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)常會影響輸電線路的正常運行，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)濟損失[1]。微氣象條件受多種因素影響，同時也對輸電線路安全起著至關(guān)重要的作用，因此對輸電線路微氣象數(shù)據(jù)進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)實時對輸電線路進行狀態(tài)監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)測，避免事故發(fā)生，為電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供有利參考[2]。

由于需要對輸電線路多個參數(shù)的大量數(shù)據(jù)進行采集，而且又要考慮到采集的實時性與同步性，因此本文介紹了一種基于Matlab/RTW/xPC目標(biāo)的實時數(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進行數(shù)據(jù)采集，并可以通過實時采集的數(shù)據(jù)在實驗室中模擬不同條件下輸電線路工況，進行輸電線路理論分析與算法驗證。

2 xPC目標(biāo)實時系統(tǒng)

實時代碼生成工具箱(Real-Time Workshops，RTW)是Matlab圖形建模和仿真環(huán)境Simulink的一個重要補充功能模塊，它是一個基于Simulink的代碼自動生成環(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時環(huán)境或產(chǎn)品目標(biāo)下運行的產(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)、測試和配置實時系統(tǒng)的PC機解決途徑。它采用了“宿主機－目標(biāo)機”的技術(shù)途徑，即“雙機”模式，宿主機和目標(biāo)機可以是不同類型的計算機。其中，宿主機用于運行Simulink模型，而目標(biāo)機則用于執(zhí)行所生成的代碼。目標(biāo)機上不需要任何操作系統(tǒng)，它可以通過U盤或軟盤啟動，目標(biāo)機啟動后直接調(diào)用xPC目標(biāo)啟動盤中一個采用了32位保護模式的實時內(nèi)核，該內(nèi)核用于激活應(yīng)用程序載入程序，具有很高的運行效率。宿主機與目標(biāo)機間的通信連接采用RS232協(xié)議的串口通信或TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)“雙機”間的通信連接、數(shù)據(jù)傳遞、人機交互和宿主機的實時監(jiān)控[4]。

3 構(gòu)建xPC實時環(huán)境

3.1 構(gòu)建“雙機”通訊模式

在“雙機”模式中，宿主機與目標(biāo)機之間可以通過網(wǎng)絡(luò)或串口連接，在雙機之間交換目標(biāo)應(yīng)用程序、控制信號、信號數(shù)據(jù)、模型參數(shù)值等信息。目標(biāo)機通過裝載有實時內(nèi)核的啟動盤啟動，其內(nèi)信息包含C編譯器類型、路徑、“宿主機－目標(biāo)機”通信方式、串口端口以及目標(biāo)機的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 實現(xiàn)目標(biāo)機與硬件連接

利用xPC技術(shù)進行實時仿真時，目標(biāo)機作為原型機通常需要與外圍硬件電路進行信號的傳遞，這便需要與目標(biāo)機相連接的I/O設(shè)備來完成，而xPC對于I/O設(shè)備的使用則需要通過調(diào)用驅(qū)動程序來實現(xiàn)[3]。xPC目標(biāo)具有豐富的I/O設(shè)備驅(qū)動模塊庫，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輸入或輸出來完成信號接收與反饋。在實際工程中還有很多硬件設(shè)備驅(qū)動程序是xPC驅(qū)動庫中不具有的，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)圖形界面進行數(shù)據(jù)信號可視化較為直觀簡便[4]。xPC目標(biāo)提供了宿主機或目標(biāo)機類型的示波器模塊(xPC Target Scope)，專門用于目標(biāo)機上的數(shù)據(jù)信號可視化。將其添加到Simulink模型中，設(shè)置觸發(fā)模式并添加信號，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)機上就會出現(xiàn)示波器窗口。在數(shù)據(jù)采集中，目標(biāo)機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)屬性后還可以實時顯示當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)值。

