总线拓扑结构（精选7篇）
总线拓扑结构 篇1
目前烟草行业普遍使用的PROFIBUS现场总线, 一般都是采用线型总线拓扑结构, 很少采用线型或树型的混合型总线拓扑结构。使用先进的网络组件Profi Hub和COMbricks, 可以实现线型/树型的混合型总线拓扑结构。本文, 笔者主要从PROFIBUS现场总线的拓扑结构、故障特点和排除方法等方面进行比较, 突出混合型总线拓扑结构相对于线型总线拓扑结构具有的优势, 以制丝线某工艺段为例, 介绍改进前后的实际效果。
一、线性的总线拓扑结构
新郑卷烟厂制丝线在2005年技术改造以后, 电气控制系统采用了流行的PROFIBUS现场总线控制技术, 通过近些年的运行发现, 在实际生产过程中经常受到总线故障的困扰。下面以制丝线某工艺段为例作一介绍。
1. 总线拓扑结构。
该工艺段改进前使用的是线型总线拓扑结构, 如图1所示。
2. 故障特点。
据统计, 该工艺段每年发生的总线故障均在10次以上, 该类故障主要表现特点有:同一个物理网段设备数量多, 电气隔离效果不好, 抗干扰能力差;总线故障影响的设备范围比较广, 一个总线故障影响多个站点的通讯;排除故障时需要排查的设备数量多, 诊断和排除总线故障的时间较长;现场总线出现网络闪断时, 造成设备的短暂停机, 影响产品质量。
3. 排除方法。
总线故障发生后, 常用的排除故障方法有观察人机界面的网络监控画面;利用PLC主从站LED灯诊断;利用STEP7软件在线功能诊断, 如Accessible Nodes, Diagnose Hardware和Module Information;从总线网络组件入手进行排查, 如检查接地与屏蔽、总线连接器、中继器、终端电阻和总线电缆连接等等;用户编程调用系统功能或功能块诊断, 如用SFC13调用的系统功能DPNRM-DG进行DP从站的诊断, OB82中用SFC51RDSYSST进行诊断用SIMATICS的诊断块FB125进行诊断等。使用专业的总线网络检测工具。
这些诊断故障的方法能够解决部分的总线故障, 但对于短时间发生的网络闪断、电磁干扰等总线故障就显得无能为力, 同时无法在线实时的记录总线故障发生时的详细内容, 在需要快速排除故障时不能提供有效的故障信息。有些企业也想通过采取增加中继器、增加总线接地点数量等方法来预防或排除总线故障, 但从根本上还是无法杜绝总线故障的发生。
二、改进的总线拓扑结构
1. 总线拓扑结构。该工艺段改进后的PROFIBUS现场总线, 采用的是线型/树型的混合型总线拓扑结构, 如图2。
2. 主要特点。
采用图2中的线型/树型的混合型总线拓扑结构, 可以将线型的总线拓扑结构改进为一个类似于并联的总线分支结构, 其主要特点为:不同总线分支之间具有良好的电气隔离, 可以杜绝不同总线分支之间的电磁干扰;如果一个总线分支出现总线故障时, 不影响其他总线支分的正常通讯, 减少了总线故障发生时影响到的设备数量;每一个总线分支只有少量的PLC从站设备, 缩小了总线故障需要检查的范围, 缩短了总线故障诊断和排除的时间;配合具有存储功能的总线故障诊断模块, 可以实现总线故障发生时相关数据的实时记录、存储, 给快速解决网络闪断、电磁干扰等等总线故障提供有效及时的帮助。
3. 所用网络组件。混合型总线需要用到以下网络组件。
(1) Profi Hub。Profi Hub集线器是并列的中继器, 具有信号放大、网络扩展和两个物理网段的电气隔离功能, 实现将线型总线拓扑结构改进为线型/树型的混合型总线拓扑结构。
(2) COMbricks。COMbricks是多种功能模块组合的中继器, 不仅具有Profi Hub的功能, 还可以实现永久性的同时监听四个PROFIBUS网络, 用其内部集成的Profi Trace功能进行远程监听、诊断和维护, 通过IE浏览器上网实时监测网络运行情况和查看存储卡中的数据信息, 实现捕捉、存储和诊断不同总线的故障信息。
(3) 有源终端器DP终端器。在每一个总线分支的末端设备上连接有一个DP终端器。其主要完成两个功能:通讯信号发送的电流信号与接收的电压信号的转换作用;消除信号反射提高信号传输的可靠性。它采用双电源DC24 V供电, 分别有LED灯指示两个电源的供电状态。相对于在总线连接器上连接的终端电阻, 主要优势在于末端从站也可以断开电源进行维修, 实现在不干扰总线通讯的情况下关闭、移动和拆除网段内的设备。
4. 改进效果。
该工艺段改进前, 使用专业的总线检测工具对总线信号进行检测。从图3中可以看出, 部分站点总线的AB不同稳定电压较低出现了红色报警, 严重时会影响PROFIBUS总线正常的通讯。再看图4, 波形图中有严重的锯齿波, 说明PROFIBUS总线存在电磁干扰、从站重试和同步、从站错误回应等总线故障。
该工艺段改进后, 再次使用专业的总线检测工具进行波形检测, 从图5中可以看出, 总线AB不同稳定电压在正常范围内。再看图6, 波形图中没有了改进前波形中的锯齿波, 信号十分正常和稳定。改进后, 该工艺段的总线故障次数也由原来的月度2次以上降为0次, 改造效果非常明显。
三、结论
对于使用PROFIBUS总线网络的控制系统, 如果总线故障次数较多或者难以排查, 可以尝试使用该技术, 从根本上预防总线故障的发生, 降低总线故障影响设备的范围, 缩短诊断和排除总线故障的时间, 从而进一步提高制丝设备的有效作业率, 保证生产质量稳定运行。
总线拓扑结构 篇2
现场总线技术是自动控制领域当前的热门技术和发展方向。基金会现场总线(Fieldbus Foundation,FF)是符合国际现场总线标准的8种总线之一,广泛应用于流程工业。基金会现场总线是纯数字、串行、双向通讯的系统,其作用是作为工厂/车间仪表和控制设备的局域网(LAN)。现场总线是工厂网络层次中最基本一级的数字网络。基金会现场总线被用于过程和制造自动化应用,内置在网络上分布控制应用的功能。
2 FF现场总线的拓扑结构
基金会现场总线一般会采用以下几种网络拓扑结构,为清楚并简单起见,图中省略了电源和终端器。在实际应用往往会是几种方式的组合,下面详细论述每种拓扑结构的特性[1]。
2.1 点对点拓扑结构
这类拓扑结构是只有由两台设备的段组成,段可以完全在现场(一台从设备和一台主设备独立运行,如变送器和阀此外不再带其它设备),或者也可以由一台现场设备(变送器)连接到一个主系统(作为控制或监视),如图1所示点对点总线联接。
简单的点对点(主机和每个总线的一个设备)不会常用,因为它每段只有一个测量或者控制设备,如同在传统控制4-20mA时那样,同每个具有多个设备的总线段相比没有优点。
2.2 带支线拓扑结构
这类拓扑结构方式,现场总线设备通过一段支线的电缆联接到总线段上。支线的长度可以从1m到120m,长度小于1m的支线看作是一个接头,如图2所示,带支线总线联接。
2.3 菊花链拓扑结构
这种联接方式,在一个段中现场总线电缆从一台设备走到另一台设备,在每个现场设备的端子上互连。使用这种拓扑安装应该使用联接器或一种接线方式,使得一台设备的接线断了不会影响整个段的工作,如图3所示菊花链联接。
2.4 树形拓扑结构
树形拓扑结构就是在一台现场总线段上的设备都是以独立的双绞线联接到公共的端子盒、端子、仪表板或I/O卡。这种布局可以用于通向主机电缆的一个端上,实际上同一段上的设备是相互分开的,但是一般是在同一个接线盒的区域内。如图4所示,树形联接。使用这种布局方式,必须考虑到支线电缆的最大长度。
3 FF现场总线的安装
