一种数据中心配电系统地线电流动态仿真方法与流程

1.本发明涉及计算机技术领域，特别是涉及一种数据中心配电系统地线电流动态仿真方法。


背景技术：

2.数据中心作为集中存储、处理信息的特殊建筑，其安全性、可靠性至关重要。对于数据中心的动力基础设施部分，其通常包括配电系统、制冷系统和弱电系统。配电系统由高压柜、变压器、低压柜、ups、列头柜等构成一个电力供应通路，保障服务器和制冷系统正常运行所需的电力。制冷系统由室外机(或冷水机组、水泵等)、室内精密空调等构成一个热量转移通路，负责将服务器产生的热量及时转移出去，从而使服务器处在适宜的温、湿度环境。弱电系统包括动环监控、视频监控、极早期等，其作用是为了及时发现系统运行隐患。在上述三大系统中，配电系统作为能源供应系统，是服务器和制冷系统正常运行的基础性条件，因此具有极为重要的作用。
3.接地系统作为数据中心配电系统的关键组成部分，其不仅影响信息设备的稳定运行，还直接影响运维人员的人身安全。数据中心的接地系统采用tn
‑
s系统，10/0.4kv变压器的中性点直接接地，由此引出中性线(n线)和地线(pe线)，之后中性线和地线严格分开。因此，理想情况下地线中无电流。实际情况下，由于绝缘电阻阻值有限以及杂散电容的存在，地线中存在较小的泄露电流。国家标准gb 50054《低压配电设计规范》，国际标准iec 60364,以及消防电气火灾检测认为地线电流应小于500ma。但数据中心的地线电流可能达到数安培，甚至更高。近期、针对某一数据中心的实测结果表明，其部分接地点的地线电流达到10a以上。因此，如何了解数据中心地线电流的分布特点，掌握其传播规律，成为保障数据中心的运行安全的重中之重。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种数据中心配电系统地线电流动态仿真方法，以解决现有技术不能确定数据中心地线电流的分布特点，掌握其传播规律的问题。
5.本发明提供了一种数据中心配电系统地线电流动态仿真方法，该方法包括：基于数据中心配电系统的树形拓扑结构，基于拓扑结构中叶子节点的地线电流知识库，根据叶子节点地线电流的波形特性，利用随机算法对叶子节点的地线电流赋予不同的地线电流初始值，并基于基尔霍夫电流定律，由叶子节点的地线电流得到各个父节点的地线电流；基于叶子节点和父节点的不同电流值的变化得到所述数据中心配电系统中任意节点的地线电流的动态变化特性，以对所述数据中心配电系统地线电流进行动态仿真。
6.可选地，所述方法还包括：基于所述数据中心配电系统的路由关系建立所述数据中心配电系统的拓扑结构的步骤。
7.可选地，基于数据中心配电系统的树形拓扑结构，包括：基于所述数据中心配电系统的路由关系以及需要仿真的数据中心配电系统的范围，来确定树形结构的深度以及树中
节点之间的连接关系。
8.可选地，所述数据中心配电系统从用电端到供电端依次包括：用电设备、用电设备配电柜，不间断电源设备、低压配电柜和变压器，其中，所述用电设备为终端节点，即叶子节点，包括服务器、机房精密空调、冷水机组和水泵。
9.可选地，所述利用随机算法对叶子节点的地线电流赋予不同的地线电流初始值，包括：根据预设的电流知识库中各个用电设备的电流有效范围，利用随机算法对拓扑结构中叶子节点的地线电流赋予不同的地线电流初始值。
10.可选地，所述电流知识库中存储有各个用电设备的地线电流有效值范围、相位值范围以及波形数据。
