張曉明，辛小瑜，楊大渭，劉中書

（1.國網(wǎng)陜西省電力有限公司，西安 710075；2.國網(wǎng)陜西省電力有限公司建設(shè)分公司，西安 710075）

張力放線作為輸電線路施工的重要技術(shù)手段，具有機械化程度高、速度快、效率高等特點，常規(guī)方法通常以二維圖紙等作為計算結(jié)果展現(xiàn)方式，現(xiàn)有技術(shù)也有采用AutoCAD 技術(shù)，上述技術(shù)存在以下缺陷：

（1）常規(guī)方法直觀性比較差，可視化程度比較低，對AutoCAD 的依賴性較強，通用性、專業(yè)性和系統(tǒng)性較差。輸電線路張力架設(shè)僅僅通過2D 顯示，顯示界面友好性能較差。

（2）輸電線路張力架設(shè)仿真設(shè)計過程中，沒有一個良好的平臺來進行測試，會導(dǎo)致整個開發(fā)周期過長，產(chǎn)品可靠性也難以保證。按照傳統(tǒng)的開發(fā)流程，一旦產(chǎn)品控制算法不理想，還要再返回上一步重新制造控制單元[1]，會導(dǎo)致難以控制時間和設(shè)計成本。

（3）在輸電線路張力架設(shè)運維過程中，尤其是環(huán)境較為惡劣的情況下，經(jīng)常會面臨仿真困難、輸電線路張力架設(shè)運維難以把控的問題，現(xiàn)有技術(shù)仿真效果差。

針對上述技術(shù)的不足，本研究利用dSPACE 實時仿真系統(tǒng)和控制器快速控制原型搭建了輸電線路張力架設(shè)仿真試驗平臺，設(shè)計了RTI 通訊接口和ControlDesk 試驗界面[2]，提高了輸電線路張力架設(shè)運維和監(jiān)控能力。下面對本研究的關(guān)鍵技術(shù)進行研究。

1 仿真系統(tǒng)設(shè)計

本研究通過dSPACE 技術(shù)并基于MATLAB/Simulink 平臺開發(fā)，設(shè)計了一套仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路張力架設(shè)仿真，其中試驗平臺由4部分組成：dSPACE 實時仿真系統(tǒng)、上位機電腦、輸電線路張力架設(shè)控制器及實物部分。本研究方法通過控制器進行實時在線的測試[3-4]，dSPACE 擁有強大的計算能力和通用的I/O 接口，可以方便的下載代碼，而且具有良好的組合性、實時性、可靠性，本研究能夠?qū)崿F(xiàn)三維GIS 輸電線張力架設(shè)信息采集、仿真和分析，提高了三維GIS 輸電線的運維的安全性能。整體框架示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖Fig.1 Overall frame diagram of system

在本試驗中，實時仿真系統(tǒng)包括輸電線路張力架設(shè)動力傳動系統(tǒng)、實物部分為輸電線路張力架設(shè)信息采集控制系統(tǒng)、電磁閥和輸電線路張力架設(shè)輔助部件等，輸電線路張力架設(shè)控制器選用華?？萍嫉目焖僭涂刂破鳌Ｆ渲?，dSPACE 系統(tǒng)與輸電線路張力架設(shè)之間的信號，通過CAN 總線實現(xiàn)傳遞。試驗數(shù)據(jù)的顯示、采集以及設(shè)置，主要通過dSPACE 系統(tǒng)的ControlDesk 軟件在上位機電腦上實現(xiàn)[5]。輸電線路張力架設(shè)仿真試驗的主要步驟如下：

步驟1在Simulink 中建立相關(guān)模型并離線仿真，不斷調(diào)試控制策略和相關(guān)參數(shù)，直到離線仿真結(jié)果滿足要求；

步驟2設(shè)置測試所需的通訊接口。在Simulink中可以方便的利用RTI 拖放操作進行I/O 接口設(shè)置；

步驟3使用RTW Build 功能編譯生成相應(yīng)的代碼；

步驟4在ControlDesk 軟件中設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集界面；

步驟5返回步驟1，通過輸電線路張力架設(shè)仿真的結(jié)果判斷是否需要修改相關(guān)控制策略。

試驗中，和dSPACE 的通訊通過CAN 實現(xiàn)，CAN 通訊RTI 模塊主要包括CAN 通訊發(fā)送模塊和CAN 通訊接收模塊，仿真模型CAN 通訊接口如圖2所示。

