Matlab與C#混合編程在配電網(wǎng)斷線監(jiān)測軟件的應(yīng)用①

王士新 張慧芬 徐 斌 孔 平 付 珂

(1.濟南大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院；2.國網(wǎng)山東省電力公司濟寧供電公司)

Matlab與C#混合編程在配電網(wǎng)斷線監(jiān)測軟件的應(yīng)用①

王士新1張慧芬1徐 斌2孔 平2付 珂2

(1.濟南大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院；2.國網(wǎng)山東省電力公司濟寧供電公司)

在開發(fā)配電網(wǎng)斷線監(jiān)測軟件的過程中，提出基于Matlab與C#混合編程的軟件開發(fā)方法，該方法將Matlab語言編寫的數(shù)據(jù)處理算法源程序編譯為.NET程序集以實現(xiàn)兩者混編的目的，發(fā)揮兩者在軟件開發(fā)上獨特的優(yōu)勢，不僅降低了數(shù)據(jù)處理算法的開發(fā)難度，也大幅提升了軟件品質(zhì)。該軟件主要提供COMTRADE協(xié)議錄波文件解析和管理、監(jiān)測信息管理、電壓/電流分析、處理結(jié)果可視化展示及處理結(jié)果導(dǎo)出等功能。

混合編程 配電網(wǎng) 斷線監(jiān)測 數(shù)據(jù)處理算法 故障錄波器

配電網(wǎng)斷線故障是配電網(wǎng)中不可忽視的故障類型，目前在對配電線路故障檢測的研究中，主要側(cè)重于發(fā)生各類短路故障后的檢測與定位，而對于配電網(wǎng)斷線故障的研究較少，在目前運行的配電網(wǎng)中還沒有專門針對斷線故障的保護裝置[1,2]。為解決這一現(xiàn)狀，筆者結(jié)合當(dāng)前普遍應(yīng)用的故障錄波器開發(fā)上位機應(yīng)用軟件，通過對COMTRADE協(xié)議錄波文件的解析得到錄波數(shù)據(jù)，利用對負(fù)序電流的希爾伯特黃變換(HHT)分析結(jié)果最終實現(xiàn)故障選線功能[3]。為了達到軟件可靠性和實用性的要求，該軟件不僅需要對數(shù)據(jù)快速有效的分析，而且需要良好的交互界面，為此，筆者提出了基于Matlab與C#.NET混合編程的軟件開發(fā)方法。

Matlab是優(yōu)秀的數(shù)值計算和仿真分析軟件，用戶只需極少的代碼就可以完成十分復(fù)雜的計算任務(wù)，在大幅提高數(shù)據(jù)分析算法開發(fā)效率的同時也降低了開發(fā)難度。但是Matlab在開發(fā)應(yīng)用程序和對系統(tǒng)資源利用性能上表現(xiàn)較差，人機界面開發(fā)較為困難，難以滿足工程需要[4]。而C#則是一種面向?qū)ο蟮?、運行于.NET Framework之上的高級程序設(shè)計語言，程序員可以快速編寫各種基于.NET平臺的應(yīng)用程序，使開發(fā)人機界面和利用系統(tǒng)資源更加方便、快捷。但是用C#語言編寫數(shù)據(jù)分析算法較為困難，需從底層運算編寫且容易出錯，執(zhí)行效率較低[5]。因此，運用Matlab與C#混合編程方法，即利用C#編程實現(xiàn)人機界面的開發(fā)、系統(tǒng)資源的利用及端口操作等任務(wù)，利用Matlab完成數(shù)據(jù)分析算法，可以極大程度地提高編程效率。

1 C#與Matlab混合編程的實現(xiàn)方法

Matlab與C#通過接口可以實現(xiàn)雙向混合編程，但在實際軟件開發(fā)中通常將Matlab編寫的程序編譯為COM組件或者.NET程序集供C#調(diào)用[6]。筆者采用.NET程序集的方式進行混合編程，.NET程序集通常為.exe或.dll文件，是一種自描述組件，與COM組件相比它不需要向操作系統(tǒng)注冊，降低了在客戶機安裝運行的條件，更便于程序的發(fā)布和升級?，F(xiàn)以傅里葉變換(FFT)功能模塊為例介紹Matlab與C#混合編程的實現(xiàn)方法，調(diào)試通過的開發(fā)環(huán)境為Matlab R2012a和Microsoft Visual Studio 2010。

