基于三維GIS的輸電線路張力架設仿真系統研究

張曉明，辛小瑜，楊大渭，劉中書

（1.國網陜西省電力有限公司，西安 710075；2.國網陜西省電力有限公司建設分公司，西安 710075）

張力放線作為輸電線路施工的重要技術手段，具有機械化程度高、速度快、效率高等特點，常規方法通常以二維圖紙等作為計算結果展現方式，現有技術也有采用AutoCAD 技術，上述技術存在以下缺陷：

（1）常規方法直觀性比較差，可視化程度比較低，對AutoCAD 的依賴性較強，通用性、專業性和系統性較差。輸電線路張力架設僅僅通過2D 顯示，顯示界面友好性能較差。

（2）輸電線路張力架設仿真設計過程中，沒有一個良好的平臺來進行測試，會導致整個開發周期過長，產品可靠性也難以保證。按照傳統的開發流程，一旦產品控制算法不理想，還要再返回上一步重新制造控制單元[1]，會導致難以控制時間和設計成本。

（3）在輸電線路張力架設運維過程中，尤其是環境較為惡劣的情況下，經常會面臨仿真困難、輸電線路張力架設運維難以把控的問題，現有技術仿真效果差。

針對上述技術的不足，本研究利用dSPACE 實時仿真系統和控制器快速控制原型搭建了輸電線路張力架設仿真試驗平臺，設計了RTI 通訊接口和ControlDesk 試驗界面[2]，提高了輸電線路張力架設運維和監控能力。下面對本研究的關鍵技術進行研究。

1 仿真系統設計

本研究通過dSPACE 技術并基于MATLAB/Simulink 平臺開發，設計了一套仿真系統，該系統能夠實現輸電線路張力架設仿真，其中試驗平臺由4部分組成：dSPACE 實時仿真系統、上位機電腦、輸電線路張力架設控制器及實物部分。本研究方法通過控制器進行實時在線的測試[3-4]，dSPACE 擁有強大的計算能力和通用的I/O 接口，可以方便的下載代碼，而且具有良好的組合性、實時性、可靠性，本研究能夠實現三維GIS 輸電線張力架設信息采集、仿真和分析，提高了三維GIS 輸電線的運維的安全性能。整體框架示意圖如圖1所示。

圖1 系統總體框架圖Fig.1 Overall frame diagram of system

在本試驗中，實時仿真系統包括輸電線路張力架設動力傳動系統、實物部分為輸電線路張力架設信息采集控制系統、電磁閥和輸電線路張力架設輔助部件等，輸電線路張力架設控制器選用華海科技的快速原型控制器。其中，dSPACE 系統與輸電線路張力架設之間的信號，通過CAN 總線實現傳遞。試驗數據的顯示、采集以及設置，主要通過dSPACE 系統的ControlDesk 軟件在上位機電腦上實現[5]。輸電線路張力架設仿真試驗的主要步驟如下：

步驟1在Simulink 中建立相關模型并離線仿真，不斷調試控制策略和相關參數，直到離線仿真結果滿足要求；

步驟2設置測試所需的通訊接口。在Simulink中可以方便的利用RTI 拖放操作進行I/O 接口設置；

步驟3使用RTW Build 功能編譯生成相應的代碼；

步驟4在ControlDesk 軟件中設置相應的數據采集界面；

步驟5返回步驟1，通過輸電線路張力架設仿真的結果判斷是否需要修改相關控制策略。

試驗中，和dSPACE 的通訊通過CAN 實現，CAN 通訊RTI 模塊主要包括CAN 通訊發送模塊和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的數據模型中，能夠實現dSPACE 在線測試的CAN 通訊接口數據通訊。為了實現CAN 信息的傳遞，在CAN 接收模塊中要各個信號屬性和通訊參數進行設置。在此需要選擇此接收模塊用到的控制器[6]，還要進行接收信息參數的設置，包括信息的名稱、類型、地址以及長度等。CAN 發送模塊信號屬性如圖3所示。

通過圖3CAN 發送模塊信號屬性設置能夠實現輸電線路張力架設數據信息的遠程傳遞與數據交互。dSPACE 系統在仿真中不但有要求處理器的速度足夠高，還要對中斷的響應足夠快，在規定的仿真步長時間內保證算法完畢[7]，dSPACE 通過自己特別的實時內核可以保證即使在最壞的情況下也能在0.9～1.9 個微秒切換響應中斷請求，它在最壞情況下切換時間大多在7～9 個微秒。下面對其控制方案進行設計。

圖3 CAN 發送模塊信號屬性設置Fig.3 CAN sending module signal attribute setting

2 快速控制方案設計

dSPACE 實時仿真系統的出現能夠完美解決了上述問題。dSPACE 基于MATLAB/Simulink 平臺開發，可以對控制器進行實時在線的測試，dSPACE 擁有強大的計算能力和通用的I/O 接口，可以方便的下載代碼，而且具有良好的組合性、實時性、可靠性。下面對快速控制方案進行設計，其原理如圖4所示。

