新型拓扑结构

新型拓扑结构（共9篇）

新型拓扑结构 篇1

1 引言

将串联谐振转换器和并联谐振转换器组合起来,就可以得到两个以上谐振元件,或多元件串并联谐振转换器。它克服了串联谐振转换器和并联谐振转换器的不足,降低了开关管的应力。但由于多个谐振元件持续谐振导致电路中循环能量大,因此导通损耗大。同时准谐振转换器为保持输出电压在各种运行条件下(如输入电压波动、负载变化等)基本不变,必须采用变频控制。变频控制复杂,而且变压器、电感等磁性元件要按最低频率设计,体积和重量不可能做得极小(即不可能实现最优化设计)[1]。

为此我们提出了一种恒频的电压馈电LrCrCdc串/并联软开关准谐振逆变器,它可实现宽的负载范围,平稳的输出功率调节,低的开关损耗,通过仿真和在电子镇流器中的实际应用中得到了验证。

2 常规的串/并联准谐振逆变器

作为DC/AC逆变器,LrCrCdc串/并联准谐振逆变器应用广泛,图1为它在常规的高频电子镇流器中的应用。该开关电路由两个MOSFET组成,谐振电路由电感Lr和谐振电容Cr组成,因直流阻断电容Cdc足够大可忽略其影响,谐振频率表示为:

undefined

为了实现软开关,电压馈电串联谐振逆变器的开关频率fs一般会稍高于或低于谐振频率fr[2]。

3 改进的串/并联半桥准谐振逆变器

图2是提出的带PFC升压改进的串/并联半桥准谐振逆变器,它采用一个无损缓冲电容Cs与Q2并联用来降低Q1和Q2关断损耗,实现零电压开关。并用一个反向阻断二极管串联在开关管Q1上取代二极管D1,以减少D1的导通损耗。由于在输入DC电压为310V时Q2峰值电压可达700V,辅助高频低耗二极管Da的应用可大大降低Q2上的电压。最近PFC被经常应用在电子镇流器、调光灯及电机驱动中[3],升压式PFC可确保转换器工作于高输入功率因数。

逆变器的输出功率通过改变占空比来连续调节,理想的最大占空比为0.5,实际应用中应稍小于0.5。因为Q1和Q2有一个小的断开时间(死区时间),可避免其上大的开关浪涌。占空比的下限由电容Cs确定。PWM控制器提供了一个恒定的开关频率,从而简化了电路设计。

4 拓扑电路原理分析

图3为不同开关模式时的等效电路。

模式1 [t0-t1](SW1开):由于Q1在导通状态。电流isw1经Q1、D1向谐振电路提供能量,此时通过灯泡的谐振电流逐渐增加。

模式2 [t1-t2](Cs放电):在t = t1时Q1关闭,流经Q1的电流被迅速切断,缓冲电容器Cs开始放电,Vsw1从零升到Vdc,Vsw2从Vdc降到零。到T2时刻谐振电路贮藏的能量使反并联二极管D2导通,Cs完成放电,模式从模式2转换成模式3。

模式3 [t2-t3](D2通):由于D2开始导通,使Q2的电压达到零。T2时刻控制脉冲电压作用于Q2。此时二极管D2的电流达到零,开关管Q2导通,因此Q2实现了ZVZCS。

模式4 [t3-t4](Q2导通):由于Q2已经导通,谐振电路贮藏的能量使流经Q2电流逐渐增加。

模式5 [t4-t5](Cs充电):Q2在t = t4断开,谐振电流不能通过Q2,开始为缓冲电容Cs充电,(Q2关闭过程中产生了一定的开关损耗)直至电感Lr电压达到Vdc。辅助二极管Da开始导通,模式5转变为模式6。

模式6 [t5-t6](Da通):在此模式下,谐振电路储存的能量通过二极管Da返回到电压Vdc。由于二极管Da是在零电压下导通和截止, 因此Da导通和截止的损耗较小。这种模式被视为非共振模式。当二极管Da 电流降至零时截止,模式转到模式7。

模式7 [t6-t7] (Cs放电):t6时刻Cs开始放电,在t7时刻电压降至Vdc,D1导通, Vdc经Q1、D1向谐振电路提供能量,回到模式1。

主要工作波形如图4所示。

5 试验电路组成

控制电路板包含一个PWM控制芯片SG3526和一个PFC功率因数控制器MC34262组成。SG3526构成一个频率固定的可调整的双端输出电压型脉宽调制器[4]。MC34262构成一个临界连续电流型PFC控制器[5]。它们的输出信号经HCPL-316J被输送到Q1、Q2、Q3的栅极。HCPL-316J是一个使用方便且成本低的智能的场效应MOSFET 驱动器,包含了过流保护、欠压保护和开关管软关断的功能[6]。逆变器过流保护电路是通过测量灯的有效电流实现,当电流超过一定值,关断信号输送到MC34262,切断开关器件。此外,在负载开路状态下,利用负载过电压间接检测出负载的电流值,信号同样被输送到MC34262,切断开关器件。