1.1 Matlab程序編譯為.NET程序集

1.1.1編寫Matlab源程序

由于軟件的源程序較為復(fù)雜，為了更有效地說明問題，這里以FFT算法功能模塊的混編為例來進行介紹，簡化后的Matlab代碼如下：

function[mag,ang,f]=Myfft(x,Fs)%輸入為采樣信號和采樣頻率，輸出為幅值、相位和頻率序列

N=size(x,1);

n=0:N-1;

y=fft(x,N);%對信號進行快速Fourier變換

mag=abs(y)*2/N;%求得Fourier變換后的振幅(頻率譜×2/N為真實振幅)

ang=angle(y);%求得Fourier變換后的相位

f=n*Fs/N;%頻率序列

程序中函數(shù)fft為Matlab自帶，無需重寫，這也是用Matlab開發(fā)復(fù)雜算法的優(yōu)勢之一。保存該程序，文件名為函數(shù)名Myfft.m。

1.1.2配置Matlab編譯器

在Matlab命令窗口輸入mbuild-setup，選擇開發(fā)本軟件所用的Visual開發(fā)環(huán)境對應(yīng)的編譯器版本，若無對應(yīng)版本需更換Visual或者Matlab版本使之對應(yīng)，否則無法完成混編。筆者使用的開發(fā)環(huán)境為Matlab R2012a和Microsoft Visual Studio 2010并調(diào)試通過。配置完成后只要開發(fā)環(huán)境不改變，此步驟僅執(zhí)行一次。

1.1.3打開.NET編譯器添加源程序文件

在Matlab中新建Deployment Project(圖1)，輸入工程名稱為FFT，選擇工程的保存位置且類型選擇為.NET Assembly。

圖1 新建Deployment Project

在.NET Assembly窗口中選擇Add class并定義類名為fft，在此類下選擇Add files添加Matlab源程序文件Myfft.m(圖2)。在Package選項卡中可查看工程包含的文件，也可添加其他引用的文件或路徑，可選擇添加MCR到此工程，此方法可解決目標(biāo)機沒有MCR的問題，但這種方式在編譯時耗時長且沒有必要。

圖2 .NET Assembly窗口

1.1.4編譯生成.NET程序集

編譯之前需在設(shè)置窗口的.NET選項卡中設(shè)置Microsoft Framework版本號，Visual Studio 2010的Framework版本為4.0。配置完成后點擊Build開始編譯工作。編譯結(jié)束后在工程路徑下會生成工程文件夾FFT，子目錄distrib文件夾中包含了混編所需要的C#程序集FFT.dll。

1.2 C#調(diào)用Matlab生成的.NET程序集

1.2.1添加引用

打開Visual C#的項目，在解決方案資源管理器當(dāng)前項目下添加兩個引用，一個是對生成的程序集FFT.dll的引用，另一個是對MWArray.dll動態(tài)鏈接庫的引用，此文件位于Matlab安裝目錄下。在程序中需要引用兩個命名空間：using MathWorks.Matlab.NET.Arrays和using MathWorks.Matlab.NET.Utility。Matlab平臺與.NET平臺的數(shù)據(jù)交換是由這兩個命名空間下的類和接口實現(xiàn)的，可以使用MathWorks.Matlab.NET.Arrays.MWArray類型變量作為兩個平臺的中間變量實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

1.2.2編寫C#代碼調(diào)用程序集

在編寫調(diào)用代碼之前要查看被調(diào)用的程序集的輸入輸出形式，編譯器將Matlab源程序函數(shù)編譯后以多函數(shù)重載的方式存放于類fft下，供用戶以不同的方式調(diào)用，在解決方案資源管理器中雙擊FFT引用即可打開對象瀏覽器，定位到成員fft可查看重載，并根據(jù)實際輸入輸出方式選擇合理的重載進行調(diào)用。這里選用public MathWorks.Matlab.NET.Arrays.MWArray[]Myfft(int numArgsOut,MathWorks.Matlab.NET.Arrays.MWArray x,MathWorks.Matlab.NET.Arrays.MWArray Fs)，如圖3所示。