一个现场总线段是由一个或多个段组成,每个段一般包含几个运行设备,需要一个电源(用于总线供电设备),和设在每段末端的专用终端器组成,为了简单起见,这里只讨论只有一个段的现场总线网络。由于基金会现场总线是纯数字协议,现场总线的布线、安装与维护的规则不同于传统的4-2 0 m A布线。
3.1 网络建立
在安装模拟线对时,通常用两条线把一个信号电压或是电流传送到现场仪表或从现场仪表将信号取回,这个线对中的电压或是电流代表一个过程变量,如图5所示。如果有两条线对的电缆,就可以做成两个现场总线网络。这里的一个网络的定义仅指以31.25kbit/s速率运行的设备和信号,以31.25kbit/s速率运行的设备也称为H 1设备。
图5和图6表示如何从一个模拟对线改装成一个现场总线网络。在图5表示如何将一个电流回路把现场设备的4-20mA的模拟信号连接到控制系统,图6表示同样的线对变为现场总线网络,对其仅做的改变是:
控制系统的4-2 0 m A接口被基金会现场总线接口(F F I)所替代,这种接口可以是一台计算机或是一套PLC[2]。模拟的现场仪表和设备被数字的现场仪表和设备所替代,这是数字仪表和设备可以与基金会现场总线对话;
一个终端器加在线对的基金会现场总线接口(FFI)的末端,另一个终端器加在线对的现场仪表或设备末端,FFI也可以有一个内置终端,在这种情况下就不用另加终端器。
3.2 支线
支线是越短越好,总支线的长度受到两方面的限制:支线的条数和每条支线上设备的数量。如图7所示,如果只有少数的几条支线,每条支线布线与安装应用的长度可以允许到120m,如果有32条支线,每条支线的长度就应该小于等于1m或者更短。表1的直线长度数值不是绝对的,它仅仅是用来确定一些仪表和设备的密集度乘以支线长度的量值。
3.3 总线中继器
在需要大大长于1900m的电缆时,你可以使用中继器。中继器充当了一台现场设备,使用它意味着获得了一个新的开始,可以增加上另一条1900m的电缆,如图8所示。因为一条新的干线创建出来了,因此我们必须加上更多的终端器。第一条干线有4台设备,其中1台是中继器,第二条干线有2台设备,其中1台也是中继器。任意两个设备之间最多可以使用4台串联的中继器,总的电缆长度可打9500m。
中继器除了可以用来增加网络长度之外,也可以用于增加设备的数量,使其超过每段32台设备的限制,使用中继器一个网络最多可以增到240台设备。
3.4 网络电缆屏蔽
现场总线网络可以使用未带屏蔽的线对,如果这些导线是放在金属导管中或敷设在金属表面,那么他们有足够的屏蔽了,不需要进一步再做什么了。然而为了获得最好的特性,现场总线电缆应当屏蔽起来,为此可以使用普通的多芯仪表电缆,这种电缆有一对或多对双绞线,全部金属屏蔽和一条屏蔽线。当使用屏蔽电缆时,必须将各支线的屏蔽与干线的屏蔽连接起来,然后将所有的屏蔽集中一点进行接地。对于大多数网络来说,可以在任何一点接地,然而在一些应用中,为了更好的高频EMI屏蔽需要多点接地,现场总线为此提供一个rf(无线电频率)多点接地,包含有一个从屏蔽到地的小电容。
3.5 总线信号的极性
现场总线使用的曼彻斯特信号是交替电压,每bit改变一次或者两次极性。在非供电网络中只存在这种交流电压,在供电网络中交替电压是叠加在给设备供电的直流电压之上的,无论哪种情况,现场总线接收电路仅注意交替电压,正的电压跳变是一个意义,负的电压跳变是一个相反意义,所以,现场总线信号是有极性的,如果现场设备“接反”了,得到的是一个反向的交替电压,也就不能通讯了。
要建立一个现场总线网络接受所有可能的设备,必须考虑信号的极性,所有(+)端联接在一起,同样,所有(-)端必须联接在一起[3]。使用带颜色的电缆线这样联接很容易。
选择不用考虑极性的设备是可能的,但是从一开始进入网络时建立极性可能是安全的,得到的好处是任何设备可以盲目联接。
就设备供电来说,总线供电设备也是有极性的,这些设备设计时就考虑到是信号的极性和电源极性相同。联接直流电源的正极到端子的正极自动保证了信号极性的正确。非极性总线供电现场设备可同时接收无论哪种极性的信号和电源。
4 基金会现场总线的应用实例
4.1 系统简介
在半导体制造过程中要用到大量、高纯的气体,这些气体一般可简单的区分为大宗气体(Bulk Gases),如GN2、PN2、PO2等使用量较大的气体,和特殊气体(Specialty Gases),如BCL3、CL2、SICL4、NH3…等以钢瓶供应的气体。特气供应系统是半导体厂中危险性最高的一环,只要有任何的疏失都可能造成人员、厂房、设备的严重损失,所以对于特气使用的安全性要求就特别高。通过大量装置于气柜、VMB、Scrubber、机台、环境之气体探头,利用特气与探头作用,产生电气信号的变化,经过现场总线线路传输到现场总线接口,到达PLC中进行数据处理,然后发出声光报警,自动或者手动人工关闭紧急切断阀。
4.2 网络规划
整个系统共安装了35个气体探头,其中10个气体探头安装在本质安全区,其它2 5个气体探头安装非本质安全区,这就很容易的将现场总线网络段订为两个,网络1和网络2。网络1从位于控制室的PLC出发,通向本质安全区的特殊气体探头,网络2也是从控制室的PLC出发,通向非本质安全区的腐蚀性气体探头和含氧量检测探头。
我们按照总线拓扑的观点来看总的情况,首先先看设备数量:网络1有11台设备,网络2有26台设备(两条网络中的PLC都要计算在内),两个网络的设备数量都在32台的限制之内。根据最大支线长度表查到,如果有2 6台设备在一条支线上,我们就得保证每条支线长度小于1m或者更短,这在实际应用中很难保证,因此在网络2上我们增加1台中继器,这样就将网络2的干线分成了两部分:干线1和干线2。因为所有的设备都在一个厂房内的同一层,电缆总长度要远远小于规定的1900m,因此不需要计算。网络简图如图9所示。
4.3 地线的连接
设备信号导线不得用于接地,仪表安全接地必须通过信号电缆之外的导线。在网络中的任何一处,现场总线设备不得将双绞线对中的任一根导线与地连接,在现场终端组件(主机)末端,网络电缆屏蔽线只能以单点方式接地,现场设备中,电缆屏蔽线不得与仪表地线或机壳连接。现场总线电缆的屏蔽,依据标准在整套电缆上只有一点接地,并且不能用作供电电线使用
5 结束语
基金会现场总线是一种全数字的双向通讯系统它将现场设备连接到一个单一的网络上,实现了数据的有效传递和处理[4]。正确使用基金会现场总线应注意系统的结构类型,节点分布,通信距离和速率的要求,规划好网络类型,同时在选择电缆,信号接地,抗电磁干扰等方面注意严格遵循总线规范。充分发挥基金会现场总线技术的优势可以提高运行质量和运行效益,主要表现在减少停机、提高生产灵活性、降低过程可变性、提高资产利用率、减少维护成本、更符合安全和法规要求。基金会现场总线技术的进步为工业自动化的发展带来了深刻的变革。
摘要：本文总结和阐述了基金会现场总线的网络构成,拓扑结构及其在实际工程应用中安装与布线方面需要的注意事项,并以某半导体工厂中基金会现场总线工程实践为例,为基金会现场总线(Fieldbus Foundation,FF)网络布线和安装提出了一些指导性建议。
关键词：现场总线,基金会总线,网络
参考文献
[1]斯可克,王翁华,伍锦编著.基金会现场总线功能块原理及应用[M].北京:化学工业出版社,2003.
[2]阳宪惠主编.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,1999.
[3]基金会现场总线系统工程指南[Z].2004.
