Node-SPICE：電気ネットワークでの過渡モデリング

みなさんこんにちは！ 今日は、論文のデータを取得するツールの1つとして作成されたプロジェクトの1つについてお話ししたいと思います。彼は現時点で主なタスクを完了しているため、GPLv3スイミングに入れたいと思います。まだ。 ただし、係留を行う前に、Intel Vtune Amplifierプロファイラーを使用して、ツリーのような電源ネットワークのシミュレーションパッケージがコンピューターコンピューティングリソースを最適に消費するようにしました。



カットの下で、自分自身、プロジェクト、パフォーマンスの最適化に関する詳細（30分で2倍以上に管理されました）

はじめに

過去6年間、私はエネルギーの節約と産業施設の電気の質の向上に取り組んできました。 まず第一に、それは電力の消費者のレベルでの無効電力の補償であるため、この同じ無効電力は産業用電力供給ネットワークから消費されません。 このタスクと並行して、消費者のすぐ近くの負荷ノードの電圧を安定化するタスクがあります。

従来の非同期電動機を想像してください。 数千人。 次のようになります。


権威のあるさまざまなソースでは、生成された電力の最大70％が誘導モーターによって正確に消費されるという統計情報を見つけることができます。 実際の数値がこの値からかけ離れているとは思いません。

それで、古い冷蔵庫が家で始まると、ライトが点滅することに気づいたことがありますか？ このフリッカー効果は、起動時に電気モーターが定格電流の5〜7倍の電流を消費するために発生します。 起動の最初の瞬間には、固定子の磁化がなくなり、誘導抵抗が最小限に抑えられ、ネットワークには実際に固定子巻線のかなり小さな有効抵抗が負荷されます。 次に、モーターが速度を上げ始めると、固定子が磁化され、固定子巻線のリアクタンスが増加し、電流が減少します。

次に、企業の電気ネットワークを想像してください。

図 1-電力消費者のトランク電源回路：a-分散負荷の場合。 b-集中荷重の場合; in-ブロックトランスフォーマー-トランク。 1-配電所の変電所; 2-配電ポイント; 3-受電器; 4-高速道路; 5-タイヤの組み立て。

これは、多くの受電装置を備えたこのようなツリー状の分岐電気ネットワークです。 一般化された形式では、次のように描画できます。


図 2-電気受信機の電源の一般的なブロック図。

図の図 2、 Veノードはネットワーク電源（産業用ACネットワーク、船舶発電機、風力発電機インバータなど）の接続ポイントであり、その結果、ノード電圧はUeに等しくなります。 抵抗Ze = Re + jLeのアクティブ誘導給電線を介したソースは、電圧U0の配電ノードV0に接続されます。



ここで、 I_ {e-0}はノードVeから消費される電流であり、より低い負荷で消費される電流の合計に等しくなります。



ここで、 Nはこのノードから給電される負荷の数です。 図の回路の場合 Veノードからの2は、システムで使用可能なすべてのロードノード-V3-V6に供給します。 ノード負荷ノードV3、V4はノードV1に接続されています。 ノードV2には、それぞれノードV5、V6をロードします。

Node-SPICEが作成されたのはなぜですか？

負荷のいずれかが変化すると、回路全体のルートへの電流が変化するため、ルートの電圧が変化し、その後、他のすべてのノードで変化します。 そして、回路内のいくつかのポイントで電圧を安定させる必要がある場合、2つのスタビライザーが互いに影響するため、これを最適に行うタスクが発生します。 さまざまなオプションでこの効果を追跡するには、ネットワークをシミュレートする必要があります。

図の回路 2 Matlab Simulinkパッケージで自分を描くことはかなり可能です。 しかし、キャッチが1つあります-回路が大きい場合、またはこれらの回路が多数ある場合は、各回路を描画し、シミュレーションを実行し、シミュレーション結果、過渡グラフを撮影して保存し、面倒な作業を行い、自分のモデラー（figs）を作成する方が速いと判断しましたより興味深い（そして、ここで私は正しかった）。