6 试验结果分析和讨论

辅助二极管Da,缓冲电容Cs和荧光灯输出电压的工作波形示于图4。它是经验证获得的仿真波形,从仿真波形看电路特性明显。开关SW1和 SW2均工作在ZVS状态。此外,无损缓冲电容器Cs可使开关SW2免于EMI电磁干扰。

表1显示的是在不同的逆变器输出功率下测量的功率因数、总谐波失真和效率,从表中可看到逆变器总谐波失真都低于12%。系统在不同负载的条件下对应的输出电源总的效率均大于0.75,在低的额定功率下效率可达到90%。

图5示出了常规和改进的逆变器在不同占空比下的效率,可看出改进的软开关电路使运行效率得到了显著的提高,较之常规电路的运行效率平均提高了10%。可看出在D=0.36,额定输出功率条件下效率可达98.4%,在D=0.1,由于运行在软开关状态,最低输出功率时效率大约为86%。软开关可在0.1

7 结论

本文提出的新型的DC/AC逆变器拓扑结构,虽然电路较复杂,使用的电子元件也较多,但随着半导体、铁氧体磁芯价格的迅速下降使制作本电子镇流器成本大大下降,它的高效能所带来的经济效益完全能够弥补其生产成本的提高,因此具有很大的市场潜力。

摘要：提出了一种新型的DC/AC逆变器拓扑结构,并分析了其工作原理。它是一个改进的电压馈电串/并联软开关准谐振逆变器,能达到大范围且平稳的输出功率调节、低的开关损耗和成本,在仿真和电子镇流器的实际应用中得到了验证。

关键词：串/并联准谐振,软开关,DC/AC逆变器

参考文献

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[6]Abraham I,Pressman.Switching power supply design[Z].McGray-Hill Companies,Inc.,1998.

新型拓扑结构 篇2

1.星型拓扑结构

星型结构是最古老的一种连接方式，大家每天都使用的电话都属于这种结构，如下图所示。其中,图(a)为电话网的星型结构,图(b)为目前使用最普遍的以太网(Ethernet)星型结构,处于中心位置的网络设备称为集线器,英文名为Hub。

(a)电话网的星行结构(b)以Hub为中心的结构

这种结构便于集中控制,因为端用户之间的通信必须经过中心站。由于这一特点,也带来了易于维护和安全等优点。端用户设备因为故障而停机时也不会影响其它端用户间的通信但这种结构非常不利的一点是,中心系统必须具有极高的可靠性,因为中心系统一旦损坏，整个系统便趋于瘫痪。对此中心系统通常采用双机热备份,以提高系统的可靠性。

这种网络拓扑结构的一种扩充便是星行树,如下图所示。每个Hub与端用户的连接仍为星型,Hub的级连而形成树。然而,应当指出,Hub级连的个数是有限制的,并随厂商的不同而有变化。

还应指出,以Hub构成的网络结构,虽然呈星型布局,但它使用的访问媒体的机制却仍是共享媒体的总线方式。

2.环型网络拓扑结构

环型结构在LAN中使用较多。这种结构中的传输媒体从一个端用户到另一个端用户,直到将所有端用户连成环型,如图5所示。这种结构显而易见消除了端用户通信时对中心系统的依赖性。

环行结构的特点是,每个端用户都与两个相临的端用户相连,因而存在着点到点链路,但总是以单向方式操作。于是,便有上游端用户和下游端用户之称。例如图5中,用户N是用户N+1的上游端用户,N+1是N的下游端用户。如果N+1端需将数据发送到N端，则几乎要绕环一周才能到达N端。

环上传输的任何报文都必须穿过所有端点,因此,如果环的某一点断开,环上所有端间的通信便会终止。为克服这种网络拓扑结构的脆弱,每个端点除与一个环相连外，还连接到备用环上,当主环故障时,自动转到备用环上。

3.总线拓扑结构

总线结构是使用同一媒体或电缆连接所有端用户的一种方式,也就是说，连接端用户的物理媒体由所有设备共享，如下图所示。使用这种结构必须解决的一个问题是确保端用户使用媒体发送数据时不能出现冲突。在点到点链路配置时,这是相当简单的。如果这条链路是半双工操作，只需使用很简单的机制便可保证两个端用户轮流工作。在一点到多点方式中,对线路的访问依靠控制端的探询来确定。然而，在LAN环境下,由于所有数据站都是平等的,不能采取上述机制。对此，研究了一种在总线共享型网络使用的媒体访问方法:带有碰撞检测的载波侦听多路访问,英文缩写成CSMA/CD。

