基于優(yōu)先隊(duì)列法的機(jī)房精密空調(diào)系統(tǒng)集中控制方法

劉夢(mèng)璇，任博強(qiáng)，胡旭東，甄慶，陳立東，曹北建

（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，天津300000；2.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司濱海供電分公司，天津300450；3.天津市電力公司城南供電分公司，天津300201）

基于優(yōu)先隊(duì)列法的機(jī)房精密空調(diào)系統(tǒng)集中控制方法

劉夢(mèng)璇1，任博強(qiáng)2，胡旭東3，甄慶2，陳立東2，曹北建2

（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，天津300000；2.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司濱海供電分公司，天津300450；3.天津市電力公司城南供電分公司，天津300201）

該文針對(duì)機(jī)房精密空調(diào)系統(tǒng)，建立了單臺(tái)精密空調(diào)開(kāi)啟次數(shù)與使用壽命之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出了以增加空調(diào)使用壽命為目標(biāo)的多臺(tái)精密空調(diào)集中控制方法。采用優(yōu)先隊(duì)列算法，根據(jù)單臺(tái)精密空調(diào)的已使用壽命，選擇要開(kāi)啟的精密空調(diào)，并綜合考慮了多臺(tái)精密空調(diào)的狀態(tài)，根據(jù)室內(nèi)溫濕度的變化控制精密空調(diào)開(kāi)閉，避免了單臺(tái)精密空調(diào)的頻繁啟停，從而增加了精密空調(diào)使用壽命。利用Matlab仿真工具，針對(duì)某一自動(dòng)化機(jī)房，進(jìn)行了仿真計(jì)算。通過(guò)對(duì)實(shí)際量測(cè)結(jié)果和仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，表明文中所提出的集中控制方法的優(yōu)越性。

優(yōu)先隊(duì)列法；精密空調(diào)；集中控制

電力公司機(jī)房通常會(huì)放置主服務(wù)器、工作站、交換機(jī)、核心路由器等各種設(shè)備，這些設(shè)備耗電量、發(fā)熱量都非常大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在基準(zhǔn)溫度情況下，溫度每升高10℃，計(jì)算機(jī)的可靠性就下降25%。另外，如果計(jì)算機(jī)機(jī)房室內(nèi)濕度過(guò)高，就會(huì)在計(jì)算機(jī)元件上形成凝結(jié)的水滴，導(dǎo)致設(shè)備壽命變短[1]。因此，為了保障機(jī)房的安全，保障電力自動(dòng)化信息系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，規(guī)范機(jī)房環(huán)境，最大程度地避免由此而帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，需要將機(jī)房的溫度和濕度控制在適宜的范圍內(nèi)[2-5]。因此，機(jī)房?jī)?nèi)都會(huì)配置精密空調(diào)，用于保持機(jī)房?jī)?nèi)恒定的溫度和濕度。

目前，精密空調(diào)的啟停規(guī)律一般為：一旦檢測(cè)到周?chē)鷾囟然驖穸瘸^(guò)合理范圍立即啟動(dòng)，周?chē)鷾囟然驖穸冗_(dá)到關(guān)停范圍立即關(guān)閉[6-7]。這種方法的缺點(diǎn)是多臺(tái)精密空調(diào)之間缺乏統(tǒng)一的控制系統(tǒng)，從而導(dǎo)致單臺(tái)空調(diào)頻繁啟停。

由于空調(diào)的壽命與壓縮機(jī)的啟動(dòng)次數(shù)直接相關(guān)，啟動(dòng)一次，電流就要沖擊一次，壽命就減少一次，因此，精密空調(diào)的壽命與啟停次數(shù)直接相關(guān)，頻繁啟停必然會(huì)造成精密空調(diào)壽命縮短，從而增加了機(jī)房維護(hù)成本[8]。

本文建立了單臺(tái)精密空調(diào)開(kāi)啟次數(shù)與使用壽命之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，以空調(diào)系統(tǒng)使用壽命最長(zhǎng)為目標(biāo)，提出了一種有效延長(zhǎng)空調(diào)系統(tǒng)使用壽命的集中控制方法，并利用Matlab仿真工具，對(duì)使用該控制方法前后的精密空調(diào)系統(tǒng)使用壽命進(jìn)行比較，驗(yàn)證了方法的有效性。

1 機(jī)房物理結(jié)構(gòu)

本文研究的機(jī)房結(jié)構(gòu)如圖1所示。假設(shè)室內(nèi)溫度分布均勻，空調(diào)擺放在機(jī)房的同一側(cè)且間隔一致。

圖1 機(jī)房物理結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of computer lab

2 精密空調(diào)

