计算机机房供电系统的优化毕业设计论文.docx

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计算机机房供电系统的优化毕业设计论文

计算机机房供电系统的优化

摘要

计算机机房的供电系统的优化设计。

主要基于确保供电系统的安全性、可靠性的前提下，针对系统进行可行性的优化。

通过在工作中的经验积累，并结合节能环保的意识，分析计算机机房供电系统结构、容量、质量，以实现优化目的。

在节能减排的大背景下，论文以计算机供电系统为缩影，展开本次优化设计讨论的论题。

在社会活动中计算机机房占据着重要角色，因此其对供电系统的要求也较其它普通负荷更加严格。

不仅基于电能的质量，系统的稳定，乃至数据的安全性都至关重要。

满足高质量的同时，高能耗的产生也是必然的。

特此本文以供电系统特点，来阐述优化系统概念。

关键词：

节能优化设计结构容量质量

Abstract

Theoptimizationdesignofcomputerroom’spowersupplysystemmeanstomakefeasibilityoptimizationtothepowersupplysystemonbasisofensuringitssecurityandreliability.Throughtheworkexperienceandenvironmentalawareness,analyzethestructure,capacityandqualityofcomputerroom’spowersupplysystem,inordertorealizetheoptimization.

Inthebackgroundofenergy-savingandejection-decreasing,usingcomputerpowersupplyasanepitome,thethesisstartswiththetopicofoptimizationdesign.Computerroomplaysanimportantroleinthesocialactivities,towhichpowersupplysystemhasbeenstricterthanothercommonload.Notonlyelectricityqualityandsystemstability,butalsosecurityofdataismostimportant.Satisfythehighquality,whilehighEnergy-consumingcertainlyexists.Thethesisexpoundstheconceptofoptimizationdesignsystemasthefeatureofpowersupplysystem.

Keywords:

saveenergyOptimizationdesignstructurecapacityquality

摘要Ⅰ

AbstractⅡ

目录Ⅲ

TOC\o"1-2"\u第一章机房供电系统结构

第1节电力系统运行方式

第2节电力线路

第三节机房供配电线路运用

第二章机房供电负荷计算

第一节负荷分类

第二节负荷计算

第三节系统负荷计算

第三章系统变压器探讨

第一节电力变压器选择

第二节变压器容量计算

第三节隔离变压器

第四章供配电设备要求

第一节低压配电设备分析

第二节配电系统设计方案

第三节优化系统设计

第五章机房后备供电设备

第一节不间断电源（UPS）

第二节UPS容量计算

第三节UPS系统设计

第四节UPS维护

第六章系统优化

第一节系统优化的意义

第二节机房空调系统优化

第三节机房设备能耗优化

致谢

参考文献

第一章机房供电系统结构

第一节电力系统运行方式

一、供配电系统概述

计算机机房供配电系统是电力系统的电能用户。

也是电力系统的重要组成部分。

了解电力系统的运行方式，对机房配电系统的优化有指导作用。

供配电系统由总降压变电所，高压配电所、配电线路、车间变电所或建筑物变电所和用电设备组成。

图1-1所示为供配电系统结构框图。

总降压变电所是用户电能供应的枢纽。

将35~110kV外部供电电源降为6~10kV高压配电电压，高压配电所集中接收6~10kV电压，再分配到用电设备。

车间变电所或建筑物变电所将6~10kV电压降到380/220V电压，供低压用电设备使用。

本论文主要是以建筑物所用变电所及低压用电负荷为对象进行讨论，以实现系统的优化目的。

二、电力系统的中性点运行方式

电力系统的中性点是指星形连接的变压器或发电机的中性点。

中性点的运行方式有四种：

中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统、中性点经电阻接地系统和中性点直接接地系统。

前三者为小接地电流系统，有称中性点非有效性接地系统；后一种为大接地电流系统，又称中性点有效接地系统。

中性点的运行方式主要取决于单相接地时电气设备绝缘要求及对供电可靠性要求。

1.2.1中性点不接地的电力系统

图1-2所示为中性点不接地系统。

三相导体沿线路全长有分布电容C表示，并设三相对地电容相等。

系统运行时，线电压对称，各项对地电压对称，等于各相相电压，中性点对地电压为零。

中性点不接地电力系统发生单相接地故障，相电压发生变化，线电压保持平衡，因此，三相用电设备仍可以继续运行。

但为了防止造成二相短路的情况，所以规定单相接地继续运行时间不得超过2小时。

1.2.2中性点经消弧线圈接地的电力系统

如图1-3所示，当中性点不接地系统的单相接地电流超过规定值时，为避免产生断续电弧，引起过电压和造成短路，减小接地电弧电流使电弧容易熄灭，中性点应该经消弧线圈接地。

中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地时，各相对地电压和对地电容电流变化情况与中性点不接地系统相同。

1.2.3中性点直接接地的电力系统

中性点直接接地系统发生单相接地时，通过接地中性点形成单相短路，产生很大短路电流，继电保护动作切除故障线路，使系统的其他部分恢复正常运行。

图1-4为发生单相接地时中性点直接接地系统。

由于中性点直接接地，发生单相接地时，中性点对地电压仍为零，非接地相对地电压也不发生变化。

1.2.4中性点经电阻接地的电力系统

中性点经电阻接地分为高电阻接地和低电阻接地。

高电阻接地方式以限制单相接地电流为目的，电阻值一般为数千欧姆。

可以消除大部分谐振过电压，单相间隙弧光接地对过电压有一定的限制作用。

中性点经低电阻接地方式适用于以电缆线路为主，容易发生瞬时性单相接地故障，而且系统电容电流比较大的城市电网、发电厂用电系统及企业配电系统。

第二节电力线路

对电力线路的基本要求：

供电安全可靠，操作方便，运行灵活、经济和有利发展。

电力线路的接线方式将决定机房供配电线路的方式。

一、放射式接线

放射式接线是指沿变配电所母线上引出的一线路直接向一个车间变电所或高、低压用电设备供电，沿线不支接其他负荷。

放射式接线具有结构简单，操作维护方便，引出线发生故障时互不影响，供电可靠性高等优点，但该接线使变配所的出线较多，采用的开关设备多，有色金属消耗量也太多，投资较大，主要用于重要负荷大型设备的供电。