圖2 仿真模型CAN 通訊接口Fig.2 Simulation model CAN communication interface

在圖2的數(shù)據(jù)模型中，能夠?qū)崿F(xiàn)dSPACE 在線測試的CAN 通訊接口數(shù)據(jù)通訊。為了實現(xiàn)CAN 信息的傳遞，在CAN 接收模塊中要各個信號屬性和通訊參數(shù)進行設(shè)置。在此需要選擇此接收模塊用到的控制器[6]，還要進行接收信息參數(shù)的設(shè)置，包括信息的名稱、類型、地址以及長度等。CAN 發(fā)送模塊信號屬性如圖3所示。

通過圖3CAN 發(fā)送模塊信號屬性設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路張力架設(shè)數(shù)據(jù)信息的遠程傳遞與數(shù)據(jù)交互。dSPACE 系統(tǒng)在仿真中不但有要求處理器的速度足夠高，還要對中斷的響應(yīng)足夠快，在規(guī)定的仿真步長時間內(nèi)保證算法完畢[7]，dSPACE 通過自己特別的實時內(nèi)核可以保證即使在最壞的情況下也能在0.9～1.9 個微秒切換響應(yīng)中斷請求，它在最壞情況下切換時間大多在7～9 個微秒。下面對其控制方案進行設(shè)計。

圖3 CAN 發(fā)送模塊信號屬性設(shè)置Fig.3 CAN sending module signal attribute setting

2 快速控制方案設(shè)計

dSPACE 實時仿真系統(tǒng)的出現(xiàn)能夠完美解決了上述問題。dSPACE 基于MATLAB/Simulink 平臺開發(fā)，可以對控制器進行實時在線的測試，dSPACE 擁有強大的計算能力和通用的I/O 接口，可以方便的下載代碼，而且具有良好的組合性、實時性、可靠性。下面對快速控制方案進行設(shè)計，其原理如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體框架Fig.4 Overall framework of system

在輸電線路張力架設(shè)控制系統(tǒng)設(shè)計中，通過設(shè)置主控中心，在主控制中心設(shè)置各種不同數(shù)據(jù)傳感器，能夠獲取輸電線路張力架設(shè)不同的數(shù)據(jù)信息，并對各種數(shù)據(jù)信息進行采集、處理與分析，在具體應(yīng)用中，可以采用ARM+DSP 雙核處理的計算方案，能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路張力架設(shè)運維過程中不同數(shù)據(jù)信息的采集、傳遞、控制以及上層數(shù)據(jù)管理[8]。在具體數(shù)據(jù)應(yīng)用時，通過采用了ARM+DSP 技術(shù)的雙控方式。通過STC12C4A60S 單片機對輸電線路張力架設(shè)的運行狀態(tài)進行控制，該主控芯片通過STM32 控制器完成，在結(jié)構(gòu)上，通過連接ZigBee 協(xié)調(diào)模塊和WiFi 通訊模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳遞，其中STM32控制器還設(shè)計了基于ARM32 位的CortexTM-M3 CPU，該模塊實現(xiàn)輸電線路張力架設(shè)數(shù)據(jù)信息的計算與應(yīng)用。在具體設(shè)計中，在控制器上設(shè)置12 通道的DMA 控制器[9-10]，3 種16 通道A/D 轉(zhuǎn)換、2 通道的12位D/A 轉(zhuǎn)換器。通過這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路張力架設(shè)檢測數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)換，除此之外，ARM Cortex應(yīng)用處理器還采用16/32 位RISC 微處理，在該模塊的數(shù)據(jù)接口處還設(shè)置有SDIO 接口、SD 卡接口、串口、網(wǎng)口、USB 接口等，通過這種方式設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)多種不同通信方式的交互。為了提高數(shù)據(jù)計算能力，還設(shè)置了DSP 處理模塊，該處理模塊設(shè)置有擴展電路、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、D/A 轉(zhuǎn)換模塊等，將DSP 模塊在硬件架構(gòu)中作為計算適配器，在ARM 控制器[11]工作時，實現(xiàn)輸電線路張力架設(shè)數(shù)據(jù)信息輸入的高精度計算，通過DSP 模塊設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路張力架設(shè)的快速計算與處理。