機(jī)房精密空調(diào)是能夠充分滿足機(jī)房環(huán)境條件要求的機(jī)房專用精密空調(diào)機(jī)，它不但可以控制機(jī)房溫度，也可以同時(shí)控制濕度，因此也稱為恒溫恒濕空調(diào)[9-10]。

圖2以溫度過(guò)高為例，顯示了單臺(tái)精密空調(diào)的基本動(dòng)態(tài)過(guò)程。溫度下降過(guò)程對(duì)應(yīng)功率的消耗，即精密空調(diào)調(diào)節(jié)以降低室內(nèi)溫度。溫度上升意味著設(shè)備關(guān)閉，溫度上升是由于室內(nèi)設(shè)備散熱所致。上下邊界1分別為機(jī)房要求的溫度（濕度）上下限，設(shè)定值為機(jī)房最適宜的溫度（濕度）。為了避免室內(nèi)溫度（濕度）波動(dòng)造成的精密空調(diào)頻繁啟停，本文設(shè)置了較為寬泛的關(guān)閉邊界，即當(dāng)室內(nèi)溫度（濕度）下降到下邊界2及以下時(shí)，精密空調(diào)可以依次關(guān)閉；當(dāng)室內(nèi)溫度下降到下邊界1時(shí)，關(guān)閉全部精密空調(diào)。如圖2所示，當(dāng)室內(nèi)溫度高于上邊界1時(shí)，空調(diào)開(kāi)啟，則當(dāng)室內(nèi)溫度下降到下邊界1時(shí)，空調(diào)關(guān)閉。t1~t2及t3~t4時(shí)間段精密空調(diào)處于開(kāi)啟狀態(tài)。

反之，如果室內(nèi)溫度過(guò)低，則溫度上升過(guò)程意味著精密空調(diào)調(diào)節(jié)以升高室溫，溫度下降過(guò)程為精密空調(diào)關(guān)閉后室溫的變化。則精密空調(diào)在溫度低于下邊界1時(shí)開(kāi)啟，在溫度上升到上邊界1時(shí)關(guān)閉。

圖2 單個(gè)精密空調(diào)動(dòng)態(tài)過(guò)程Fig.2 Thermalbehavior of singlehigh-precision air conditioner

3 基于優(yōu)先隊(duì)列法的控制算法

3.1 壽命模型

精密空調(diào)已使用壽命與開(kāi)啟次數(shù)的數(shù)學(xué)模型為：若認(rèn)為精密空調(diào)使用壽命為1，則精密空調(diào)已消耗壽命D可表示為

式中：n為精密空調(diào)已開(kāi)啟次數(shù)；N為整個(gè)壽命周期內(nèi)精密空調(diào)可啟動(dòng)次數(shù)（即空調(diào)壓縮機(jī)可啟動(dòng)次數(shù)）。

3.2 目標(biāo)函數(shù)控制算法的目標(biāo)函數(shù)為

式中：1，2，…，k為可開(kāi)啟的精密空調(diào)編號(hào)；DK為可開(kāi)啟的精密空調(diào)中最短的已使用壽命，K為已使用壽命為最短的精密空調(diào)編號(hào)；Number為選出的精密空調(diào)編號(hào)。

3.3 計(jì)算流程

式（2）給出的模型屬于離散變量排序問(wèn)題，優(yōu)先隊(duì)列法可用于有效求解這一問(wèn)題。隊(duì)列優(yōu)先是多個(gè)元素的集合，每個(gè)元素都有一個(gè)優(yōu)先權(quán)或值，對(duì)優(yōu)先隊(duì)列執(zhí)行的操作有：①查找；②插入一個(gè)新元素；③刪除。

本文采用最小優(yōu)先隊(duì)列（min priority queue），查找操作用來(lái)搜索優(yōu)先權(quán)最小的元素，刪除操作用來(lái)刪除該元素。這里，定義元素為可開(kāi)啟（或可關(guān)閉）的精密空調(diào)編號(hào)k，優(yōu)先權(quán)為對(duì)應(yīng)編號(hào)k的精密空調(diào)的已使用壽命Dk。

隊(duì)列優(yōu)先法計(jì)算流程如圖3所示，每次通過(guò)查找，選擇優(yōu)先權(quán)最小的元素。

（1）確定元素?cái)?shù)目即可開(kāi)啟（或可關(guān)閉）的精密空調(diào)數(shù)目M、元素即每臺(tái)可開(kāi)啟（或可關(guān)閉）的精密空調(diào)編號(hào)k和元素優(yōu)先權(quán)即每臺(tái)可開(kāi)啟（或可關(guān)閉）的精密空調(diào)的已使用壽命Dk。

