數(shù)據(jù)中心用電管理解決方案

徐 斌 / 古雄文 / 劉 巖

（珠海派諾科技股份有限公司，廣東 珠海 519080）

1 序言

數(shù)據(jù)中心是一個(gè)聚集了大量服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及配套UPS、精密空調(diào)等設(shè)備的IT設(shè)備場(chǎng)所，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的集中處理、存儲(chǔ)、傳輸、交換和集中管理等業(yè)務(wù)的服務(wù)平臺(tái)。從物理層次看，數(shù)據(jù)中心主要由IT設(shè)備、配電系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)三部分組成。IT設(shè)備用于數(shù)據(jù)處理（服務(wù)器）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（存儲(chǔ)設(shè)備）以及通訊（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）,是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心功能的核心部分；配電系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)IT設(shè)備系統(tǒng)的正常運(yùn)行的保障。配電系統(tǒng)用于提供穩(wěn)定的供電電源，實(shí)現(xiàn)直流—交流轉(zhuǎn)換，并確保為IT設(shè)備提供可靠、高質(zhì)量的電源；空調(diào)系統(tǒng)確保IT設(shè)備在正常的溫度和濕度下工作。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心在企業(yè)中逐漸處于核心地位，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)成為企業(yè)信息化建設(shè)中的必經(jīng)階段，早期的企業(yè)信息化建設(shè)集中在網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施及管理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等方面；現(xiàn)在的企業(yè)信息化建設(shè)將以數(shù)據(jù)中心建設(shè)為核心，并將其作為企業(yè)的知識(shí)中心及通用的業(yè)務(wù)平臺(tái)。第二，數(shù)據(jù)中心采取“數(shù)據(jù)集中、應(yīng)用分布”的方式，可以有效提高信息資源的利用率。第三，日本東部“311大地震”為日本本土企業(yè)帶來(lái)的破壞，使企業(yè)認(rèn)識(shí)到分布式數(shù)據(jù)中心對(duì)數(shù)據(jù)安全和防災(zāi)冗余備份的重要性，所以在已有數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)上紛紛建立備份數(shù)據(jù)中心。第四，企業(yè)知識(shí)的集中沉淀與優(yōu)化應(yīng)用，將成為企業(yè)擴(kuò)張經(jīng)營(yíng)的必備，數(shù)據(jù)中心將在此方面扮演極為重要的角色。第五，國(guó)際上許多大企業(yè)正在建設(shè)或已經(jīng)建設(shè)了各自的數(shù)據(jù)中心，企業(yè)關(guān)鍵應(yīng)用系統(tǒng)和關(guān)鍵硬件設(shè)施均統(tǒng)一集中在數(shù)據(jù)中心。綜上所述，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)代表了企業(yè)信息化的方向，成為一股國(guó)際潮流，必將促進(jìn)企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的提高。并且隨著冗余數(shù)據(jù)中心概念的推廣，數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目數(shù)量和規(guī)模成倍增加，其市場(chǎng)前景不可小視。

2 數(shù)據(jù)中心用電規(guī)模及特點(diǎn)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各行業(yè)業(yè)務(wù)處理對(duì)信息技術(shù)的依賴(lài)不斷增加，國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)逐漸擴(kuò)大，投資規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)。對(duì)用電的需求也逐年增加，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)中心用電情況的分析，我們發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心用電主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

1） 數(shù)據(jù)中心用電可靠性是數(shù)據(jù)中心核心要求，需要完備的故障處理機(jī)制保證其可靠穩(wěn)定的運(yùn)行。

數(shù)據(jù)中心用電的第一要?jiǎng)?wù)是安全可靠地為IT設(shè)備提供動(dòng)力，所以其配電系統(tǒng)的安全性成為動(dòng)力系統(tǒng)首要保證的目標(biāo)。在數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)中除了正常配電系統(tǒng)中采用的雙回路獨(dú)立電源供電之外，還在數(shù)據(jù)中心配備事故備用柴油發(fā)電機(jī)、大容量UPS等。同時(shí)在數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)故障處理機(jī)制方面，會(huì)考慮供電電源失電、母線故障、開(kāi)關(guān)跳閘和開(kāi)關(guān)拒動(dòng)等一系列非正常情況下如何最大限度地滿(mǎn)足設(shè)備用電可靠性的要求。

