基于优先队列法的机房精密空调系统集中控制方法

刘梦璇，任博强，胡旭东，甄庆，陈立东，曹北建

（1.国网天津市电力公司经济技术研究院，天津300000；2.国网天津市电力公司滨海供电分公司，天津300450；3.天津市电力公司城南供电分公司，天津300201）

基于优先队列法的机房精密空调系统集中控制方法

刘梦璇1，任博强2，胡旭东3，甄庆2，陈立东2，曹北建2

（1.国网天津市电力公司经济技术研究院，天津300000；2.国网天津市电力公司滨海供电分公司，天津300450；3.天津市电力公司城南供电分公司，天津300201）

该文针对机房精密空调系统，建立了单台精密空调开启次数与使用寿命之间的数学关系。在此基础上，提出了以增加空调使用寿命为目标的多台精密空调集中控制方法。采用优先队列算法，根据单台精密空调的已使用寿命，选择要开启的精密空调，并综合考虑了多台精密空调的状态，根据室内温湿度的变化控制精密空调开闭，避免了单台精密空调的频繁启停，从而增加了精密空调使用寿命。利用Matlab仿真工具，针对某一自动化机房，进行了仿真计算。通过对实际量测结果和仿真计算结果进行比较，表明文中所提出的集中控制方法的优越性。

优先队列法；精密空调；集中控制

电力公司机房通常会放置主服务器、工作站、交换机、核心路由器等各种设备，这些设备耗电量、发热量都非常大。据统计，在基准温度情况下，温度每升高10℃，计算机的可靠性就下降25%。另外，如果计算机机房室内湿度过高，就会在计算机元件上形成凝结的水滴，导致设备寿命变短[1]。因此，为了保障机房的安全，保障电力自动化信息系统安全、稳定、可靠地运行，规范机房环境，最大程度地避免由此而带来的安全风险，需要将机房的温度和湿度控制在适宜的范围内[2-5]。因此，机房内都会配置精密空调，用于保持机房内恒定的温度和湿度。

目前，精密空调的启停规律一般为：一旦检测到周围温度或湿度超过合理范围立即启动，周围温度或湿度达到关停范围立即关闭[6-7]。这种方法的缺点是多台精密空调之间缺乏统一的控制系统，从而导致单台空调频繁启停。

由于空调的寿命与压缩机的启动次数直接相关，启动一次，电流就要冲击一次，寿命就减少一次，因此，精密空调的寿命与启停次数直接相关，频繁启停必然会造成精密空调寿命缩短，从而增加了机房维护成本[8]。

本文建立了单台精密空调开启次数与使用寿命之间的数学关系，以空调系统使用寿命最长为目标，提出了一种有效延长空调系统使用寿命的集中控制方法，并利用Matlab仿真工具，对使用该控制方法前后的精密空调系统使用寿命进行比较，验证了方法的有效性。

1 机房物理结构

本文研究的机房结构如图1所示。假设室内温度分布均匀，空调摆放在机房的同一侧且间隔一致。

图1 机房物理结构Fig.1 Structure of computer lab

2 精密空调

机房精密空调是能够充分满足机房环境条件要求的机房专用精密空调机，它不但可以控制机房温度，也可以同时控制湿度，因此也称为恒温恒湿空调[9-10]。

图2以温度过高为例，显示了单台精密空调的基本动态过程。温度下降过程对应功率的消耗，即精密空调调节以降低室内温度。温度上升意味着设备关闭，温度上升是由于室内设备散热所致。上下边界1分别为机房要求的温度（湿度）上下限，设定值为机房最适宜的温度（湿度）。为了避免室内温度（湿度）波动造成的精密空调频繁启停，本文设置了较为宽泛的关闭边界，即当室内温度（湿度）下降到下边界2及以下时，精密空调可以依次关闭；当室内温度下降到下边界1时，关闭全部精密空调。如图2所示，当室内温度高于上边界1时，空调开启，则当室内温度下降到下边界1时，空调关闭。t1~t2及t3~t4时间段精密空调处于开启状态。

反之，如果室内温度过低，则温度上升过程意味着精密空调调节以升高室温，温度下降过程为精密空调关闭后室温的变化。则精密空调在温度低于下边界1时开启，在温度上升到上边界1时关闭。

图2 单个精密空调动态过程Fig.2 Thermalbehavior of singlehigh-precision air conditioner

3 基于优先队列法的控制算法

3.1 寿命模型

精密空调已使用寿命与开启次数的数学模型为：若认为精密空调使用寿命为1，则精密空调已消耗寿命D可表示为

式中：n为精密空调已开启次数；N为整个寿命周期内精密空调可启动次数（即空调压缩机可启动次数）。

3.2 目标函数控制算法的目标函数为

式中：1，2，…，k为可开启的精密空调编号；DK为可开启的精密空调中最短的已使用寿命，K为已使用寿命为最短的精密空调编号；Number为选出的精密空调编号。

3.3 计算流程

式（2）给出的模型属于离散变量排序问题，优先队列法可用于有效求解这一问题。队列优先是多个元素的集合，每个元素都有一个优先权或值，对优先队列执行的操作有：①查找；②插入一个新元素；③删除。

本文采用最小优先队列（min priority queue），查找操作用来搜索优先权最小的元素，删除操作用来删除该元素。这里，定义元素为可开启（或可关闭）的精密空调编号k，优先权为对应编号k的精密空调的已使用寿命Dk。