新型拓扑结构 篇3

2008年2月24日,我国自行研发的首台7000m环轨移动模块钻机,在南堡油田顺利开钻。这标志着油田大规模、高效开发正式拉开帷幕。

南堡油田呈现“两大、两高、三好”的特点,即储量规模大、油层厚度大,单井产量高、储量丰度高,油层物性好、油品质量好、试采效果好。所有这些特点,为“建设人工岛、实施海油陆采”的先进技术提供了历史机遇。

电传动系统是一套钻机的“大脑”,其可靠性和先进性直接关系到整套钻机的整体性能,因此设计既可靠又先进的电传动系统就显得尤为重要。

本文介绍了我国首台7000 m环轨移动模块钻机电传动系统的特点,包括单线图、变频器的DRIVE-CLiQ拓扑结构、远程监控、自动送钻和一体化钻井仪表等。

2 电传动系统的单线图

系统组成如图1所示,4台CAT3512B柴油发电机组提供600V 50Hz电源,4台1500kW电源模块整流输出的直流电组成810V公共直流母线,6台1200kW电机模块接在公共直流母线上,分别驱动3台1200kW泥浆泵电机、2台800kW绞车电机和1台800kW转盘电机。还有一台400V 45kW变频器驱动自动送钻电机。

由于钻机用典型的绞车变频电机(基速:740rpm,最高转速:2300rpm)比直流电机(额定转速:970rpm)调速范围宽,此前生产的变频钻机大都为一档绞车。这样设计虽然机械结构简单,但受到变频电机最高转速的限制,绞车在轻载工况下的起升和下放速度依然比直流钻机要慢,直接影响了钻井效率。

为了弥补这个不足,模块钻机把绞车设计成了两档,一档为低速挡,最大钩载450Ton时,钩速可达0.3m/s;另一档为高速挡,最大钩速1.4m/s时,钩载可达52Ton。

3 变频器及其DRIVE-CLiQ拓扑结构

系统采用了先进的SINAMICS S120系列变频器,其主要由以下几部分组成。

控制模块(CU320):整个驱动系统的控制部分;

电源模块(直流母线电压不可控的SLM):将交流转变成直流;

电机模块(也称功率模块):作为电机的供电电源;

传感器模块:将编码器信号转换成DRIVE-CLiQ可识别的信号;

各驱动组件之间是通过高速通讯接口DRIVE-CLiQ来连接,因此控制模块CU320能自动识别各组件,能够实现组件间的快速数据交换,任一组件都可以很方便获取其它组件的数据,即:一台驱动器能够获取另一台驱动器的数据(如:速度的实际值等)。

系统使用了3台控制模块CU320,DRIVE-CLiQ拓扑结构如图2所示。4台电源模块由3台CU320分别控制,3台泥浆泵电机模块由3台CU320分别控制,2台绞车电机模块也由2台CU320分别控制,即:第1台CU320控制2台电源模块和2台电机模块(1号泵和绞车A),第2台CU320控制1台电源模块和2台电机模块(2号泵和绞车B),第3台CU320控制1台电源模块和2台电机模块(3号泵和转盘)。这样设计,任一台控制模块CU320出故障,不会造成整台钻机停机,大大提高了系统的可靠性、减小了停机率。

4 通讯网络和远程监控

PLC采用了S7-300系列。

通过现场总线PROIFIBUS-DP把PLC与现场设备(如发电、驱动、司钻操作等)连接起来。现场总线PROIFIBUS-DP组成的现场级工业网络,不仅简化了操作回路,而且进一步提高了系统的可靠性和智能监控范围。

通过Industrial Ethernet(工业以太网),把PLC与上位计算机连接起来。由于工业以太网的全开放特点,实现了工业控制网络和数据信息网络的完美无缝结合。上位计算机实时监控各个系统的运行状态并提供系统故障时的诊断报文,还显示和记录钻井参数。

通过Internet把上位计算机与互联网连接起来。SERVER作为服务器发布的钻井参数网页,通过Internet在全球任何地方的客户机CLIENTS都可以浏览钻井实时数据。

系统通讯网络如图3所示。

系统采用了电传动系统与钻井仪表系统集成的一体化方案,不仅去掉了许多重复的传感器(电传动系统和钻井仪表都需要的传感器只需保留一路)和多余的传感器(泵冲、转盘转速和扭矩电传动系统可计算得来,不需要传感器)、节约了成本,还使系统得以简化,提高了可靠性。