2） 數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)較一般建筑配電系統(tǒng)復(fù)雜。

與一般建筑配電系統(tǒng)相比，數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，對(duì)配電管理的要求更加嚴(yán)格。復(fù)雜性表現(xiàn)在電源輸入及其控制策略上，一般建筑配電多采用雙回路一主一備供電，其控制策略為備用電源自動(dòng)投切。而數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)除雙回路單獨(dú)供電之外，自身還配備至少滿(mǎn)足全負(fù)荷設(shè)備容量的柴油發(fā)電機(jī)，在不同失電故障場(chǎng)景發(fā)生時(shí)，通過(guò)供電策略的改變實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心設(shè)備的持續(xù)供電。同時(shí)，由于數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)與用電負(fù)荷之間通過(guò)UPS進(jìn)行連接，僅僅通過(guò)對(duì)配電系統(tǒng)端進(jìn)行管理很難監(jiān)測(cè)到用電負(fù)荷側(cè)情況，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)IT設(shè)備精細(xì)管理，需要添加對(duì)IT服務(wù)器設(shè)備的電源管理層級(jí)。

3） 數(shù)據(jù)中心用電呈現(xiàn)大規(guī)模、高密度的趨勢(shì)。

數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為新的“電老虎”。根據(jù)美國(guó)環(huán)保署報(bào)告，2011年美國(guó)的數(shù)據(jù)中心全年累計(jì)耗電1000億kWh，占全美當(dāng)年總耗電量的1.5%，電費(fèi)約74億美元。全球數(shù)據(jù)中心耗電量同樣驚人，據(jù)IDC報(bào)告，2005年全球數(shù)據(jù)中心的耗電量是全球用電量的0.8%。同時(shí)單個(gè)數(shù)據(jù)中心的耗電量已經(jīng)上升到萬(wàn)千瓦級(jí)別。隨著IT技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)中心占地面積、柜體數(shù)量等占用資源的要求也逐漸提高。數(shù)據(jù)服務(wù)器呈現(xiàn)高密度設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。服務(wù)器設(shè)備單柜體功耗從設(shè)計(jì)之初的幾kW已經(jīng)上升到20kW以上。我國(guó)信息化基礎(chǔ)設(shè)施非常先進(jìn)，已經(jīng)與發(fā)達(dá)國(guó)家同步，特別是上網(wǎng)用戶(hù)數(shù)量已經(jīng)躍居全球第一。龐大的信息需求引發(fā)了海量的數(shù)據(jù)中心建設(shè)，如中國(guó)電信、中國(guó)網(wǎng)通等大量建設(shè)的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心IDC，又如金融、稅務(wù)、電力、企業(yè)等行業(yè)的大量數(shù)據(jù)中心建設(shè)等。

3 數(shù)據(jù)中心用電管理解決方案

根據(jù)數(shù)據(jù)中心用電特點(diǎn)，派諾科技推出了數(shù)據(jù)中心用電管理整體解決方案，包括三個(gè)分系統(tǒng)解決方案，分別是：數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)解決方案、數(shù)據(jù)中心用能管理解決方案和數(shù)據(jù)中心漏電火災(zāi)解決方案。

3.1 數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)解決方案

數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)解決方案對(duì)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)進(jìn)行全方位監(jiān)控。根據(jù)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)的特點(diǎn)，我們將數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)分為：電源自動(dòng)控制系統(tǒng)、精密配電系統(tǒng)、服務(wù)器（精密配電柜）電源系統(tǒng)。

圖1 數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)圖

3.1.1 電源自動(dòng)控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)按照不同設(shè)計(jì)要求，在不同場(chǎng)景下電源之間的切換控制功能，為數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供電保證。除邏輯滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求之外，系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠是該級(jí)系統(tǒng)的核心要求。為滿(mǎn)足系統(tǒng)控制的高穩(wěn)定可靠性，派諾根據(jù)大量現(xiàn)場(chǎng)工程經(jīng)驗(yàn)，在控制實(shí)現(xiàn)的硬件和軟件方面通過(guò)一系列措施提高系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，主要包括：

硬件措施：

1） 改進(jìn)安裝環(huán)境；

2） 提升電源質(zhì)量，系統(tǒng)可靠接地；

3） 通過(guò)硬件電路對(duì)輸入/輸出信號(hào)進(jìn)行防錯(cuò)處理；

4） 通過(guò)硬件電路對(duì)輸入/輸出回路進(jìn)行保護(hù)。

軟件措施：

1） 增加互鎖邏輯，防止誤操作；

2） 利用計(jì)時(shí)器，過(guò)濾偽輸入信號(hào)和干擾信號(hào)；

3） 跟蹤現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的動(dòng)作時(shí)間，保護(hù)設(shè)備安全；

