大规模工程电磁场的亿自由度可扩展并行计算方法

精确和快速的电磁场计算,是电工装备精细模拟和优化设计的基础.该文在高性能云平台的高速互联弹性集群上开展可扩展并行计算研究,使用OpenMpi作为消息传递库,选取的区域分解算法为对偶原始有限元撕裂内联(FETI-DP)法,通过改进主从/对等的并行程序框架实现电导率不变时涡流场磁矢势A的并行计算,在降低编程复杂度的同时提高...     

基于弹性云计算集群的国际TEAM Problem 7基准问题计算方法

针对智能制造所需的大规模计算问题,对比分析不同云计算技术的发展模式,选取适合大规模计算密集型的云架构,部署了9节点弹性计算平台。选取电磁领域的国际TEAM Problem7基准问题为案例,使用基于消息传递机制的开源并行编程模型Open Mpi编写典型涡流场的并行计算程序,实现了计算案例数百万自由度的并行计算,得到了不同节点下不同计算规模的计算时间与速率分布图。研究结果表明,典型电工装备的大规模有限元仿真计算可在云计算平台部署的弹性计算集群中实现并行化。对比于传统高性能计算机的并行计算方法,本文的云计算弹性计算集群具有投入成本低、动态可分配、按需索取的优点,为传统纯粹制造业转型升级智能制造产业发展提供了一种灵活、便捷的新型高性能计算方案。     

基于自适应区域分解的电磁场有限元求解方法研究

为了高效利用现有并行计算资源、提高电磁场数值分析效率,提出一种自适应区域分解有限元法用以电磁场求解。该方法是在加性Schwarz区域分解法中引入基于度量张量的各向异性网格自适应方法,将h型自适应有限元方法与区域分解方法的优点结合起来,在求解过程中生成对场分布响应更好的网格。为避免子区域独立网格自适应可能导致的悬点,在每步求解结束后对整个定义域的网格进行统一调整。计算过程中的多次子区域划分通过METIS实现,以基于当前网格对计算量在多处理器间进行合理分配。为进一步提高求解效率,在代数方程求解中将区域分解法用作Krylov子空间法的预处理算子。最后通过两个典型数值算例对所提方法在精度和效率方面的性能做了验证。结果表明:所提方法在保证求解精度的同时,所需自由度数目有显著降低(两个算例分别降低50%和36%),计算效率得到有效提高,验证了所提方法的有效性。     

有限元方法的发展状况和应用

详细阐述了目前有限元方法的发展现状和应用前景。     

基于区域分解法的电磁场并行计算研究

针对有限元法求解大规模电磁场问题时常常受单机计算速度和内存限制的问题,考虑运用并行求解的解决方法。在论述了适合并行求解的区域分解法的原理后,建立了二维静电场问题的模型;运用区域分解法对模型进行了区域划分;基于6台高性能PC机搭建的分布式并行系统,运用并行共轭梯度法(CG)对有限元线性方程组进行并行求解,取得了较高的效率加速比。对于自由度多达百万的大规模问题,该并行求解大大提高了计算速度,为并行求解三维电磁场奠定了基础。     

矢量磁位散度约束的罚函数方法中罚因子的数值特性

介绍了三维电磁场有限元数值计算中约束矢量磁位的罚函数方法，通过实例计算讨论了罚因子的取值对有限元刚度矩阵性态、矢量磁位散度的约束及场数值解精度的影响。     

基于云计算的大电网在线分析计算模式研究

根据我国电网调度自动化系统广域分布、调度信息分层管理的特点及大电网在线分析软件的计算规模、计算性能等需求,以云计算技术及"调度云体系架构"为基础,提出大电网在线分析软件的广域多级分布式并行计算模式及其协调管理服务需求。为了适应云计算环境的可扩展性,简化大电网在线分析软件设计流程,提高软件开发效率,提出了基于面向服务架构(SOA)的大电网在线分析3层服务封装,满足不同用户对大电网在线分析软件的需求。最后以分解协调潮流计算为典型应用,提出了基于广域多级分布式并行计算模式的拓扑分析服务和潮流服务程序设计方案。     

一种基于云计算的电压暂降并行计算方法

随着电能质量监测点数量不断增多,监测网络持续扩大,电压暂降分析数据海量化、异构化、多态化,并呈现大数据趋势。传统的暂降事件逐个串行计算的方法已无法满足大数据的分析效率需求。Hadoop 云计算是一种针对大数据分析计算的开源解决方案。介绍电压暂降数据分析传统算法的利弊,提出一种基于云计算平台下 MapReduce 编程框架的电压暂降计算方法,将不同暂降事件层次化并行处理,传入不同的映射值,计算出电压有效值,排序后用化简值整合并计算出电压暂降特征值。通过对2种方法的效率进行对比,验证了基于云计算平台的电压暂降并行算法的优越性。     

求解电磁场的分片多项式方法

本文对给定区域的任意三角剖分，利用分片二次多项式的基函数，导出了一种求解任意场域二维电磁场问题的新数值计算方法－分片多项式方法，按此方法不仅可保证场域中位函数的连续性，而且可保证场量（位的导函数）的连续性，从而提高了电磁场问题数值解的精度，本文方法与通常线性插值有限法相比较，还具有三角元剖分数少及初始输入数据工作量小等优点。     

