基于貝葉斯網絡的智慧園區數據中心供配電系統設計

袁江輝

(北京中盛國華工程技術有限公司，北京 100070)

0 引言

在計算機技術高速發展的作用下，大、中、小型園區對于計算機處理器的應用非常普遍，各企業也在向信息化靠攏。因此，為滿足智慧園區發展需求，數據中心建設已經受到廣泛重視,為了對數據中心的穩定運行提供保障，需對供配電系統的供電質量提出高要求。

陳錦濱[1]提出了智慧節能型的供配電方法，以節約成本、提高供電質量、最大程度減少設備能耗為主要目標為配電系統設計提供新方向。傾楠等[2]將無線供電模式引入到供配電系統中，在電源分系統使用無線傳輸技術，并在供電子系統利用無線方式接收外部電能。

上述方法并不能提前預知系統是否會發生故障，對故障預防沒有進行針對性分析，且不具備能夠量化的衡量指標，為此本文利用貝葉斯網絡對智慧園區數據中心的供配電系統進行設計。貝葉斯網絡的最大優勢在于可以較好的描述不確定的信息，完成不確定的推理，將此方法引入到系統中建立預測模型，實現對系統中各模塊的故障評估，進而保障系統穩定運行，提高供配電質量。

1 基于貝葉斯網絡的供配電系統設計

1.1 供配電中心整體結構設計

系統設計過程中按照上述原則采用模塊化思想，將系統分為如圖1所示的四大模塊。

圖1 供配電系統模塊化示意圖

該系統的總體結構如圖2所示，其供電模式為雙路供電[3]。主要設備包括不間斷電源[4](UPS)、電池組、發電機與配電柜，上述設備占地面積很大且質量重，所以在安置這些設備時需合理規劃，減少對空間的占用。

圖2 供配電系統整體結構圖

1.2 系統模塊設置

市配電柜供電電源選擇10 kV電壓，而設備總容量在250～6 000 kVA之間，因此供電容量非常有限[5]，當供電需求擴大時，必須結合實際情況調節供電電壓。為防止供電不足為數據中心發展帶來的不便，當規劃用電量增加時，通過高于35 kV的電壓進行供電[6]。

1.2.1 不間斷電源模塊

根據電網實時狀況改變市電頻率，提供后備時間，儲能設備可以在出現電網故障后還能提供較長時間的電能。正是上述這些優勢使UPS成為負載最為理想的電源。

在選擇不間斷電源時，需重點考慮負載率、可用性與電池放電時間[7]。

敏感負載從不間斷電源中吸取的功率占額定功率Sn比例的計算公式如下：

(1)

設置額定功率時需預留出適當余量，尤其是針對未來需擴容的系統,此種狀況下，必須確保擴容后的UPS依舊保持冗余功率。

不間斷電源的效率表達式如下：

(2)

由式(2)可知，輸入功率越大，損失的熱量則越小，則所需的冷卻裝置功率也越小。此外，也可通過額定負載獲取效率：

(3)

將額定功率Sn乘上0.9即可獲得UPS存在的額定有功功率Pn。

為保證電源的持續供電能力，必須保證其質量符合負載需求概率[8]：

(4)

式中，MTTR代表平均故障恢復時間，MTBF為平均故障間隔時間，前者是配電系統由非運行狀態到運行狀態的平均時間。

放電時間是UPS種類選擇的重要指標，其表示斷電后，電源還能為數據中心提供服務的時長。在斷電期間內，維修人員需切換供電線路或啟動發電機,在計算出負載容量后，即可獲取對應的UPS容量，以此可知電池放電時間。

為滿足UPS需求，直流功率Pdc為

(5)

式中，SUPS代表無間斷電源容量，η逆變器表示逆變器效率。

因此，獲得任意一組蓄電池串聯數量：

(6)

式中，UτUPS與UτB分別代表UPS與電池的截止電壓。

則需要的電池組數量計算公式如下：

(7)

在并聯情況下電池組應小于4組，即G≤4，由于蓄電池自身存在內阻，且內存分散性較強,若并聯組數較多，蓄電池在放電過程中會導致電池之間出現環流現象，導致輸出減少。如果計算出的結果為G>4，此時需更換較大容量的蓄電池。

經過對比多個廠家生產的UPS，最終選取NX 250-800 kVA不間斷電源。該產品的優點如下：使用雙向自由變換設計方法，將市電中容易出現的電網污染與故障進行隔離；輸入電壓的裕度較大，即使電網環境惡劣，發生故障的概率也較低；節能效果顯著，可達到智能并機目的；能夠迅速確定故障零件位置，改善系統應用性；節省占地面積，且安裝方便；可隨時增減電池組數量。

1.2.2 照明配電模塊

照明系統分為機房辦公照明與應急照明[9]兩部分,此模塊的電源是配電箱對其供電。

機房與辦公照明應選用節能效果較好的熒光燈，且燈具應利用分區方式進行管控。辦公區域的照明度應該高于0.7，其計算方法是最小照度除以平均照度,非辦公區域的照明度一般為辦公區域的三分之一。

