CN105868486B - 基于gpu并行技术的导线弧垂计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于GPU并行技术的导线弧垂计算方法，包括如下步骤：步骤A)获取计算时的基本参数，包括气象区参数和导线参数；步骤B)将杆塔按照电力领域的业务规则分组到各个耐张段中，根据基本参数单独计算各个耐张段中杆塔参数和档距参数，获得各个耐张段中杆塔参数和档距参数；步骤C)在GPU图形处理器中按各个耐张段获得杆塔参数和档距参数，并行计算导线的应力和导线的弧垂。本发明通过上述原理，能够对大量弧垂数据进行并行处理，处理速度和处理数据的准确性大大提高，非常适合在农配网中使用。
Description
技术领域
本发明涉及电力领域，具体地，涉及基于GPU并行技术的导线弧垂计算方法。
背景技术
经研究统计在所有农配网设计软件中导线弧垂计算时间占据整个线路校验时间的60％以上。然而在不同工况下的弧垂又需要进行独立重复计算，而采用CPU进行计算一次只能计算一个数据，计算完毕后再进行后面数据的计算，依次类推，而在大规模线路中需要计算的数据非常多，所以在大规模的线路段中进行时实计算导线弧垂采样点来达到动态校验目的时CPU性能已显得捉襟见肘。而在多核CPU中是针对指令集并行(ILP)和任务并行(TLP)进行了优化，虽然能够提高一定的数据处理能力，但是也使得大量弧垂数据得不到并行处理，从而降低性能。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供基于GPU并行技术的导线弧垂计算方法，能够对大量弧垂数据进行并行处理，处理速度和处理数据的准确性大大提高，非常适合在农配网中使用。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：基于GPU并行技术的导线弧垂计算方法，包括如下步骤：
步骤A)获取计算时的基本参数，包括气象区参数和导线参数；
步骤B)将杆塔按照电力领域的业务规则分组到各个耐张段中，根据基本参数单独计算各个耐张段中杆塔参数和档距参数，获得各个耐张段中杆塔参数和档距参数；
步骤C)在GPU图形处理器中按各个耐张段获得杆塔参数和档距参数，并行计算导线的应力和导线的弧垂。通过配电网工程得到用于计算弧垂的各种参数数据，GPU图形处理器读取各种用于计算弧垂的参数信息用于并行计算弧垂，生成弧垂数据后传递给配电网工程进行保存。采用带有GPU图形处理器的显卡对数据进行处理，而GPU图形处理器具有出色的数据并行处理能力并具有更大带宽的显存，能够单独计算各个耐张段中杆塔参数和档距参数，实现对大规模线路段中弧垂数据的并行处理，与现有的CPU只能单个处理数据相比，大大提高了数据的处理能力。
进一步的，步骤C)中导线的弧垂采用dll的方式提供基于OpenCL来计算弧垂，计算出的弧垂结果通过dll中提供的API，直接获得弧垂数据。由于dll动态链接库是一个包含可由多个程序同时使用的代码和数据的库，能够实现共享数据和资源，多个应用程序可同时访问内存中单个DLL副本的内容，把OpenCL异构平台编写程序的框架采用dll动态链接库的方式提供OpenCL异构平台编写程序的框架来计算弧垂，与以往只采用OpenCL异构平台编写程序的框架来计算弧垂相比，为数据的并行处理提供了有力的保证，获取数据也更加的方便快捷。
进一步的，步骤C)中GPU处理器所用的显卡为Nvidia Quadro 2000。显卡性能优越，能够加速GPU的计算能力，进一步提高数据的并行处理能力。
进一步的，步骤A)中气象区参数包含低温、大风、结冰和常温4个工况，每条工况记录的参数由温度t、风速v和冰厚δ组成；导线参数包括最大拉断力Fmax、导线截面积S、综合弹性系数α、线膨胀系数E、导线直径d和导线单位质量P。气象区参数采用分工况进行采集，最终得到的数据结果更精确，参考价值更高。而测量所得的最大拉断力Fmax和导线截面积S则用于计算导线的允许拉断力σm，σm＝Fmax/S。