基于矢量指令集的三相潮流并行计算方法

随着互联电网规模不断扩大,电力网络分析计算对计算速度的要求日益提高。高级矢量扩展指令集(advanced vector extensions,AVX)是应对大规模浮点运算所提出的基于SIMD的快速并行计算解决方案,最高可以将浮点运算能力提升16倍。以电力系统三相潮流计算为研究对象,采用快速YBUS潮流算法计算。对迭代方程组求解过程进行改造,将8×8的矩阵与8×1的向量作为运算单元,利用AVX指令集实现运算单元的基本计算与求逆的矢量化算法,完成了基于运算单元的方程因子表分块求解算法;将三相潮流方程节点导纳矩阵的三相模型部分对应的6×6矩阵和6×1向量扩展到8×8矩阵和8×1向量构成的运算单元中,其他部分则有序填充至运算单元中。采用半动态节点优化编号,建立了以运算单元为单位的分块稀疏系数矩阵,基于运算单元运算符的矢量化重载实现了三相潮流方程并行求解。使用IEEE标准三相算例进行测试,结果表明,三相潮流矢量化并行算法与原有算法结果一致,在时间性能上具有高效性。     

非重叠Mortar有限元法及其并行计算在静电场问题中的应用

采用Mortar有限单元法(mortar finite element method,MFEM)能够得到正定、对称的系数矩阵,而且刚度矩阵是分块对称的,这种特点适合于并行迭代求解。阐述了非重叠Mortar有限单元法(non-overlapping MFEM,NO-MFEM)的基本原理,介绍了适合于NO-MFEM并行计算的区域分解策略以及并行求解的基本流程。针对简单2维静电场问题,使用NO-MFEM进行了并行计算,并与理论值和串行计算结果进行对比,验证了所提方法的有效性。同时,对于非协调网格造成的计算误差进行了分析。NO-MFEM法的并行计算为工程应用中优化设计问题的区域分解和并行求解提供了一种新的选择。     

基于可信计算的电力可信云终端设计

为了增强电力云计算系统应对恶意攻击的能力,降低安全风险,文章提出一种基于可信计算的网络安全防护技术。通过在电力云终端嵌入可信计算芯片,采用完整性度量、信任链传递等可信计算框架下的方法实现电力云终端自身的安全可信。通过构建可信电力私有云,实现可信电力云终端安全接入,提高电力云系统面对恶意攻击的主动防御能力。     

DE2D电磁场数值计算软件包数据前处理技术

本文提出了二维有限元分析中任意三角形单元的自动生成原理,给出了网格的修改和图形更换与组合的方法,提供了采用该软件技术处理各种复杂和特殊问题的计算实例。     

并行求解含有电位悬浮导体的静电场数值问题

并行计算是电磁场数值模拟的主要工具,但是对于含有悬浮电位导体的静电场问题的并行模拟却很少提及。该文提供了一种针对这类问题的区域分解方法,并利用强加齐次边界条件法对有限元矩阵进行处理,进而利用并行机群系统求解含有多个电位悬浮导体的计算模型。通过对含有3个悬浮电位导体的平行板电容器模型和330 kV架空输电线路的玻璃绝缘子串场计算模型的并行模拟,验证了该方法在二维和三维静电场问题中的有效性。该文提出的方法能够很好的解决因悬浮导体存在而带来的并行处理中的模型分区困难,并且可以很好的并行求解多导体问题,对该类问题的并行计算提供了可能。     

基于FEM的雷击室内电磁场计算

采用有限元分析方法计算了建筑物框架遭受雷击时室内电磁场的分布。对于相同的建筑物框架,比较了有限元分析法与成熟的电路法的计算结果,得出有限元法的优势是可以考虑地中散流的情况。研究结果表明,采用有限元方法能够运用于雷击对室内建筑物电磁环境的评估。     

基于云计算的家庭智能用电策略

对智能小区的居民用电行为展开研究,基于云计算平台和并行关联规则Apriori算法,挖掘出了用户用电行为间的关联规则,根据挖掘出的关联规则使用遗传算法对家庭用电时间分布进行合理规划,达到经济用电的目标,给出了行之有效的智能用电策略。由供电局将用户的智能用电策略以短信等交互方式传递给智能用电家庭。经实例验证,文中基于云计算平台和并行Apriori算法的居民用电行为分析结果是有效的,可使居民高效智能用电,节约家庭能耗。     

非重叠Mortar有限元法在电磁分析中的应用

Mortar元法（mortarelement method,MEM）是一种新型区域分解算法,它允许将求解区域分解为多个子域,在各个区域以最适合子域特征的方式离散。在各个区域的交界面上,边界节点不要求逐点匹配,而是通过建立加权积分形式的Mortar条件使得交界面上的传递条件在分布意义上满足。Mortar有限元法（mortar finite element method,MFEM）将MEM和有限元法（finite element method,FEM）相结合,在各区域中分别使用FEM网格离散,区域的交界面上通过施加Mortar条件实现区域间的自由度连续。该文阐述了非重叠Mortar有限单元法（non-overlappingMFEM,NO-MVEM）的基本原理,介绍了NO-MFEM的程序实现过程,使用NO-MFEM对2维静磁场问题和3维静电场问题进行了计算,并与FEM模型结果进行对比,验证了该文方法咐有效性。将NO-MFEM应用于电磁分析,丰富了电磁场数值计算理论,为运动涡流问题和大规模问题的分析提供了新的选择。