11.可选地，所述根据预设的电流知识库中各个用电设备的电流有效范围，利用随机算法对拓扑结构中叶子节点的地线电流赋予不同的地线电流初始值，包括：从所述电流知识库中依据查询得到当前用电设备的电流有效值范围、相位范围和波形数据，在所述电流有效值范围和所述相位范围内随机生成一个电流有效值和相位值；并基于查询得到的波形数据中任意选定一种波形，对波形进行幅值变换和平移，使得变换后的波形有效值和相位值与所随机生成的有效值和相位值保持一致；将变换后的波形作为当前叶子节点的地线电流波形，其中，所述当前叶子节点即为所述当前用电设备。
12.可选地，基于所述叶子节点的地线电流得到各个父节点的地线电流，包括：父节点的地线电流等于所有子节点的地线电流相加后取反，当获得所有叶子节点的父节点的地线电流后，将叶子节点的父节点视作子节点，逐层进行计算，直到获得所述拓扑结构的父节点的地线电流。
13.可选地，所述方法还包括：基于叶子节点的地线电流的波动性，按照预设动态仿真次数，重新对叶子节点的地线电流进行初始化，并对叶子节点的地线电流进行递归计算，以获得多个地线电流有效值；其中，所述预设动态仿真次数为大于10次。
14.可选地，所述方法还包括：利用树形结构图或者桑基图展示地线电流的仿真的结果；对于任意节点，显示地线电流的有效值范围，当某一节点被选中时，以曲线图形式展示该节点历次地线电流有效值的变化情况，当选择某一次的地线电流有效值时，则展示对应该次的地线电流有效值和电流波形。
15.本发明有益效果如下：
16.本发明是在获得用末端用电设备(即叶子节点)地线电流特性以及线路拓扑结构后，通过仿真计算整个拓扑网络的地线电流，以促进对配电系统地线电流分布规律的认识和掌握，有助于研判地线电流值的合理性，进而提升了数据中心的运行安全性，从而有效解决了现有技术不能确定数据中心地线电流的分布特点，掌握其传播规律的问题。
17.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
18.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明
的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
19.图1是本发明第一实施例提供的一种数据中心配电系统地线电流动态仿真方法的流程示意图；
20.图2是本发明第一实施例提供的另一种数据中心配电系统地线电流动态仿真方法的流程示意图；
21.图3是本发明实施例提供的一种树形结构示意图；
22.图4是本发明实施例提供的某冷水机组的地线电流波形图；
23.图5是本发明实施例提供的基于桑基图的仿真结果展示示意图；
24.图6是本发明实施例提供的低压配电柜节点的地线电流变化曲线图。
具体实施方式
25.为更好地掌握数据中心地线电流传播规律，加强配电系统地线电流的安全监测，提高数据中心运行过程中人员和设备的安全性，本发明实施例提供了一种数据中心配电系统地线电流动态仿真方法，在获得用叶子节点的地线电流特性以及线路拓扑结构后，通过仿真计算整个拓扑网络的地线电流，以促进对配电系统地线电流分布规律的认识和掌握，有助于研判地线电流值的合理性，提升数据中心的运行安全性。以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
26.本发明实施例提供了一种数据中心配电系统地线电流动态仿真方法，参见图1，该方法包括：
27.s101、基于数据中心配电系统的树形拓扑结构，基于拓扑结构中叶子节点的地线电流知识库，根据叶子节点地线电流的波形特性，利用随机算法对叶子节点的地线电流赋予不同的地线电流初始值，并基于基尔霍夫电流定律，由叶子节点的地线电流得到各个父节点的地线电流；
28.需要说明的是，本发明实施例所述的数据中心配电系统的拓扑结构可以是所选定的某一部分的树形结构，也就是说，在具体实施时，操作人员可以在数据中心配电系统的拓扑结构中任意选定一部分的拓扑结构进行计算，当然也可以根据需要来对整个数据中心配电系统的拓扑结构进行计算。