进一步的，根据步骤C)得到导线的应力σ的计算步骤如下：
参数和导线参数求得导线在任意一个工况下的综合比载Ym的方程式如下:
γ3＝Y1+Y2 (3)
上述式中δ和v为对应一个工况记录的冰厚和风速，d为导线直径，S为导线截面积，P为导线单位质量；
根据公式(5)得到对应一个工况记录的已知条件系数：
公式(6)中E为线膨胀系数，Ym 2、σm和tm依次代表一个工况记录下的综合比载Y7 2、允许拉断应力和温度，α为导线的综合弹性系数，E为线膨胀系数，Lp为耐张段的代表档距；
将已知条件系数Fm在低温、大风、结冰和常温这4种工况下的值进行比较，得出最大值Fmax对应的工况作为控制工况，得到状态方程：
Lp为耐张段的代表档距，t为系数Fm最大时对应的工况下的温度，Y为该工况下的综合比载Y7的值，根据方程(7)求得水平应力σ。
进一步的，导线的弧垂fx的计算方程计算步骤如下：
根据方程(7)求得的水平应力即可计算各个杆塔的大小号侧的垂直档距：
β为耐张段各档的高差角β1、β2、β3、…、βn，L为耐张段的代表档距L1、L2、L3、…、Ln，Y为系数Fm最大时对应的工况下的综合比载Y7的值。
根据方程(7)、方程(8)和各个工况下的水平应力σ和弧垂计算公式求得每个杆塔之间的弧垂数据：
上述公式中各系数的取值为大于0的正数，Y为系数Fm最大时对应的工况下的综合比载Y7的值，X为弧垂上的采样点值，β为耐张段各档的高差角β1、β2、β3、…、βn，σ为方程(7)中算的水平应力值，LOA是方程(8)中算出的垂直档距。本方案中计算已知条件系数Fm中所用的Ym2所用的值为综合比载Y72，而在现有计算中所用的值为Y6，而Y6的计算公式为而其中的δ和v为对应一个工况记录的冰厚和风速，d为导线直径，S为导线截面积，P为导线单位质量；由此可知本方案中采用的Y7的值比现有使用的Y6的值考虑的因素更多，算出的结果也更精确，后期计算弧垂和水平应力的结果更准确，在计算水平应力和弧垂的时候涉及到的耐张段各档的高差角β和耐张段的各个杆塔间的档距L的值有多个，采用现有的CPU进行计算只能一次处理单个数据，而本方案利用GPU可进行数据并行处理，以应对计算数据较多的情况，计算的速度更快，非常适合在农配网中对导线弧垂计算。
综上，本发明的有益效果是：
1、本方案对弧垂的计算采用带有GPU图形处理器的显卡对数据进行处理，而GPU图形处理器具有出色的数据并行处理能力并具有更大带宽的显存，能够单独计算各个耐张段中杆塔参数和档距参数，实现对大规模线路段中弧垂数据的并行处理，与现有的CPU只能单个处理数据相比，大大提高了数据的处理能力。
2、本方案中计算弧垂所用综合比载的值计算数据更多，计算出来的数值更准确，后期计算弧垂利用该综合比载值进行计算也更加的准确，虽然该过程增加了计算的数据量，但是本过程的计算是利用GPU进行，计算速度快非常适合在农配网中计算。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1所示，本发明为基于GPU并行技术的导线弧垂计算方法，包括如下步骤：
步骤A)获取计算时的基本参数，包括气象区参数和导线参数；
步骤B)将杆塔按照电力领域的业务规则分组到各个耐张段中，根据基本参数单独计算各个耐张段中杆塔参数和档距参数，获得各个耐张段中杆塔参数和档距参数；