日光温室结构拓扑优化设计 篇3
随着日光温室广泛应用于设施农业中,对温室结构优化的研究越来越多。目前,我国日光温室结构优化设计的研究主要包括:根据日光温室采光设计的理论,确定最优采光屋面角和采光面形状;研究蓄热保温构造,设计实现提高温室保温性能;研究保证温室安全性的承重结构设计,以降低温室成本。
结构设计是工程设计的重要组成部分,一个优秀的结构设计方案应该保证结构满足安全性、可靠性、适用性和持久性[1],同时还应考虑结构的经济性。结构设计一般分为结构强度设计、结构刚度设计、结构稳定性设计、结构可靠性设计和结构优化设计。结构拓扑优化又称为结构布局优化,是一种根据约束、载荷及优化目标而寻求结构材料最佳分配的优化方法。通常把结构优化按照设计变量的类型划分成3个层次,即结构尺寸优化、形状优化和拓扑优化。
本研究以新疆焉耆地区日光温室为研究对象,根据拓扑优化原理,采用满应力法,进行有限元分析得到各单元在节点处的最大应力(Voa Misses),并围绕对每一单元进行应力分析,通过增加下部杆件、迭代不断改变各单元所受力,使杆件所受的应力趋近最大的允许值,达到满应力的设计目的。
1 日光温室上弦受力分析
1.1 日光温室上弦有限元模型的建立
日光温室尺寸的取值应满足在一年中最冷的一天当地时间11:00(正午前1h)太阳直射光能直射在后墙底处。上弦曲线采用周长吉[3]提出的以抛物线和圆组合的屋面曲线为合理受力曲,得到日光温室上弦模型图,如图1所示。
在有限元分析中,上弦单元类型为Beam3。Beam3单元是一种可承受拉压弯作用的单轴单元,每个单元有2个节点,每个节点有3个自由度。上弦使用Q235的钢管ϕ30×2,定义弹性模量为2.1E-11Pa,泊松比为0.3。定义前,屋面前脚处O节点和后屋面E节点有XY方向的约束,得到日光温室有限元模型如图2所示。其中,主要关键节点位置如表1所示。
1.2 日光温室上弦所承受荷载的确定
日光温室所承受的荷载包括恒载和活载。本文参照《建筑结构荷载规范》[4],根据日光温室使用过程在结构上可能同时出现的荷载,以雪后人上屋顶操作工况来确定荷载组合,得到日光温室上弦的受力情况,如图3所示。表1中,列出了部分节点所受荷载情况。
节点所受荷载可由温室所受的均布荷载转化而得。
1.3 日光温室上弦受力分析
应用ANSYS10.0对温室上弦进行静态受力分析,得到弯矩图如图4所示。
在上弦前屋面前脚处,所受的弯矩最大,最大值为4 329N·m;在上弦脊顶处和上弦中部,所受弯矩较大。由弯矩图可以把上弦分成5段进行受力分析:第1段由节点1～15组成;第2段由节点15～37组成;第3段由节点37～46组成;第4段由节点46～51组成;第5段由节点51～59组成。
2 温室结构的拓扑优化设计
2.1 结构的满应力优化设计
满应力设计是优化准则法中的一种主要方法,是直接从结构力学的原理出发,以满应力为其准则,使得杆件的材料能够得到充分利用的一种方法[5,6,7]。本文的设计思想是对一个未知的结构布局,通过构件的组合,使布局未定的结构在多种载荷作用下,结构的每一构件至少在一种载荷情况下的应力达到容许应力,此时就认为结构最合理。
2.2 结构优化基本原理
温室上弦采用梁结构,在进行强度校核时,只考虑弯矩引起的弯矩应力和轴力引起的正应力。由此可以通过弯矩图把上弦分为5段进行受力分析,选择合适的方式使其承受的弯矩减少,使结构承受的最大应力趋近许用应力,从而满足结构的强度要求,也达到了节省材料的目的。以前屋面曲线第1段为实例进行结构优化设计,如图5所示。
利用结构力学的知识,可求得
F′x=Fx+N1cos(b-a) (1)
F′y=Fy+N1sin(b-a) (2)
undefined (3)
N(x)=qxsinb-F′ysinb-F′xcosb (4)
在x处截面处的最大应力值为
undefined (5)
式中 γ—截面塑性发展系数,对于圆截面取γ=1.15;
Wz—截面抵抗矩。
为了用料最省,可以使材料的每一单元承受的最大应力趋近于材料的许用应力,表达式为
σmax=[σ] (6)
式中,[σ]为材料的许用应力,可通过材料的拉伸压缩试验得到,也可查《材料手册》查得每一种材料的许用应力。建造温室通常使用的材料为ϕ235的钢,其许用应力为215MPa。
2.3 拓扑优化模型的建立
由式(1)、式(2)、式(3)和式(4)可得
undefined
undefined (7)
在弯矩图(图4)中,节点7处所受弯矩最大。由于上弦采用的是梁结构,对结构进行受力分析时主要考虑弯矩,所以可以取节点7的位置作为满应力的位置。用力法对模型(图2)求解,得到在1点处的x,y方向的支座返利大小为:Fx=10 312N,Fy=14 595N。温室前屋面所承受的荷载由表1可以得到。
在本设计研究中,上弦材料采用Q30*2的圆管,查材料表可以得到A和WZ的大小。腹杆采用ϕ12的圆钢,以其能所承受的最大拉压力N1为设计值,对上弦进行设计,最大拉压力N1可查材料表得。代入式(7)可得,α=7.8°。
过节点7做法向量与下弦交于点X1,从而得到点X1(1.08,1.48)。
根据上述原理,依次可求得点X2,X3,X4的位置,如表2所示。计算过程在此不做赘述。
综上所述,对下弦曲线进行优化设计,得到设计模型如图6所示。
图6中,下部分杆件为Q235材料的ϕ12圆钢的桁架杆件,腹杆用Q235材料的ϕ12圆钢,上弦杆件与腹杆半铰链接在一起,下弦杆件与腹杆铰链接在一起。
2.4 利用有限元分析软件对优化结构进行分析
把优化设计模型导入ANSYS10.0中,定义上弦单元为Beam3,定义下部分杆件单元为Link1。求解后,得到上弦结构所受最大应力分布图如图7所示,结构所受轴力分布图如图8所示,结构所受弯矩图如图9所示。
由最大应力图可知:优化后的结构最大应力值基本接近于2×108N/m2,最大值为1.99×108N/m2,最小值为1.27×107 N/m2。由轴力等值线图可以看出:最大轴力23 953N,为压力;最小轴力982N,为压力。由弯矩等值线图可知,最大弯矩为1 207N·m,最小弯矩为107N·m。
3 结语
1)本研究是基于拓扑优化原理,应用满应力法确定日光温室拱架合理的骨架结构,优化结果使温室骨架各构件受力均趋近于满应力状态;而以往日光温室结构优化方法得到的平行弦桁架骨架(如图10所示),其经验性的成分较多。所以,本方法具有明显的科学性和合理性。
2)应用满应力法设计的日光温室结构模型简单、明了。除日光温室拱架上弦据采光设计取曲梁外,其他构件都是链杆,而且数量大为减少,使得结构计算简单。
3)优化后得到的日光温室骨架结构所受的应力分布均匀,由最大应力图(图7)和轴向应力图(图8)可知,大部分单元杆件所受的应力值都趋近于1×108～2×108Pa,使所有构件承受的应力接近于材料许用应力,达到节省材料的目的。 优化后的温室骨架与跨度、高度相同的传统日光温室骨架相比,用钢量能节省2.9%。
4)拓扑优化后得到的骨架模型应用于施工建造中,较现有日光温室骨架减少了焊接点,既降低了工程量,又避免因焊点过多而造成的质量隐患。
参考文献
[1]程勤阳.温室结构设计的基本方法(一)-温室结构设计基本要求及构件计算[J].农业工程技术—温室园艺,2006(9):11-12.
[2]Li Guangyao and Zhou Hanbin,A finite difference method atarbitraby meshes for the bending of plates with variable thick-ness[J].SUT,Shanghai,China,1993(3):299-304.
[3]周长吉.日光温室设计荷载探讨[J].农业工程学报,1994,10(1):161-166.
[4]陈基发,金新阳.建筑结构荷载规范GB5009-2001[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[5]周克民,李俊峰.连续结构拓扑优化:综述[J].力学进展,2005,5(2):35.
[6]J.M.Guedes,J.E.Taylor.On the prediction of materialproperties and topology for optimal continuum structures[J].Springer-Verlag,1997(2):193-199.
数据中心网络拓扑结构研究 篇4
关键词：数据中心,网络拓扑,性能
1 概述
随着华东空管局管理水平的提升和信息化应用不断深入,对信息系统建设提出了更高的要求。目前应用系统基本上都是各自规划、分散建设、独立运行的,形成了一个个封闭的“孤岛”,不利于统一管理和运维,更不利于信息共享和交互,而且也极大地影响了总体投资效益。为此,华东空管局从实际情况出发,着手建设华东空管局数据中心。相同情况出现在总局空管局、西南空管局、西北空管局等地,为了降低管理难度及运营开销,增强信息共享,多个空管单位都提出了数据中心的建设需求。