钻井仪表系统不仅可以自动判断钻井工况,还可实时采集诸如悬重、钻压、井深、井底上空、钻头位置、钻进速度、整米钻时、转盘转速、转盘扭矩、泵冲和累计泵冲、泵压、泥浆液位、泥浆总体积、泥浆体积变化、泥浆注入流量、泥浆返出流量、吊钳扭矩、吨·公里、大钩位置等其它衍生钻井参数,并利用计算机系统进行实时屏幕显示、曲线记录、打印等。如发现以上参数有异常变化则及时判断,分析原因,提供工程事故预报,以便钻井队超前及时采取相应措施,减少井下事故的发生,达到节约成本、提高钻井效益的目的。

5 自动送钻

南堡油田一号人工岛长704 m、宽416 m、高8.2 m,而设计的采油井控半径为4 km,控制的海底采油面积为64 km2。整个一号人工岛要钻井400多口。在人工岛上,为了尽可能控制大的海底采油面积,采用了丛式钻井技术,打定向斜井,并大量使用了螺杆钻具。

螺杆钻具是一种以钻井液为动力,把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具。马达的理论输出扭矩和马达的压降成正比,输出转速与输入泥浆流量成正比,随着负荷的增加钻具转速降低。所以只要控制地面上泵的压力和流量,就能控制井下钻具的扭矩和转速。

钻具悬空时,排量不变,则通过钻具的泥浆压力降也不变,随着钻头接触井底钻压增加时,泥浆循环压力增加,泵压也增加。有以下公式:打钻泵压=循环泵压+钻具负荷压降。

国内生产的自动送钻装置大多只有两种送钻模式,即恒钻压(WOB)模式和恒钻速(ROP)模式。当使用螺杆钻具时,送钻的依据既不是钻压也不是钻速,而是钻具负荷压降。此时无法使用自动送钻,司钻只能采取手动送钻。根据这种情况,模块钻机电传动系统在送钻模式中增加了恒钻具负荷压降(DifP)模式,即通过控制下放钻具的快慢保持钻具负荷压降(“打钻泵压”与“循环泵压”的差)为恒定值。用这种模式送钻,在减轻司钻劳动强度的同时,也大大提高了使用螺杆钻具时的钻井质量和速度。

6 结论

通过以上分析和现场使用情况表明,南堡油田模块钻机电传动系统的设计以可靠性为基础,采用了先进的SINAMICS S120驱动技术,应用了工业以太网、现场总线、DRIVE-CLiQ和Internet等现代通讯技术,使用了恒钻具负荷压降(DifP)送钻模式等钻井技术,在电传动系统中揉合了录井技术,从而提高了我国石油装备制造的技术水平。

摘要：从电动钻机的单线图入手,介绍了我国首台7000m人工岛环轨移动模块钻机电传动系统的特点,重点阐述了变频器的DRIVE-CLiQ拓扑结构、远程监控和自动送钻等。

新型拓扑结构 篇4

总线形网络:是将所有电脑连接在一条线上，使用同轴电缆连接，就像一条线上栓着的几只蚂蚱，只适合使用在电脑不多的局域网上，因为电缆中的一段出了问题，其他电脑也无法接通，会导致整个网络瘫痪，

系统中要使用BNC接口网卡、BNC-T型接头、终结器和同轴细缆。

新型拓扑结构 篇5

针对以上问题, 本文在四柱式可控电抗器的基础上进行改进, 提出了一种适用于中高压电网的新型故障限流器拓扑结构, 建立其简化电路模型, 最后用MATLAB/PSB的仿真对一个设计实例的限流效果进行了验证和分析。

1 饱和电抗器的工作原理

饱和电抗器 (Saturated Reactor) 基于软磁材料磁化曲线的非线性饱和特性而工作。组成饱和电抗器的基本单元是设置两个绕组的铁心, 一个通以直流控制电流, 称为直流控制绕组, 另一个接交流电源及负载, 称为工作绕组。

图1为一单相磁饱和式可控电抗器的结构原理图。电抗器为四柱铁心结构, 其中两个主铁心柱1、2对应的柱高 (高度为l) 和截面积 (截面积为S) 相等;两个旁轭3、4对应的柱高和截面积也相等。根据设计要求主铁心柱截面积小于旁轭截面积。两个主铁心柱上, 各绕上下两组交流绕组, 每组绕组的匝数为N=N1+N2, 在N1和N2之间设抽头, 抽头比为δ=N1/N, 上下两组交流绕组抽头之间分别接一个晶闸管T1和T2。没有另设单独的直流绕组。两个主铁心柱上不同铁心的上下两个绕组交叉顺接, 续流二极管D跨接在两个交叉点上。

电抗器工作状态:

(1) 状态1:α=π, T1, T2, D都关断。

(2) 状态2:0≤ωt<α或π≤ωt<π+α, D导通, T1, T2都关断。

(3) 状态3:α≤ωt<π, T1导通, T2, D都关断。

(4) 状态4:π+α≤ωt<2π, T2导通, T1, D都关断。

当 (0≤α<π) 时, 可控电抗器处于工作状态, 如图2所示, 电抗器将按照状态2-状态3-状态2-状态4的次序轮流转换工作状态, 铁心柱1、2在一个周期内增磁-去磁交替变化, 从而引起电抗器电感和容量的变化。

由于晶闸管T1和T2及二极管的单向导通特性, 绕组中将产生方向不变的环流id其大小受控于晶闸管触发角的大小, 那么通过调节的大小就可以达到连续调节电抗器电容量的目的。

根据文献[9], 有如下的等式关系:

其中,

发角

分别为可控电抗器的工作电流及其直流控制电流;gu, ku, 分别为可控电抗器的工作电压及其等效控制电压。

本文在磁饱和式可控电抗器的基础上进行改进, 图3为改进后饱和电抗器的结构图。改进之处在: (1) 磁饱和可控电抗器每个主铁心柱上的晶闸管替换为二极管。 (2) 在不同铁心的上下两个绕组交叉处不再加装的二极管。

2 故障限流器的工作原理

基于改进后的饱和电抗器的工作原理, 提出一种新型故障限流器的拓扑结构及简化电路模型, 如图4所示。

正常运行时, 当额定交流电流通过交流线圈时, 由于主铁心处于深度饱和, 此时交流线圈处于低感抗状态, 限流器不影响系统的稳态运行。

当电力系统出现短路故障时, 在交流电流的正半周, 使主铁心2退出饱和, 起到限制短路电流的作用;在交流电流的负半周, 主铁心1退出饱和, 限制短路电流的增加。

故障限流器的铁芯磁化过程可用图5的χ-i曲线描述。图中曲线1为主铁心1在方向相反的直流磁势作用下的交流线圈的χ-i曲线, 曲线2为主铁心2在方向相同的直流磁势作用下的交流线圈的χ-i曲线, 曲线3为限流器系统的χ-i曲线, 它是曲线1和曲线2的叠加。

图中表示磁链, i表示电流, Idc表示直流偏置电流。s为铁芯的饱和磁链, 曲线3可分三段来分析。

(1) χ-i曲线的I段。

该段曲线表示限流器处于额定工作状态。在此段处, 交流工作电流较小而直流偏置电流较大, 限流器的两个主铁芯都处于饱和状态, 限流器工作在曲线的I段, 具有较小的电感L1。

此时L1的大小为:

其中:Nac线圈的匝数;0µ为真空磁导率;µac铁心动态相对磁导率, 此时µac=1Sac主铁心截面积;l为铁心磁路的等效长度。

在该段曲线区间内, 在电源的一个周期内, 二极管D1、D2轮流导通起到了全波整流的作用, 限流器绕组中流过两部分电流, 即交流工作电流和直流偏置电流, 直流控制电流所产生的直流控制磁通在两主铁心内闭合。主铁心1、2处于深度饱和状态又由于旁轭3、4截面积大于主铁心截面积此时旁轭处于不饱和状态。

(2) χ-i曲线的II段。

该段为故障限制状态。故障状态时, 由于交流电流迅速增大, 组成限流器的两个主铁芯其中之一由于直流偏置电流产生的磁链无法抵消交流电流产生的磁链而退出饱和状态, 而另一个主铁芯由于直流磁链和交流磁链相互叠加仍然处于深度饱和状态, 限流器进入曲线的II段, 具有较大的电感L2, 从而起到限流的作用。从图中可以看出此段曲线1的夹角为α, 曲线2的夹角为β, 经过叠加后曲线3的夹角变为α+β。

此时µac>>1。

(3) χ-i曲线的III段。

随着故障电流的继续增大, 限流器两个主铁芯的其中之一, 由于直流偏置电流产生的磁链无法抵消交流电流产生的磁链, 而且过大的交流磁链使铁芯进入反向饱和状态, 而另一铁芯由于直流磁链和交流磁链叠加仍然处于饱和状态, 限流器进入曲线的III段。从图中可以看出, 在此段曲线1和曲线2的夹角均为α, 经过叠加后曲线3的夹角变为2α, 限流器具有较小的电感, 此时系统电流极大, 两铁芯处于深度饱和状态故障限流器会失去限制电流的能力。按设计要求, 在发生短路故障时, 限流器有效地限制短路电流的增加, 故障限流器不会工作在曲线的III段。