圖3 類fft的重載函數(shù)成員

可以看出，除輸出參數(shù)個數(shù)numArgsOut變量為int類型外，其他輸入/輸出參數(shù)均為中間類型MWArray。根據(jù)上述分析編寫的調(diào)用函數(shù)如下(主要代碼和注釋)：

using MathWorks.Matlab.NET.Arrays;

using MathWorks.Matlab.NET.Utility;

//定義一個函數(shù)fft對調(diào)用進行二次封裝

public static void fft(float[]ia2,float[]T)

{

//創(chuàng)建fft類對象

FFT.fft ft=new FFT.fft();

//利用MWArray提供的接口函數(shù)對輸入量進行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，MWNumericArray類型是MWArray的子類，即向下兼容

MWNumericArray Ia2=new MWNumericArray(ia2);

MWNumericArray t=new MWNumericArray(T);

//調(diào)用Myfft方法，返回MWArray[]類型變量resultArray

MWArray[]resultArray=ft.Myfft(3,Ia2,t);

//將輸出結(jié)果的每一個元素拿出來用ToArray方法強制轉(zhuǎn)換為double型二維數(shù)組，即完成了從中間變量到.NET變量的轉(zhuǎn)換

double[,]result0=(double[,])resultArray[0].ToArray();

double[,]result1=(double[,])resultArray[1].ToArray();

double[,]result2=(double[,])resultArray[2].ToArray();

}

至此完成了C#語言調(diào)用Matlab生成的.NET程序集的任務(wù)，對于其他功能模塊的編程均按照這種方式進行混合編程。

2 混合編程存在的問題與優(yōu)化

Matlab與C#混合編程也有不可避免的劣勢，當(dāng)?shù)?次調(diào)用.dll程序集時必然會加載MCR，這個過程根據(jù)目標(biāo)機器性能的不同將耗費10～15s的時間，造成首次進行數(shù)據(jù)分析時的假死現(xiàn)象。采取在MCR加載前提醒用戶的方式無法從根本解決問題，增加線程雖然程序不會假死，但加載的時間是必然存在的。徹底解決這一問題的關(guān)鍵在于如何完全規(guī)避加載時間，使之不影響調(diào)用時間。

然而，在程序運行后的時間內(nèi)均有可能調(diào)用.dll程序集，在程序運行前加載又會拖慢程序的打開速度。筆者采用增加用戶登錄界面的方法，在程序真正運行前進行身份驗證的同時創(chuàng)建新的后臺線程完成MCR的加載，這樣既對軟件的使用權(quán)限加以限制又解決了MCR加載耗時長的問題。

用戶登錄信息采用本地加密存儲方式，C#.NET提供了DESCryptoServiceProvider類可以對用戶信息進行加密處理并存儲在本地目錄，通過這種方式實現(xiàn)了較為可靠的用戶登錄系統(tǒng)。

在登錄界面初始化的過程中創(chuàng)建一個新的線程，該線程通過調(diào)用一次.dll間接實現(xiàn)MCR的加載，仍以FFT算法為例，其調(diào)用程序如下：

public LoginForm()

{

InitializeComponent();//登錄界面初始化

//啟用新線程進行加載，防止假死

Thread th=new Thread(Load_MCR);

th.IsBackground=true;

th.Start();

}

private static void Load_MCR()

{

//用創(chuàng)建.dll實例的方法預(yù)加載MCR

FFT.fft mcrLoad=new FFT.fft();

