拓扑结构变更（共7篇）
拓扑结构变更 篇1
0引言
为解决继电保护离线整定的弊端,在线整定成为当前研究热点[1]。电网的运行方式变化频繁,对在线整定计算速度提出了非常高的要求。最小断点集(minimum break point set,MBPS)的求取是大规模复杂环网整定计算的重要步骤[2,3,4],其计算时间在整定全过程计算时间中所占的比例较大[5]。因此,提高最小断点集的求取速度成为了在线整定中亟待解决的问题。
最小断点集取决于电网的拓扑结构。在线整定随电网运行方式的变化而启动,连续2次整定计算之间电网的拓扑结构仅发生了局部变更,只需在拓扑变更前的最小断点集中增减少数断点即可。这种根据拓扑变更方式更新最小断点集的方法可大幅度提高其求取速度[6,7,8]。电网拓扑结构变更源于电气设备(发电机、变压器和线路)投退状态变化或厂站内母联开关变位。一般情况下,在线整定的范围为同电压等级的线路保护,最小断点集只与该电压等级的拓扑结构相关,即最小断点集的更新需考虑线路投退和母联开关开合的情况。但现有文献仅考虑了线路投退的情况,而且在线路退出的情况下,文献[6,7,8]均不能保证更新后的断点集为最小(或极小)断点集。
针对以上不足,文中提出了一种最小断点集更新方法。该方法适用于线路投退和母联开关开合的情况,而且能保证任意拓扑结构变更后更新得到的断点集均为最小(或极小)断点集。同时,计算效率稳定且计算速度快。以某省级电网500 kV线路网络为算例,结果表明了所述方法的正确性和有效性。
1拓扑结构变更后简单回路变化的特性
最小断点集包含的断点个数取决于全网简单回路的数量。电网拓扑结构变更后,简单回路的数量也会相应变化。本节将分析并归纳线路投退和母联开关开合后简单回路变化的特性,以推导拓扑结构变更后断点的演化规律。
1.1线路投入后简单回路变化的特性
线路投入后,简单回路的数量会增加,但不会改变电网原有的简单回路。每个新增的简单回路必包含投入线路上的一个保护。
线路投入的情况如图1所示。图中:l1表示投入的线路;Sinc-l={B1,B2}表示新增的保护集合。Vp和Vq之间可能存在多条路径,任取其中一条路径并以等效线路leq表示。l1投入后,B1与Beq2,B2与Beq1均可构成新增的简单回路。故线路投入后,每个新增的简单回路必包含Sinc-l中的一个保护,但不改变电网原有的简单回路。
1.2线路退出后简单回路变化的特性
线路退出后,简单回路的数量会减少,但不会改变其他的简单回路。每个减少的简单回路必包含退出线路上的一个保护。
线路退出的情况如图2所示。图中:l2表示退出的线路;Sdec-l={B3,B4}表示减少的保护集合。l2退出后,B3与Beq2,B4与Beq1构成的简单回路均被断开。故线路退出后,每个减少的简单回路必包含Sdec-l中的一个保护,但不改变其他的简单回路。
1.3母联开关断开后简单回路变化的特性
母联开关断开后,既会新增简单回路,也会减少部分原有的简单回路。每个增加的简单回路或每个减少的简单回路必包含位于断开母联开关所在母线侧的一个线路保护。
母联开关断开对应节点分裂。如图3所示,Vk为发生分裂的节点,其分裂形成的节点为Vp和Vq。Sline1={lpi|i=1,2,…,m},Sline2={lqi|i=1,2,…,n},Sline3=Sline1∪Sline2分别表示直接连接于Vp,Vq和Vk的线路集合;Sbreak={Bki|i=1,2,…,m+n},表示Sline3中的线路位于母线Vk侧的保护构成的集合。若将Sbreak看做新增的保护集合,则以Sinc-b表示;若将Sbreak看做减少的保护集合,则以Sdec-b表示。
节点分裂后,简单回路的增减过程如图4所示。图中:lpi和lpj为Sline1中任意2条线路;lqi和lqj为Sline2中任意2条线路。lpj与lqj之间可能存在多条路径,任取其中一条路径并简化为一条等效线路leq1。同理,leq2表示lpi和lqi之间的一条等效线路。
在Vk分裂前,lpj,lqj,leq1和lpi,lqi,leq2均构成回路,其上的保护可形成简单回路Lloop1和Lloop2,如图4中②和⑤所示。当Vk分裂为Vp和Vq后,Lloop1和Lloop2均断开为2条简单路径Ppath1和Ppath2,如图4中④所示。进一步地,根据新增的配合关系,可将Ppath1和Ppath2组合为新增的简单回路Lloop0,如图4中③所示。
由以上分析可知,母联开关断开后既新增了简单回路,也减少了部分简单回路。由于leq1和leq2均代表任意路径,节点分裂后每个新增的简单回路必包含Sinc-b中的2个保护,而每个减少的简单回路必包含Sdec-b中的1个保护。
