基于三維GIS的輸電線路張力架設(shè)仿真系統(tǒng)研究

張曉明，辛小瑜，楊大渭，劉中書(shū)

（1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力有限公司，西安 710075；2.國(guó)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(jī)械化程度高、速度快、效率高等特點(diǎn)，常規(guī)方法通常以二維圖紙等作為計(jì)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(duì)AutoCAD 的依賴(lài)性較強(qiáng)，通用性、專(zhuān)業(yè)性和系統(tǒng)性較差。輸電線路張力架設(shè)僅僅通過(guò)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(jì)過(guò)程中，沒(méi)有一個(gè)良好的平臺(tái)來(lái)進(jìn)行測(cè)試，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)開(kāi)發(fā)周期過(guò)長(zhǎng)，產(chǎn)品可靠性也難以保證。按照傳統(tǒng)的開(kāi)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(huì)導(dǎo)致難以控制時(shí)間和設(shè)計(jì)成本。

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

針對(duì)上述技術(shù)的不足，本研究利用dSPACE 實(shí)時(shí)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(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了RTI 通訊接口和ControlDesk 試驗(yàn)界面[2]，提高了輸電線路張力架設(shè)運(yùn)維和監(jiān)控能力。下面對(duì)本研究的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究通過(guò)dSPACE 技術(shù)并基于MATLAB/Simulink 平臺(tái)開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)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(yàn)平臺(tái)由4部分組成：dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、上位機(jī)電腦、輸電線路張力架設(shè)控制器及實(shí)物部分。本研究方法通過(guò)控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的測(cè)試[3-4]，dSPACE 擁有強(qiáng)大的計(jì)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(shí)時(shí)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(yùn)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(yàn)中，實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)包括輸電線路張力架設(shè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、實(shí)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)控制器選用華海科技的快速原型控制器。其中，dSPACE 系統(tǒng)與輸電線路張力架設(shè)之間的信號(hào)，通過(guò)CAN 總線實(shí)現(xiàn)傳遞。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯示、采集以及設(shè)置，主要通過(guò)dSPACE 系統(tǒng)的ControlDesk 軟件在上位機(jī)電腦上實(shí)現(xiàn)[5]。輸電線路張力架設(shè)仿真試驗(yàn)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(mǎn)足要求；

步驟2設(shè)置測(cè)試所需的通訊接口。在Simulink中可以方便的利用RTI 拖放操作進(jìn)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(guò)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(yàn)中，和dSPACE 的通訊通過(guò)CAN 實(shí)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(cè)試的CAN 通訊接口數(shù)據(jù)通訊。為了實(shí)現(xiàn)CAN 信息的傳遞，在CAN 接收模塊中要各個(gè)信號(hào)屬性和通訊參數(shù)進(jìn)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(jìn)行接收信息參數(shù)的設(shè)置，包括信息的名稱(chēng)、類(lèi)型、地址以及長(zhǎng)度等。CAN 發(fā)送模塊信號(hào)屬性如圖3所示。

通過(guò)圖3CAN 發(fā)送模塊信號(hào)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(yuǎn)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(duì)中斷的響應(yīng)足夠快，在規(guī)定的仿真步長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保證算法完畢[7]，dSPACE 通過(guò)自己特別的實(shí)時(shí)內(nèi)核可以保證即使在最壞的情況下也能在0.9～1.9 個(gè)微秒切換響應(yīng)中斷請(qǐng)求，它在最壞情況下切換時(shí)間大多在7～9 個(gè)微秒。下面對(duì)其控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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

2 快速控制方案設(shè)計(jì)

dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的出現(xiàn)能夠完美解決了上述問(wèn)題。dSPACE 基于MATLAB/Simulink 平臺(tái)開(kāi)發(fā)，可以對(duì)控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的測(cè)試，dSPACE 擁有強(qiáng)大的計(jì)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(shí)時(shí)性、可靠性。下面對(duì)快速控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jì)中，通過(guò)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(duì)各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)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(jì)算方案，能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路張力架設(shè)運(yùn)維過(guò)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(shí)，通過(guò)采用了ARM+DSP 技術(shù)的雙控方式。通過(guò)STC12C4A60S 單片機(jī)對(duì)輸電線路張力架設(shè)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，該主控芯片通過(guò)STM32 控制器完成，在結(jié)構(gòu)上，通過(guò)連接ZigBee 協(xié)調(diào)模塊和WiFi 通訊模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳遞，其中STM32控制器還設(shè)計(jì)了基于ARM32 位的CortexTM-M3 CPU，該模塊實(shí)現(xiàn)輸電線路張力架設(shè)數(shù)據(jù)信息的計(jì)算與應(yīng)用。在具體設(shè)計(jì)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(guò)這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路張力架設(shè)檢測(cè)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(guò)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(jì)算能力，還設(shè)置了DSP 處理模塊，該處理模塊設(shè)置有擴(kuò)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(jì)算適配器，在ARM 控制器[11]工作時(shí)，實(shí)現(xiàn)輸電線路張力架設(shè)數(shù)據(jù)信息輸入的高精度計(jì)算，通過(guò)DSP 模塊設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路張力架設(shè)的快速計(jì)算與處理。

3 應(yīng)用分析及結(jié)果

通過(guò)上述方案設(shè)計(jì)，本研究基于MATLAB/Simulink 的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及半實(shí)物仿真的軟硬件工作平臺(tái)，利用dSPACE 中的ControlDesk 工具，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的采集與仿真[12]，在本研究方法中，通過(guò)ControlDesk 允許用戶(hù)以圖形化的方式對(duì)硬件進(jìn)行管理，通過(guò)虛擬儀表的方式建立數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，還可以方便的修改相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的自動(dòng)化，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)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(yàn)平臺(tái)Fig.5 Simulation test platform for transmission line tension erection

通過(guò)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(shí)物架構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of physical structure

在試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)間隔性方法提取數(shù)據(jù)信息特征，以實(shí)時(shí)觀察輸電線路張力架設(shè)運(yùn)動(dòng)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(yùn)維過(guò)程中存在多種影響因素，處于篇幅的限制，本研究以風(fēng)速做為考究對(duì)象，觀察在一定的風(fēng)速作用下，輸電線路張力架設(shè)在風(fēng)速中的轉(zhuǎn)矩，以分析風(fēng)速對(duì)輸電線路張力架設(shè)運(yùn)維過(guò)程中的影響。通過(guò)模擬仿真在20 s～22 s 規(guī)定時(shí)間內(nèi)，得到空氣風(fēng)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(yùn)維過(guò)程中各影響因素仿真Fig.8 Influencing factors during tension erection operation and maintenance of transmission line

通過(guò)模擬輸電線路張力架設(shè)運(yùn)維過(guò)程時(shí)，能夠清楚地看出輸電線路張力架設(shè)運(yùn)維過(guò)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(shì)，將本研究方法與有限元方法（下文稱(chēng)為方案一方法）和AMESim 系統(tǒng)建模方法（下文稱(chēng)為方案二方法）進(jìn)行對(duì)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(yùn)維過(guò)程中評(píng)估精度對(duì)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(guò)圖9中的對(duì)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(gè)，通過(guò)8 個(gè)小時(shí)的試驗(yàn)，則可以看出不同數(shù)據(jù)信息的評(píng)估精度，隨著樣本增加，不同方法的準(zhǔn)確度也逐步提高，但在整個(gè)過(guò)程中，本研究方法的評(píng)估準(zhǔn)確度最高。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)輸電線路張力架設(shè)運(yùn)維過(guò)程中存在諸多多種影響因素，如何對(duì)不同數(shù)據(jù)新型進(jìn)行分析，本研究利用dSPACE 實(shí)時(shí)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(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了RTI 通訊接口并編輯設(shè)計(jì)了ControlDesk 試驗(yàn)界面。并設(shè)計(jì)了新型控制方案，能夠提高輸電線路張力架設(shè)運(yùn)維過(guò)程中的控制能力。通過(guò)試驗(yàn)，本研究方法控制能力好，輸電線路張力架設(shè)運(yùn)維過(guò)程中控制結(jié)果仿真形象并且評(píng)估精度高，本研究為下一步技術(shù)研究奠定技術(shù)基礎(chǔ)。