開発をさらに面白くて便利にするために、私は、開発言語としての厳しいSishnik-zhelezyachnikであり、ついにC ++を扱うことにしました。

設置

ソースはVisual Studio 2013プロジェクトであり、 GitHubに投稿されます 。
アプリケーションをビルドするには、 Eigen線形代数ライブラリをダウンロードし、 $システム環境変数（EIGEN_DIR）を使用してライブラリフォルダーへのパスを指定する必要があります。 Visual Studioは、このフォルダーへのパスを選択して、ノイズをあまり発生させずにアプリケーションをコンパイルする必要があります。

チャートを表示して保存するには、アプリケーションはgnuplotパッケージとcairoモジュールを使用します-gnuplotは画像をPNG形式で保存できるはずです。 これを確認するには、gnuplotコンソールでset terminal pngコマンドを実行します。 Gnuplotは間違った引数-オクターブにバンドルされている最後のsin gnuplotを誓うべきではありません。 gnuplotへのパスは$（PATH）で指定する必要があります。

アプリケーションアーキテクチャ

アプリケーションは独立したモジュールで構成する必要があります（図3）が、何か問題が発生しました。


図 3-プログラムのブロック図

システムの主なモジュールは次のとおりです。

1. ボードコンピューティングモジュール。 このモジュールでは、ワークベンチデスクトップの作成が実行され、ロードノード回路の構築が直接実行されます。 さらに、このモジュールは全体としてモデリングプロセスを担当します。
2. クロックモジュール。 タイミングコンピューティングを担当します。 現在、クロッキングは「固定ステップ」の原理に従って実装されています。 ボードモジュールに付属
3. モジュールを開きます。 構成ファイルとデータファイル（存在する場合）の読み取りを担当します。 ボードモジュールに付属
4. モジュールを保存します。 シミュレーション結果を生ファイルまたは画像形式で保存するために使用されます。 ボードモジュールに付属
5. プロットモジュール。 結果のプロットを担当します。

コンソールプログラムインターフェイス-受電装置のタイプとパラメーター、およびロードノードの構成は、構成ファイルに記述されています。

起動コマンドは次のとおりです。

node-spice.exe -f {   } 

構成ファイルの形式はテキストであり、次の形式の行で構成されます。

 command -a -b -c 1 -d 2 -e 3 

ここで、a、b、c、d、eはパラメーターキーで、その一部（a、b）はブールデータ型（アクティブまたは非アクティブのオプションまたはモード）を持っています。 他の部分、たとえばc、d、eには、パラメーターのテキスト値または数値があります。

電気モーターが3相電圧源と非対称負荷の品質アナライザーを介して接続されている構成ファイルは次のとおりです。


ワークベンチのデスクトップでは、ツリー構成で接続された任意の数のノード基本ノードを見つけることができます。

各ノードには、電圧源を接続するための入力と、後続の負荷を供給するための出力があります。 1つのノードの出力に複数の子ノードを接続できます。 親ノードは、子ノードの端子に電圧を設定し、消費する電流を要求します。 子ノードに独自の子ノードがある場合、操作は再帰的に実行されます。 ノードの動作は異なります-システムで一意の電圧源。 シミュレーション段階の後、ソースには総消費電流に関する情報が提供され、ソース出力での現在の電圧値に関する情報が返されます。



それらのタイプに関係なく、ノードには機器のさまざまな構成を作成できる共通のインターフェースがあります。 基本的なノードは、loadコマンドを使用して追加されます。

loadコマンドの一般的なビュー：

 load -n { } -t { } [- ] 

次の構成キーは、すべてのノードに共通です。


Node基本ノードの実装されたタイプ：

デスクトップ-tワークベンチ。

各デスクトップは一種のスキームであり、ネストされたスキーム、つまりネストされたデスクトップを作成する機能があるはずです。 この機能はプログラムのテストバージョンに組み込まれています（もちろん、実装されていません:)）。 デスクトップ用の一意のキーはありません。 複数のデスクトップが存在する可能性があるため、ノードに2つ以上のデスクトップを導入した後、それらが属するデスクトップを指定する必要があります。 -wbスイッチが指定されていない場合、基本ノードは最後に作成されたデスクトップに配置されます。

三相電圧源-t acsource

ソフトウェアパッケージの現在のバージョンでは、プログラムの機能を多少制限しますが、私の作業には十分な電圧源が1つしかありません。

複雑な計算、あらゆる構成の任意の数の電気のソースとレシーバーを使用して、すべてを取り直して書き直そうと考えていますが、論文を擁護した後、私はそれに座って涙を流します。 押しながら。


