基于xPC目标的输电线路微气象数据实时采集系统

向官腾，郭健，汪煜，谢学平

(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002;2.国网湖北电力公司孝感供电公司，湖北孝感 442001)

1 引言

输电线路的微气象条件是指某一个大区域内的局部地段，由于地形、位置、坡向、温度和湿度等出现特殊变化，造成局部区域形成有别于大区域的特殊气候条件，而这些特殊的气候条件经常会影响输电线路的正常运行，例如大风和覆冰引起的断线、倒塔与绝缘子冰闪，严重损坏输电线路，造成巨大的经济损失[1]。微气象条件受多种因素影响，同时也对输电线路安全起着至关重要的作用，因此对输电线路微气象数据进行采集与分析是非常必要的。通过采集输电线路附近的环境温度、湿度、风速、风向、气压气象等参数实时对输电线路进行状态监测与灾害预测，避免事故发生，为电力系统稳定运行提供有利参考[2]。

由于需要对输电线路多个参数的大量数据进行采集，而且又要考虑到采集的实时性与同步性，因此本文介绍了一种基于Matlab/RTW/xPC目标的实时数据采集与分析系统[3]，利用MATLAB软件具有的数值分析与处理功能、丰富的仿真功能和方便的接口等特点进行数据采集，并可以通过实时采集的数据在实验室中模拟不同条件下输电线路工况，进行输电线路理论分析与算法验证。

2 xPC目标实时系统

实时代码生成工具箱(Real-Time Workshops，RTW)是Matlab图形建模和仿真环境Simulink的一个重要补充功能模块，它是一个基于Simulink的代码自动生成环境，能直接从Simulink的模型中产生优化可移植的代码，并根据目标配置自动生成多种环境下的程序，利用它可以生成各种快速原型化实时环境或产品目标下运行的产品。xPC目标是RTW下的附加产品，是一种用于产品原型开发、测试和配置实时系统的PC机解决途径。它采用了“宿主机－目标机”的技术途径，即“双机”模式，宿主机和目标机可以是不同类型的计算机。其中，宿主机用于运行Simulink模型，而目标机则用于执行所生成的代码。目标机上不需要任何操作系统，它可以通过U盘或软盘启动，目标机启动后直接调用xPC目标启动盘中一个采用了32位保护模式的实时内核，该内核用于激活应用程序载入程序，具有很高的运行效率。宿主机与目标机间的通信连接采用RS232协议的串口通信或TCP/IP协议的网络通信，实现“双机”间的通信连接、数据传递、人机交互和宿主机的实时监控[4]。

3 构建xPC实时环境

3.1 构建“双机”通讯模式

在“双机”模式中，宿主机与目标机之间可以通过网络或串口连接，在双机之间交换目标应用程序、控制信号、信号数据、模型参数值等信息。目标机通过装载有实时内核的启动盘启动，其内信息包含C编译器类型、路径、“宿主机－目标机”通信方式、串口端口以及目标机的IP地址、网关及其他环境属性，这些属性都可以在 Matlab工作空间中调用命令 xpcexplr完成设置。

3.2 实现目标机与硬件连接

利用xPC技术进行实时仿真时，目标机作为原型机通常需要与外围硬件电路进行信号的传递，这便需要与目标机相连接的I/O设备来完成，而xPC对于I/O设备的使用则需要通过调用驱动程序来实现[3]。xPC目标具有丰富的I/O设备驱动模块库，支持包括PCI总线在内的40余种标准板，将其添加到Simulink中与物理模型连接作为信号输入或输出来完成信号接收与反馈。在实际工程中还有很多硬件设备驱动程序是xPC驱动库中不具有的，用户可以采用Matlab提供的C－MEX S－函数自行开发驱动模块。

3.3 图形用户交互界面

xPC目标环境提供了多种用户交互方式，其中利用xPC目标图形界面进行数据信号可视化较为直观简便[4]。xPC目标提供了宿主机或目标机类型的示波器模块(xPC Target Scope)，专门用于目标机上的数据信号可视化。将其添加到Simulink模型中，设置触发模式并添加信号，在目标应用程序初始化期间，一旦下载过程完成，目标机上就会出现示波器窗口。在数据采集中，目标机屏幕上可以显示出数据的变化曲线图，设置示波器相关属性后还可以实时显示当前采集到的数据值。

