基于xPC目標的輸電線路微氣象數據實時采集系統

向官騰，郭健，汪煜，謝學平

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002;2.國網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域內的局部地段，由于地形、位置、坡向、溫度和濕度等出現特殊變化，造成局部區域形成有別于大區域的特殊氣候條件，而這些特殊的氣候條件經常會影響輸電線路的正常運行，例如大風和覆冰引起的斷線、倒塔與絕緣子冰閃，嚴重損壞輸電線路，造成巨大的經濟損失[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重要的作用，因此對輸電線路微氣象數據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境溫度、濕度、風速、風向、氣壓氣象等參數實時對輸電線路進行狀態監測與災害預測，避免事故發生，為電力系統穩定運行提供有利參考[2]。

由于需要對輸電線路多個參數的大量數據進行采集，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目標的實時數據采集與分析系統[3]，利用MATLAB軟件具有的數值分析與處理功能、豐富的仿真功能和方便的接口等特點進行數據采集，并可以通過實時采集的數據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目標實時系統

實時代碼生成工具箱(Real-Time Workshops，RTW)是Matlab圖形建模和仿真環境Simulink的一個重要補充功能模塊，它是一個基于Simulink的代碼自動生成環境，能直接從Simulink的模型中產生優化可移植的代碼，并根據目標配置自動生成多種環境下的程序，利用它可以生成各種快速原型化實時環境或產品目標下運行的產品。xPC目標是RTW下的附加產品，是一種用于產品原型開發、測試和配置實時系統的PC機解決途徑。它采用了“宿主機－目標機”的技術途徑，即“雙機”模式，宿主機和目標機可以是不同類型的計算機。其中，宿主機用于運行Simulink模型，而目標機則用于執行所生成的代碼。目標機上不需要任何操作系統，它可以通過U盤或軟盤啟動，目標機啟動后直接調用xPC目標啟動盤中一個采用了32位保護模式的實時內核，該內核用于激活應用程序載入程序，具有很高的運行效率。宿主機與目標機間的通信連接采用RS232協議的串口通信或TCP/IP協議的網絡通信，實現“雙機”間的通信連接、數據傳遞、人機交互和宿主機的實時監控[4]。

3 構建xPC實時環境

3.1 構建“雙機”通訊模式

在“雙機”模式中，宿主機與目標機之間可以通過網絡或串口連接，在雙機之間交換目標應用程序、控制信號、信號數據、模型參數值等信息。目標機通過裝載有實時內核的啟動盤啟動，其內信息包含C編譯器類型、路徑、“宿主機－目標機”通信方式、串口端口以及目標機的IP地址、網關及其他環境屬性，這些屬性都可以在 Matlab工作空間中調用命令 xpcexplr完成設置。

3.2 實現目標機與硬件連接

利用xPC技術進行實時仿真時，目標機作為原型機通常需要與外圍硬件電路進行信號的傳遞，這便需要與目標機相連接的I/O設備來完成，而xPC對于I/O設備的使用則需要通過調用驅動程序來實現[3]。xPC目標具有豐富的I/O設備驅動模塊庫，支持包括PCI總線在內的40余種標準板，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備驅動程序是xPC驅動庫中不具有的，用戶可以采用Matlab提供的C－MEX S－函數自行開發驅動模塊。

3.3 圖形用戶交互界面

xPC目標環境提供了多種用戶交互方式，其中利用xPC目標圖形界面進行數據信號可視化較為直觀簡便[4]。xPC目標提供了宿主機或目標機類型的示波器模塊(xPC Target Scope)，專門用于目標機上的數據信號可視化。將其添加到Simulink模型中，設置觸發模式并添加信號，在目標應用程序初始化期間，一旦下載過程完成，目標機上就會出現示波器窗口。在數據采集中，目標機屏幕上可以顯示出數據的變化曲線圖，設置示波器相關屬性后還可以實時顯示當前采集到的數據值。