図5は、負荷のない電圧源をモデル化するプロセスを示しています。


図 5-アイドルモードで動作する電圧源の電流と電圧のグラフ

品質アナライザー-tアナライザー

消費品質アナライザーは、システムのあらゆる部分に含まれており、さまざまな消費パラメーターを分析します。 このノードはグラフ作成を担当します。


シミュレーションの後、Plotモジュールを使用するこのノードは、目的のグラフを表示し、それらを画像としてディスクに保存します。

非同期モーター-t acmotor

この基本ノードは、誘導モーターの数学モデルを実装します。


図6は、誘導モーターの始動プロセスを示しています。 時間1秒 700 N * mのトルクがシャフトに加えられ、エンジンが動作モードになります。


図 6-モーターシャフトの回転数、およびシャフトのモーメントとエンジン始動時の静的モーメントのグラフ

並列RLC-ロード-t rlc

この基本ノードは、抵抗、インダクタンス、キャパシタンスの並列接続です。 パラメーターに応じて、電圧源への次の標準および異常な露出モードのモデリングが可能です：単相および2相負荷、不平衡負荷、同相短絡、短時間および長時間、すべての位相での接地短絡、短時間および長時間


ネットワーク内の短期短絡をシミュレートします。

 load -t acmotor -Rs 0.02 -Rr 0.02 -Ls 0.0008 -Lr 0.0002 -Lm 0.00015 -J 3 -p 2 -Ms 700 -Tload 1 load -t rlc -Ra 0.2 -Rb 0.2 -Rc 0.2 -On 1.5 -Off 1.6 

KZ 0.1秒 速度がクリティカルを下回る時間はありません。エンジンは、短絡を取り除いた後に速度を回復します。

 load -t acmotor -Rs 0.02 -Rr 0.02 -Ls 0.0008 -Lr 0.0002 -Lm 0.00015 -J 3 -p 2 -Ms 700 -Tload 1 load -t rlc -Ra 0.2 -Rb 0.2 -Rc 0.2 -On 1.5 -Off 2 

KZ 0.5秒、エンジンはブレーキをかけ、エンジンのトルクをオンにすると、シャフトのトルクよりも小さくなり、エンジンが停止します

 load -t acmotor -Rs 0.02 -Rr 0.02 -Ls 0.0008 -Lr 0.0002 -Lm 0.00015 -J 3 -p 2 -Ms 700 -Tload 1 load -t rlc -Ra 0.2 -On 1.5 

A相での短絡。非同期電動機の機能により、実際には速度は低下しません。2相で十分です。 ギャップ内の回転磁界は楕円形になり、シャフトは供給ネットワークの周波数で振動し始めます。

コードの最適化

一般に、判明したように、主要なモデリングプロセス自体は非常に正確に記述されており、アーキテクチャの変更はシミュレーション結果に基づいて行われていません。 しかし、悪魔は詳細にあります。
Intel Vtune Amplifierを開き、新しいプロジェクトを作成します。



プログラムとスタートアップキーへのパスを示します。 [バイナリ/シンボル検索]および[ソース検索]ボタンを使用して、ソースコードへのパスとデバッドシンボルを含むバイナリを指定すると便利です。プロジェクトとソースコードをナビゲートする方が便利です。

次の構成を使用します。


指定されたすべての構成ファイルは、プロジェクトの/ docフォルダーにあります。

1ms間隔で最も単純な基本ホットスポットから始めましょう



実行します。

経過時間：	52.548s
CPU時間：	37.460秒
合計スレッド数：	1,035

上位のホットスポット：


神聖な中性子... iostreamの動作が遅いことは確かに知っていましたが、非常に...これは、との同期を無効にすることです

 stdio ios_base::sync_with_stdio(false); 

合計35秒のうち20秒のCPUタイムアウト。 時間の50％以上。 ゲートには入りません。
遅いスレッドの詳細については、 こちらをご覧ください 。 すべてを装甲fprintf（）に書き換えることは理にかなっています。 また、 cout関数がテーブルに2回現れるという事実にも興味がありました。 そして確かに-gnuplotレイヤーは一時ファイルを作成してから削除します。 -rawキーをノードに追加して、生のグラフファイルを保存します。 キーがあります-保存済み、いいえ、未保存。
プロファイラーを起動します。 ハ！