步骤C)在GPU图形处理器中按各个耐张段获得杆塔参数和档距参数，并行计算导线的应力和导线的弧垂。杆塔分组，是电力领域非常常见的业务规则，并不是本发明的改进所在，在此不再复述。通过配电网工程得到用于计算弧垂的各种参数数据，GPU图形处理器读取各种用于计算弧垂的参数信息用于并行计算弧垂，生成弧垂数据后传递给配电网工程进行保存。采用带有GPU图形处理器的显卡对数据进行处理，而GPU图形处理器具有出色的数据并行处理能力并具有更大带宽的显存，能够单独计算各个耐张段中杆塔参数和档距参数，实现对大规模线路段中弧垂数据的并行处理，与现有的CPU只能单个处理数据相比，大大提高了数据的处理能力。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上优选如下：步骤C)中导线的弧垂采用dll的方式提供基于OpenCL来计算弧垂，计算出的弧垂结果通过dll中提供的API，直接获得弧垂数据。由于dll动态链接库是一个包含可由多个程序同时使用的代码和数据的库，能够实现共享数据和资源，多个应用程序可同时访问内存中单个DLL副本的内容，把OpenCL异构平台编写程序的框架采用dll动态链接库的方式提供OpenCL异构平台编写程序的框架来计算弧垂，与以往只采用OpenCL异构平台编写程序的框架来计算弧垂相比，为数据的并行处理提供了有力的保证，获取数据也更加的方便快捷。
实施例3：
本实施例在上述实施例的基础上优选如下：步骤C)中GPU处理器所用的显卡为Nvidia Quadro 2000。在农配网设计的一般情况下，一个工程的长度约为10kM-100kM之大，而工程中为了保证弧垂坐标计算的精度，一般按0.1m对线路进行采用计算。在最大工程的情况下，软件需要进行100万个点的坐标计算。以下是在这种情况下同一台计算机，软件应用GPU计算前后的对比情况：
由上表可知，采用Nvidia Quadro 2000显卡性能优越，能够加速GPU的计算能力，进一步提高数据的并行处理能力。
实施例4：
本实施例在上述实施例的基础上优选如下：步骤A)中气象区参数包含低温、大风、结冰和常温4个工况，每条工况记录的参数由温度t、风速v和冰厚δ组成；导线参数包括最大拉断力Fmax、导线截面积S、综合弹性系数α、线膨胀系数E、导线直径d和导线单位质量P。气象区参数采用分工况进行采集，最终得到的数据结果更精确，参考价值更高。而测量所得的最大拉断力Fmax和导线截面积S则用于计算导线的允许拉断力σm，σm＝Fmax/S。
根据步骤C)得到导线的应力σ的计算步骤如下：
根据气象区参数和导线参数求得导线在任意一个工况下的综合比载Ym的方程式如下:
γ3＝Y1+Y2 (3)
上述式中δ和v为对应一个工况记录的冰厚和风速，d为导线直径，S为导线截面积，P为导线单位质量；
根据公式(5)得到对应一个工况记录的已知条件系数：
公式(6)中E为线膨胀系数，Ym 2、σm和tm依次代表一个工况记录下的综合比载Y7 2、允许拉断应力和温度，α为导线的综合弹性系数，E为线膨胀系数，Lp为耐张段的代表档距；
将已知条件系数Fm在低温、大风、结冰和常温这4种工况下的值进行比较，得出最大值Fmax对应的工况作为控制工况，得到状态方程：
Lp为耐张段的代表档距，t为系数Fm最大时对应的工况下的温度，Y为该工况下的综合比载Y7的值，根据方程(7)求得水平应力σ；
进一步的，导线的弧垂fx的计算方程计算步骤如下：
根据方程(7)求得的水平应力即可计算各个杆塔的大小号侧的垂直档距：
β为耐张段各档的高差角β1、β2、β3、…、βn，L为耐张段的代表档距L1、L2、L3、…、Ln，Y为系数Fm最大时对应的工况下的综合比载Y7的值；
根据方程(7)、方程(8)和各个工况下的水平应力σ和弧垂计算公式求得每个杆塔之间的弧垂数据：
上述公式中各系数的取值为大于0的正数，Y为系数Fm最大时对应的工况下的综合比载Y7的值，X为弧垂上的采样点值，一般在弧垂上以0.1m取样一个点，以此类推采样多个点，β为耐张段各档的高差角β1、β2、β3、…、βn，σ为方程(7)中算的水平应力值，LOA是方程(8)中算出的垂直档距。