3 應(yīng)用分析及結(jié)果

通過上述方案設(shè)計，本研究基于MATLAB/Simulink 的控制系統(tǒng)開發(fā)及半實物仿真的軟硬件工作平臺，利用dSPACE 中的ControlDesk 工具，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的采集與仿真[12]，在本研究方法中，通過ControlDesk 允許用戶以圖形化的方式對硬件進行管理，通過虛擬儀表的方式建立數(shù)據(jù)實時檢測系統(tǒng)，還可以方便的修改相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)整個實驗過程的自動化，大大簡化了設(shè)計人員的操作復(fù)雜度。仿真示意圖如圖5所示。

圖5 輸電線路張力架設(shè)仿真試驗平臺Fig.5 Simulation test platform for transmission line tension erection

通過圖5的理論架構(gòu)示意圖，然后構(gòu)建模型架構(gòu)示意圖，如圖6所示。

圖6 實物架構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of physical structure

在試驗時，通過間隔性方法提取數(shù)據(jù)信息特征，以實時觀察輸電線路張力架設(shè)運動狀態(tài)，輸電線路張力架設(shè)仿真分析界面如圖7所示。

圖7 輸電線路張力架設(shè)分析界面Fig.7 Interface for analysis of tension erection of transmission line

由于輸電線路張力架設(shè)運維過程中存在多種影響因素，處于篇幅的限制，本研究以風速做為考究對象，觀察在一定的風速作用下，輸電線路張力架設(shè)在風速中的轉(zhuǎn)矩，以分析風速對輸電線路張力架設(shè)運維過程中的影響。通過模擬仿真在20 s～22 s 規(guī)定時間內(nèi)，得到空氣風速、空氣溫度、空氣阻力、輸電線路張力架設(shè)轉(zhuǎn)速等各種因素的變化曲線，如圖8所示。

圖8 輸電線路張力架設(shè)運維過程中各影響因素仿真Fig.8 Influencing factors during tension erection operation and maintenance of transmission line

通過模擬輸電線路張力架設(shè)運維過程時，能夠清楚地看出輸電線路張力架設(shè)運維過程中不同數(shù)據(jù)信息影響程度和曲線規(guī)律。為了體現(xiàn)本研究技術(shù)優(yōu)勢，將本研究方法與有限元方法（下文稱為方案一方法）和AMESim 系統(tǒng)建模方法（下文稱為方案二方法）進行對比分析，以分析本研究的仿真精度，如圖9所示。

圖9 輸電線路張力架設(shè)運維過程中評估精度對比示意圖Fig.9 Schematic diagram of comparison of evaluation accuracy during the operation and maintenance of transmission line tension erection

通過圖9中的對比示意圖可以看出，假設(shè)采集到的輸電線路張力架設(shè)數(shù)據(jù)樣本為（100～600）×103個，通過8 個小時的試驗，則可以看出不同數(shù)據(jù)信息的評估精度，隨著樣本增加，不同方法的準確度也逐步提高，但在整個過程中，本研究方法的評估準確度最高。

4 結(jié)語

針對輸電線路張力架設(shè)運維過程中存在諸多多種影響因素，如何對不同數(shù)據(jù)新型進行分析，本研究利用dSPACE 實時仿真系統(tǒng)和控制器快速控制原型，搭建了輸電線路張力架設(shè)仿真試驗平臺，設(shè)計了RTI 通訊接口并編輯設(shè)計了ControlDesk 試驗界面。并設(shè)計了新型控制方案，能夠提高輸電線路張力架設(shè)運維過程中的控制能力。通過試驗，本研究方法控制能力好，輸電線路張力架設(shè)運維過程中控制結(jié)果仿真形象并且評估精度高，本研究為下一步技術(shù)研究奠定技術(shù)基礎(chǔ)。