（2）查找優(yōu)先權(quán)最小的元素。

（3）輸出最小優(yōu)先權(quán)的元素，并將對(duì)應(yīng)精密空調(diào)開(kāi)啟（或關(guān)閉）。

（4）刪除最小優(yōu)先權(quán)的元素。

（5）待該精密空調(diào)關(guān)閉（或可開(kāi)啟）后，將對(duì)應(yīng)元素重新插入隊(duì)列。

圖3 優(yōu)先隊(duì)列法計(jì)算流程Fig.3 Flow chartof Prior QueueMethod

本文控制算法采用實(shí)時(shí)監(jiān)控方法，每隔Δt周期對(duì)室內(nèi)溫濕度進(jìn)行采樣，圖4和圖5分別描述了溫（濕）度過(guò)高和溫（濕）度過(guò)低的情況下多臺(tái)精密空調(diào)系統(tǒng)的控制流程。

溫度過(guò)高時(shí)的具體控制步驟是：

步驟1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度和濕度，一旦溫度或者濕度超過(guò)上邊界1，則轉(zhuǎn)步驟2，否則轉(zhuǎn)步驟3；

步驟2采用優(yōu)先隊(duì)列法增開(kāi)一臺(tái)精密空調(diào)，延時(shí)2Δt；

步驟3室內(nèi)溫濕度在設(shè)定值及以上，則轉(zhuǎn)步驟2，否則轉(zhuǎn)步驟4；

步驟4室內(nèi)溫濕度在下邊界2及以下且已開(kāi)空調(diào)數(shù)不小于1，則采用優(yōu)先隊(duì)列法關(guān)閉一臺(tái)精密空調(diào)，延時(shí)2Δt；否則轉(zhuǎn)步驟5；

圖4 溫度過(guò)高時(shí)集中控制方法流程Fig.4 Flow chartof centralized controlmethod w ith high temperature

步驟5室內(nèi)溫度或濕度達(dá)到下邊界1及以下，則關(guān)閉所有精密空調(diào)，轉(zhuǎn)步驟1；否則，也轉(zhuǎn)到步驟1。

溫度過(guò)低時(shí)的具體控制步驟是：

步驟1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度和濕度，一旦溫度或者濕度超過(guò)了下邊界1，則轉(zhuǎn)步驟2，否則轉(zhuǎn)步驟3；

步驟2采用優(yōu)先隊(duì)列法增開(kāi)一臺(tái)精密空調(diào)，延時(shí)2Δt；

步驟3室內(nèi)溫濕度在設(shè)定值及以下，則轉(zhuǎn)步驟2，否則轉(zhuǎn)步驟4；

步驟4室內(nèi)溫濕度在上邊界2及以上且已開(kāi)空調(diào)數(shù)不小于1，則采用優(yōu)先隊(duì)列法關(guān)閉一臺(tái)精密空調(diào)，延時(shí)2Δt；否則轉(zhuǎn)步驟5；

步驟5室內(nèi)溫度或濕度達(dá)到上邊界1及以上，則關(guān)閉所有精密空調(diào)，轉(zhuǎn)步驟1；否則，也轉(zhuǎn)到步驟1。

這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)在于綜合考慮了多臺(tái)精密空調(diào)的狀態(tài)，并根據(jù)室內(nèi)溫濕度的變化隨時(shí)調(diào)整開(kāi)啟和關(guān)閉策略，避免了單臺(tái)精密空調(diào)的頻繁啟停，從而增加了精密空調(diào)使用壽命。

圖5 溫度過(guò)低時(shí)集中控制方法流程Fig.5 Flow chartof centralized controlmethod with low temperature

4 仿真結(jié)果

選取國(guó)網(wǎng)天津?yàn)I海公司9樓自動(dòng)化機(jī)房作為研究對(duì)象。該機(jī)房共有4臺(tái)精密空調(diào)，擺放在機(jī)房同一側(cè)且間隔一致。假設(shè)室內(nèi)溫度均勻分布，精密空調(diào)壓縮機(jī)的全壽命啟動(dòng)次數(shù)為200 000次。目前，4臺(tái)精密空調(diào)已開(kāi)啟次數(shù)分別為38 394、38 414、38378、38384次，則相應(yīng)的優(yōu)先權(quán)為38394/ 200 000、38 414/200 000、38 378/200 000、38 384/ 200 000，其對(duì)應(yīng)編號(hào)分別為1、2、3、4。采樣周期Δt設(shè)定為5min。