4） 增加鎖定邏輯，提高系統(tǒng)對(duì)設(shè)備故障的判斷能力；

表1 根據(jù)TIA-942不同機(jī)房等級(jí)對(duì)應(yīng)的不同系統(tǒng)解決方案

5） 設(shè)置停電記憶功能，保護(hù)數(shù)據(jù)安全。

3.1.2 精密配電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

派諾公司率先重點(diǎn)開(kāi)發(fā)了SmartPM中低壓配電管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)集實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、報(bào)表打印、遠(yuǎn)程控制、事故預(yù)警、事故記錄統(tǒng)一查詢(xún)/打印、故障切除/恢復(fù)等眾功能于一體，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采用RS485總線傳輸方式，進(jìn)一步增強(qiáng)了抗干擾能力，從根本上保證了系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心配電監(jiān)測(cè)，滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)安全性要求。系統(tǒng)通過(guò)末端PST700、PMAC700、PMAC600系列產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)對(duì)配電系統(tǒng)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。末端采集設(shè)備綜合電力監(jiān)測(cè)儀主要應(yīng)用于中低壓配電監(jiān)控系統(tǒng)，提供實(shí)時(shí)測(cè)量、電度計(jì)量、電能質(zhì)量分析、需量分析、定值保護(hù)、偏差及SOE記錄、總線通訊等功能，可靈活配置多種擴(kuò)展模塊，實(shí)現(xiàn)電力監(jiān)控系統(tǒng)中關(guān)于通訊、“四遙”、電能質(zhì)量分析等功能。

3.1.3 精密配電柜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本系統(tǒng)通過(guò)安裝于列頭柜中的PMAC201系列產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)服務(wù)器末端的IT設(shè)備精細(xì)化管理。精密配電柜監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1） 對(duì)于末端配電柜中IT設(shè)備的負(fù)載情況進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)需要添加IT設(shè)備時(shí)，可以根據(jù)當(dāng)前的負(fù)載情況進(jìn)行相應(yīng)的負(fù)荷調(diào)整；

2） 高集成監(jiān)測(cè)設(shè)備，單套儀表可完成數(shù)十臺(tái)傳統(tǒng)儀表完成的功能；

3） 可擴(kuò)展性強(qiáng)，可檢測(cè)2路進(jìn)線和21路，42路、63路電參數(shù)狀態(tài)；

4） 監(jiān)測(cè)配電開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉狀態(tài)；

5） 通過(guò)人機(jī)接口實(shí)現(xiàn)界面化操作，方便用戶(hù)使用。

6） 金屬外殼，抗干擾性強(qiáng)。

3.1.4 根據(jù)機(jī)房不同等級(jí)采用不同配電系統(tǒng)配置

考慮到標(biāo)準(zhǔn)上對(duì)機(jī)房有多個(gè)等級(jí)劃分，并且不同等級(jí)對(duì)系統(tǒng)的安全和可靠性要求有所不同。數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)等級(jí)要求有其相應(yīng)的配套解決方案，這些方案根據(jù)數(shù)據(jù)中心供電可靠性整體要求配置為：?jiǎn)螜C(jī)系統(tǒng)、雙機(jī)熱備、雙控制系統(tǒng)、雙通訊系統(tǒng)等，具體配置方案如表1所示。

1） 數(shù)據(jù)中心用能管理解決方案

數(shù)據(jù)中心作為能耗大戶(hù)，其能耗水平一直是多方關(guān)注的焦點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的能效水平的提升。PUE、DCiE、CLF、PLC 等 作 為 數(shù) 據(jù) 中 心 專(zhuān) 屬 評(píng) 價(jià) 指標(biāo)，一直是用戶(hù)和設(shè)計(jì)人員關(guān)注的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)。SmartPM2000數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)中心用能情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)能耗統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中心用能情況的分析。在數(shù)據(jù)中心運(yùn)行過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)中心用能及能效情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，讓用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)中心的整體和局部區(qū)域運(yùn)行情況有清晰的了解，同時(shí)也是對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的設(shè)計(jì)思想理念繼仿真分析之后，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中對(duì)其效果的一種檢驗(yàn)。

2） 數(shù)據(jù)中心漏電火災(zāi)解決方案

派諾公司根據(jù)數(shù)據(jù)中心中低壓配電管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)研制出SmartPM 漏電火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)除具備傳統(tǒng)的漏電、過(guò)載、短路保護(hù)功能外，又增加了過(guò)壓、欠壓、雷電感應(yīng)和誤操作等防護(hù)措施?？赏ㄟ^(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控、顯示并儲(chǔ)存故障發(fā)生點(diǎn)或指定點(diǎn)的漏電電流、過(guò)電流、溫度等狀態(tài)參數(shù)，及時(shí)掌握電路運(yùn)行狀況；同時(shí)系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)散性，可與火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程切斷火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)的負(fù)載和電源等操作。

4 總結(jié)

數(shù)據(jù)中心用電管理解決方案更注重在使用過(guò)程中安全穩(wěn)定地滿(mǎn)足用戶(hù)要求，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)理念在數(shù)據(jù)中心實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的效果，為更多的數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)理念在中國(guó)廣大數(shù)據(jù)中心的落實(shí)提供實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和依據(jù)。希望通過(guò)數(shù)據(jù)中心用電管理解決方案的采用，讓國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心更加穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。