数据中心已成为空管IT建设的重点项目,因此在空管大举建设数据中心时,研究数据中心相关技术,合理规划数据中心建设,将具有积极意义。
2 数据中心网络需求
由于数据中心汇聚了大量业务,因此对数据中心网络提出了更高的需求,数据中心网络的性能将直接影响数据中心运行的效果。较之传统网络,数据中心网络对以下几个方面的要求更高:
1)网络可拓展性
随着数据中心业务增长,数据中心的规模将不断扩大,因此要求网络能容纳较多地路由器和交换机,且拓展方便,设备的添加不能影响现有服务性能。
2)网络容错性
数据中心网络拓扑要求保证不同节点之间有多条并行的路径,减少链路单点故障,使网络具有较好的容错性能,保证服务质量。
3)网络带宽
数据中心由于业务数据传输量巨大,所以要求网络具有很高的对分带宽,满足业务的高吞吐传输需求;另外,当有大量突发业务时,网络需要自动实现业务分流。
4)设备开销
数据中心网络规模庞大,因此,构建数据中心需充分考虑成本问题。
5)管理复杂度
数据中心设备众多,业务集中,因此数据中心网络应便于管理及维护,减少人为操作风险。
数据中心网络拓扑结构对网络性能具有决定作用,本文研究了不同拓扑结构的技术特点,并分析各类型网络拓扑的优缺点。
3 数据中心拓扑结构
目前,关于数据中心网络拓扑结构的研究主要分为两类:以网络设备为中心的拓扑结构和以服务器为中心的拓扑结构。在以网络设备为中心的拓扑结构中,网络流量路由和转发全部是由交换机或路由器完成的。在服务器为中心的拓扑结构中,采用递归方式构建网络拓扑,服务器不仅是计算单元,还是路由节点,因此会主动参与分组转发。
目前,数据中心以网络设备为中心的拓扑结构主要有:树型拓扑、胖树拓扑、VL2拓扑等;以服务器为中心的拓扑结构有DCell拓扑、Fi Coon拓扑、Bcube拓扑等。本文将选取几种主流拓扑结构进行研究:
1)树型拓扑
树型拓扑是较早用于构建数据中心的网络拓扑,该拓扑是一种多根树形结构,属于以网络为中心的拓扑结构,网络分为核心层、汇接层、接入层三层,网络底层采用商用交换设备与服务器相连,网络高层则是采用高性能、高速率、高容量的交换设备。
2)胖树拓扑
胖树拓扑是对树形结构的一种典型改进,在胖树结构中,网络的拓扑仍旧分为三个层次,即核心层、汇接层、接入层。但与树型结构不同的是,胖树结构规定了一个中间节点可以拥有多个父节点,因此增加了上下层交换机之间以及汇聚层交换机与核心交换机之间的链路数量。另外,汇聚层和接入层的交换机被分为若干个不同的域,每个域中的不同层交换机设备之间可以实现全连接。胖树拓扑结构采用两张路由表进行两级路由,每台交换机具有固定的编码规则。
3)VL2拓扑
VL2拓扑结构是微软研究人员于2009年提出的,VL2利用虚拟技术对汇聚层进行虚拟化,来提供系统的拓展性。在对汇聚层进行虚拟化之后,所有的服务器将会类似存在于一个局域网一样,会大大提高网络的性能以及服务的效率。从物理上划分,整个VL2拓扑分为三层,最底层连接服务器的交换机称为To R Switch(机架顶端交换机)。机架顶端交换机通过不同的上行链路连接到Aggregate Switch(汇聚交换机)。汇聚交换机再通过上行链路与每一个Intermediate Switch(中介交换机)相连。但从逻辑上划分,整个VL2拓扑分为两层,其中第一层由机架顶端交换机及与其相连的服务器构成一个服务器集群,第二层由汇聚交换机和中介交换机构成一个交换网络。
4)DCell拓扑
DCell拓扑是一种以服务器为中心的拓扑结构,在DCell结构中,服务器与交换机一样具有数据转发功能。DCell拓扑通过低端口小交换机与多端口服务器以递归方式构建大规模网络。在DCell拓扑结构中,存在两种链路连接方式,即服务器与服务器相连,交换机与服务器相连,不存在交换机之间互连的情况。DCell0是构建DCell拓扑的基本单元,每个单元作为一个节点,充当下一层结构的基本单元,这就保证了每一层的连接都是一个完整图。k代表DCell拓扑的层数,n代表DCell0中交换机的接口数量,很小的k和n就可容纳很多的服务器,从而保证网络的高度可拓展性要求。
5)Fi Conn拓扑
Fi Conn拓扑也是由微软人员提出的,在Fi Conn结构中,交换设备与服务器都具有转发能力,也是一种以服务器为中心的拓扑结构。现代的商用服务器设备中一般具有两个以太网端口,一个用于网络连接,另一个作为备用端口。Fi Conn拓扑构建的核心是利用备用服务器端口实现网络互连,在保证网络性能良好的情况下,取消大规模高性能的交换设备,从而节约互连成本。Fi Conn采用递归方式,高层次的Fi Conn结构由低层次的Fi Conn结构构建。低层次的Fi Conn使用一半的可用备用端口实现互联,形成mesh结构。随着Fi Conn结构的层数的增加,Fi Conn结构中服务器数目随着呈指数增长,可以保证网络的高度可拓展性。
4 各类拓扑性能分析
1)网络可拓展性
树型拓扑结构采用垂直方式实现拓展,网络拓展能力受限于高层网络设备的端口数量,拓展能力有限;胖树拓扑结构采用水平拓展的方式,能够支持更多的服务器,从而满足数据中心的拓展需求;VL2拓扑与树型拓扑的有很大的共同点,由于使用了虚拟技术,从而大大提高了拓展能力,它可以很容易地拓展以支持大规模数量的主机;DCell采用递归方式,能够支持大规模的服务器,且方便拓展;Fi Conn也是采用递归方式构建网络拓扑,网路可拓展性较好。
2)网络容错性
树型结构网络容错性能较差,当网络链路或节点出现故障时,很容易导致网络分离为相互独立的子网,致使网络瘫痪,性能恶化;胖树各层次网络存在多条冗余传输路径,不存在单点故障,容错性能较好,但对于Pod内部容错性能较差,对底层交换设备故障比较敏感;VL2结构在汇聚交换机和中介交换机之间有着多条链路,可以增加网络的容错能力,但与胖树结构类似,VL2结构对底层交换设备故障非常敏感,容易导致子网瘫痪;DCell采用递归定义、去中心化、完全互联等,能够较好地支撑路由容错;Ficoon网络不同服务器之间有多条并行链路,因此网络容错性能很好。
3)网络带宽
树型拓扑结构流量分布不均匀,核心节点容易成为网络性能的瓶颈;胖树结构对分带宽随着网络规模的拓展而增大,具有较高的吞吐量,并且能够在核心层多条链路之间实现负载均衡,避免网络性能瓶颈;VL2结构在汇聚交换机和中介交换机之间有着多条链路,可以增加网络的对分带宽;DCell采用递归定义、去中心化、完全互联等,能够较好地支撑路由容错,并提供比树形结构和胖树拓扑更好的聚合带宽,但Dcell拓扑缺点在于流量分布不均匀,处于低层链路上的流量偏高,层次化的全连接和服务器实现的转发功能会影响吞吐量和网络延迟。Ficcon网络对分带宽很大,能够满足数据的高吞吐传输需求
4)设备开销
树型拓扑高层设备性能要求高,导致设备开销大;胖树拓扑的网络设备多为商用设备,因此可以大幅度降低网络设备开销;VL2同样采用商用交换设备,设备开销小;Dcell网络以长链路取代高性能交换机,从而导致链路开销增加;Ficcon充分利用了服务器的备用端口,节约了一定的设备开销;
5)管理复杂度
传统树型拓扑结构简单,易于实现;胖树结构拓扑规则、对称,有利于网络布线及自动化配置;VL2拓扑汇聚交换机与中介交换机之间连线较为复杂,布线开销较大。DCell拓扑每层之间以全连通方式互连,使得布线复杂度过高,不利于自动化配置、管理及工程实施;DCell网络以长链路取代高性能交换机,链路开销增加;Ficcon拓扑布线复杂度较高。
4 小结
本文从网络拓展性、网络容错性、网络带宽、设备开销、管理复杂度等几个方面分析了数据中心网络与传统网络的区别,研究了适用于数据中心的拓扑结构,并以树型结构、胖树结构、Dcell结构、Fi Coon结构为例分析了各不同类型拓扑的技术特点,并比较了各类不同类型拓扑对数据中心的影响。本文的研究结果对空管数据中心建设具有积极意义。
参考文献
[1]魏祥麟.数据中心网络的体系结构[J].软件学报,2013(2).
[2]钟伟林.浅析面向云计算数据中心网络体系的构建[J].软件,2013(4).
计算机网络拓扑结构分析 篇5
计算机网络的拓扑结构分析是指从逻辑上抽象出网上计算机、网络设备以及传输媒介所构成的线与节点间的关系加以研究。
1 计算机网络拓扑结构的概念和分类
计算机网络的拓扑结构是指网上计算机或网络设备与传输媒介所构成的线与节点的物理构成模式。计算机网络的节点一般有两大类:一是交换和转换网络信息的转接节点, 主要有:终端控制器、集线器、交换机等;二是各访问节点, 主要是终端和计算机主机等。其中线主要是指计算机网络中的传输媒介, 其有有形的, 也有无形的, 有形的叫“有线”, 无形的叫“无线”。根据节点和线的连接形式, 计算机网络拓扑结构主要分为:总线型、星型、树型、环型、网状型、全互联型拓扑结构。 如图1所示。