}

3 軟件的安裝和應(yīng)用

由于采用了自描述.NET程序集實現(xiàn)了Matlab與.NET兩個平臺的混合編程，目標(biāo)機器僅需安裝.NET Framework 4.0和Matlab Compiler Runtime(MCR)即可脫離特定開發(fā)環(huán)境運行此軟件。程序打包時要將.NET Framework 4.0作為系統(tǒng)必備條件一起打包，這樣在軟件安裝時，安裝向?qū)ё詣訖z測當(dāng)前安裝環(huán)境下是否存在指定版本的.NET Framework，若沒有則首先安裝.NET Framework 4.0然后再進行應(yīng)用軟件的安裝，最后在目標(biāo)機上安裝MCR，其安裝文件在開發(fā)機Matlab安裝目錄的MatlabR2012a oolboxcompilerdeploywin32下。

基于筆者所述方法完成的配電網(wǎng)斷線監(jiān)測軟件，主要實現(xiàn)了對COMTRADE協(xié)議錄波文件的解析，并利用對負(fù)序電流的HHT分析結(jié)果最終實現(xiàn)故障選線的功能，為了增強軟件的實用性，還添加了傅里葉分析(FFT)與波形對比等功能，軟件功能框圖如圖4所示，其中FFT分析功能模塊、序分量分解功能模塊、EMD分解功能模塊和希爾伯特變換功能模塊均由Matlab編寫，軟件主界面如圖5所示，軟件充分考慮人機交互的人性化，在主界面和子界面中均保持了傳統(tǒng)軟件的界面風(fēng)格。

圖4 配電網(wǎng)斷線監(jiān)測軟件功能框圖

4 結(jié)束語

通過實例介紹了Matlab與C#混合編程的實現(xiàn)方法，將Matlab源程序編譯為.NET程序集，用C#語言編寫調(diào)用方法實現(xiàn)兩者的混合編程。利用用戶登錄界面初始化時添加新線程加載MCR的方式，規(guī)避了MCR加載對調(diào)用.dll程序集的影響，解決了MCR加載時間過長的缺陷。此方法充分發(fā)揮了兩種語言的優(yōu)勢，用較少的代碼完成了復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理算法，而且具有人機界面美觀、程序運行穩(wěn)定及升級維護方便等特點，是算法處理和界面開發(fā)極為有效的結(jié)合方式，非專業(yè)人士也可以完成軟件的開發(fā)、維護和升級，具有較廣的應(yīng)用范圍。

圖5 配電網(wǎng)斷線監(jiān)測軟件主界面

[1] 張慧芬,桑在中.架空線單相斷線接地復(fù)故障分析[J].中國電力,2013,46(2):65～71.

[2] 盛方正,陳子聰,陳曉炯.中性點不接地系統(tǒng)單相斷線故障分析及對策研究[J].供用電,2011,28(3):43～45.

[3] 肖希鳳.配電線路單相斷線故障檢測技術(shù)研究[D].濟南:濟南大學(xué),2016.

[4] 黃敬濤.基于C#與Matlab混合編程的肝儲備功能分析系統(tǒng)研究[D].長春:吉林大學(xué),2013.

[5] 姚光強,陳立平.基于COM技術(shù)的C#與Matlab混合編程[J].計算機工程,2008,34(14):87～89.

[6] 侯偉真,李正強,張玉環(huán),等.基于C#和Matlab的HJ-1-CCD氣溶膠光學(xué)厚度反演系統(tǒng)的開發(fā)[J].遙感信息,2013,28(5):28～31.

ApplicationofProgrammingMixedMatlabandC#inLine-brokenMonitoringSoftwareforDistributionNetwork

WANG Shi-xin1,ZHANG Hui-fen1,XU Bin2,KONG Ping2,FU Ke2
(1.SchoolofAutomationandElectricalEngineering,UniversityofJinan; 2.JiningPowerSupplyCompany,ShandongElectricPowerCompany)

In the process of developing line-broken monitoring software for the power distribution network, a software development method based on programming which mixed Matlab and C# language was proposed, which has the source program of data processing algorithm written in Matlab language compiled as a .NET

國家電網(wǎng)公司科技項目。

王士新(1991-)，碩士研究生，從事配電網(wǎng)故障檢測工作，wangshixin1016@163.com。

TH865; TM769

A

1000-3932(2017)12-1135-05

2017-09-07，

2017-10-18)

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