29.所述数据中心配电系统从用电端到供电端依次包括：用电设备、用电设备配电柜，不间断电源设备、低压配电柜和变压器，其中，所述用电设备为终端节点，即叶子节点，包括服务器、机房精密空调、冷水机组和水泵。当然该数据中心配电系统的结构仅是本发明的一个示例，本发明实施例所述的方法也可适用于其他各种拓扑结构的数据库，对此本发明不作详细的限定。
30.具体实施时，本发明实施例是基于所述数据中心配电系统的路由关系建立所述数据中心配电系统的拓扑结构的步骤。具体来说，本发明实施例是基于所述数据中心配电系统的路由关系以及需要仿真的数据中心配电系统的范围，来确定树形结构的深度以及树中节点之间的连接关系。
31.进一步地，本发明实施例中，所述利用随机算法对拓扑结构中叶子节点的地线电流赋予不同的地线电流初始值，包括：
32.根据预设的电流知识库中各个用电设备的电流有效范围，利用随机算法对拓扑结构中叶子节点的地线电流赋予不同的地线电流初始值。
33.其中，本发明实施例所述的电流知识库中存储有各个用电设备的地线电流有效值范围、相位值范围以及波形数据。
34.具体来说，本发明实施例是通过实验等方式来设置一个电流知识库，然后基于该电流知识库中用电设备的电流有效范围，利用随机算法对拓扑结构中叶子节点的地线电流赋予不同的地线电流初始值，然后基于叶子节点的电流初始值计算得到父节点的电流初始值。
35.具体实施时，本发明实施例所述所述根据预设的电流知识库中各个用电设备的电流有效范围，利用随机算法对拓扑结构中叶子节点的地线电流赋予不同的地线电流初始值，具体包括：从所述电流知识库中依据查询得到当前用电设备的电流有效值范围、相位范围和波形数据，在所述电流有效值范围和所述相位范围内随机生成一个电流有效值和相位值；并基于查询得到的波形数据中任意选定一种波形，对波形进行幅值变换和平移，使得变换后的波形有效值和相位值与所随机生成的有效值和相位值保持一致；将变换后的波形作为当前叶子节点的地线电流波形，其中，所述当前叶子节点即为所述当前用电设备。
36.进一步地，本发明实施例所述基于所述叶子节点的地线电流得到各个父节点的地线电流，包括：父节点的地线电流等于所有子节点的地线电流相加后取反，当获得所有叶子节点的父节点的地线电流后，将叶子节点的父节点视作子节点，逐层进行计算，直到获得所述拓扑结构的父节点的地线电流。
37.s102、基于叶子节点和父节点的不同电流值的变化得到所述数据中心配电系统中任意节点的地线电流的动态变化特性，以对所述数据中心配电系统地线电流进行动态仿真。
38.在动态仿真的基础上，本发明实施例还对数据中心配电系统地线电流的动态仿真结果在显示屏上进行展示，具体来说，本发明实施例是利用树形结构图或者桑基图展示地线电流的仿真的结果；对于任意节点，显示地线电流的有效值范围，当某一节点被选中时，以曲线图形式展示该节点历次地线电流有效值的变化情况，当选择某一次的地线电流有效值时，则展示对应该次的地线电流有效值和电流波形。
39.通过展示可以更便于操作人员掌握各个节点的电流情况，同时掌握整体的电流情况，以更好地对数据中心配电系统进行管理。
40.下面将以本发明主要的步骤为主对本发明实施例所述的方法进行详细的说明：
41.首先，本发明实施例建立拓扑结构的步骤包括：基于据数据中心配电系统的路由关系建立树形结构，典型的供电路由关系从用电端到供电端依次为用电设备、用电设备配电柜，不间断电源设备、低压配电柜、变压器。其中用电设备为终端节点，即叶子节点，包括服务器、机房精密空调、冷水机组、水泵等。进一步的，依据需要仿真的系统范围，确定具体的树形结构，包括树的深度、树中节点之间的连接关系。