计算机机房供配电系统优化以求实现资源充分利用。

放射式接线方式消耗较大，因此不可取。

二、树干式接线

树干式接线是指由变配电所母线上引出的配电干线上，沿线支接了几个车间变电所或用电设备的接线方式。

下图1-4为树干式高压配电接线线路图，图1-5为双树干式接线低压线路图。

树干式接线与放射式接线相反，引出线和有色金属消耗量少，投资节约，但供电可靠性较差，适用于不重要负荷、小型用电设备或容量较小且分布均匀的用电设备的供电。

3、环形接线

环形接线是树干式接线的改进，两路树干式接线连接起来就构成了环形接线。

环形接线运行灵活，供电可靠性较高。

环形接线有“闭环”和“开环”两种运行方式。

“闭环”运行方式，即环形接线中某一开关断开，正常时成为两树干式接线运行。

环形接线在现代城市配电网中应用广泛。

机房供电线路中，通过主变压器，备用变压器，不间断电源，构成2个闭环环形，来提高系统可靠性。

第3节机房供配电线路运用

供配电系统线路要求电能质量、供电连续性。

由UPS系统保证电源的输出质量，通过双电源开关设备控制单元保证了电源持续供应。

根据图示为最基础的供电线路图，以小型机房使用一台UPS设备为例，由主变压器直接向空调设备供电；经过UPS系统向计算机设备供电。

当主变压器故障或检修时，通过双电源开关控制主、备变压器切换，保证设备持续稳定运行，确保机房空调系统供电持续。

保持机房环境恒定、设备运行环境优越。

备用变压器始终处于通电状态，通过双电源内部检测单元进行监控，并反馈控制单元，进行开关设备间的自动切换。

第2章机房供电负荷计算

用户有各种用电设备，它们的工作特征和和重要性各不相同，对供电的可靠性和供电质量要求也不同。

因此，应对用电设备或负荷分类，以满足负荷对供电可靠性的要求，保证供电质量，降低供电成本。

第1节负荷分类

计算机机房负荷一般分为照明设备、计算机设备、精密空调设备、以及其他辅助设备。

1、照明设备

机房照明是机房建设的重要组成部分。

根据不同机房的建筑要求和环境的特点，照明设计是不一样的，一般都会从以下几个方面考虑：

计算或查找到合适的照度水平、处理好空间亮度分布、把握色温和显色性、对眩光加以有效限制、创造正确地投光方向等，从而构建完美的造型和立体感，建立良好的视觉环境。

应急照明设备也应具备同样的功能。

同时机房照明设计更应以绿色照明、节约能源和保护人们的身心健康为出发点。

2、计算机设备

计算机设备是计算机机房中的末端设备。

这些设备有几个不同的系统构成。

如计算机数据处理系统、局域网交换系统、机房监控系统、机房消防系统等。

主要包括计算机主机设备、网络设备、保安监控设备、大屏显示、音响、消防、应急照明等。

这些设备大多由UPS输出供电。

对电源的可靠性要求高，对电源的质量非常敏感。

在系统供电中占整个系统40%以上。

尽管如此，这些设备在系统优化中，并不是主要对象。

3、精密空调设备

计算机机房精密空调设备，属于机房新风系统中的主要设备。

机房主要是设备散出的湿热，室内工作人员散出的热负荷及夏季进入房间的新鲜空气的热湿负荷（仅占总负荷的5%）。

并且冬季是需要加湿而不是减湿，即使在冬季机房仍需要消除热负荷，特别是程控机房更是如此。

机房专用精密空调机送风形式多为上送下回和下送上回式。

机房中铺设防静电活动地板，机房专用精密空调采用下送上回式送风，使冷气直接进入活动地板下，这样使地板下形成静压箱，然后通过地板送风口，把冷气均匀地送入机房内，送入设备机柜内。

为此，机房专用精密空调应有足够的风量把机房中的热量带走。

采用这种送风形式可大大提高空调效率，同时还可以大幅度节省过去习惯的管道送风的工程费用，降低工程造价，使室内布局美观。

这是机房理想的送风方式。

当然，机房送风形式要与设备散热形式一致。

第2节负荷计算

负荷计算是供配电系统正常运行的计算，是正确选择机房供配电系统中导线、电缆、开关电器、变压器等的基础，也是保障供配电系统安全可靠运行必不可少的环节。

1）照明设备

1、不用镇流器的照明设备（如白炽灯、碘钨灯）的设备容量就是其额定功率，即

2、用镇流器的照明设备（如荧光灯、高压水银灯）的设备容量要包括镇流器中的功率损失，

即

3、照明设备的设备容量还可按建筑物的单位面积容量法估算，

即

2）负荷设备计算方法

针对不同类型的用户和不同类型的负荷，负荷计算一般有四种。

估算法、需要系数法、二项式法、单项负荷计算法。

计算机机房设备以单项设备为主，考虑保持三相负荷平衡，其负荷计算我们采用单项负荷计算法。

三相线路中单相设备的总容量不超过三相总容量的15%时，单相设备可按三相负荷平衡计算。

三相线路中单相设备的总容量超过三相总容量的15%时，应把单相设备容量换算为等效三相设备容量，再算出三相等效负荷。

1、单相设备组的等效三相设备容量

2、单相设备组的等效三相计算负荷

3）精密空调计算方法

方法一：

功率及面积法

Qt=Q1+Q2

Qt总制冷量（kW）

Q1室内设备负荷（=设备功率×0.8）

Q2环境热负荷（=0.18kW/

×机房面积）

方法二：

面积法（当只知道面积时）

Qt=S×P

Qt总制冷量（kW）

S机房面积（m2）

冷量估算指标（根据不同用途机房的估算指标选取）

第3节系统负荷计算

确定用户的系统负荷是选择电源进线和一、二次设备的基本依据，是机房供配电系统设计的重要组成部分，也是计算机系统优化的基础。

系统负荷计算的原则和步骤:

●将用电设备分类，采用需要系数法确定各用电设备组的计算负荷；

●根据机房供配电系统图，从用电设备朝电源方向逐级计算负荷；

●在配电点处考虑同时系数；

●在变压器安装处计算及变压器损耗；

●用户的电力线路较短时，可不计电力线路损耗；

1.供给单台用电设备的支线计算负荷确定（如图1点）

目的：

用于选择其开关设备和导线截面。

因给单台设备供电，故不存在同时系数（即

）;又因为线路长度较短，线路效率可视为1（

）；而且设备最大运行方式一般可达到额定状态，负荷系数也可以取1（

），此时

，则

式中，

为单台设备容量；

为单台设备额定效率；

为单台设备额定功率因数角的正切值；

为用电设备的需要系数。

2.用电设备组计算负荷的确定（如图点2处）

目的：

用来选择机房配电干线及干线上的电气设备

用电设备组是指用电设备性质相同的一组设备（2台以上）。

例如空调几组等，计算负荷按下式：

式中，

为设备组容量之和（kW）；

为设备额定线电压；

为单台设备额定功率因数角的正切值；

为用电设备的需要系数。

3.多组用电设备组的计算负荷（如图点3处）

目的：

用以选择建筑物低压母线及其以上的开关设备。

如果该干线上有多组用电设备，各用电设备的最大负荷不一定同时出现，所以负荷计算要计入同时系数，按下式子计算：

式中，

为有功负荷的同时系数（0.85-0.95）；

为无功负荷的同时系数（0.9-0.97）；

为各组设备有功计算负荷之和；

为各组设备无功计算负荷之和。

4.机房低压母线的计算负荷（如图点4处）

目的：

用以选择建筑物变电所的变压器容量。

考虑每根干线上的最大负荷不一定同时出现，所以要引入一个同时系数，计算公式如下：

此时式中，

取（0.9-0.95）；

取（0.93-0.97）；

为各干线上的有功计算负荷之和；

为各干线上的无功计算负荷之和。

5.机房高压母线的计算负荷（如图点5处）

目的：

以选择高压配电及其以上的电气设备。

在这里我们不做计算要求。

机房用电设备属于终端用户，往往只考虑到低压母线的供电方案。

机房用电系统要求提供的电源额定容量一般以两种方式给出：

（1）确定机房用电系统的总功率大小或机房用电系统的总电流。

这是选取电力设备、总断路器、供电电缆、机房的总发热量以及精密空调时都必需考虑的问题。

通常供电总功率应留有不少于25%的余量。

（2）确定各机柜、分机、设备等所要求的工作电流。

这对设计计算机机房的配电柜、选取合适的传输导线和分路开关也是必需的。

针对电气设备额定电流，在整定总断路器和分路开关时要注意电气设备的启动电流值。

在进行方案设计时，有些经验数据可供估算时参考，如：

1）UPS功率：

主机房可按350W～400W╱m2计算；照明用电可按15W～20W╱m2计算。

2）空调机电功率要根据机房制冷量考虑。

主机房制冷量按400W╱m2计算，辅助机房制冷量按300W╱m2计算，然后再根据电气设备不同的效率和换算系数，确定空调系统用电负荷量。

第三章系统变压器探讨

第一节电力变压器选择

电力变压器在机房供电系统中，是关键的一次设备，其主要功能是升高或降低电压，以利于电能的合理输送、分配和使用。

在计算机机房供配电系统中，电源进线采用降压干式变压器；也称为配电变压器。

在系统中也有在计算机设备前设计隔离变压器，主要为确保系统的电能质量。

为实现系统的优化，电力变压器的选择尤为关键。

应选用低损耗节能型变压器系列，常用S9或S10系列。

对于现代计算机机房而言，多数机房位于高层建筑、地下建筑等对消防要求较高的场所，宜采用干式电力变压器（SC,SCZ,SG等）。

第2节变压器容量计算

变压器容量计算公式

变压器的功率是决定于负载的,即:

P2=U2II2I+U2III2II+......+U2nI2In（VA）

P1=P2/η（VA）

式中:

P2变压器次级功率计算值

P1变压器的初级功率计算值

U2I和U2II......变压器次级各绕组电压（V）,其值由负载决定.

I2I和I2II......变压器次级各绕组电流（A）,其值由负载决定.

η为效率

变压器容量1KVA以下的变压器容量小,效率较低,变压器容量在100VA以下的,η选小值;变压器容量在100VA到1000VA者选大值.硅钢片质量差的η可选0.7，U1为初级电压（V）。

I1=P1/U1（1.1到1.2）（A）

式中的系数1.1到1.2为考虑到空载激磁电流的经验系数

第三节隔离变压器

拥有两个或两个以上独立分开的线圈的变压器都可以叫隔离变压器，因为初级和次级已经完全分开（隔离），是通过磁场来传递能量。

隔离变压器在系统中的使电源稳定，供电质量优化。

隔离变压器在交流电源输入端的特点：

●计算机机房三次谐波和干扰信号比较严重，采用隔离变压器，可以去掉三次谐波和减少干扰信号。

●采用隔离变压器可以产生新的中性线，避免由于电网中性线不良造成设备运行不正常。

●非线性负载引起的电流波形畸变（如三次谐波）可被隔离而不污染电网。

针对空调供电系统。

隔离变压器在交流电源输出端的特点：

●防止非线性负载的电流畸变影响到交流电源的正常工作及对电网产生污染，起到净化电网的作用。

●在隔离变压器输入端采样：

使得非线性负载电流的畸变不影响取样的准确性，得到能反应实际情况的控制信号。

●若负载不平衡，也不影响稳压电源的正常工作。

隔离变压器优劣：

利用隔离变压器的电气特性，使系统供电质量大幅提高，降低了系统电能污染的风险。

保持机房供电系统的电能质量，同时也保证了系统运行的效率。

隔离变压器在机房中的运用还是非常普遍的。

在运用隔离变压器的同时，也产生了新的问题。

变压器的自身发热，直接导致机房环境温度的升高，不利于设备的运行。

间接系统对机房空调设备的要求也更加严格，固然在系统设计时，也无意间提高了机房的能耗。

因此，在电网质量较好的地区，可以不用串联隔离变压器。

第四章供配电设备要求

第一节低压配电设备分析

照明系统

计算机机房照明的好坏不仅会影响计算机操作人员和软、硬件维修人员的工作效率和身心健康，而且还会影响到电子机房的可靠运行。

因此合理的选择照明控制方式、灯具类型、布局及一些相关器材等在电子机房的装修和电气工程设计中是不可忽视的。

　　机房照明系统还应考虑应急照明系统。

应急故障照明一般采取两种方案，一种是将照明电路中的一路由UPS供电，在停电时，由UPS提供照明。

另一种方案是采用带15分钟后备蓄电池的应急日光灯，应急照明平均照明度为60Lx.照明供电一般由市电供电，当市电停止时才转入应急供电系统。

灯具的控制要分区、分路、集中控制，尤其是大面积照明场所的灯具，要分区、分段设置开关。

一般照明采用电子镇流器，当采用电感镇流器时，应加电容补偿器。

此外，机房内应设置备用照明是正常照明的一部分，其容量一般是正常照明。

动力配电系统

总配电柜馈出的动力供配电系统采用50Hz交流电，380／220V三相五线电源，TN－S接地方式，零线和地线分开设置且零地线之间电压小于1V。

动力配电柜、照明配电箱采用放射式配电直接配至各用电设备。