1.4母联开关闭合后简单回路变化的特性
母联开关闭合对应节点融合。以Sinc-c和Sdec-c分别表示节点融合后新增保护集合和减少保护集合,且Sinc-c=Sdec-c=Sbreak。
母联开关闭合后,既会新增简单回路,也会减少部分原有的简单回路。每个减少的简单回路必包含Sdec-c中的2个保护,而每个增加的简单回路必包含Sinc-c中的1个保护。
具体分析过程与1.3节类似,不再累述。
2拓扑结构变更后断点的演化规律
断点的演化规律即拓扑结构变更后最小断点集中添加新增断点及删除冗余断点的规律。本节根据简单回路变化的特性,提出了新增断点和冗余断点的辨识方法,该方法对于任意拓扑结构变更具有普遍适用性。然后,将断点的演化规律转换为保护关联矩阵的相关计算,保证了最小断点集更新的快速性。
2.1新增断点的辨识方法
新增断点存在的根本原因为新增了不能被拓扑结构变更前最小断点集断开的简单回路。由于每个新增的简单回路均至少包含Sinc-x (x取l,b,c)中的一个保护,若将Sinc-x中的所有保护均作为新增断点,则可断开所有新增的简单回路。
为使得新增断点个数最少,对于Sinc-x中的任一保护Br,若Br为必须添加的新增断点,则满足式(1)。
式中:Sloop-Bk和Sloop-allnew分别为拓扑结构变更后包含断点Bk的所有简单回路集合和全网的简单回路集合;m1和m2分别为拓扑结构变更前的最小断点集SMBPSold和Sinc-x包含的保护数。
式(1)中,当1≤k≤m1时,Bk∈SMBPSold;当m1<k≤m1+m2时,Bk∈Sinc-x;m1<r≤m1+m2。
对于Sinc-x,x取l,b,c分别代表线路投入和母联开关开合的情况。又因线路退出不存在新增断点,故新增断点的辨识公式适用于任意拓扑结构变更的情况。
2.2冗余断点的辨识方法
冗余断点存在的根本原因为新增了断点或减少了简单回路,导致某断点能够断开的简单回路也可被其余断点断开。将必须添加的新增断点集合记为SBPinc,其包含的保护数为m3。对于SMBPSold中的任一断点Bx′,若式(2)成立,则Bx′为冗余断点。
式(2)中,当1≤k≤m1时,Bk∈SMBPSold;当m1<k≤m1+m3时,Bk∈SBPinc。由式(2)可知,冗余断点的辨识公式也适用于任意拓扑结构变更的情况。
2.3断点演化规律与保护关联矩阵的映射关系
利用简单回路辨识新增断点和冗余断点,需搜索拓扑结构变更后包含Sinc-x和SMBPSold中每个保护的所有简单回路集合。此过程计算量大,计算速度慢。
由式(1)和式(2)可知,新增断点和冗余断点辨识的本质为判断一组保护集合是否为断点集。对于任意断点集S1,S1能够断开所有的简单回路等价于S1能够断开保护关联矩阵中的所有保护依赖关系。据此,可将断点的演化规律转换为保护关联矩阵的相关计算,实现该转换的关键是从整定计算的角度分析如何辨识新增断点和冗余断点。
从整定计算的角度,式(1)的含义为:以SMBPSold为整定起点并开始整定,当完成整定计算后仍存在部分不能被整定的保护集合Sfail,且SBPinc等于Sinc-x和Sfail的交集。再以SBPinc中的保护和已完成整定的全部保护为整定起点并开始整定,可完成Sfail中全部保护的整定,即完成了全网保护的整定。
求取SBPinc和SMBPSold的并集,得到拓扑结构变更后断点集SBPSnew。从整定计算的角度,式(2)的含义为:将冗余断点Bx′从SBPSnew中删除后,以SBPSnew中的其余断点作为整定起点并开始整定,也可完成全网保护的整定计算,即Sfail=∅。
根据以上分析,新增断点和冗余断点的辨识过程可转换为Sfail的求取过程,即利用相关顺序矩阵的求取方法[4]逐步删除保护关联矩阵中保护的依赖关系。由于保护关联矩阵形成简单且矩阵规模较小,保证了最小断点集更新的快速性。
3最小断点集的更新方法
拓扑结构变更后,最小断点集更新的关键是求取Sfail。以Sall表示拓扑结构变更后全网的保护集合;以Sstart表示整定起点保护集合;以Ssucc表示能够被整定的保护集合;保护关联矩阵的维数为n′。Sfail的求取步骤如下。
步骤1:根据拓扑结构变更方式更新保护关联矩阵R。以Sstart初始化Ssucc,删除R中Sstart包含的所有保护对应的行和列,转步骤2。
步骤2:取R的第i行,依次判断每个元素rij,直到rij=1或j=n′时停止。遍历R的所有行后,若存在全零行,则将所有全零行对应的保护添加到Ssucc,再删除这些保护对应的行和列,转步骤3;否则,转步骤4。
步骤3:若R中不是所有的行和列都被删除,转步骤2;否则,Sfail=∅,退出程序。
步骤4:计算Sall-Ssucc,得到不能被整定的保护集合Sfail,退出程序。