总线型主要是由一条高速主干电缆也就是总线跟若干节点进行连接而成的网络形式。此网络结构的主要优点在于其灵活简单, 容易构建, 性能较好;缺点是总线故障将对整个网络产生影响, 即主干总线将决定着整个网络的命运。星型网络主要是通过中央节点集线器跟周围各节点进行连接而构成的网络。此网络通信必须通过中央节点方可实现。星型结构的优点在于其构网简便、结构灵活, 便于管理等;缺点是其中央节点负担较重, 容易形成系统的“瓶颈”, 线路的利用率也不高。树型拓扑是一种分级结构。在树型结构的网络中, 任意两个节点之间不产生回路, 每条通路都支持双向传输。这种结构的特点是扩充方便、灵活, 成本低, 易推广, 适合于分主次或分等级的层次型管理系统。环型拓扑结构主要是通过各节点首尾的彼此连接从而形成一个闭合环型线路, 其信息的传送是单向的, 每个节点需安装中继器, 以接收、放大、发送信号。这种结构的优点是结构简单, 建网容易, 便于管理;其缺点是当节点过多时, 将影响传输效率, 不利于扩充。网状型主要用于广域网, 由于节点之间有多条线路相连, 所以网络的可靠性较高。由于结构比较复杂, 建设成本较高。
2 计算机网络拓扑的特点
随着网络技术的发展, 计算机网络拓扑结构越来越呈现出一种复杂性。近些年来对于计算机拓扑的研究, 越来越趋向于计算机拓扑节点度的幂律分布特点。这种分布在规模不同的网络拓扑中表现出一定的稳定性, 也就是指, 在规模不同的计算机拓扑中, 它们的节点度表现出一种幂律分布, 即:P (k) =k-β。其中, β一般在2—3这个小范围内进行波动, k是指节点度, P (k) 表示度为k的节点出现的概率, 即分布率。
计算机网络作为一个复杂网络, 从其通信网络的优化目的来说, 其实现节点间平均距离最小化、网络边数最小化是其拓扑优化的主要目标, 即未来通信网络的趋势就是小世界网络。可是计算机网络所覆盖的范围非常巨大, 具有全球性, 其拓扑结构的发展还面临着许多技术上的问题。所以, 对于计算机网络拓扑结构的优化目标的实现有点不大可能。但尽管计算机的发展并不能实现拓扑设计的整体优化, 它的小世界、较少边、高聚集等特性足以表明其还是具有小范围优化的特点, 这些特点的产生可表现出其一些规律, 即计算机网络具有优先连接和生长的规律。生长表示的是计算机具有动态增长的特性, 所以计算机的拓扑结构也是一个动态的过程。优先连接规律表示新节点进入计算机网络的规则, 即在新节点加入网络时会选择拥有较大连接数的节点进行连接。
3 计算机网络拓扑模型的构建
3.1 一种复杂网络拓扑模型
在世人发现计算机网络节点度具有幂律分布的规律之后, 计算机网络拓扑模型的构建产生巨大的转变。大家更多的选择从优先连接和生长等这一网络拓扑规律入手进行计算机网络的拓扑建模, 其主要是为了让符合现实计算机拓扑性质的模型通过一些简单规则的演化让其自动地产生出来。利用优先连接来对新节点加入网络的过程进行描述还比较粗糙, 首先是因为新节点在加入之前, 对网络全局的信息进行了解和把握具有很大的难度, 其次一个原因是单一的优先连接不能够描述复杂的加入决策过程, 而且在全网中容易形成少量的集散节点。所以要建立更加符合现实计算机拓扑特征的网络模型则需要考虑更完善的加入规则。
现在对于构建计算机模型主要是依据自治域级和路由器级, 但由于计算机网络拓扑特性在不同层次和不同规模中表现出某种本质上的相似性, 所以, 本拓扑模型的构建都适应于这两个级。此模型主要的规则是前面提到的通过生长和局部优先连接, 来形成计算机拓扑模型, 这种形成机制就好像一个层次化比较强的选举过程, 如图2所示:
此模型首先假设在一个平面中分布着n个节点, 并存在着一个离散的均匀走动的时钟, 这些节点都清楚自己是何时进入网络的, 这些节点进入网络的时刻分布是从零时刻开始至具体某一特定时刻内的随机分布。每个节点进入网络前后的动作就是接收和发送消息及依据所接收的消息产生响应。发送和接收的消息中包括了自己的优先度以及消息传达的范围等内容。并且这些节点优先度将对其消息传送的范围即辐射半径产生直接的影响。在节点接收消息之后往往是按照消息源的优先度来确定其是否跟发送消息的节点建立连接, 若所接收到的许多消息源节点存在相近的优先度, 其将会随机地选择一个消息源节点进行连接。通过这种规则进行不断的演化和发展, 将会得出图2的结果。其中a图表示计算机网络形成的初始阶段, 那时仅仅只有一小部分节点进行活动, 每个节点度都比较小, 其发送和接收消息的范围还比较小, 所以这些节点往往只跟自己相邻的节点进行连接。而随着时间的不断推进, 节点度的不断增加, 各个节点的消息所能到达的距离越来越远, 即所形成的连接会越来越大、越来越多。在局部区域胜出的节点代表整个区域参与更大范围的竞争, 以致形成更大区域的代表。这个过程将持续下去, 直到网络中形成几个较大的聚集中心。如图2 (b) 、 (c) 所示, 这种自组织的层次网络并不具有预先设置的层次数。这就是计算机网络拓扑结构的形成模型, 是一种消息自组织和传递接收的模型。
3.2 网络拓扑结构体系与网络协议的设置
由于网络拓扑类型的多样性, 使得计算机网络结构复杂多变。在这个系统中, 网络服务供给者和请求者之间的通信是在一个复杂网络中进行的。对于复杂网络中的问题, 必须建立起符合计算机网络拓扑结构体系的网络协议。具体问题如下:①语言不同的网络实体如何才可实现彼此通信?②如何才能保证网络实体正确接收数据?③怎样实现网络中各实体之间的联系?④数据怎样传送给指定的接收者?⑤怎样避免网络上数据传输冲突问题, 怎样对数据流进行控制以避免数据信息丢失?⑥如何通过介质进行网络数据信息的传输?⑦在物理上的各种传输线路是如何建立的?
对于上述问题的解决, 建立计算机网络拓扑结构体系是一种有效途径。计算机网络拓扑结构体系主要是对网络结构系统功能进行有效的分解, 接着对各种分解后的功能进行设定, 以满意用户的需求。这种网络拓扑结构体系其实就是一个层次结构, 它的特点主要是任何一层都是在前一层的基础上建立起来的, 其低层总是为高层服务。比如, 第N层中的实体在实现自身定义的功能时, 就充分利用N-1层提供的服务, 由于N-1层同样使用了N-2层的服务, 所以N层也间接利用了N-2 层提供的功能。N层是将以下各层的功能“增值”, 即加上自己的功能, 为N+1提供更完善的服务, 同时屏蔽具体实现这些功能的细节。其中, 最低层是只提供服务而不使用其他层服务的基本层;而最高层肯定是应用层, 它是系统最终目标的体现。
因此, 计算机网络拓扑结构体系的核心是如何合理地划分层次, 并确定每个层次的特定功能及相邻层次之间的接口。由于各种局域网的不断出现, 迫切需要不同机种互联, 以满足信息交换、资源共享及分布式处理等需求, 这就要求计算机网络体系结构标准化。在计算机网络分层结构体系中, 通常把每一层在通信中用到的规则与约定称为协议。协议是一组形式化的描述, 它是计算机通信的语言, 也是计算机网络软硬件开发的依据。网络中的计算机如果要相互“交谈”, 它们就必须使用一种标准的语言, 有了共同的语言, 交谈的双方才能相互“沟通”。考虑到环境及通信介质的不可靠性, 通信双方要密切配合才能完成任务。通信前, 双方要取得联络, 并协商通信参数、方式等;在通信过程中, 要控制流量, 进行错误检测与恢复, 保证所传输的信息准确无误;在通信后, 要释放有关资源 (如通信线路等) 。由于这种通信是在不同的机器之间进行, 故只能通过双方交换特定的控制信息才能实现上述目的, 而交换信息必须按一定的规则进行, 只有这样双方才能保持同步, 并能理解对方的要求。
4 计算机网络架构冗余设计分析
计算机网络架构冗余设计主要是指节点之间的链路冗余, 也就是指在一条链路发生断路时, 可以通过其他冗余的链路进行通信, 以保证数据的安全。网络架构冗余设计一般是包括核心层和接入层两个方面的冗余设计, 核心层冗余设计主要是采用了节点之间的连线的网状结构进行, 即在一条线路断路时可以通过其他的两条或者两条以上的线路进行通信;接入层冗余设计一般是通过双上联或者三上联的方式进行的, 如图3所示。
通过计算机网络架构的冗余设计, 在一条线路或者多条线路断路时, 可以通过其他线路进行通信, 从而将有效保证网络数据的安全性, 提升网络系统的有效性。
5 结束语
在实际应用中, 为了适应不同的要求, 拓扑结构不一定是单一的, 往往都是几种结构的混用。这些结构的混合使得计算机网络复杂性极强, 在其拓扑结构构建和形成中表现出来、具体所形成的拓扑规则是:Internet网络中节点的生长性和优先连接。通过其不断的生长以及生长出的节点的优先连接, 从而使网络拓扑形成一种消息自组织和传递的过程, 最终发展成一种网络拓扑结构体系, 其核心是一种层次结构, 通过协议加以沟通, 进行信息的传递。此外在设计过程中, 还应充分考虑网络的冗余设计, 最大限度地保证网络系统的可靠性、安全性。
参考文献
[1]方涛.非线性网络的动力学复杂性研究的若干进展[J].自然科学进展, 2007 (7) .
[2]WATTS DJ, STROGATZ SH.Collective namics of‘mall-world'net-works[J].Nature, 2008 (393) .
[3]狄增如.一门崭新的交叉科学:网络科学 (上) [J].物理学进展, 2010 (3) .
[4]陈关荣.网络拓扑结构理论分析及其应用[M].北京:清华大学出版, 2009.