機(jī)房夏季溫度要求為（23±2）℃、冬季溫度要求為（20±2）℃、夏冬兩季濕度要求為（55±10）%。由此，對(duì)本文所述集中控制方法中的溫濕度上下邊界進(jìn)行設(shè)定，具體數(shù)值如表1所示。

選取2014年6月16—22日一周的量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)使用Matlab仿真工具對(duì)本文所述集中控制方法進(jìn)行仿真，結(jié)果如表2所示。結(jié)果顯示，采用集中控制方法后，精密空調(diào)系統(tǒng)由之前的每臺(tái)開(kāi)啟254次變?yōu)?臺(tái)共開(kāi)啟492次，即平均每臺(tái)的開(kāi)啟次數(shù)由254次減少到123次，開(kāi)啟次數(shù)大大減少。另外，從集中控制的結(jié)果可以看出，由于4臺(tái)空調(diào)初始開(kāi)啟次數(shù)不同，因此，采用優(yōu)先隊(duì)列法后，優(yōu)先選用開(kāi)啟次數(shù)少的空調(diào)進(jìn)行控制，待幾臺(tái)空調(diào)開(kāi)啟次數(shù)相同后，才按序號(hào)依次開(kāi)啟。

表1 參數(shù)設(shè)定Tab.1 Parameterssetting

表2 開(kāi)啟次數(shù)結(jié)果對(duì)比表Tab.2 Comparison of start-ups results

根據(jù)表2結(jié)果對(duì)精密空調(diào)系統(tǒng)的使用壽命進(jìn)行估算，結(jié)果如表3所示。在只考慮精密空調(diào)壓縮機(jī)對(duì)壽命影響的理想情況下，每臺(tái)精密空調(diào)的年平均開(kāi)啟次數(shù)由13 208次減少到6 396次，年平均使用壽命由15.1 a延長(zhǎng)到31.3 a，使用壽命延長(zhǎng)了1倍多。按照每臺(tái)精密空調(diào)市場(chǎng)價(jià)15萬(wàn)元計(jì)算，采用集中控制方法后，在精密空調(diào)全壽命周期內(nèi)，濱海公司自動(dòng)化機(jī)房至少節(jié)約4臺(tái)空調(diào)購(gòu)買(mǎi)資金即60萬(wàn)元，極大地減少了機(jī)房運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

表3 使用壽命對(duì)比Tab.3 Comparison of service life

5 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞機(jī)房精密空調(diào)系統(tǒng)，提出了以增加空調(diào)使用壽命為目標(biāo)的集中控制方法。利用優(yōu)先隊(duì)列算法，針對(duì)國(guó)網(wǎng)天津?yàn)I海公司9樓自動(dòng)化機(jī)房，進(jìn)行了仿真計(jì)算。通過(guò)對(duì)比實(shí)際量測(cè)結(jié)果和仿真計(jì)算結(jié)果，表明本文所提出的集中控制方法具有一定的優(yōu)越性，可有效減少精密空調(diào)開(kāi)啟次數(shù)，從而延長(zhǎng)精密空調(diào)的使用壽命，降低機(jī)房精密空調(diào)的更換頻率，最終產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

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Centralized ControlMethod of High-precision Air Conditioner System Based on Prior QueueMethod

LIUMengxuan1，RENBoqiang2，HUXudong3，ZHENQing2，CHEN Lidong2，CAOBeijian2
（1.StateGrid Tianjin Economic Research Institute，Tianjin 300000，China；2.Tianjin Power BinhaiDistrictSupply Company，Tianjin 300450，China；3.Tianjin Power Chengnan DistrictSupply Company，Tianjin 300201，China）

This paperpresentsa centralized controlmethod with the purpose ofprolonging the service life for high precision air conditioner system and constructs themathematical relation between start-ups and service life.According to the used life of single high-precision air conditioner，the proper one is chosen to open using prior queuemethod.A controlmethod was developed tomanage the opening and close of the high-precision air conditioner，based on comprehensive consideration ofmuti-high-precision air conditioner system state and the variation of indoor temperature and humidity，with the purpose ofavoiding opening and close frequently and service life ofsingle high precision air conditioner.Matlab simulation tool isutilized in the simulation based on a computer lab.The simulation resultsare compared with practicalmeasurement results，which verifies that the proposedmethod ismore reasonableand feasible.

priorqueuemethod；high-precision air conditioner；centralized control

TP31

A

1003-8930（2015）04-0098-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.04.017

劉夢(mèng)璇（1985—），女，博士，工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。Email：15900286430@163.com

2014-09-02；

2014-10-30

任博強(qiáng)（1984—），男，碩士，工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度工作。Email：renboqiang1984@163.com

胡旭東（1987—），男，本科，助理工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度工作。Email：30323380@qq.com