从整定计算起点的角度,最小断点集包含的断点可分为终端断点和非终端断点。拓扑结构变更后终端断点的变化源于新增或减少了终端线路,而非源于简单回路发生了变化。终端断点的更新通过简单的拓扑辨识即可完成,本文主要推导了非终端断点的演化规律。计及终端断点更新的情况,任意拓扑结构变更后最小断点集更新的基本思路如下。
首先,搜索全网的辐射线路并更新SMBPSold中的终端断点;然后,更新保护关联矩阵并计算得到拓扑结构变更后的断点集SBPSnew=SMBPSold∪SBPinc;最后,对SBPSnew中的每个非终端断点均进行冗余性辨识,将SBPSnew中的所有冗余断点删除,得到拓扑结构变更后的最小断点集。由此可知,该方法对SBPSnew中所有非终端断点均进行了冗余性校验,确保了更新后的断点集为最小(或极小)断点集。
任意拓扑结构变更后最小断点集更新的计算量大致相同,其主要包括全网辐射线路的辨识和Sfail的求取2个部分。记拓扑结构变更后全网辐射线路数和辐射节点数分别为e0和n0;删除辐射线路后环网的线路数、节点数及保护数分别为e1,n1,n2;SBPSnew包含的非终端断点数目为n3;整定计算起点的保护数目为b。拓扑结构变更后Sfail需重复计算n3+1次。在每次计算过程中,3.1节的步骤2平均运行了p次(即相关顺序表的层数),而且第k′次运行时,R减少的维数为pk′。据此,本文方法的时间复杂度计算公式为:
对于n3+1次计算均取Sfail=∅时所需的计算量且假设3.1节中步骤2的p次计算过程中R是均匀降维的,即pi=(n2-b)/p,i=1,2,…,p。由图论知识易知,平均度数
大型复杂环网,可近似取
对于省级调度中心,在线整定的范围主要是其管辖范围内同电压等级的线路保护,n1的数量级大约为102,p数量级大约为101,故f的数量级为107。又因为普通计算机主频的单位为GHz,故本文方法应用于省级电网时,计算时间的数量级约为10 ms,计算速度较快。同时由式(4)可知,本文方法的计算效率稳定且不依赖于电网拓扑结构。
4算例分析
以某省级电网500 kV线路网络为算例系统,如图5所示。该系统共有36个节点和63条线路,各条线路上安装保护的编号信息参见附录A表A1。
4.1全网最小断点集的求取
利用现有最小断点集求取方法[11],求取全网最小断点集。其中一组结果为:{113,44,45,48,49,123,101,119,126,111,118,116,52,54,75,77,79,81,71,73,87,89,103,105,108,110,55,57,94,96,98,100,60,62,64,66,68,70,83,85,41,29,35,34,26,28,31,19,40,18,16}。该最小断点集包含终端断点和非终端断点,总数为51。
4.2线路投入后最小断点集的更新
投入线路记为lij,i端和j端的保护编号分别为127和128。投入线路考虑6种情况,如表1所示。
注:—表示不存在,下同。
线路1-12和线路23-24投入既无新增断点,也无冗余断点;线路7-30投入需要增加1个断点,无冗余断点。
线路36-19投入后,l57和l61变为非终端线路,其上的终端断点123和101作为冗余断点,从最小断点集中直接删除。在删除辐射线路的环网中,需新增一个断点,无冗余断点。
线路4-6和线路6-8投入后,均需新增2个断点,即127和128。此情况下,投入线路后只可能新增2个不能被原有断点断开的简单回路,而且这2个简单回路对应同一个由线路构成的回路。在该线路回路中,可任取2个不存在配合关系的保护作为断点。为取得最小(或极小)断点集,通常情况下取位于该线路回路同一节点处的2个保护作为断点[12]。故线路4-6投入后取127和7作为新增断点,无冗余断点;线路6-8投入后取128和14作为新增断点,存在冗余断点16。
4.3线路退出后最小断点集的更新
线路退出考虑4种情况,如表2所示。
线路57退出后,其上的终端断点作为冗余断点直接删除。此时线路56变为终端线路,增加新增终端断点121。
线路16退出后,其上的断点40作为冗余断点直接删除;线路4退出后既无新增断点,也无冗余断点。
线路28退出后,其上的断点68作为冗余断点直接删除。经计算,断点70为冗余断点,直接删除。若按照文献[6,7,8]的方法计算,线路28退出后仅从原最小断点集中删除了断点68,而无法辨识断点70为冗余断点,即求取的断点集不是最小断点集。
4.4母联开关断开后最小断点集的更新
在母联开关断开形成的2个节点中,其中一个节点的编号为原节点号,另一个为全网最大节点编号加1。考虑3种情况,如表3所示。