経過時間：	22.421秒
CPU時間：	17.107秒
合計スレッド数：	1,035

上位のホットスポット：



リーダーは引き続き出力をファイルしますが、CPU時間の5％未満しか消費しません。 深刻な成功！ ボトムアップ3を見る



2番目と3番目の場所は、ポインターと反復子で占められています。



そして、それは非常に論理的です-場所は電気の品質の分析器に行きます、なぜなら後者はすべての仕事の多くをするからです。



このコードは、スライディング測定モードの概念のテストとして作成されました。 コードからわかるように、ソルバーの新しい各ステップは、小さな（64-128文字）のシフトに関連付けられていますが、それでも配列です。 この問題を解決するには、リングバッファを使用するのが理にかなっています。 次に、新しい要素を追加する操作の値は、O（N）ではなくO（1）になります。



「なぜこれが必要なのですか？」あなたは、彼らが言うには、品質アナライザーはシステム内の唯一のものであり、モーターを構成に追加する方が良いと言います。 そして、あなたは半分正しいことがわかります-モーターを間違いなく追加しますが、システム内のアナライザーだけがノードのシステム内と正確に同じにすることができます-これは私の論文の特徴です。
GetVoltageとGetCurrentの問題点を見てみましょう。



うーん、リンクを使うのはどうですか？



プロファイリングを再開します。

経過時間：	23.197年代
CPU時間：	16.551秒
合計スレッド数：	1,048

上位のホットスポット：



ボトムアップ3では、リストの最初が再びfprintfとpangoであり、gnuplotの下からクロールしていることを示しています。これ以上は入りません（価値はありますが）。



そして、本当に嬉しいのは、解決するためのいくつかのステップがリードに突入したNewStepという事実です。 シミュレーションを40秒間実行し、画像がどのように変化するかを確認します。

経過時間：	73.235
CPU時間：	61.790s
合計スレッド数：	1,048

効果はスケーラブルであるため、ここでは何もしません。

まとめると

	だった	になっています	効果
CPU時間：	37.460秒	16.551秒	226％

30分も悪くないですか？
モーターのかかとのシステムに追加します。


ボトムアップ3からは、ほとんど明らかではありません。



ここで、Callerカウンターを見ると、リソースの行き先を確認できます。 マットの計算における行列方程式の解法について。 電気モーターモデル-ほとんどの場合、Eigenライブラリが実行されます。



ライブラリには入りません。モーターをrl-loadに交換した方が良いでしょう。 それらは私にとって非常に重要です-あらゆる種類の異なる位相の不均衡、短絡、妨害、その他の喜びを作り出すことができます。

1ティックで実際に何もカウントする必要がないため、ソルバーのクロック周波数を上げ、負荷を10個にします。

経過時間：	11.008s
CPU時間：	6.485s
合計スレッド数：	1.245

Fprintfには触れませんが、主な原因は次のとおりです。



ここで、ダブル[4]ベクトルを互いにコピーします。 ご覧のとおり、ベクター自体を使用してベクターをコピーすることはあまり最適ではありません。 サイクルを詰まらせます-4つの要素について、特に外出してはいけません：



そして最後に

経過時間：	9.563s
CPU時間：	6.386s
合計スレッド数：	1.245

結論：

しかし、何もありません。 OpenSourceにブレーキアプリケーションをアップロードするのは無価値であり、便利で強力なプロファイリングツールを少し使用することにしました。 コード内のタイムスタンプの配置とは対照的に、Vtuneは、彼らが言うように、スローコードに「銃口を突き」、1つまたは別のピースを書き換えるのが良いことを示唆しています。

実際、私のアプリケーションは、松葉杖の松葉杖用に無限に最適化できます。 Eigenをスローして、Boostを使用してAcmotorを書き換え、同じBoostでグラフィック出力を書き込むことができます。ベクトル命令を使用して多数の場所を書き換えることができます（ここでは、Intel Advisorプロファイラーが役立ちます）。 。

ちなみに、 ここでは、学生と教育のニーズに対応するインテル®Parallel Studioの無料版を入手できます。