直流配电网拓扑结构及控制策略 篇6
随着现代化城市建设的日趋成熟,城市用电负荷不断增长,用户对电能质量的要求也不断提高,现有的交流供电系统越来越难以满足发展的需求。近年来,随着大功率电力电子器件、高压换流技术的高速发展,高压直流输电技术也得到了不断的完善,中国、美国、瑞典等国家已经在建造多端直流输电工程[1,2,3]。
直流配电网是一个具有先进的能源管理系统的智能、稳定的交直流混合广域网络[4]。与交流配电网相比,直流配电网有着一些明显的优点:在绝缘水平相同的情况下,直流配电网的传输功率约为交流配电网的1.5倍;直流配电网能够方便各种分布式电源和电动汽车充电站的接入;不同于交流配电网,直流配电网并不存在涡流损耗以及线路的无功损耗,直流配电网的损耗仅为交流网络的15 % ~ 50 %;理论上直流系统没有频率偏差、三相电压不平衡和无功补偿等问题,因此能够有效避免电压波动与闪变、频率偏移、谐波污染等问题,能够有效地改善电能质量,提高电网可靠性[5,6,7,8,9,10]。
目前,国内外对直流配电网的研究尚处于初级阶段,未来的直流配电网技术仍存在许多挑战。本文首先提出了直流配电网的基本概念,对直流配电网链式结构典型支路的功率方程等进行了推导与求解,并对环状拓扑结构及两端拓扑结构的可行性进行了探讨;然后对分布式电源和储能装置接入直流配电网进行了研究,同时采用混合式直流断路器并且提出了一种直流配电网的控制方式;最后通过直流配电网的建模仿真,获得了一些有益的结论,对直流配电网的进一步研究具有一定的参考价值。
1 直流配电网拓扑结构
多端直流系统是从交流系统引出多个换流站,通过多组点对点直流连接不同的交流系统,没有网格、冗余,当拓扑中任何一个换流站或线路上发生故障时,整条线路及其相连的换流站要退出运行,可靠性较低。直流配电网中,各条直流线路可以自由连接,可以互相作为冗余使用,而不是仅仅作为异步交流电网的连接设备[4]。直流配电网的拓扑结构可以根据用途来决定,常见的直流配电网拓扑结构可以分为:链式拓扑结构、两端拓扑结构和环状拓扑结构。
1.1 链式拓扑结构
常见的直流配电网的链式结构如图1所示。在直流配电网的链式结构中,随着负荷的增加,直流电压将会随着潮流流动的方向下降。
图2为直流配电网的典型支路。其中,Ui、Uj为始、末两端的端直流母线电压;Ib为支路电流;Ri j为线路阻抗;Pj为末端负荷的有功功率。
由图2可得:
由式(1)、式(2),得:
求解式(3),可得:
若式(4)有实数解,则:
考虑式(5)等于0的临界情况,则:
在实际的直流配电网中,由于线路上的阻抗相对较小,正常情况下线路两端的电压相差不大,不会出现如式(6)所示的末端电压只有始端电压一半的情况,即式(3)始终有解。可见直流配电网不存在类似交流配电网的静态电压稳定性问题。
1.2 环状拓扑结构的可行性
环状直流配电网的拓扑结构如图3所示。交流配电网的环状结构,通常采用环状设计、解环运行,从而避免了双电源时电压幅值差、相角差引起的无功环流。由于直流配电网中并不需要考虑无功功率,因此也不需要考虑无功环流问题。在研究直流配电网环状拓扑结构时主要考虑出现短路情况的保护问题。
由于直流配电网系统中线路阻抗较小,当线路上发生短路故障时,短路电流上升速度快、幅值高。如果缺乏实用的直流断路器,通常只能将直流变压器或换流器闭锁,以隔离故障。当采用链式系统时,若末端线路发生故障,将上级直流变压器或换流器闭锁,余下线路仍可以正常运行;当采用环状结构时,只能将全部线路停运,极大地降低了系统的可靠性。因此,制约环状直流配电网可行性的关键技术即为直流断路器的研发。
1.3 两端直流配电网拓扑结构的可行性
为了保障直流配电网的可靠性,在两端直流配电网中通常会有一端的交流接口采用定电压控制,其余交流接口采用定功率控制。直流配电网正常运行时,由于不需考虑无功功率因素,并且整个直流配电系统的电压完全由定电压控制端和负荷决定,从而避免了直流电压差引起的功率环流,常见的两端直流配电网拓扑结构如图4所示。
2 分布式电源与储能接入直流配电网
近年来,分布式电源越来越受到学术界的关注,研究表明:分布式电源具有负荷变动灵活、供电可靠、输电损失小的特点。常见的分布式电源主要有光伏电池、燃料电池、风力发电机等,而这些电源产生的电能均为直流电。因此相较于并入现有的交流电网,直接将其并入直流配电网能够有效减少换流站的投资,同时能够减小换流过程的损耗,均有很大的经济效益[11,12]。
2.1 光伏电池
2.1.1 光伏电池模型
光伏发电存在的主要问题是光伏电池受外界环境影响大,温度和光照辐射强度的变化都可以导致输出特性发生较大的变化。因此,为了使光伏电池在不同的光照强度下都能够获得最大的输出功率,通常采用最大功率点跟踪的控制策略[13]。
本文建立光伏发电的模型等效电路如图5所示。图中,IPH为给定光强下的短路电流;I0为二极管饱和电流;RS和RSH为等效电阻;I为电池组件输出电流;U为电池组件终端电压。
考虑到光照强度S和光伏电池温度T的变化,光伏电池输出如下:
其中,K1、K2为常数;ΔT、ΔI、ΔU分别为光伏电池温度、电流、电压的增量;P为输出功率;UM和IM分别为最大电压、电流;UOC为开路电压;ISC为短路电流;Sref和Tref分别为参考光照强度和参考光伏电池温度,通常分别取1 k W / m2 和25℃;参数α和β 分别为参考光照强度下的电流和电压温度系数。
2.1.2 光伏电池并入直流配电网
光伏电池发出的是电压随机波动的直流电,且光伏电池的出口电压相对较低,若想并入交流配电网中首先需要经过DC / DC变压器,再经过DC / AC换流器,同时还需要增设滤波装置,才能有效地并入电网,光伏电池并入交流配电网如图6所示。
若是将光伏电池直接并入直流配电网中,则不需要DC / AC换流器和滤波装置,能够有效地节省设备投入,具有较大的经济意义,光伏电池并入直流配电网如图7所示。直流配电网DCDC光伏阵列
DC直流DC配电网图7光伏接入直流配电网Fig.7 Grid-connection of photovoltaic generation to DC distribution network
2.2 储能装置
2.2.1 储能装置模型
超级电容是一种新型储能元件,是具有超强储电能力、可提供强大脉动功率的物理二次电源。相比于常规的电容,它的容量可达近万法。由于超级电容的充放电过程属于纯物理过程,因此它具有循环次数高、充电过程快、适用于接入直流电网的特点。超级电容具有良好的充放电性能,在额定电压范围内,可以以极快的速度充电至任一电压值,放电时则可以放出所储存的全部电能,而且不存在蓄电池快速充电和放电的损坏问题,并且在瞬间高压和短路大电流情况下有缓冲功能,能量系统较为稳定[14]。
本文所采 用的储能 模型为超 级电容与 双向DC / DC变换器相连接,如图8所示。
2.2.2 储能装置并入直流配电网
如上文所述,含有超级电容的储能装置输出的是直流电,若要并入交流配电网,需要经过DC / AC换流器,同时还需要增设滤波装置,才能有效地并入电网,储能装置并入交流配电网如图9所示。
若是将储能装置直接并入直流配电网中,则不需要DC / AC换流器和滤波装置,能够有效地节省设备投入,具有较大的经济意义,储能装置并入直流配电网如图10所示。
3直流断路器模型与直流配电网控制策略
3.1 混合式高压直流断路器
与传统的交流输电相比,直流输电由于没有电流过零点,因此相较于交流电弧,直流电弧更难以熄灭。现有的高压直流断路器能够在几十毫秒内断开电路,但对于高压直流输电系统,远远不能达到要求。基于半导体的高压直流断路器能够克服动作速度上的问题,但是需要大量电力电子开关器件串并联[15,16,17,18]。本文采用了新型的混合式直流断路器,其拓扑结构如图11所示,能够有效地克服上述缺点。
机械开关S采用高速斥力开关,该装置动作时间短,可以显著缩短直流断路器的开断时间;电力电子复合开关由IGBT阀组T1与晶闸管阀组T2串联构成,由于晶闸管的容量较大,静态电阻也较大,其均压(均流)技术亦较为成熟,因此该复合开关可以有效降低电力电子器件的串(并)联数量及均压(均流)难度;限流电路由限流电感L、晶闸管VDL、V′DL及能量释放电阻RL构成,故障发生时,L用于限制短路电流上升率,故障切除后,L中储存的能量经VDL、V′DL及RL释放,并限制L的感应过电压;续流二极管VD用于释放电源出口与短路点间的线路阻抗中储存的能量,故障切除后,线路阻抗经续流二极管与短路点续流,其感应过电压不会对其他设备产生影响。
3.2 直流配电网的控制策略
直流配电网的控制策略可以分为2层:第一层为配电网上层控制,即系统控制,主要对换流站进行控制,控制直流配电网与交流配电网的功率传输和整个直流配电网的电压;第二层为配电网下层控制,即单元控制,主要对分布式电源的发电、储能元件、直流负荷进行协调控制。
当系统级发生故障时,即交流系统和直流系统连接处或换流站发生故障时,如果与发生故障的线路连接的换流站为一般换流站,只需切除故障线路,将故障的线路与整个直流系统隔离即可;如果与发生故障的线路相连接的换流站为控制直流配电网电压等级的换流站,则应迅速切除故障线路,同时将备用换流站由定功率控制转为定电压控制,来维持直流配电系统电压稳定。