3 仿真结果及分析

基于磁饱和可控电抗器的故障限流器的限流原理, 利用Matlab/PSB对其建模和仿真分析。

变压器模型是构成限流器仿真模型的核心模型。PSB提供了饱和变压器模型。在仿真计算中, 磁化特性是通过查表实现的。值得指出的是, 尽管在推导电抗器数学模型时, 忽略了铁心损耗和绕组漏磁通, 但当使用PSB提供的变压器模型仿真时, 可以通过相应的参数设置计及它们的影响。等效磁化特性设为理想小斜率磁化曲线, 其函数表达式为:

Bs为铁心等效饱和磁通密度;

µ0为空气磁导率。

短路故障发生在不同时刻, 引起的短路电流就会有不同的特性, 因此先对电路不同时刻发生短路故障的短路电流进行仿真。选择分别在α=0°和α=90°时刻发生短路故障进行短路电流仿真, 如图6和图7所示。

从仿真图中可以看出, 零值故障的危害最大, 短路电流水平远高于峰值故障的情况。动态仿真以零值故障为例。

3.1 正常运行时的仿真

负载为纯阻性, 电阻RL=17Ω, 通过提高抽头比, 逐渐增大偏置电流, 同时测量电源和限流器两端的电压, 以计算正常运行时偏置电流对限流器电压损耗的影响。图8为仿真模拟图。

图9为, 偏置电流32A, 正常运行时电源和限流器两端的电压波形图。

从图9中可以看出, 限流器上只有很小的压降, 线路电压损失很小。限流器两端的电压波形没有发生畸变, 限流器对系统正常运行几乎无影响, 可以极大的提高系统的供电质量。

3.2 故障运行时的仿真

为了对比限流器的限流效果, 进行了不加限流器直接短路的试验, 图6为其短路电流波形。图10为加故障限流器下短路电流波形比较使用和未使用限流器的短路试验结果可以看出, 使用限流器可以有效减小故障后稳态时的短路电流值;且使用限流器后, 短路冲击电流由2550A降为140A, 因此限流器还可以有效减小冲击电流值。

经过对系统正常运行、不同短路角的故障电流的仿真分析, 可知: (l) 加入限流器后, 无论是零故障还是峰值故障, 限流器都能有效的限制短路电流。在额定状态下, 限流器两端电压的正负半周的波形应该是对称的, 否则说明铁芯的饱和程度还不够, 存在非线性, 应该通过提高抽头比加大直流偏置电流。 (2) 当故障电流达到某一固定值时, 限流器能迅速反应, 将电流限制在一定值以内, 对故障电流的第一个峰值也有很好的限制作用, 短路冲击电流越大, 限流的速度越快, 可以将大的短路电流冲击值在较短的时间内限制下来, 且可以在较短的时间内使线路电流达到稳态值。

4 结语

(1) 四柱铁心型电抗器的数学模型可以看作具有三段式分段线性化的电感性元件模型。在数字仿真中可以用2个一定方式连接的变压器模型作为限流器的物理模型。

(2) 新型故障限流器与同电压等级的饱和电抗器。型故障限流器相比, 有效地降低了短路冲击电流, 限制短路电流。由于没有设置独立的直流励磁绕组, 从而降低了设备的体积、重量及造价。因设计简单、成本较低廉的特点, 在电力系统中有着广阔的应用前景, 但是要做到真正应用还必须进行深入细致的研究。

摘要：概述了各种类型高温超导故障限流器 (HTSCFCL) 的优缺点。通过对四柱式可控电抗器的改进, 提出了一种新型故障限流器的拓扑结构。在正常运行时, 故障限流器电压损耗很小, 不影响系统运行;在发生短路故障时, 故障限流器自动实现工作状态的转变, 产生很大的限流阻抗, 从而达到限流的目的。并用MATLAB/PSB对其限制电流的效果进行了验证和分析, 结果证明该拓扑结构的正确性, 新型故障限流器能够有效地限制短路电流。

关键词：故障限流器,磁饱和式可控电抗器,短路电流

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新型拓扑结构 篇6

电压跌落与电压突升会带来严重的经济损失和资源浪费,是电能质量的常见问题。为了改善电能质量,确保用电设备的正常运行,对动态电压恢复器进行了大量的研究[1,2]。

通过改变有载电力调压器线圈匝数比调节负载电压[3],需要使用大量的晶闸管投切以改变电力调压器变比,动态响应速度受到限制。基于逆变器结构的动态电压恢复器[4,5],补偿效果较好,但需使用大容量电容、电感或电池等储能元件,体积大,成本高。