队列优先法计算流程如图3所示，每次通过查找，选择优先权最小的元素。

（1）确定元素数目即可开启（或可关闭）的精密空调数目M、元素即每台可开启（或可关闭）的精密空调编号k和元素优先权即每台可开启（或可关闭）的精密空调的已使用寿命Dk。

（2）查找优先权最小的元素。

（3）输出最小优先权的元素，并将对应精密空调开启（或关闭）。

（4）删除最小优先权的元素。

（5）待该精密空调关闭（或可开启）后，将对应元素重新插入队列。

图3 优先队列法计算流程Fig.3 Flow chartof Prior QueueMethod

本文控制算法采用实时监控方法，每隔Δt周期对室内温湿度进行采样，图4和图5分别描述了温（湿）度过高和温（湿）度过低的情况下多台精密空调系统的控制流程。

温度过高时的具体控制步骤是：

步骤1实时监测室内温度和湿度，一旦温度或者湿度超过上边界1，则转步骤2，否则转步骤3；

步骤2采用优先队列法增开一台精密空调，延时2Δt；

步骤3室内温湿度在设定值及以上，则转步骤2，否则转步骤4；

步骤4室内温湿度在下边界2及以下且已开空调数不小于1，则采用优先队列法关闭一台精密空调，延时2Δt；否则转步骤5；

图4 温度过高时集中控制方法流程Fig.4 Flow chartof centralized controlmethod w ith high temperature

步骤5室内温度或湿度达到下边界1及以下，则关闭所有精密空调，转步骤1；否则，也转到步骤1。

温度过低时的具体控制步骤是：

步骤1实时监测室内温度和湿度，一旦温度或者湿度超过了下边界1，则转步骤2，否则转步骤3；

步骤2采用优先队列法增开一台精密空调，延时2Δt；

步骤3室内温湿度在设定值及以下，则转步骤2，否则转步骤4；

步骤4室内温湿度在上边界2及以上且已开空调数不小于1，则采用优先队列法关闭一台精密空调，延时2Δt；否则转步骤5；

步骤5室内温度或湿度达到上边界1及以上，则关闭所有精密空调，转步骤1；否则，也转到步骤1。

这种控制方法的优点在于综合考虑了多台精密空调的状态，并根据室内温湿度的变化随时调整开启和关闭策略，避免了单台精密空调的频繁启停，从而增加了精密空调使用寿命。

图5 温度过低时集中控制方法流程Fig.5 Flow chartof centralized controlmethod with low temperature

4 仿真结果

选取国网天津滨海公司9楼自动化机房作为研究对象。该机房共有4台精密空调，摆放在机房同一侧且间隔一致。假设室内温度均匀分布，精密空调压缩机的全寿命启动次数为200 000次。目前，4台精密空调已开启次数分别为38 394、38 414、38378、38384次，则相应的优先权为38394/ 200 000、38 414/200 000、38 378/200 000、38 384/ 200 000，其对应编号分别为1、2、3、4。采样周期Δt设定为5min。

机房夏季温度要求为（23±2）℃、冬季温度要求为（20±2）℃、夏冬两季湿度要求为（55±10）%。由此，对本文所述集中控制方法中的温湿度上下边界进行设定，具体数值如表1所示。

选取2014年6月16—22日一周的量测数据进行分析，并根据量测数据使用Matlab仿真工具对本文所述集中控制方法进行仿真，结果如表2所示。结果显示，采用集中控制方法后，精密空调系统由之前的每台开启254次变为4台共开启492次，即平均每台的开启次数由254次减少到123次，开启次数大大减少。另外，从集中控制的结果可以看出，由于4台空调初始开启次数不同，因此，采用优先队列法后，优先选用开启次数少的空调进行控制，待几台空调开启次数相同后，才按序号依次开启。

表1 参数设定Tab.1 Parameterssetting

表2 开启次数结果对比表Tab.2 Comparison of start-ups results

根据表2结果对精密空调系统的使用寿命进行估算，结果如表3所示。在只考虑精密空调压缩机对寿命影响的理想情况下，每台精密空调的年平均开启次数由13 208次减少到6 396次，年平均使用寿命由15.1 a延长到31.3 a，使用寿命延长了1倍多。按照每台精密空调市场价15万元计算，采用集中控制方法后，在精密空调全寿命周期内，滨海公司自动化机房至少节约4台空调购买资金即60万元，极大地减少了机房运行维护费用。

表3 使用寿命对比Tab.3 Comparison of service life

5 结语

本文围绕机房精密空调系统，提出了以增加空调使用寿命为目标的集中控制方法。利用优先队列算法，针对国网天津滨海公司9楼自动化机房，进行了仿真计算。通过对比实际量测结果和仿真计算结果，表明本文所提出的集中控制方法具有一定的优越性，可有效减少精密空调开启次数，从而延长精密空调的使用寿命，降低机房精密空调的更换频率，最终产生巨大的经济效益。

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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

刘梦璇（1985—），女，博士，工程师，主要从事电网规划设计工作。Email：15900286430@163.com

2014-09-02；

2014-10-30

任博强（1984—），男，硕士，工程师，主要从事电网调度工作。Email：renboqiang1984@163.com

胡旭东（1987—），男，本科，助理工程师，主要从事电网调度工作。Email：30323380@qq.com