4 輸電線路微氣象實時采集環(huán)境設(shè)計

輸電線路微氣象采集系統(tǒng)是軟件和硬件相結(jié)合的實時采集與分析過程，本文介紹了一種基于xPC目標(biāo)實現(xiàn)輸電線路微氣象數(shù)據(jù)的實時采集與分析技術(shù)。系統(tǒng)硬件部分采用兩臺IBM－PC機構(gòu)建“雙機”模式，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)雙機之間的通訊[5];數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用美國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24位計數(shù)器，xPC目標(biāo)對該數(shù)據(jù)采集卡提供已編譯好的I/O驅(qū)動模塊[6]，無需另行編寫。首先在宿主機Simulink中完成計算機上仿真設(shè)置(如圖1所示)，將板卡插入目標(biāo)機主板上相應(yīng)的I/O擴展槽中構(gòu)成整個采集系統(tǒng)(如圖2所示)，利用U盤來啟動目標(biāo)機中的實時內(nèi)核并下載目標(biāo)應(yīng)用程序[7]。

圖1 實時仿真步驟

輸電線路微氣象數(shù)據(jù)由各種傳感器測量獲得，通過信號調(diào)理器進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口將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳入宿主機和目標(biāo)機中，經(jīng)xPC目標(biāo)提供的板卡I/O驅(qū)動模塊進入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)測量標(biāo)準(zhǔn)值，最后在Simulink外部模式的運行過程下通過xPC Target Scope在目標(biāo)機中實時顯示數(shù)據(jù)與變化曲線。

圖2 實時采集環(huán)境

圖3 輸電線路微氣象數(shù)據(jù)實時采集模型

下圖所示的是系統(tǒng)運行時目標(biāo)機屏幕中顯示的實時采集畫面，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)機的空閑內(nèi)存、當(dāng)前目標(biāo)應(yīng)用程序的運行模式、運行時間、終止時間以及采樣時間等，其中xPC目標(biāo)就是使用空閑內(nèi)存來裝載、運行Scope和采集數(shù)據(jù)，右側(cè)則顯示了系統(tǒng)運行狀態(tài)實時信息。畫面下方是目標(biāo)機的繪圖窗口，對Simulink模型中的xPC Target Scope進行不同設(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。兩種畫面都會按一定的速率進行更新，更新時間等于采集卡采集一個數(shù)據(jù)包的時間。

圖4 某一時刻目標(biāo)機屏幕顯示的微氣象數(shù)據(jù)

圖5 目標(biāo)機屏幕顯示數(shù)據(jù)變化曲線

在Simulink模型中，利用實時微氣象數(shù)據(jù)、導(dǎo)線參數(shù)和模擬狀態(tài)量，參考相應(yīng)文獻，搭建舞動計算、覆冰預(yù)測等數(shù)學(xué)模型，通過實時仿真得到的結(jié)果可以對舞動分析、覆冰預(yù)測等輸電線路常規(guī)分析和算法進行驗證與優(yōu)化[1，8]。若改變了模型的算法和結(jié)構(gòu)，只需點擊Simulink工具下“Build Model”選項，將修改過的模型重新下載到目標(biāo)機實時內(nèi)核中運行;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)前模型運行的情況下將新的參數(shù)下載到目標(biāo)機實時內(nèi)核中，這樣允許在無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)達到優(yōu)化模型的效果，整個過程都只需在宿主機中完成。

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。采用xPC目標(biāo)“雙機模式”與硬件連接的系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行實時采集，根據(jù)實時數(shù)據(jù)模擬出不同氣象條件下輸電線路的各種工況，進行舞動分析、覆冰預(yù)測等算法分析，從而實現(xiàn)在實驗室采集與分析實時數(shù)據(jù)，驗證和優(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方便高效的半實物平臺，大大減少了算法開發(fā)周期和費用，為輸電線路實時監(jiān)測與故障分析領(lǐng)域提供了一種較為便捷實用的工具。

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