交流斩波变换器具有拓扑简单、不需使用大容量储能元件、体积小、高功率因数等特点,被应用于自动电压调节器、软启动器和电机速度调节器等领域[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]。针对配电网中敏感负荷的电压稳定问题提出了一种新颖的动态电压恢复器拓扑。该拓扑由PWM交流斩波变换器、隔离变压器和切换开关组成。交流斩波变换器产生幅度可调的补偿电压,通过切换开关改变补偿电压极性,对电压突升和电压跌落进行补偿。目前斩波变换器控制方案主要通过电压峰值或有效值反馈控制调节输出电压,响应速度较慢[9,10]。为了改善动态性能,设计了采用瞬时电压的前馈反馈控制策略,具有响应速度快、补偿精度高的优点。针对所提出的拓扑,设计了功能样机,该样机利用数字信号处理器(TMS320F2812)执行控制算法,针对不同工况调节补偿电压。最后,通过实验结果验证了系统性能。

1 电路拓扑和换流策略

交流电压调节能够通过晶闸管相位控制和PWM斩波控制2种方案实现,其拓扑如图1所示。与相控调压相比较,交流斩波调压产生的谐波电流较少,负载电压畸变程度低,对电网干扰较小。但是这2种方案都仅能调节输出电压低于输入电压。

本文提出了一种新颖的动态电压恢复器拓扑,采用四开关交流斩波电压变换器产生幅度可调的补偿电压,通过固态继电器开关组、隔离变压器与负载相连,如图2所示。当电网电压发生波动时,通过调节补偿电压大小、改变补偿电压极性等控制策略,保持负载电压稳定。图2中,SW1~SW4为固态继电器,通过控制其工作状态改变补偿电压极性。电网电压正常时,交流斩波变换器停止工作,补偿电压为零。当出现电压波动时,通过控制交流斩波变换器和固态继电器组的工作状态,调节隔离变压器二次侧电压ucsec,使负载电压uL保持稳定。

1.1 交流斩波电压变换器

交流斩波电压变换器是一种AC/AC直接变换器,能够调节交流电压幅值,不需要使用大容量电容、电感等储能元件,体积小,成本低。单相电压变换时,所使用开关器件数量是矩阵式变换器的1/2。图2中斩波变换器由输入滤波、开关电路和输出滤波三部分组成。电感Li和电容Ci组成输入滤波器吸收谐波电流。开关器件VT1~VT4为IGBT,当出现反向电压时,其内部寄生二极管提供续流回路。电感L和电容Co构成输出滤波器。

交流斩波变换PWM控制信号如图3所示。其中Sg1~Sg4分别为VT1~VT4的门极驱动信号。

降压型交流斩波变换器开关控制方案,可分为两开关、三开关和四开关等,不同设计方案的主要目标均是实现安全、可靠换流。综合考虑各种换流策略,采用电网电压极性控制的四开关换流方案。这种方案解决了死区时间内开关管电压尖峰问题,理论上不需要使用缓冲电路。图2中VT1和VT2为主控管,通过其周期性的导通与关断调节补偿电压;VT3和VT4为续流管,当主控管关断时,提供续流回路。当电网电压处于正半周时,VT1和VT3工作在互补PWM模式,VT2和VT4处于导通状态;当电网电压处于负半周时,VT2和VT4工作在互补PWM模式,VT1和VT3处于导通状态。该变换器的工作模式可划分为:有源模式、死区模式和续流模式,具体换流过程分析可参考文献[11]。电网电压us和补偿电压uc的关系为

其中,D为开关信号的占空比。

1.2 电网电压突升、跌落补偿

当电网电压出现突升、跌落故障时,通过改变固态继电器SW1~SW4的开关状态能够控制补偿电压极性,实现双向电压补偿。根据图2,当SW1和SW3处于导通状态、SW2和SW4处于关断状态时,系统工作在电压跌落补偿模式。变压器二次侧电压ucsec与电网电压us极性相同,负载电压为电网电压和二次侧电压之和。

根据图4(a),负载电压表达式为

另一方面,当SW2和SW4处于导通状态、SW1和SW3处于关断状态时,系统工作在电压突升补偿模式。二次侧电压与电网电压极性相反,负载电压为电网电压与二次侧电压的差值。

根据图4(b),负载电压表达式为

在不同补偿模式下,交流斩波变换器和SSR的控制信号如表1所示,其中,“1”和“0”分别代表导通、关断信号。

2 系统分析与计算

当电网电压发生波动时,通过调节动态电压恢复器输出电压,控制负载电压稳定。定义电网电压:

其中,ω、Usm分别为电网电压角频率、幅值。理论上,图2中变换器输出斩波电压ucp为

ucp=DUsmsinωt+∞k=鄱1Usmkπsin(k Dπ)sin(kωs±ω)t(5)