42.其中，本发明实施例中树形结构的深度至少为2，且需要包含用作为叶子节点的用电设备。
43.其次，本发明实施例中地线电流初始化的步骤具体包括：基于数据中心用电设备的地线电流知识库，利用随机算法对拓扑结构中叶子节点的地线电流进行初始化，获得叶
子节点的地线电流。数据中心常见用电设备的地线电流有效值如下：
44.服务器机柜的地线电流有效值范围为0
‑
50ma；
45.机房精密空调的地线电流有效值范围为0
‑
1a；
46.水泵的地线电流有效值范围为0
‑
1.5a；
47.冷水机组的地线电流有效值范围为0.5
‑
9a。
48.详细来说，该步骤具体包括：
49.步骤1、地线电流特征信息查询：针对需要初始化的特定叶子节点，从地线电流知识库中查询所对应的用电设备的地线电流有效值范围、相位值范围和波形数据。地线电流知识库的建立过程如下：针对数据中心常见用电设备，例如服务器机柜，机房精密空调，水泵等，利用示波器测量用电设备在不同运行工况下的地线电流波形。针对每一种设备，测量多个设备(至少10个)的地线电流波形，记录地线电流的波形数据，并进一步计算有效值、相位值，由此获得某一种设备的地线电流有效值范围、相位值范围和波形数据。特殊的，对于工频正弦波形，为了减少数据存储量，可以只存储电流的有效值和相位值。之后针对需要初始化的特定叶子节点，查询所对应的用电设备的地线电流有效值范围、相位值范围和波形数据。
50.步骤2、地线电流的随机生成：针对需要初始化的特定叶子节点，随机生成地线电流波形。具体如下：首先依据查询得到的电流有效值范围和相位范围，利用随机数生成器获得一个随机的有效值和相位值。其次从查询得到的波形数据中任意选定一种波形，对波形进行幅值变换和平移，使得变换后的波形有效值和相位值和上一步骤中随机生成的有效值和相位值保持一致。将变换后的波形作为需要初始化的特定叶子节点的地线电流波形。
51.步骤3、叶子节点的地线电流初始化：重复步骤1和步骤2，直到获得所有叶子节点的地线电流波形，完成叶子节点的地线电流初始化。
52.再者，本发明实施例中地线电流的递归计算具体包括：基于基尔霍夫电流定律，在获得叶子节点地线电流后，计算叶子节点的父节点的地线电流，父节点的地线电流等于所有子节点的地线电流相加后取反。计算公式如下：
53.i
c1
i
c2

…
i
cn
＝
‑
i
p
54.其中i
c1
，i
c2
，i
cn
为子节点的地线电流，i
p
为父节点的地线电流。当获得所有叶子节点的父节点的地线电流后，将叶子节点的父节点视作子节点，继续采用上述方法，计算其父节点的地线电流。重复上述过程，直到获得树形结构父节点的地线电流。
55.另外，本发明实施例中地线电流的动态仿真：考虑到叶子节点的地线电流往往具有较大的波动性，重复地线电流初始化的步骤和地线电流的递归计算的步骤，赋予叶子节点不同的地线电流初始值，求解整个树形结构的地线电流分布，计算每一个节点的地线电流有效值。通过通过多次重复，对于任意节点，可以获得多个地线电流有效值，由此得到配电系统地线电流的动态变化特性。
56.最后，本发明实施例仿真结果的可视化展示的步骤包括：利用树形结构图或者桑基图展示地线电流仿真结果，对于任意节点，显示地线电流的有效值范围。当选择某一节点后，以曲线图形式展示地线电流有效值随地线电流的递归计算的执行次数的变化情况，当进一步选择某一次执行时，可展示此次的地线电流有效值和电流波形。
57.下面将结合图2
‑
图6通过一个具体的例子来对本发明所述的方法进行详细的解释
和说明：