机房内所有线缆须设计钢制桥架、线槽或钢管敷设。

由于精密空调的供电电流大、负载动态范围宽，为防止干扰，应考虑另选路径单独敷设电缆。

动力配电柜（箱）具有火警联动保护功能，出现火警时可与消防系统联动及时切断电源，关闭防烟防火阀，并且在值班室安装手动电源切断装置。

动力柜、照明箱内的开关和主要元器件采用进口产品，并设置有效的防雷措施。

有条件时，大型机房最好采用专用电力变压器供电。

UPS配电系统

UPS供配电系统的供电范围是计算机设备（主机和附属设备）、通信设备、网络设备、保安监控设备、消防系统、应急照明等。

UPS输出配电回路（每个配电控制开关为一个回路）需按机房内设备要求设置，小型机／服务器、网络核心交换机及重要路由器要由独立双回路供电，其他计算机设备可用一个回路带3～4个插座，固定于地板下。

UPS供配电系统的可靠性，最主要采用了双电源末端双刀互投方式。

配电回路要预留若干个插座待以后扩展用，安全插座型号、数量及位置可根据最终机房内设备数量考虑。

UPS主机的电源应设计单独回路馈送，不得与空调使用同一回路。

第2节配电系统设计方案

（1）直接供电。

将变电所送来的工频交流电直接送给计算机设备配电柜，然后再分配给计算机设备。

直接供电方式具有设备少、投资运行费用低、供电简单、维修方便等优点。

缺点是对电网质量要求高，容易受电网及负载变化的影响。

一般来说，大中城市的供电系统可以满足主机及外围设备对电网质量的要求，但设计时要注意避免机房附近有较大负载的启动、电磁干扰等情况。

（2）隔离供电。

在交流进线后面加一个隔离变压器，然后再送给计算机。

隔离变压器的一次侧和二次侧之间均加屏蔽层，并各引出一个抽头与一次侧、二次侧的零线连接，再经耦全电容接地，对电网瞬变干扰有隔离和衰减的作用。

（3）交流稳压器供电。

50Hz的工频电源经交流稳压器后，再供计算机使用，可以衰减许多暂态冲击、幅度波动和电压脉冲，但无法纠正电源频率波动。

（4）发电机组供电。

某些电网电压不稳定时或在特定环境下，需要外电网交流输入，经整流后驱动直流电机，再带动发电机产生交流输出。

若电网停电，可利用蓄电池提供直流驱动，满足一段时间内不停电的需求。

通过测速电机和惯性飞轮等装置调整输入／输出电流，使输出电压和频率不随电网的波动而变化。

（5）不间断电源（UPS）供电。

由于采用了脉宽调频技术、高效功率器件的成熟、微处理器的发展等因素，不间断电源已经成为计算机机房供电的主要手段。

不间断电源最大的特点在于不间断性，而且能最大限度地提供稳定电压，隔离外电网的干扰。

外电网一旦停电，UPS能在设备所允许的极短时间内（从微秒到毫秒级）自动从备用能源经逆变器变换成电压、频率和相位都与原供电电源相同的电能继续向计算机供电。

或者平时由逆变器供电，只在逆变器发生故障时，由静态电子开关自动将设备瞬时切换到外电网供电或切换到另一台与之并联的UPS上，实现不间断供电。

UPS提供的电源具有较高的电压和频率稳定性，波形失真也较小，干扰更优于外电网，是计算机系统最理想的供电方式。

几乎所有的重要计算机设备都采用UPS供电。

以上5种供电设计方案，都有各自的优劣。

供电系统优化的目的在余对不同的设备进行不同的供电设计选择。

根据负载要求设计适合的供电系统。

第3节优化系统设计

供电系统设计对一个机房的设备用电效率起决定性作用。

设计的方案应尽可能的