其中,ωs为高频PWM控制信号角频率。式(5)中第1项为基波分量,第2项为谐波分量,由于开关频率较高,谐波成分被输出滤波器吸收。因此,经滤波后的补偿电压为

根据式(6),补偿电压与PWM信号占空比成正比关系。因此,通过改变占空比能调节补偿电压uc。

令uref为电网电压参考值,正常情况下,电网电压us与负载电压uL均为uref。当发生电压跌落时,电网电压可表示为

其中,p为实际电网电压的标幺值。根据表1,通过切换SSR,二次侧电压ucsec与电网电压极性相同:

其中,N1、N2分别为变压器原边匝数和副边匝数。因此负载电压可写为

为保持负载电压稳定,应满足:

补偿电压可表示为

假设电网电压最大跌落至0.7 uref,根据式(11),为了提供相应的补偿电压,隔离变压器变比应为1∶1。

当发生电压突升时,电网电压高于额定值,系统工作在电压突升补偿模式。根据式(11),如果隔离变压器变比为1∶1,当电网电压最大突升至1.3uref情况下,系统能够提供相应的补偿电压保持负载电压稳定。

3 电压恢复控制策略

对于电压稳定性要求较高的敏感负载,电网电压在几个工频周期内的波动都有可能会造成故障甚至设备损坏。因此,必须设计有效的控制方案,控制负载电压快速稳定。为提高系统的动态性能,设计了前馈反馈控制方案。数字信号处理器的计算能力能够满足实时控制的要求,所设计控制方案采用交流瞬时电压为输入信号。控制系统结构见图5。

前馈控制部分采用电网电压作为前馈信号,保证系统快速响应特性。反馈控制部分采用负载电压作为反馈信号,通过瞬时电压比例积分(PI)控制消除稳态误差。

令参考电压为

其中,Urefp为参考峰值电压。当us=uref时,输出补偿电压为零。电网电压发生波动时,将根据以下策略计算PWM占空比控制量。

根据式(6),补偿电压uc正比于占空比D,因此前馈控制可设计为

其中,Df为前馈控制部分的输出量。

反馈控制部分设计目标是消除稳态误差,提高控制精度。图5中负载电压uL与参考电压uref的偏差量Δu,经过PI控制环节后得到反馈控制部分输出量Dfk:

其中,kp、ki分别为比例、积分系数,m(t)代表负载电压误差量Δu的积分。通过对积分控制能够减小输出电压的稳态误差。经过限幅环节后,得:

当电网电压正常时,SW1、SW4关断,SW2、SW3导通,系统输出补偿电压uc为零,动态电压恢复器停止工作,电源直接为负载供电。

4 实验样机设计

在分析电路拓扑与工作模式基础上,设计了以数字信号处理器(DSP)为核心的实验样机,结构如图6所示。

该样机由6个部分组成:主电路模块实现交流电压的斩波变换与补偿极性控制;电压传感与信号调理模块,采用电压传感器和信号调理电路,实现电压的信号采集和滤波处理,DSP作为控制系统的核心,采用TMS320F2812处理器,调理后的电压信号经过DSP内部A/D转换为数字量,通过执行前馈反馈控制算法,得到占空比控制信号D(t);驱动电路模块将DSP输出的PWM信号转换成为主电路开关管的驱动信号;保护模块在过压、过流和过热情况下,封锁PWM信号,并提示错误类型;人机接口模块包括按键和LED指示,实现数据交互和工况指示;辅助电源模块为DSP、驱动电路以及信号采集电路提供直流电源。

5 实验结果

为验证所提出动态电压恢复器对电网电压波动的补偿效果,进行了样机实验,系统参数见表2。

根据交流斩波变换器所采用的输入电压极性控制换流方案,开关管的门极驱动信号如图7所示。当占空比D=0.5时,电网电压us与输出补偿电压uc见图8(a)、(b),实验结果表明补偿电压为正弦波形。电源电压经过斩波变换后,输出正弦包络的斩波电压ucp见图8(c)、(d)。实验结果表明,通过使用输入电压极性控制换流策略,开关管两端的电压尖峰较小,能够实现安全换流。

当电网电压us跌落至0.7uref时,电网电压us与负载电压uL波形见图9(a)、(b);电网电压us突升至1.3uref情况下,实验结果见图9(c)、(d)。样机实验结果表明,所提出动态电压恢复器拓扑采用前馈反馈控制方案,能够有效抑制输入电压波动,一个工频周期内能够控制负载电压稳定,动态响应速度快。在电压恢复过程中没有出现电压尖峰,负载电压基本上没有受到电网电压波动的影响。实验结果验证了所提出方案的有效性。

6 结论

日光温室结构拓扑优化设计 篇7

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。

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数据中心网络拓扑结构研究 篇8

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。

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计算机网络拓扑结构分析 篇9

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。

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