节点5分裂后线路5变为终端线路,新增终端断点10,无冗余断点;节点6分裂后线路既无新增断点,也无冗余断点;节点13分裂后无新增断点,存在一个冗余断点110。
4.5母联开关闭合后最小断点集的更新
母联开关闭合考虑3种情况,如表4所示。节点4和节点6融合需新增2个断点,无冗余断点;节点6和节点21融合既无新增断点,也无冗余断点;节点6和节点24融合需新增2个断点,也存在2个冗余断点68和70。
对于以上线路投退和母联开关开合的各种情况,再利用计及空间分布特性的最小断点集优化求取方法求取全网最小断点集[11],具体结果如附录A表A2至表A5所示。由此可知,本文方法和二进制粒子群优化算法求取结果包含的断点数目完全一致,验证了本文方法的正确性和有效性。
各种拓扑结构变更对应的最小断点集平均更新计算时间,如表5所示。
由表5可知,在线路投退和母联开关开合的情况下,最小断点集更新的平均计算时间均不到10 ms。
综上可得,本文方法适用于线路投退和母联开关开合的情况。而且,在任意拓扑结构变更的情况下,均可保证更新后的断点集为最小(或极小)断点集,计算速度也较快。
5结语
文中提出了一种适用于任意拓扑结构变更的最小断点集更新方法。该方法从简单回路的角度推导了断点的演化规律,总结得到最小断点集更新过程的本质为判断一组保护集合是否为断点集的过程。据此,将断点的演化规律转换为利用相关顺序矩阵的求取方法,逐步删除保护关联矩阵中的保护依赖关系的计算,从而实现了最小断点集的快速更新且计算效率稳定。同时,该方法能够保证更新得到的断点集为最小(或极小)断点集。算例表明了所述方法的正确性和有效性。
附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。
摘要：电网拓扑结构变更后快速更新最小断点集是提高在线整定计算速度的关键方法之一。文中提出了一种适用于任意拓扑结构变更的最小断点集更新方法。该方法根据线路投退和母联开关开合后简单回路变化的特性,推导了断点的演化规律,并将此规律映射为保护关联矩阵的相关计算,从而实现了最小断点集的快速更新。同时,在任意拓扑结构变更的情况下,该方法均能保证更新后的断点集为最小(或极小)断点集。以某省级电网500kV线路网络为算例,结果表明了所述方法的正确性和有效性。
关键词：在线整定,最小断点集,拓扑结构变更,简单回路,保护关联矩阵
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日光温室结构拓扑优化设计 篇2
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
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多功能结构拓扑优化设计 篇3
我们知道在多功能结构初步建模工作中,模型是建立在已有电路图基础上的,在这个过程中仅仅是根据电路图中元器件的分布进行结构设计封装的,也就是说结构的材料分布是否最优,模型的各阶模态是否还有进一步提升的空间,这些都是初步模型设计时没有考虑进去的内容,需要在建模后不断地完善。而在传统的设计方法中,凭借经验是很难完成这一工作的。我们将通过对多功能结构进行拓扑优化设计,使其在材料分布比较合理的基础上进一步提高模态。使得模型的动力学特性进一步的提升。
1 拓扑优化设计概述
结构优化设计是20世纪60年代初发展起来的一门新兴学科,它将数学中最优化理论与工程设计相结合,使人们在解决工程设计问题的时候,可以从无数设计方案中找到最优或者是尽可能完善的设计方案,从而大大提高了工程设计效率和设计品质。
目前结构拓扑优化主要研究的对象是连续体结构。优化是依据一定的基本方法将设计区域划分为有限单元,依据一定的算法删除部分区域,形成带孔的连续体,实现连续体的拓扑优化。连续体结构拓扑优化方法目前比较成熟的有均匀化方法、变密度方法和渐进结构优化方法,其中渐进结构优化方法(ESO)是近年来兴起的一种解决各类结构优化问题的数值方法。ESO的基本概念很简单,即通过将无效的或低效的材料逐步去掉,剩下的结构也将趋于优化。在优化迭代中该方法采用固定的有限元网格,对存在的材料单元,其材料数编号为非零的数,而对不存在的材料单元,其材料数编号为零,当计算结构刚度矩阵等特性时,不计材料数为零的单元特性(通过数据映射转换,建立固定有限元网格数据信息和计算结构刚度矩阵等特性所需的有效网格数据信息关系)。通过这种零和非零模式实现结构的拓扑优化。特别是该方法可采用已有的通用有限元分析软件,通过迭代过程在计算机上实现。算法通用性好,不仅可解决尺寸优化,还可同时实现形状与拓扑优化(主要包括应力、位移/刚度、频率或临界应力约束问题的优化),而且结构单元数的规模可成千上万。