圖4 系統總體框架Fig.4 Overall framework of system

在輸電線路張力架設控制系統設計中，通過設置主控中心，在主控制中心設置各種不同數據傳感器，能夠獲取輸電線路張力架設不同的數據信息，并對各種數據信息進行采集、處理與分析，在具體應用中，可以采用ARM+DSP 雙核處理的計算方案，能夠實現輸電線路張力架設運維過程中不同數據信息的采集、傳遞、控制以及上層數據管理[8]。在具體數據應用時，通過采用了ARM+DSP 技術的雙控方式。通過STC12C4A60S 單片機對輸電線路張力架設的運行狀態進行控制，該主控芯片通過STM32 控制器完成，在結構上，通過連接ZigBee 協調模塊和WiFi 通訊模塊實現數據信息的傳遞，其中STM32控制器還設計了基于ARM32 位的CortexTM-M3 CPU，該模塊實現輸電線路張力架設數據信息的計算與應用。在具體設計中，在控制器上設置12 通道的DMA 控制器[9-10]，3 種16 通道A/D 轉換、2 通道的12位D/A 轉換器。通過這種方式能夠實現輸電線路張力架設檢測數據的快速轉換，除此之外，ARM Cortex應用處理器還采用16/32 位RISC 微處理，在該模塊的數據接口處還設置有SDIO 接口、SD 卡接口、串口、網口、USB 接口等，通過這種方式設置，能夠實現多種不同通信方式的交互。為了提高數據計算能力，還設置了DSP 處理模塊，該處理模塊設置有擴展電路、A/D 轉換模塊、顯示模塊、D/A 轉換模塊等，將DSP 模塊在硬件架構中作為計算適配器，在ARM 控制器[11]工作時，實現輸電線路張力架設數據信息輸入的高精度計算，通過DSP 模塊設計，能夠實現輸電線路張力架設的快速計算與處理。

3 應用分析及結果

通過上述方案設計，本研究基于MATLAB/Simulink 的控制系統開發及半實物仿真的軟硬件工作平臺，利用dSPACE 中的ControlDesk 工具，實現數據信息的采集與仿真[12]，在本研究方法中，通過ControlDesk 允許用戶以圖形化的方式對硬件進行管理，通過虛擬儀表的方式建立數據實時檢測系統，還可以方便的修改相關參數，實現整個實驗過程的自動化，大大簡化了設計人員的操作復雜度。仿真示意圖如圖5所示。

圖5 輸電線路張力架設仿真試驗平臺Fig.5 Simulation test platform for transmission line tension erection

通過圖5的理論架構示意圖，然后構建模型架構示意圖，如圖6所示。

圖6 實物架構示意圖Fig.6 Schematic diagram of physical structure

在試驗時，通過間隔性方法提取數據信息特征，以實時觀察輸電線路張力架設運動狀態，輸電線路張力架設仿真分析界面如圖7所示。

圖7 輸電線路張力架設分析界面Fig.7 Interface for analysis of tension erection of transmission line

由于輸電線路張力架設運維過程中存在多種影響因素，處于篇幅的限制，本研究以風速做為考究對象，觀察在一定的風速作用下，輸電線路張力架設在風速中的轉矩，以分析風速對輸電線路張力架設運維過程中的影響。通過模擬仿真在20 s～22 s 規定時間內，得到空氣風速、空氣溫度、空氣阻力、輸電線路張力架設轉速等各種因素的變化曲線，如圖8所示。

圖8 輸電線路張力架設運維過程中各影響因素仿真Fig.8 Influencing factors during tension erection operation and maintenance of transmission line

通過模擬輸電線路張力架設運維過程時，能夠清楚地看出輸電線路張力架設運維過程中不同數據信息影響程度和曲線規律。為了體現本研究技術優勢，將本研究方法與有限元方法（下文稱為方案一方法）和AMESim 系統建模方法（下文稱為方案二方法）進行對比分析，以分析本研究的仿真精度，如圖9所示。

圖9 輸電線路張力架設運維過程中評估精度對比示意圖Fig.9 Schematic diagram of comparison of evaluation accuracy during the operation and maintenance of transmission line tension erection

通過圖9中的對比示意圖可以看出，假設采集到的輸電線路張力架設數據樣本為（100～600）×103個，通過8 個小時的試驗，則可以看出不同數據信息的評估精度，隨著樣本增加，不同方法的準確度也逐步提高，但在整個過程中，本研究方法的評估準確度最高。

4 結語

針對輸電線路張力架設運維過程中存在諸多多種影響因素，如何對不同數據新型進行分析，本研究利用dSPACE 實時仿真系統和控制器快速控制原型，搭建了輸電線路張力架設仿真試驗平臺，設計了RTI 通訊接口并編輯設計了ControlDesk 試驗界面。并設計了新型控制方案，能夠提高輸電線路張力架設運維過程中的控制能力。通過試驗，本研究方法控制能力好，輸電線路張力架設運維過程中控制結果仿真形象并且評估精度高，本研究為下一步技術研究奠定技術基礎。