為了應對緊急突發事件，機房照明區應采用備用與疏散照明方式，核心機房和輔助區域的照明標準值如表1所示。

表1 照明標準值表

應急照明設備一般在主機房和消防通道中。照明燈需嚴格按照國家相關標準選取，將其作用最大程度發揮出來。應急照明系統具有如下兩種供電方法：如果UPS電源設備可以正常工作，則UPS對其供電；如果UPS處于故障狀態，則利用輔助供電設備對其供電。

本文選擇的照明設備均滿足數據中心照明需求，燈具均為600×1 200 mm的日光燈,此款燈具與普通燈具相比，不但更加節能，還能減少對環境的諧波污染。

1.2.3 防雷模塊

供配電系統中的防雷模塊應根據數據中心的實際情況進行設置，并采用分級保護措施。當有雷電天氣出現時，可將交流電源的最大同流量擴大。此外，為減少雷電損壞計算機事件發生，當檢測到存在過載電壓或電流時，應快速將市電引入地線上,同時在設置防雷模塊時，還有結合當地氣象部門對雷電統計的相關數據。

本文將二級防雷器放在動力柜前方，再將負載的某一側使用防雷設備對其提供保護，并設計了B級防雷器，其性能參數如表2所示。

表2 B級防雷器參數表

1.3 供配電系統故障預測算法設計

對系統各模塊部件設置完成后，要想確保各子系統的安全可靠運行，必須在該系統中設計一種故障預測算法。因供配電系統的可靠性參數不容易采集，而且數據中心還存在一些不確定性因素，本文利用貝葉斯算法對各模塊進行故障預測。

貝葉斯算法利用先驗信息[10]有效解決可靠性樣本數據缺乏問題，提高預測精度。在配電系統中，一些設備是能夠修復的，正常條件下，設備的故障概率較低，一般可將現場采集到的故障數據當作樣本。

在獲得樣本數據后，最為關鍵的問題就是合理選取先驗分布，這一操作直接關系預測精度。

因系統內設備的壽命滿足指數分布要求，則故障率θ表現出的共軛先驗分布為伽馬分布時能夠符合工程需求，此時密度函數表達式為

(8)

(9)

式中，超參數a、b和e可通過先驗矩陣方式計算。結合相關經驗，按先后順序將故障率先驗序列表示為θ1,θ2,…,θn，使用經典統計法獲得該序列的平均值與方差：

(10)

(11)

由于不同時間段產生的設備信息對故障率的參考價值有所差異，可根據實際經驗對其賦值，此時平均值與方差的表達式如下：

(12)

(13)

針對伽馬分布，故障率的平均值與方差可描述為

(14)

假設他們分別相等，即可計算出超參數a與b的預測值。

(15)

計算出超參數后，根據先驗信息構成的先驗分布與采集到的信息確定估計參數的后驗分布。假設供配電系統中設備的總試驗時間表示為T，故障次數為r，每次故障的時間計作t1,t2,…,tr，則后驗分布描述為

(16)

因此可獲得系統中各模塊的貝葉斯估計值：

(17)

通過上述過程，即可預測出供配電系統的故障概率，為該系統穩定運行提供技術保障。

2 仿真實驗數據分析與研究

為證明該供配電系統的可靠性，將某數據中心作為試點，此項目占地500余畝，交通便利，風景優美，地理位置優越。數據機房占地15萬平方米，分三個周期完成建設,現場選取多個測點，為確保測量效果，選擇5負載率高的點進行測試。

電壓偏差是指系統在正常狀態下任意一點的真實電壓和額定電壓之間存在的偏差,其表達式如下：

(18)

式中，Urc代表某點真實電壓，UN為系統額定電壓，其單位均為kV，δU為電壓偏差。

220 V供電電壓下，允許的電壓偏差為-10%～7%，將文獻[1]、文獻[2]與本文方法設計的系統進行電壓偏差對比，得到的對比結果如表3所示。

表3 不同系統電壓偏差對比表

由表3可知，在3個供配電系統中，本文方法設計的系統表現出的電壓偏差均在允許范圍內，而文獻[1]和文獻[2]方法均有超出允許值的情況，其中文獻[2]方法在個別試點上超出較多。本文系統設置了不間斷電源，確保電壓與頻率的波段范圍在一定區間內進行,此外本文設計的各部件故障預測方法能夠獲取各模塊的工作狀態，發現問題后及時搶修，進一步保證系統的穩定運行。

由于兩個對比系統中均沒有設置防雷功能，當有雷擊發生時，電壓變化趨勢相同,而本文方法設計了雷擊保護模塊，因此在有無雷擊保護下的電壓波形如圖3所示。

圖3 有無雷擊保護模塊的電壓波形圖

由圖3可知，當有雷電發生時，沒有保護功能的供配電系統電壓的短時間上升速度非常快，而后續的電壓波形電壓下降速度也相對較快，這會導致系統故障,而本文設計的系統即使在發生雷電后，也能對電壓有一定的控制作用。

3 總結

由于智慧園區數據中心對供電質量的要求很高，故供配電系統是保證數據中心穩定運行的重要基礎。本文利用貝葉斯方法對供配電系統進行設計,通過模塊化思想設置系統各模塊功能，構建貝葉斯故障預測模型保證各模塊的安全穩定。仿真實驗證明，該系統的電壓偏差均保持在允許偏差范圍內，且可以得到有效的雷擊保護。在今后研究中，應將重點放在節能環保上，進一步實現數據中心的可持續發展。