当直流配电网下层发生故障时,如分布式电源发生故障,首先将故障线路切除,为了避免整个直流配电网系统出现短时功率跌落,控制储能单元向直流系统传输功率,维持系统的功率平衡,减小直流系统的电压波动,增加系统的稳定性。
4建模仿真
4.1 光伏电池与直流断路器模型
4.1.1 光伏电池建模
按照2.1.1节所述的光伏电池模型,采用最大功率点跟踪控制,利用PSCAD / EMTDC对光伏模型进行建模仿真,仿真时间为13 s,仿真步长为50μs,仿真系统的环境参数变化和光伏电池向系统输出的功率如图12所示,从图中可以看到随着环境因素的不断变化,光伏电池的输出功率也在不断变化。
4.1.2 断路器建模
利用PSCAD仿真软件对提出的限流式直流断路器进行建模仿真。仿真参数如下:直流电源40 k V;机械开关S为高速开关,电弧模型采用Cassie电弧模型;固态开关开通时间10μs,关断时间400μs(即晶闸管阀组T2的导通时间和零电流下正向阻断能力恢复时间);限流电路L =20 m H、RL= 2Ω;负载电阻R =20Ω,忽略线路阻抗。假设在t=0.5s时发生短路故障,仿真结果如图13所示。
如上所述,0.5s时线路负载发生接地短路故障,由于采用故障预处理控制策略,提前对固态开关阀组施加触发脉冲,故障判断时间几乎可以忽略;机械开关S经过0.3 ms基本完成换流,即电力电子复合开关于0.5003s导通;0.503s时,机械开关S完成零电压下的分闸过程,此时向电力电子复合开关发出关断信号;IGBT阀组迅速断开,约400μs后晶闸管阀组T2亦恢复正向阻断能力,电力电子复合开关完全关断,短路故障被切除。
4.2 系统建模仿真
如1.3节所述,制约环状直流配电网拓扑结构发展的主要技术瓶颈是传统的直流断路器不能够满足开断的要求,如果加入了实用的高压直流断路器,环状直流配电网拓扑结构就能够提供较为稳定的系统。本文在环状直流配电网的拓扑结构中加入上文的混合式高压直流断路器,构建的仿真模型见图14。
图中,交流系统1、2、3的电压等级均为10 k V;直流配电网的电压等级为15 k V;低压直流配电网的电压等级为1 k V;换流站1采用定电压控制,控制整个直流配电系统的电压;换流站2、3采用定电流控制;DCT表示直流变压器。
4.2.1 系统正常情况下仿真
设置中压配电网负荷需求功率为1.2 MW,低压直流配电网需求功率为100 k W,系统环境因素和光伏电池的输出功率的变化如4.1.1节所述,整个直流配电网的电气变化量如图15所示。仿真结果表明:正常情况下,中压直流配电网和低压直流配电网的电压和功率传输都能够稳定在设定的值,不会随着外界环境的不同而产生较大波动。
4.2.2 系统故障情况下仿真
为了验证直流断路器、控制策略的有效性和直流配电系统的可行性,考虑系统发生两相短路故障的情况,设置故障发生在10.5 s,直流断路器检测到故障后自动动作。以光伏系统为例,当光伏系统发生故障时,如果不采用3.2节的控制策略,仅仅是将故障线路切除,则整个直流配电网的电气变化量如图16所示。
当光伏系统发生故障时,如果采用3.2节的控制策略,将故障线路切除,同时储能系统向直流配电系统输出功率,则整个直流配电网的电气变化量如图17所示。
对比图16、17可知,采用3.2节所述的控制策略时,能够在系统发生故障时有效地限制整个直流配电系统的电压和功率的波动幅度,同时能极大地缩短波动时间。图18为15k V配电系统电压波动的过渡过程对比图。
对比图16、17、18可知,光伏电池在10.5 s时发生短路故障,断路器检测到故障后切断故障线路。以15 k V电压为例,如果不采用3.2节所述的控制策略,在发生故障后的过渡过程中系统电压会降至11.5k V,且需要0.3 s系统才能恢复到正常的电压;当采用3.2节所述的控制策略时,在发生故障后的过渡过程中系统的电压仅下降至14 k V,而且仅需要0.01s系统便能恢复到正常的电压。上述仿真结果证明:当系统发生短路故障时,直流断路器能够快速断开故障线路,保障非故障线路正常运行;同时采用本文提出的直流配电网的控制策略,能够有效限制短路故障对系统造成危害,缩短短路时间,使整个直流配电网更加有效稳定地运行。
5结语
本文对直流配电网链式拓扑结构的典型支路的功率方程等进行了推导与求解,并对环状拓扑结构及两端拓扑结构的可行性进行了探讨,接着对分布式能源和储能装置接入直流配电网进行了研究,最后采用了混合式直流断路器模型同时提出了一种新的直流配电网控制策略。仿真结果证明:在正常工况下,中压直流配电系统和低压直流配电系统的电压和功率都可以保持稳定;在故障情况下,直流断路器能够迅速地切断故障线路,同时采用本文提出的控制策略,能够更好地维持系统电压和功率传输的稳定,缩短故障时间,使整个直流配电系统能够更加有效稳定地运行。
摘要：对直流配电网的环状拓扑结构和两端拓扑结构的可行性进行了探讨,对直流配电网链式结构典型支路的功率方程等进行了推导与求解。对分布式能源和储能装置并入交流配电网和直流电网进行了对比研究,研究结果表明相较于接入交流配电网而言,接入直流配电网能够有效节省DC/AC变换器和滤波装置。采用了混合式直流断路器同时提出了一种直流配电网的协调控制模型。利用PSCAD/EMTDC对环状直流配电网结构的正常工况和故障情况进行仿真,仿真结果表明通过有效的控制和分布式能源的合理调度,能够有效限制短路故障对系统造成危害,缩短短路时间,使整个直流配电网更加有效稳定地运行。
供热管网三维拓扑结构的仿真方法 篇7
采用区域供热 (District Heating, DH) 系统代替单独供热锅炉可大幅提高能源利用效率和可靠性, 在世界各地都受到了普遍重视[1,2,3]。当前, DH系统结合热电联供、可再生能源、余热利用、储热和热泵等技术正在向第四代区域供热系统发展[1]。在丹麦, 可再生能源已经在区域供热系统中提供了近20%的供热来源[2]。在芬兰, DH系统占有50%的供热市场, 并且有超过80%的DH结合CHP, RES一起供热[3]。在2012年, 欧洲28国的总能源消耗中, 可再生能源达到14.1%, 并有望在2020年增加到20%[4]。
此外, 新一代DH系统工程还提出利用工业过程产生余热提高节能率[5,6,7,8,9]。2000年之后国内也有很多类似的废热利用的报道。如采用钢铁厂的冲渣水热量对居住建筑供热[8,9]。采用吸收式热泵降低热网回水温度大幅提升工业余热利用[10,11]。最近, 文献[12]提出了采用工业废热的低品质能源用于DH系统的关键因素和解决办法。除了收集和整合多种品质的工业余热和负荷调峰管理之外, 关键因素之一是利用工业余热需要长距离管道输送[12]。
工业余热源一般远离城市中心, 而且多数在30-40℃之间, 难以利用。宏观数据表明, 每年中国北方有大约260MT (tce) 低品位热量被浪费[11]。要有效利用这些低品位的能源以及分散各处且不稳定的可再生能源需要能源梯级利用与合理的管网拓扑结构相结合。比如在供热主回路的回水管路经过余热 (或可再生能源供能, 储能) 环节的顺序需要按照进出口温度逐渐升高的顺序。要完成这样的工作需要合理布置管网结构, 才能节约输配能耗和投资。
石兆玉教授指出“要真正实现不多不少, 我国供热系统能效必须大幅提高, 向着三零的目标努力”[13]。所谓三零, 就是水力平衡时没有节流损失, 流量调节时没有过流量存在, 热量控制时没有剩余热量浪费。除了多热源联网成环状管网之外, 可再生能源、工业余热、热泵和储热等环节也加入到管网中。此时, 基于平面拓扑结构的传统网络水力热力分析方法很难解决加入多种节能环节后出现的输配问题, 如供水和回水网络不对称, 不同地点的工业余热温度是否对口等。因此, 在近年来对立体供热网络的研究基础上[14,15,16,17], 本文提出一种改进的立体网络建模方法。该方法能够基于空间拓扑结构解决在热网中加入各类节能环节后水力和热力工况的输配问题。
2. 三维管网拓扑结构立体图
新一代区域供热系统中, 热电联产、可再生能源、工业余热和热泵等都可以是供热系统的热量来源。在文献[14]中介绍了回收赤峰市铜冶炼厂低品位工业余热用于城镇集中供热的工程应用。在该应用中, 按照温度对口原则大量回收工业余热并采用“吸收式换热器”降低一次侧回水温度 (20℃甚至更低) 。在需求侧, 随着近年来低能耗建筑的逐渐推广, 平均单位面积用热量不断减少。特别是当用户采用低温辐射取暖或地暖后, 二次侧的供、回水温度平均降低10-20℃[12]。当供热一次、二次侧的回水温度降低后, 大量较低温度 (30-80℃) 的工业余热和可再生能源就可能被回水利用。在采用新的节能技术后, 继续优化管网拓扑结构不仅有助于合理利用可再生能源和回收工业余热, 而且还能进一步提高供热稳定性。下面以一个简单的管网结构为例说明, 如图1所示,
1-主热源;2-热力站;3-太阳能制热;4-水泥厂余热;5-炼钢厂余热;6-风能制热;
S1, S2主热源;u1-u7热用户;r1-r6工厂余热;n1-n6可再生能源