拓扑优化方法能够在给定的设计空间内寻找最佳的材料分布,可以采用壳单元或者实体单元来定义设计空间,并用Homogenization(均质化)和Density(密度法)方法来定义材料流动规律。通过OptiStruct中先进的近似法和可靠的优化方法,可以搜索得到最优的加载路径设计方案。进行拓扑优化时可以选用的软件是很多的,在本文中将选用Hyper Mesh作为拓扑优化的软件。
2 结构拓扑优化设计
结构的拓扑优化设计需要指定目标函数和设计区域。我们优化的目的是为了提高模态,而设计过程中模型的低阶模态对结构的影响往往是最大的。我们一般只考虑其低阶模态的影响,忽略高阶模态的影响。因此我们将模型前四阶的模态分别作为目标函数进行计算。拓扑优化提高模态是通过优化结构的材料分布来实现的,这样也可以减少一部分材料,使得结构的质量有所减轻。这样“中心程序器单元”(图1)的模型分别需要进行四次计算。“中心程序器单元”的模型结构包含上盖板、基板和柔性电力板。它包括上盖板、柔性电路板、DC-DC、TPS70358、LM7805、MCM、C8051、TJA1050、XCR3128XL、MAX490、柔性电路板、基板和螺钉。为了节省材料减轻质量,根据电路图中元器件的分布,将其设计为一个枪型结构。盖板长度尺寸为180mm,较宽一侧宽度尺寸为102mm,较窄一侧宽度尺寸为51mm,厚度尺寸为29mm。基板全长218mm,较宽一侧宽度尺寸为100mm,较窄一侧宽度尺寸为49mm,厚度尺寸为18mm,左右两侧共三个d6的孔,用来固定整个模型。螺钉采用开槽沉头螺钉(GB 68-85)。由于芯片的位置已经确定,因此柔性电路板的形状以及上盖板的形状不能改变。并且二者的厚度非常的小,不适合定义为设计区域。而材料为铝的基板结构厚度相对来说更适合作为拓扑优化的设计区域,更具有改变的空间,因此将基板作为设计区域。
2.1 模型在Hyper Mesh中的网格划分及加载
首先在Pro/E中建立简化的模型,将文件保存为iges格式,导入到Hyper Mesh中,导入后的模型在Hyper mesh中是以线和面的形式存在的,而不是以体的形式存在,因此在划分网格的时候,是先对线进行划分,然后生成面网格,最后通过拉伸、扫描、映射等方式生成体网格。
以下是“中心程序器单元”的简化模型在Hyper Mesh中的网格划分情况(图2)。
网格划分之后在Hyper Mesh中建立不同的集合来指定模型的设计优化区域和非优化区域,这样在随后的计算中非优化区域的形状是不发生变化的,而优化区域的形状随着计算过程中材料分布的不同将发生变化。指定Objective(目标函数):模型的前四阶模态。Constraints(约束):基板的开孔处进行六个自由度的全约束。Design variables(设计变量):基板材料的分布。以上工作完成之后就可以将这些条件加载到模型上进行计算了。结果将在后处理器中观察。
2.2 “中心程序器”单元的拓扑优化
中心程序器单元以第一阶模态为目标函数得到的拓扑优化结果如图3所示。从图3中看出模态的变化。
在分析的结果中,模型从中间被分成两个部分,上半部分为非优化区域,下半部分是优化区域。优化区域会出现云图,云图的作用是用来显示拓扑优化之后结构材料的分布情况的。可以用截面切分的方式来观察结果。
我们可以选择x-y平面,x-z平面,y-z平面作为切分的平面来观察优化设计区域某一层材料的分布情况。图4所示的是选择x-y平面来进行观察,这样能够直观的看到整个面上材料的分布情况,红色的地方是有材料分布的,其他颜色的地方是没有材料分布的。同时我们还可以观察到在优化设计区域中不同高度的层面,材料的分布也是不一样的。根据云图中材料分布的情况来重新建立模型,可以使得材料的分布更加合理。
同样的,我们可以得到中心程序器单元以第二阶模态,第三阶模态,第四阶模态为目标函数的拓扑优化结果。对于不同阶的模态,由于其在振动过程中模型弯曲扭转的方向不同,因此在拓扑优化后,各阶模态所对应的模型的材料分布也是不一样的。弯曲扭转越大的地方,材料分布的密度要大。这种分布呈现出一种区域和空间层次上的变化,即在优化区域不同高度的层面,材料分布不同。图4所示为模型从第一阶到第四阶模态(从左到右,从上到下为序)拓扑优化结果。
在Hyper Graph中可以看到中心程序器单元第一阶模态在优化前与优化后的提升程度,如表1所示,优化前为1017,优化后为1144,模态提高了12%。
拓扑优化之后,各阶模态的提高程度如表1所列:
多功能结构设计要求随机振动的振动频率范围是20Hz～2000Hz。在这个范围内,拓扑优化之前会出现三次共振峰。优化之后会出现两次,且共振峰后移。在谱分析中我们知道,共振峰后移会使得峰值减小,这对于设备的减震是有利的。