4 输电线路微气象实时采集环境设计

输电线路微气象采集系统是软件和硬件相结合的实时采集与分析过程，本文介绍了一种基于xPC目标实现输电线路微气象数据的实时采集与分析技术。系统硬件部分采用两台IBM－PC机构建“双机”模式，通过以太网实现双机之间的通讯[5];数据采集设备采用美国NI公司生产的PCI－6023E数据采集板卡，它包括8路数字I/O线，16路12位模拟输入和2个24位计数器，xPC目标对该数据采集卡提供已编译好的I/O驱动模块[6]，无需另行编写。首先在宿主机Simulink中完成计算机上仿真设置(如图1所示)，将板卡插入目标机主板上相应的I/O扩展槽中构成整个采集系统(如图2所示)，利用U盘来启动目标机中的实时内核并下载目标应用程序[7]。

图1 实时仿真步骤

输电线路微气象数据由各种传感器测量获得，通过信号调理器进行加工处理后传送给数据采集板卡，数据采集卡通过A/D口将模拟信号转换成数字信号后传入宿主机和目标机中，经xPC目标提供的板卡I/O驱动模块进入Simulink模型(如图3所示)，通过数学转换优化后得到相应测量标准值，最后在Simulink外部模式的运行过程下通过xPC Target Scope在目标机中实时显示数据与变化曲线。

图2 实时采集环境

图3 输电线路微气象数据实时采集模型

下图所示的是系统运行时目标机屏幕中显示的实时采集画面，画面上方为xPC内核的状态窗口，信息栏的左侧包含了目标机的空闲内存、当前目标应用程序的运行模式、运行时间、终止时间以及采样时间等，其中xPC目标就是使用空闲内存来装载、运行Scope和采集数据，右侧则显示了系统运行状态实时信息。画面下方是目标机的绘图窗口，对Simulink模型中的xPC Target Scope进行不同设置可以得到不同功能的绘图窗口，图4窗口中显示了采集数据名称与数据值，图5窗口显示了数据变化的轨迹，其中轨迹图的各种属性都可以在模型里设置。两种画面都会按一定的速率进行更新，更新时间等于采集卡采集一个数据包的时间。

图4 某一时刻目标机屏幕显示的微气象数据

图5 目标机屏幕显示数据变化曲线

在Simulink模型中，利用实时微气象数据、导线参数和模拟状态量，参考相应文献，搭建舞动计算、覆冰预测等数学模型，通过实时仿真得到的结果可以对舞动分析、覆冰预测等输电线路常规分析和算法进行验证与优化[1，8]。若改变了模型的算法和结构，只需点击Simulink工具下“Build Model”选项，将修改过的模型重新下载到目标机实时内核中运行;若只改变模型任意位置参数，则可利用Simulink外部模式改变参数，在不停止当前模型运行的情况下将新的参数下载到目标机实时内核中，这样允许在无需重新编译模型和创建新目标程序的情况下，改变参数达到优化模型的效果，整个过程都只需在宿主机中完成。

5 结论

本系统完成了基于xPC目标的输电线路微气象数据采集系统的设计。采用xPC目标“双机模式”与硬件连接的系统对数据进行实时采集，根据实时数据模拟出不同气象条件下输电线路的各种工况，进行舞动分析、覆冰预测等算法分析，从而实现在实验室采集与分析实时数据，验证和优化各种新型的数学模型与算法，为输电线路数据采集与算法分析提供了一个方便高效的半实物平台，大大减少了算法开发周期和费用，为输电线路实时监测与故障分析领域提供了一种较为便捷实用的工具。

[1]黄新波，孙钦东，张冠军，等.线路覆冰与局部气象因素的关系[J].高压电器，2008，44(4)：289 －294.

[2]邓春宇.微气象实时监测技术在输电线路中的应用[J].电力信息化，2008，10(6)：67 －71.

[3]金星，王旭，闰冬梅，等.基于MATALB/xPC Target的数据采集系统的应用[J].数据与采集，2010，26(8)：77 －79.

[4]杨涤，李立涛，杨旭，等.系统实时仿真开发环境与应用[M].北京：清华大学出版社，2002.

[5]刘永生，张建忠，程明.基于xPC技术的风力发电设备半实物测试平台[J].电力系统自动化，2010，34(21)：87 －90.

[6]魏晨阳，朱健强.用MATLAB控制NI采集卡实现高精度数据采集与分析功能[J].测控自动化，2005，21(2)：56 －57.

[7]任龙杰.基于U盘量产的xPC Target启动光盘制作方法[J].电脑知识与技术，2009，20(5)：5544 －5545.

[8]王少华.输电线路覆冰导线舞动及其对塔线体系力学特性影响的研究[D].重庆：重庆大学，2008.