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大型数据中心冷源控制系统优化探索与应用

TIME:2020-08-17 10:33:13
随着大数据、云计算、5G技术的时代来临,各互联网公司、通讯运营商、银行等等行业及重点的企业都在构建自主的生态圈与云平台。拥有大量数据流量就能开创下一个时代,所以各地纷纷建设了许多数据中心。数据中心全年不间断运行,稳定可靠、优化的冷源控制系统是数据中心正常运行、高效运维重要保证。

据调研已经投入运行的数据中心,有近30%的数据中心没有实现智能化控制或者控制系统、控制策略的不完善导致整个中心运行效率低、运营能耗的居高不下、运维单位的感觉压力倍增。为了解决上述问题,通过研究探索、工程实践,总结了一些优化控制策略。


某大型数据中心由5幢建筑组成,其中1#建筑安装3台磁悬浮离心式高效冷水机组、2#安装2台磁悬浮离心式高效冷水机组。该项目采用浙江源创建筑GCS大型分布式楼宇控制系统,先进的工业级Contrix控制平台软件。该平台的支持的扰动在线下载技术、组态上传、控制模块在线诊断检测、在线仿真技术可以动态测试控制策略的正确性。本系统的结构详见图(1),该系统中实现的先进功能将后续介绍。

本数据中心冷源系统采用以下优化控制策略:

1、 “金字塔式”群控策略
本项目中5个制冷单元,在手动模式下各制冷单元可以独立运行。由于1#、2#建筑的冷冻水管道、集水器、分水器、蓄冷罐互为连通。采用1个GCU控制器为核心群控控制器进行5个制冷单元控制器的统一管理与调度控制。当一幢建筑制冷水机组冷量可以满足整个数据中心IDC服务器机房负荷要求时另外一幢建筑的制冷单元不用开启。当一个制冷单元出现设备故障时,系统会自动切换到另外一组制冷单元设备。这样大幅度提升了数据中心运行可靠性,多套制冷单元设备设备均处于“多制冷单元冗余”状态。另外智能冷源系统可以实现制冷单元自动加减机,根据IDC机房端负荷、冷机运行负荷、冷水机组电流百分比、出水温度、降温速率统筹计算冷水机组的需求数量,并根据需求数量、设备运行状态、勾选状态、冷水机组累计运行时间计算分析出启动或停止相应制冷单元,使得冷源系统具有灵活的管理方法、便捷的操作方式。
 2、工况模式智能切换
由于数据中心全年不间断运行,随着季度变化室外气温度随之变化,为了节约能源、建设绿色数据中心。数据中心将按照三种工况模式运行:全电制冷、半电制冷、自然冷却。见图(2)即:全电制冷模式,冷冻水完全由冷水机组制冷;半电制冷模式,冷冻水部分冷负荷由冷却水经冷却塔再经板换后进行预降温,另部分冷负荷由冷水机组承担;自然冷却模式,冷冻水所有冷负荷由冷却水经冷却塔再经板换后进行直接将温处理。
系统设计了室外湿球启用和人工选择工况模式两种,一般情况下系统将运行在“湿球启用”状态。系统根据室外干球温度、空气湿度等空气参数计算湿球温度并由此确定冷却水设定温度以及制冷工况模式。当室外温湿度传感器故障时,可以人工设定已勾选制冷单元的工况模式。通过三种工况模式的自动切换,使整个冷源系统处于超低能耗下运行,实现节能降耗的目标。

3、冷源系统“设备智能管理”
数据中心冷源系统中设备数量和种类都特别繁多,将状态合格设备投入运行,这是数据各中心冷源单元可靠运行的基础。例如本项目每个制冷单元冷却塔设备有3台冷却塔风机,什么情况下启动2台风机、什么情况下启动3台风机、什么情况下关闭全部风机,这都需要智能控制策略实现。在运行风机进行增加加减过程中需要实施的判断设备状态、选择运行最短时间的设备。本系统开发的“设备智能管理模块”可以实现:实时设备状态诊断、自动轮询切换、显示运行设备数量、空闲数量、故障设数量、启动成功、失败设备数量、故障预警等。通过设备智能管理模块选择出“最优状态”的设备,延长了设备整体生命周期,系统控制参数非常稳定,确保长期可靠的运行、为高效运维提供数据支撑。

4、智能冷源系统一键启停
冷源控制系统主要包含:冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵、阀门及各类传感设备。冷源系统设计了丰富工况模式管理库、完善的控制流程流程与可靠的安全联锁。系统会根据设备系统在设备启动前系统自动检测各设备状态是否正常。当工况流程执行完毕后,系统再进入制冷流程,为了确保控制指令的有效性,采用信号回检机制,确保下一级设备可靠启动。当该组设备出现故障时系统自动切换到另外一组设备并启动。通过各种逻辑机制的管理控制、整个数据中心可以实现一键启停,系统会根据数据中心IDC机房末端负荷情况进行其他制冷单元的自动启动与停止。
通过数据中心冷源控制优化探索与实践应用,大大提升了数据中心运行与管理效率、提高了数据中心安全性、可靠性,从而正真实现数据中心IDC机房冷源空调系统的节能、绿色可持续发展。


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