综合以上拓扑优化的结果,对中心程序器单元模型进行重新的设计。得到了改进后的中心程序器单元结构图(图5)。对图进行如下说明:在第四阶模态的拓扑图中我们可以看到左侧的灰色区域呈现出一个半圆形状,观察每个层面的灰色区域发现其在空间呈现出一个斜的半圆柱,在基板底侧,灰色区域与基板壁是相连的,远离基板底侧,灰色区域是不与基板壁相连的。如果直接按照拓扑图将其设计成一个斜的半圆柱,将会出现两个问题:一是加工存在困难;二是在随后的分析中网格划分会出现畸形,在运算的过程中产生错误。因此进行一些处理,将其形状改为斜的梯形台,这样一来,有利于加工和网格的划分。观察第四阶模态拓扑图的右侧发现,越靠近右侧灰色区域呈现出逐渐增加的趋势。因此,在尽量保证原拓扑结构的基础上使得模型在随后的网格划分和计算中不会出现畸形与错误。
3 小结
我们知道在航天航空事业中,每一克的质量都有很大的意义,对于近期国家提出的大飞机计划,以及嫦娥飞天计划等,都有对质量和结构性能方面的要求。通过本文的分析,我们可以看出利用拓扑优化设计后,质量进行适当减少,在基本保持材料的结构性能上,我们使材料的利用效率的到了提高,这也正是我们所要求的。
参考文献
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计算机网络拓扑结构分析 篇4
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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ICPT系统补偿拓扑结构的优化 篇5
关键词：ICPT系统,电容补偿,SPP,输出功率
无线充电系统作为一种新型技术, 其发展迅速并受到广大学者的深入研究, 技术的主要目的是提高ICPT系统的传输功率和传输效率, 通常会在松耦合变压器发射和接收线圈分别加入电容补偿拓扑结构, 电容补偿拓扑方式的不同, 系统的频率敏感性和传输效率不同, 特别是大功率感应耦合充电装置。此设计针对电流型系统提出了一种更为优化的补偿方式:SPP型电容补偿。
1 ICPT系统的补偿拓扑
1.1 SP型电容补偿方式
无线传输系统一般在发射和接受端的电感上串联或者并联电容, 用以补偿电感线圈的无功损耗, 使其工作在谐振状态。本实验主要讨论SP型拓扑结构的优化, 图1是SP型电容补偿。
一般ICPT系统的谐振频率ω较高, 在计算过程中RS远远小于感抗ωLs, 所以RS在电路分析过程中可以忽略不计。为了实现系统的最大功率传输, 副边谐振补偿电容CS的选取需满足:CS=1/ω2LS;系统接收端电路的总电阻为ZS, 发射端电路的总电阻为ZP, 接收端等效到发射端的引入阻抗为Zr, 系统的总阻抗为ZT, 在计算完各个阻抗总值以后可以得到LS输入功率是P1, 负载RL上消耗的功率是P2, 传输效率为η[3,4]。则各个阻抗的计算如下所示:
1.2 SPP型补偿方式
SPP型电容补偿是在SP型电容补偿拓扑的基础上优化的, 其电路结构只是比SP型电容补偿结构多了一个并联电容, 电路图如图2所示。
图2中SPP型电容补偿拓扑系统工作在谐振频率下时, 为了得到Cp2的值, 令CP=1/ω2Lp为基准电容值, Cp2=βCp1, 其中β是相关比例系数, 当β=0时, 相当于SP型结构, 其变压器两端的电压、电流特性以及次级的输出电压与SP型也一样。因此一个合适的β值是SPP型电容补偿优化的重点。
对于SPP型的电容补偿拓扑方式, 接收端的等效阻抗没有改变, 而发射端的阻抗由于并联上了CP2而减小了, 由系统的传输效率公式
可知, 公式中的分子不变, 分母减小了, 因此系统的传输效率η就会增大, 由此验证了SPP型电容补偿拓扑方式的优越性。
2 两种补偿方式的仿真比较
利用MATLAB进行了实验仿真, 仿真输出了系统的输出电压。
由图3所示的系统输出电压图可知, 两种补偿方式下系统的输出电压波形和幅值一样, 并没有影响到输出电压的稳定性, 电压曲线一开始是迅速上升的, 待稳定后幅值可达到手机充电所需的+5V电压, 信号上有一些振荡衰减信号为松耦合变压器电磁辐射对系统造成。
由以上的仿真输出, 经过计算分析可以得到β=0.00294时, SPP型电容补偿拓扑方式的ICPT系统的发射端与接收端的电压幅值以及两种系统的输出电压幅值都对应相等。
3 结论
以上证实了SPP型的电容补偿拓扑方式在不影响输出电压稳定的前提下可提高系统的传输功率, 也可改善变压器两端的电压特性。
参考文献
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供热管网三维拓扑结构的仿真方法 篇6