58.图2给出了数据中心配电系统地线电流动态仿真方法流程图，主要包括如下步骤，首先是拓扑结构的建立，依据待仿真的地线电流范围，结合线路实际结构，建立仿真所需的树形拓扑结构。之后是地线电流初始化，主要包括三个步骤，即地线电流特征信息查询、地线电流的随机生成、以及叶子节点地线电流初始化。在完成初始化之后，进行地线电流的递归计算，基于基尔霍夫电流定律计算整个拓扑网络中各个节点的地线电流。再之后判断计算结果是否满足动态仿真的需求，如果不满足，重复地线电流初始化步骤和地线电流的递归计算步骤，直到针对某一个节点，获得满足动态仿真要求的多个仿真结果值；如果满足，直接对仿真结果进行可视化展示。
59.基于图2给出的仿真方法流程图，针对由1面低压配电柜、3面冷水机组配电柜、3台冷水机组构成的地线拓扑网络的具体仿真过程如下：
60.步骤1：拓扑结构的建立：本实施例中待仿真的对象为1面低压配电柜、3面冷水机组配电柜、3台冷水机组，其连接关系为1面低压配电柜给3面冷水机组配电柜供电，3面冷水机组配电柜给对应的3台冷水机组供电。低压配电柜和冷水机组配电柜之间通过1根地线连接，冷水机组配电柜和对应冷水机组之间通过2根地线连接。所建立的树形拓扑结构如图3所示，树形结构的深度为3，作为叶子节点的用电设备为冷水机组。
61.步骤2：地线电流初始化：基于数据中心用电设备的地线电流知识库，利用随机算法对拓扑结构中叶子节点的地线电流进行初始化，获得叶子节点的地线电流。
62.该步骤具体包括：
63.步骤2.1地线电流特征信息查询：针对需要初始化的特定叶子节点，从地线电流知识库中查询所对应的用电设备的地线电流有效值范围、相位值范围和波形数据。地线电流知识库的建立过程如下：
64.针对冷水机组设备，利用示波器测量用电设备在不同运行工况下的地线电流波形。针对每一种设备，测量多个设备(至少10个)的地线电流波形，记录地线电流的波形数据，并进一步计算有效值、相位值，由此获得某一种设备的地线电流有效值范围、相位值范围和波形数据。特殊的，对于工频正弦波形，为了减少数据存储量，可以只存储电流的有效值和相位值。
65.图4给出了某冷水机组的地线电流波形，可以看出波形频率为50hz，波形较好，可认为其为工频正弦波形。基于多次的测量结果，冷水机组地线电流有效值范围为0.5
‑
9a，相位范围为
‑
180
°
至70
°
。
66.步骤2.2地线电流的随机生成：针对需要初始化的特定叶子节点，随机生成地线电流波形。具体如下：
67.首先依据查询得到的电流有效值范围和相位范围，利用随机数生成器获得一个随机的有效值和相位值。
68.其次从查询得到的波形数据中任意选定一种波形，对波形进行幅值变换和平移，使得变换后的波形有效值和相位值和上一步骤中随机生成的有效值和相位值保持一致。
69.将变换后的波形作为需要初始化的特定叶子节点的地线电流波形。
70.由于冷水机组的地线电流波形为正弦波形，因此只需要利用随机数生成器获得随机的有效值和相位值。
71.步骤2.3叶子节点的地线电流初始化：
72.重复步骤2.1和步骤2.2，直到获得所有叶子节点的地线电流波形，完成叶子节点的地线电流初始化。初始化结果如表1所示：
73.表1初始化结果表
[0074][0075]
步骤3：地线电流的递归计算。基于基尔霍夫电流定律，在获得叶子节点地线电流后，计算叶子节点的父节点的地线电流，父节点的地线电流等于所有子节点的地线电流相加后取反。计算公式如下：
[0076]
i
c1
i
c2

…
i
cn
＝
‑
i
p
[0077]
其中i
c1
，i
c2
，i
cn
为子节点的地线电流，i
p
为父节点的地线电流。
[0078]
当获得所有叶子节点的父节点的地线电流后，将叶子节点的父节点视作子节点，继续采用上述方法，计算其父节点的地线电流。
[0079]
