dòng)庫(kù)中不具有的，用戶可以采用Matlab提供的C－MEX S－函數(shù)自行開發(fā)驅(qū)動(dòng)模塊。

3.3 圖形用戶交互界面

xPC目標(biāo)環(huán)境提供了多種用戶交互方式，其中利用xPC目標(biāo)圖形界面進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)可視化較為直觀簡(jiǎn)便[4]。xPC目標(biāo)提供了宿主機(jī)或目標(biāo)機(jī)類型的示波器模塊(xPC Target Scope)，專門用于目標(biāo)機(jī)上的數(shù)據(jù)信號(hào)可視化。將其添加到Simulink模型中，設(shè)置觸發(fā)模式并添加信號(hào)，在目標(biāo)應(yīng)用程序初始化期間，一旦下載過程完成，目標(biāo)機(jī)上就會(huì)出現(xiàn)示波器窗口。在數(shù)據(jù)采集中，目標(biāo)機(jī)屏幕上可以顯示出數(shù)據(jù)的變化曲線圖，設(shè)置示波器相關(guān)屬性后還可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)值。

4 輸電線路微氣象實(shí)時(shí)采集環(huán)境設(shè)計(jì)

輸電線路微氣象采集系統(tǒng)是軟件和硬件相結(jié)合的實(shí)時(shí)采集與分析過程，本文介紹了一種基于xPC目標(biāo)實(shí)現(xiàn)輸電線路微氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與分析技術(shù)。系統(tǒng)硬件部分采用兩臺(tái)IBM－PC機(jī)構(gòu)建“雙機(jī)”模式，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)雙機(jī)之間的通訊[5];數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用美國(guó)NI公司生產(chǎn)的PCI－6023E數(shù)據(jù)采集板卡，它包括8路數(shù)字I/O線，16路12位模擬輸入和2個(gè)24位計(jì)數(shù)器，xPC目標(biāo)對(duì)該數(shù)據(jù)采集卡提供已編譯好的I/O驅(qū)動(dòng)模塊[6]，無(wú)需另行編寫。首先在宿主機(jī)Simulink中完成計(jì)算機(jī)上仿真設(shè)置(如圖1所示)，將板卡插入目標(biāo)機(jī)主板上相應(yīng)的I/O擴(kuò)展槽中構(gòu)成整個(gè)采集系統(tǒng)(如圖2所示)，利用U盤來(lái)啟動(dòng)目標(biāo)機(jī)中的實(shí)時(shí)內(nèi)核并下載目標(biāo)應(yīng)用程序[7]。

圖1 實(shí)時(shí)仿真步驟

輸電線路微氣象數(shù)據(jù)由各種傳感器測(cè)量獲得，通過信號(hào)調(diào)理器進(jìn)行加工處理后傳送給數(shù)據(jù)采集板卡，數(shù)據(jù)采集卡通過A/D口將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳入宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)中，經(jīng)xPC目標(biāo)提供的板卡I/O驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)入Simulink模型(如圖3所示)，通過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換優(yōu)化后得到相應(yīng)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)值，最后在Simulink外部模式的運(yùn)行過程下通過xPC Target Scope在目標(biāo)機(jī)中實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)與變化曲線。

圖2 實(shí)時(shí)采集環(huán)境

圖3 輸電線路微氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集模型

下圖所示的是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)目標(biāo)機(jī)屏幕中顯示的實(shí)時(shí)采集畫面，畫面上方為xPC內(nèi)核的狀態(tài)窗口，信息欄的左側(cè)包含了目標(biāo)機(jī)的空閑內(nèi)存、當(dāng)前目標(biāo)應(yīng)用程序的運(yùn)行模式、運(yùn)行時(shí)間、終止時(shí)間以及采樣時(shí)間等，其中xPC目標(biāo)就是使用空閑內(nèi)存來(lái)裝載、運(yùn)行Scope和采集數(shù)據(jù)，右側(cè)則顯示了系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)信息。畫面下方是目標(biāo)機(jī)的繪圖窗口，對(duì)Simulink模型中的xPC Target Scope進(jìn)行不同設(shè)置可以得到不同功能的繪圖窗口，圖4窗口中顯示了采集數(shù)據(jù)名稱與數(shù)據(jù)值，圖5窗口顯示了數(shù)據(jù)變化的軌跡，其中軌跡圖的各種屬性都可以在模型里設(shè)置。兩種畫面都會(huì)按一定的速率進(jìn)行更新，更新時(shí)間等于采集卡采集一個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)間。

圖4 某一時(shí)刻目標(biāo)機(jī)屏幕顯示的微氣象數(shù)據(jù)

圖5 目標(biāo)機(jī)屏幕顯示數(shù)據(jù)變化曲線

在Simulink模型中，利用實(shí)時(shí)微氣象數(shù)據(jù)、導(dǎo)線參數(shù)和模擬狀態(tài)量，參考相應(yīng)文獻(xiàn)，搭建舞動(dòng)計(jì)算、覆冰預(yù)測(cè)等數(shù)學(xué)模型，通過實(shí)時(shí)仿真得到的結(jié)果可以對(duì)舞動(dòng)分析、覆冰預(yù)測(cè)等輸電線路常規(guī)分析和算法進(jìn)行驗(yàn)證與優(yōu)化[1，8]。若改變了模型的算法和結(jié)構(gòu)，只需點(diǎn)擊Simulink工具下“Build Model”選項(xiàng)，將修改過的模型重新下載到目標(biāo)機(jī)實(shí)時(shí)內(nèi)核中運(yùn)行;若只改變模型任意位置參數(shù)，則可利用Simulink外部模式改變參數(shù)，在不停止當(dāng)前模型運(yùn)行的情況下將新的參數(shù)下載到目標(biāo)機(jī)實(shí)時(shí)內(nèi)核中，這樣允許在無(wú)需重新編譯模型和創(chuàng)建新目標(biāo)程序的情況下，改變參數(shù)達(dá)到優(yōu)化模型的效果，整個(gè)過程都只需在宿主機(jī)中完成。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)完成了基于xPC目標(biāo)的輸電線路微氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用xPC目標(biāo)“雙機(jī)模式”與硬件連接的系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模擬出不同氣象條件下輸電線路的各種工況，進(jìn)行舞動(dòng)分析、覆冰預(yù)測(cè)等算法分析，從而實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室采集與分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證和優(yōu)化各種新型的數(shù)學(xué)模型與算法，為輸電線路數(shù)據(jù)采集與算法分析提供了一個(gè)方便高效的半實(shí)物平臺(tái)，大大減少了算法開發(fā)周期和費(fèi)用，為輸電線路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障分析領(lǐng)域提供了一種較為便捷實(shí)用的工具。

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