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。
局域网拓扑结构优化的探讨 篇7
关键词：局域网,优化设计,总线型,NLB
1 拓扑结构
最基本的网络拓扑结构有总线拓扑、环形拓扑、星型拓扑、树型拓扑结构和网状拓扑结构5个。
(1)总线拓扑结构:是将网络中的所有设备通过相应的硬件端口直接连接到公共总线上,结点之间按广播方式通信,一个结点发出的信息,总线上的其他结点均可“收听”到。总线型布局结构简单、布线容易、可靠性较高,易于扩充,是局域网常采用的拓扑结构。
(2)星型拓扑结构:每个结点都由一条单独的通信线路与中心结点连结。它的中心结点是全网络的可靠瓶颈,中心结点出现故障会导致网络的瘫痪。
(3)环形拓扑结构:各结点通过通信线路组成闭合回路,环中数据只能单向传输。环网中的每个结点均成为网络可靠性的瓶颈,任意结点出现故障都会造成网络瘫痪,另外故障诊断也较困难。
(4)树型拓扑结构:是一种层次结构,结点按层次连结,信息交换主要在上下结点之间进行,相邻结点或同层结点之间一般不进行数据交换。树型结构连结简单,维护方便,适用于汇集信息的应用要求。
(5)网状拓扑结构:又称作无规则结构,结点之间的连结是任意的,没有规律。网状结构系统可靠性高,比较容易扩展,但是结构复杂,每一结点都与多点进行连结,因此必须采用路由算法和流量控制方法。目前广域网基本上采用网状拓扑结构。
2 优化设计
2.1 需求分析
以某金融企业大楼局域网设计为例,就局域网设计的应用和需求分析做简要说明如下:该金融企业拥有一栋5000平方米的办公楼,楼内有办公室80间,各种会议室5个。需要建立一个满足企业自身需求,同时充分考虑与外网访问的Web应用,该局域网具体的应用和需求如下:为总经理决策提供服务;ERP系统应用;自动化办公信息系统;信息发布系统和远程信息接发管理。其中,ERP系统是该企业局域网建设的主要组成部分。而在管理信息系统中要突出电子邮件、远程通信、视频会议、政策等信息知识库、安全保密等。通过办公自动化,使得业务流程更平滑,工作效率更高。理解了局域网的具体需求,就可以根据建筑布局和具体需求对局域网进行详细的设计。因为总线型网络拓扑结构具有客户端用户入网灵活、站点或某个客户端用户失效不影响其他站点或客户端用户通信的优点。在办公楼的第三层设置局域网的汇聚中心;所有的用户终端,通过超五类双绞线与计算机网络中心进行联接。一方面总线型网络拓扑结构不受客户端用户失效影响,可以减少局域网的故障;另一方面超五类的双绞线完全保证了10Mb/100Mb/s的传输速度,可充分满足企业信息化的需求。无论从局域网的性能还是局域网的布线投资上,都体现了设计的最优化。
2.2 主干网络的技术选型设计
主干网络是局域网设计中的中枢环节,具有非常重要的意义。选择局域网的主干网络,一般从以下3个方面进行研究分析:
(1)认真分析用户需求,从实际出发,经过科学分析计算,确定主干网的实际网络带宽需求,选择相应的主干技术。
(2)根据建筑布局,充分考虑数据流的传输距离、传输性能,主干技术与厂家提供产品相结合等情况,选择最佳的主干技术产品。在确定了用户需求之后,就可以对局域网的类型、分布构架、带宽和网络设备类型进行设计。首先确定适合的局域网类型和分布构架。其次确定局域网的网络分布架构,这与入网计算机的节点数量和网络分布情况直接相关。大型局域网,在设计上将它组织成核心层、分布层和接入层。接入层节点直接连接用户计算机,它通常是一个部门或一个楼层的交换机;分布层的每个节点可以连接多个接入层节点,是一个建筑物内连接多个楼层交换机或部门交换机的总交换机;核心层节点在逻辑上只有一个,它连接多个分布层交换机,是一个园区中连接多个建筑物的总交换机的核心网络设备。中小型局域网,在设计上常常分为核心层和接入层两层考虑,接入层节点直接连接核心层节点。小型局域网,在逻辑上不用考虑分层,在物理上使用一组或一台交换机连接所有的入网节点即可。最后,确定局域网的带宽。一般而言,百兆位以太网能够满足网络数据流量不是很大的中小型局域网的需要。如果入网节点计算机的数量在百台以上且传输的信息量很大,或者准备在局域网上运行实时多媒体业务,则建议设计千兆位以太网。
(3)选择网络主干设备。对于网络主干设备或核心层设备,可以选择具备第三层交换功能的高性能主干交换机。如要求主干设备具有高可靠性,还应该考虑核心交换机的冗余与热备份方案设计。分布层或接入层的网络设备,通常考虑选择普通交换机。交换机的性能和数量由入网计算机的数量和网络拓扑结构决定。
2.3 网络设备的选型设计
网络设备的选择,是局域网能否顺畅运行的关键。主要包含以下4个方面:
(1)服务器的选择。服务器是局域网中最重要的组成部分,它在很大程度上决定局域网的性能。服务器的类型和档次,应该同局域网的规模、应用目的、数据流量和可靠性要求相一致。至于内存设置方面,主要体现在访问缓冲时间上,一般应尽量设置为小一点的缓冲时间,这样速度会更快些。为了加快访问速度,就要求服务器硬盘有较高的转速,一般要达到10000RPM。通常服务器上的硬盘在正常使用期间总在不停地转动,且转速较高,会产生大量的热,因此,要求硬盘盘片散热性要好。另外,服务器要有容错功能,硬盘要求允许热插拔。这对于服务器性能的提高和稳定相当重要。
(2)局域网交换设备的设计选型。对核心的交换机,必须选择稳定高效的智能化交换设备,以保证整个局域网的稳定运行。
(3)操作系统的优化选择。选择操作系统时,应考到虑操作系统的适用性和稳定性又要考虑到操作系统的安全性。操作系统的选择与局域网的规模、所采用的应用软件、网络技术人员的管理水平、投入资金的多少等诸多因素有关。大众化的办公应用局域网,可采用Windows操作系统,以方便应用需求。对安全级别要求特别高的行业,可使用Unix操作系统。
(4)局域网应用软件的优化选择。应用软件的选择使用常常不被人重视,但它却是局域网设计的一个重要延伸。应用软件设计要注意的问题为开发语言和数据库的匹配。
2.4 安全防范设计
目前主流的安全技术有,防火墙技术,入侵检测技术,CA数据加密(CA数字证书),网络终端的软件防范技术。而应用于内网安全的主要是入侵检测技术、CA数字证书、各种防黑和防病毒软件。在局域网中,除采取以上几项常用技术外,还可采用虚拟VPN技术,以确保局域网的安全。
3 NLB在局域网优化中的应用
3.1 NLB工作过程
NLB使用一种分布算法对要求同时响应大量用户访问请求的服务器(如Web、FTP服务器等)负荷,采用将多个运行相同应用程序或服务的服务器群集到一起,并共享一个虚拟IP地址,客户机通过虚拟的IP地址访问群集中的服务器,NLB负责将用户的访问请求均衡的分配给群集中不同的服务器。当某台服务器发生故障时,NLB会在其他服务器之间重新分配工作量,从而提高了基于IP的任务关键型服务(例如Web、FTP、Proxy、VPN、Windows Media、Telnet等)的性能、可伸缩性和可用性。
3.2 NLB含义和技术特点
NLB有两方面的含义:首先,大量的并发访问或数据流量分担到多台节点设备上分别处理,减少用户等待响应的时间;其次,单个重负载的运算分担到多台节点设备上做并行处理,每个节点设备处理结束后,将结果汇总,返回给用户,系统处理能力得到大幅度提高。
NLB具备以下技术特点:
(1)在高并发数据的负荷下,提供低成本的优化方式。
(2)保护现有网络投资,避免单纯的硬件投资升级。
(3)负载很重的情况下也能做出快速响应。
(4)为系统提供了充分的容错机制和高可用性。
(5)提供稳定、强壮的不间断服务。
(6)在对整个系统影响最小的情况下最有效地在服务器之间分配流量。
(7)NLB对外只提供一个IP地址(或域名)。
(8)NLB技术可在普通计算机上实现。
(9)优化服务器性能,具备高可伸缩性。
3.3 NLB流量控制的实际应用
控制网络流量是维护、优化局域网的一个非常重要环节,老技术方案主要有两个:一个是子网划分的方法,一个是采用VLAN技术的方法。VLAN技术能有效遏制机构范围内的广播和组广播,进行跨园区的带宽和性能管理,能使因网络变更造成的管理任务大大缩减,尤其是在多网络服务器或多网络操作系统的情况下,用户需要多种用途的网络操作,这种变更就显得尤为重要。
利用NLB技术针对局域网的优化和流量控制,经多方案反复实践对比,建议采用基于Windows 2003 Server的VLAN+NLB(双网卡多播模式+多主机筛选模式)的混合技术方案:为了避免交换机的数据洪水,利用VLAN解决网内部门的划分及信号广播;利用NLB保持现有网络结构体系,控制和平衡基于IP的网络应用程序或服务的并发数据量;采用双网卡多播模式,一个网卡用于负载客户端的通信,另一个用于传输内部通信,管理内容、数据,同时因网络适配器在保留原有的MAC地址不变的同时,还分配了一个各节点共享的多播MAC地址,解决了单网卡模式各节点之间不能正常通信的问题。选取Windows 2003 Server的目的是利用NLB提供的3种筛选模式中的多主机筛选模式,可以针对端口规则采取禁止、多主机负载平衡和单主机的特殊处理,提供了真正意义上的负载平衡,并且可以根据节点的实际处理能力进行负载量的分配或阻止某节点特定应用程序的流量。
参考文献
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