在图1中, 供热管网结构是由一个主热源和两个热力站组成的一次侧管网结构。在城市周围的工业余热和可再生能源就可用于加热回水。热力站的回水除了可以直接返回主热源外, 还可以根据温度对口, 梯级利用的原则, 分别到太阳能、风能制热, 或者到水泥厂、炼钢厂等吸收工业余热, 然后再返回主热源。根据这些低温热源的产热时段, 产热量大小, 用循环泵 (阀门) 调节流量。由于管路简单, 只有一个热源, 枝状拓扑结构, 完全可以采用平面图。
在图2中, 管网系统中采用了2个主热源, 多环拓扑结构, 与多个可再生能源及工业余热联合供热的立体管网。管网的供、回水拓扑结构出现不对称。特别是若考虑多处供热资源需要温度对口的先后顺序, 可再生能源和余热资源接入管网结构的布置可能更加复杂。在这种立体结构的表示方式中, 主热源和用户放在垂直线上, 上平面放置供水管段, 下平面放置回水管段。可再生能源和余热等环节都放在由回水管段连接的平面中。采用这种立体网络结构的示意方法直观明了。当某个可再生能源或余热停止供热时, 若该段管路的阀门关闭。当出现供、回水管网不对称情况下, 采用立体网络图能更直观的表示管路的连接关系。
但仅表现直观是不够的, 还需要与之对应的水力、热力分析方法。目前在供热管网的水力、热力分析中, 适用于立体管网拓扑结构的方法很少。当供水和回水网络的结构差异较大时, 平面网络的分析方法需要采用供水和回水网络分别计算。但两者连接处往往布置各类型热源、热用户和阀泵等元件, 分别计算并不容易获得满意结果。而采用立体网络分析是整体处理, 无需分开计算。因此, 为实现新一代供热系统更节能、稳定和走向智能化供热, 需要有一套分析立体网络拓扑结构的新方法。
3. 平面网络和立体网络建模方法
传统供热方式下, 供热网络的回水管网与供水管网的拓扑结构对称, 只需分析供水部分就可直接获得回水部分的水力工况。在新一代供热网络中, 供、回水网络拓扑结构一般不对称。若将所有供、回水管路放在平面上分析则管路不可避免出现交叉重叠。特别是由多个、多种热源供热构成的拓扑结构比较复杂时, 采用平面图分析不方便。但采用立体图需要建模方法的改进。
基于图论的传统平面网络分析方法应用广泛, 相关算法成熟。其建模的一般方法是先采用某种 (广度优先或深度优先) 搜索方法生成热网的“树”。据此构建网络基本关联矩阵和基本回路矩阵。然后根据基尔霍夫定律, 由基本关联矩阵和基本回路矩阵生成含有流量 (流量增量) 或压力 (压力增量) 未知向量的方程组。这种建模方法能够满足平面网络基于稳态分析的基本需求。对于规则立体网络, 文献中也提出采用类似平面网络的处理方式[15]。先生成空间管网树, 然后构建空间管网的基本关联矩阵和基本回路矩阵。其基本关联矩阵Ak为:
基本回路矩阵Bk为:
其中, 网络节点数为N;管段数为B;
如满足空间管网的基本回路数F=B-N+1, 则有
基于基尔霍夫定律建模, 由节点连续性方程和环路能量方程有
其中, 为管段流量列向量;为节点入流列向量;为管段阻力损失列向量;为水泵扬程列向量。
建立求解方程组后, 采用某种管网平差方法, 如Hardy Cross法, МКР法, Newton-Raphson法等, 求得方程组的解。由于采用联立方程组, 所以可一次求得一种稳态工况下所有管段平均流量和节点压力值。一般来说, 管段数量越多, 联立方程的数量越大。当管段数量很大时, 需要提高求解方法的效率。
当得到一组管段流量和节点压力后, 对阻力系数进行校正计算直至满足精度要求。水力计算结束后, 继续进行热力计算和热力学参数的校正计算。一般来说, 水力计算和热力计算需要反复迭代进行, 直至获得足够精度的解。
对于有一定组成规则立体网络, 如图4所示, 即便其中一些供水管段或回水管段关闭, 仍然满足空间管网的基本回路数F=B-N+1。因此仍可基于图论搜索供、回水管路及热源、热用户管路, 建立基本关联矩阵和基本回路矩阵。但由于实际用户地理位置的特殊性等原因, 很可能产生非规则的连接方式, 如图5所示, 基本回路数F≠B-N+1。
在图5中, 用户u8和u9的管段连接方式具有空间非规则性。这种情况下采用搜索基本回路的方法就很难奏效。当管网中还含有多种空间非规则连接的储热环节、阀门和水泵等元件时, 要搜索基本回路并建立类似式 (2) (3) 的模型会非常困难。因此, 本文根据前期研究[16,17], 提出一种采用“面向对象”思想的新方法。这种新方法可解决如图5中非规则网络的水力和热力工况分析。
首先, 将供热网络“对象”化。“对象”化是将所有组成网络的元件, 包括管段、阀、泵和热源, 可再生能源, 工业余热等, 都定义为某类特定对象。不同的对象称为不同的“类”, 如管段类, 阀类, 泵类。元件的水力和热力参数定义为对象的“属性”, 元件所遵循的水力和热力学控制方程定义为对象的“方法”。对管段和各类元件的方法均采用偏微分方程或代数方程建模。其中, 管段的“方法”是根据其连续性方程、动量方程式和能量方程建立, 如下式 (4) 、 (5) 和 (6) :
其中, 摩擦系数λ采用Colebrook&White (C-W) 方程计算,
根据非稳态流动方程 (4) ~ (6) 建立的管道模型考虑了温度、高程差和沿管程散热损失的影响。
在构建了整个网络的对象后, 进行网络初始化。根据网络实际布置, 生成各类管网元件实例;所谓生成实例就是将管网元件的对象属性赋予具体数值。如不同位置管段的编号、长度、管径和粗糙度等属性。此外, 还要确定每个元件实例与周围元件实例的连接属性。下一步是确定各元件的初始状态和边界条件。初始状态是指开始计算时, 各元件的参数值。边界条件是根据已知条件设定热源, 水泵, 用户处的压力、流量和温度值;网络内部对象的计算相对独立, 并以所连接的周围其他元件的状态作为边界条件。在计算前, 设定初始的时间步长及计算总步长 (时间步长在计算过程中可以改变) 。再设定收敛条件 (每个时间步长的计算到达收敛的条件) 和达到稳态的条件 (所有管段内的流体流动状态随时间步长推进时几乎不再变化) 。此时可开始进行第一个时间步长的计算。对管段对象, 需要求解方程 (4) ~ (6) 。对于水泵对象, 求解水泵特性方程 (如压头-流量特性方程) 。当所有元件完成一个时间步长的计算后, 只要没有发生计算发散, 就继续下一个时间步长的计算。随着计算时间步长的推进, 管网内的流动会逐渐到达稳态。此时, 就可获得稳态时所有管段的流量、压力沿管程分布值。非管段元件的水力工况也同时获得。下一步, 根据管内流动状态, 由式 (7) 校核各管段摩擦系数, 并再次迭代计算到稳态。此时, 水力计算已经结束。下面进行热力计算, 并对密度、粘度等热力学参数进行校核计算。热力计算和水力计算一般需要反复迭代进行, 直至满足设定的精度要求结束计算。
采用面向对象思想的方法本质上是一种基于非稳态计算的方法。当边界条件固定时, 随着时间步长的不断推进, 计算直到稳态为止。表1给出了传统方法和新方法的主要特点。
值得一提的是, 上文中讨论的有关主供热网络拓扑结构的影响同样适用于二次侧供热网络。因此, 完全可采用新方法对加入了可再生能源、余热、热泵等节能环节的二次侧网络进行分析。
4. 算例
为验证本文提出的三维管网结构的计算方法, 这里给出了某供热城镇的供热一次管网简化图, 如图6所示。
该供热管网是一种多源、多环结构。共有2个主热源, 10个热力站, 78根管段, 4个新热源。其中, S1和S2为主热源。u1-u10为热力站。ne1-ne3为太阳能供热热源, ne4为工业余热。当热源ne1-ne3处于供热时段, 阀门v2, V3, v5, v6, v8和v9开启, 阀门V1, v4和v7关闭。此时, 部分回水经过ne1-ne4加热后再到热源S1和S2处。设在热源S1处的流量为720m3/h, S2处的流量为1080m3/h。并在热源S2处的回水入口处设定压点, 定压为0.5MPa。设用户u1-u10处压力损失均为0.05MPa。设新热源ne1-ne4处带有循环水泵, 压力损失均为100Pa。
表2中给出了管段的计算结果。通过验证可知, 在任意节点处均有节点流量的代数和为零;任意环路节点压降为零。所以, 计算结果满足基尔霍夫定律。
表3展示了用户, 新能源及工业余热的流量、入出口压力的具体计算结果。计算结果表明, 用户u1-u9的阻力都为50k Pa, 且流向与预设方向都一致。流过用户的总流量等于热源提供的总流量 (1800m3/h) 。可再生能源ne1-ne4的压损为100Pa, 其中n1的方向与预设方向相反。计算结果与计算前的设置条件完全符合。至此, 案例计算结果验证了新方法采用立体网络建模进行模拟水力计算的正确性。
5. 结论
对加入了可再生能源、余热等节能环节的新一代热网, 采用立体网络结构表示更直观。通过与平面网络结构的传统建模方法比较, 本文针对三维拓扑结构提出一种新的建模方法。通过算例模拟计算, 验证了新方法进行水力计算的正确性。本文的主要结论是,
(1) 新一代区域供热网络具有供、回水网络结构不对称性, 采用一种新的立体网络拓扑结构表示更直观。主热源和用户放在立体结构的垂直线上;立体结构的上平面放置供水管段, 下平面放置回水管段。可再生能源和余热等环节都放在由回水管段连接的下平面中。
(2) 提出一种采用“面向对象”思想对管网建模的新方法。这种方法不仅可解决传统平面管网拓扑结构的水力、热力分析问题, 还能有效解决加入了可再生能源、工业余热等环节后产生的非规则的三维网络拓扑结构的水力、热力分析问题。