本方案中计算已知条件系数Fm中所用的Ym 2所用的值为综合比载Y7 2，而在现有计算中所用的值为Y6，而Y6的计算公式为而其中的δ和v为对应一个工况记录的冰厚和风速，d为导线直径，S为导线截面积，P为导线单位质量；由此可知本方案中采用的Y7的值比现有使用的Y6的值考虑的因素更多，算出的结果也更精确，后期计算弧垂和水平应力的结果更准确，在计算水平应力和弧垂的时候涉及到的耐张段各档的高差角β和耐张段的各个杆塔间的档距L的值有多个，采用现有的CPU进行计算只能一次处理单个数据，而本方案利用GPU可进行数据并行处理，以应对计算数据较多的情况，计算的速度更快，非常适合在农配网中对导线弧垂计算。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.基于GPU并行技术的导线弧垂计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A)获取计算时的基本参数，包括气象区参数和导线参数；
步骤B)将杆塔按照电力领域的业务规则分组到各个耐张段中，根据基本参数单独计算各个耐张段中杆塔参数和档距参数，获得各个耐张段中杆塔参数和档距参数；
步骤C)在GPU图形处理器中按各个耐张段获得杆塔参数和档距参数，并行计算导线的应力和导线的弧垂；
其中，步骤A)中气象区参数包含低温、大风、结冰和常温4个工况，每条工况记录的参数由温度t、风速v和冰厚δ组成；导线参数包括最大拉断力Fmax、导线截面积S、综合弹性系数α、线膨胀系数E、导线直径d和导线单位质量P；
根据步骤C)得到导线的应力用σ表示，其计算步骤如下：
根据气象区参数和导线参数求得导线在任意一个工况下的综合比载γm的方程式如下:
γ3＝γ1+γ2 (3)
上述式中δ和v为对应一个工况记录的冰厚和风速，d为导线直径，S为导线截面积，P为导线单位质量；
根据公式(5)得到对应一个工况记录的已知条件系数：
公式(6)中E为线膨胀系数，γm 2、σm和tm依次代表一个工况记录下的综合比载γ7 2、允许拉断应力和温度，α为导线的综合弹性系数，E为线膨胀系数，Lp为耐张段的代表档距；
将已知条件系数Fm在低温、大风、结冰和常温这4种工况下的值进行比较，得出最大值Fmax对应的工况作为控制工况，得到状态方程：
Lp为耐张段的代表档距，t为系数Fm最大时对应的工况下的温度，γ为该工况下的综合比载γ7的值，根据方程(7)求得水平应力σ；
步骤C)中导线的弧垂用fx表示，其计算步骤如下：
根据方程(7)求得的水平应力即可计算各个杆塔的大小号侧的垂直档距：
β为耐张段各档的高差角β1、β2、β3、…、βn，L为耐张段的代表档距L1、L2、L3、…、Ln，γ为系数Fm最大时对应的工况下的综合比载γ7的值；
根据方程(7)、方程(8)和各个工况下的水平应力σ和弧垂计算公式求得每个杆塔之间的弧垂数据：
上述公式中各系数的取值为大于0的正数，γ为系数Fm最大时对应的工况下的综合比载γ7的值，X为弧垂上的采样点值，β为耐张段各档的高差角β1、β2、β3、…、βn，σ为方程(7)中算的水平应力值，LOA是方程(8)中算出的垂直档距。
2.根据权利要求1所述的基于GPU并行技术的导线弧垂计算方法，其特征在于，步骤C)中导线的弧垂采用dll的方式提供基于OpenCL来计算弧垂，计算出的弧垂结果通过dll中提供的API，直接获得弧垂数据。
3.根据权利要求1所述的基于GPU并行技术的导线弧垂计算方法，其特征在于，步骤C)中GPU处理器所用的显卡为Nvidia Quadro 2000。
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