4 輸電線路微氣象實時采集環境設計

輸電線路微氣象采集系統是軟件和硬件相結合的實時采集與分析過程，本文介紹了一種基于xPC目標實現輸電線路微氣象數據的實時采集與分析技術。系統硬件部分采用兩臺IBM－PC機構建“雙機”模式，通過以太網實現雙機之間的通訊[5];數據采集設備采用美國NI公司生產的PCI－6023E數據采集板卡，它包括8路數字I/O線，16路12位模擬輸入和2個24位計數器，xPC目標對該數據采集卡提供已編譯好的I/O驅動模塊[6]，無需另行編寫。首先在宿主機Simulink中完成計算機上仿真設置(如圖1所示)，將板卡插入目標機主板上相應的I/O擴展槽中構成整個采集系統(如圖2所示)，利用U盤來啟動目標機中的實時內核并下載目標應用程序[7]。

圖1 實時仿真步驟

輸電線路微氣象數據由各種傳感器測量獲得，通過信號調理器進行加工處理后傳送給數據采集板卡，數據采集卡通過A/D口將模擬信號轉換成數字信號后傳入宿主機和目標機中，經xPC目標提供的板卡I/O驅動模塊進入Simulink模型(如圖3所示)，通過數學轉換優化后得到相應測量標準值，最后在Simulink外部模式的運行過程下通過xPC Target Scope在目標機中實時顯示數據與變化曲線。

圖2 實時采集環境

圖3 輸電線路微氣象數據實時采集模型

下圖所示的是系統運行時目標機屏幕中顯示的實時采集畫面，畫面上方為xPC內核的狀態窗口，信息欄的左側包含了目標機的空閑內存、當前目標應用程序的運行模式、運行時間、終止時間以及采樣時間等，其中xPC目標就是使用空閑內存來裝載、運行Scope和采集數據，右側則顯示了系統運行狀態實時信息。畫面下方是目標機的繪圖窗口，對Simulink模型中的xPC Target Scope進行不同設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據名稱與數據值，圖5窗口顯示了數據變化的軌跡，其中軌跡圖的各種屬性都可以在模型里設置。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據包的時間。

圖4 某一時刻目標機屏幕顯示的微氣象數據

圖5 目標機屏幕顯示數據變化曲線

在Simulink模型中，利用實時微氣象數據、導線參數和模擬狀態量，參考相應文獻，搭建舞動計算、覆冰預測等數學模型，通過實時仿真得到的結果可以對舞動分析、覆冰預測等輸電線路常規分析和算法進行驗證與優化[1，8]。若改變了模型的算法和結構，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機實時內核中運行;若只改變模型任意位置參數，則可利用Simulink外部模式改變參數，在不停止當前模型運行的情況下將新的參數下載到目標機實時內核中，這樣允許在無需重新編譯模型和創建新目標程序的情況下，改變參數達到優化模型的效果，整個過程都只需在宿主機中完成。

5 結論

本系統完成了基于xPC目標的輸電線路微氣象數據采集系統的設計。采用xPC目標“雙機模式”與硬件連接的系統對數據進行實時采集，根據實時數據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、覆冰預測等算法分析，從而實現在實驗室采集與分析實時數據，驗證和優化各種新型的數學模型與算法，為輸電線路數據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周期和費用，為輸電線路實時監測與故障分析領域提供了一種較為便捷實用的工具。

[1]黃新波，孫欽東，張冠軍，等.線路覆冰與局部氣象因素的關系[J].高壓電器，2008，44(4)：289 －294.

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[3]金星，王旭，閏冬梅，等.基于MATALB/xPC Target的數據采集系統的應用[J].數據與采集，2010，26(8)：77 －79.

[4]楊滌，李立濤，楊旭，等.系統實時仿真開發環境與應用[M].北京：清華大學出版社，2002.

[5]劉永生，張建忠，程明.基于xPC技術的風力發電設備半實物測試平臺[J].電力系統自動化，2010，34(21)：87 －90.

[6]魏晨陽，朱健強.用MATLAB控制NI采集卡實現高精度數據采集與分析功能[J].測控自動化，2005，21(2)：56 －57.

[7]任龍杰.基于U盤量產的xPC Target啟動光盤制作方法[J].電腦知識與技術，2009，20(5)：5544 －5545.

[8]王少華.輸電線路覆冰導線舞動及其對塔線體系力學特性影響的研究[D].重慶：重慶大學，2008.