重复上述过程，直到获得树形结构父节点的地线电流。
[0080]
在本实施例中1#冷水机组配电柜的地线电流等于1#冷水机组地线1和地线2的电流之和；
[0081]
类似的，可以得到2#、3#冷水机组配电柜的地线电流值。低压配电柜的地线电流等于1#、2#、3#冷水机组配电柜地线电流之和。结果如下：
[0082]
1#冷水机组配电柜的地线电流：4.65 0.08i
[0083]
2#冷水机组配电柜的地线电流：6.09
‑
7.83i
[0084]
3#冷水机组配电柜的地线电流：
‑
7.68
‑
1.73i
[0085]
低压配电柜的地线电流：3.06
‑
9.48i
[0086]
步骤4：地线电流的动态仿真。
[0087]
考虑到叶子节点的地线电流往往具有较大的波动性，重复步骤2和步骤3，赋予叶子节点不同的地线电流初始值，求解整个树形结构的地线电流分布，计算每一个节点的地线电流有效值。
[0088]
通过多次重复，对于任意节点，可以获得多个地线电流有效值，由此得到配电系统地线电流的动态变化特性。
[0089]
在本实施例中，重复计算的次数选定为10次，地线电流初始化结果如表2所示：
[0090]
表2地线电流初始化结果表
[0091][0092]
所对应的复数电流大小如表3所示：
[0093]
表3复数电流大小表
[0094][0095]
[0096]
计算所得的电流值结果如表4所示：
[0097]
表4算所得的电流值结果表
[0098][0099]
由此可以得到各节点的地线电流有效值范围：
[0100]
1#冷水机组配电柜：2.9
‑
11.9a
[0101]
2#冷水机组配电柜：5.7
‑
11.2a
[0102]
3#冷水机组配：4.8
‑
14.1a
[0103]
低压配电柜：5.5
‑
29a
[0104]
当实测的地线电流值明显偏离仿真得到的地线电流范围，则有可能出现异常泄露电流，此时应当引起注意，并对现场进场进一步核查，以及时消除安全隐患。
[0105]
步骤5：仿真结果的可视化展示。利用树形结构图或者桑基图展示地线电流仿真结果，对于任意节点，显示地线电流的有效值范围。当选择某一节点后，以曲线图形式展示地线电流有效值随步骤3执行次数的变化情况，当进一步选择某一次执行时，可展示此次的地线电流有效值和电流波形。图5给出了以桑基图展示的地线电流仿真结果，图6给出了低压配电柜节点的地线电流变化曲线，横坐标轴为步骤3的执行次数，纵坐标轴为地线电流有效值。
[0106]
总体来说，本发明实施例提供了一种数据中心配电系统地线电流动态仿真方法，该方法至少具有以下的优点：
[0107]
一是本发明具有高度的灵活性，可以根据所关心的系统范围定义树形结构，不关心的系统范围不参与仿真计算；
[0108]
二是考虑了地线电流的动态性，使其更加符合实际情况。由于叶子节点地线电流的变化，整个树形拓扑中的地线电流分布会相应发生变化，节点的地线电流并非固定不变，所以本发明创新性的提出基于各个用电设备的电流有效范围，利用随机算法对拓扑结构中叶子节点的地线电流赋予不同的地线电流初始值以使其更符合实际情况，从而实现基于地线电流的动态变化特性，来对数据中心配电系统地线电流进行动态仿真。
[0109]
三是计算方法相对简单，能够快速获得计算结果，特别是当叶子节点的地线电流波形为工频正弦波形时，整个计算过程则更为简单易行。
[0110]
也即，通过本发明所述的方法，可以促进对数据中心配电系统地线电流分布规律
的认识和掌握，有助于加强对地线电流的安全监测，及时发现异常电流值，提高数据中心的运行安全性。
[0111]
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。