基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心能耗管控系統(tǒng)

李偉明

摘 要：通過(guò)分析數(shù)據(jù)中心的能耗組成和存在問(wèn)題，介紹基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心能耗管控系統(tǒng)的技術(shù)方案以及架構(gòu)組成。

關(guān)鍵詞：能耗管控系統(tǒng) 數(shù)據(jù)中心 物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP308 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）006-088-02

隨著互聯(lián)網(wǎng)的寬帶化、移動(dòng)化和物聯(lián)網(wǎng)的興起，互聯(lián)網(wǎng)以更大規(guī)模向更高水平高速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心迎來(lái)了建設(shè)高潮期。當(dāng)前我國(guó)各類數(shù)據(jù)中心總量約50多萬(wàn)個(gè)，可容納服務(wù)器共約500萬(wàn)臺(tái)。2011年，我國(guó)數(shù)據(jù)中心總耗電量達(dá)700億千瓦時(shí)，占全社會(huì)用電量的1.5%。數(shù)據(jù)中心的高能耗，不僅給企業(yè)帶來(lái)了沉重的負(fù)擔(dān)，也造成了社會(huì)能源的巨大浪費(fèi)。為了推動(dòng)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排，工業(yè)和信息化部在《工業(yè)節(jié)能“十二五”規(guī)劃》提出，“到2015年，數(shù)據(jù)中心PUE值需下降8%”的目標(biāo)。PUE（Power Usage Effectiveness，電源使用效率）值是國(guó)際上通用的數(shù)據(jù)中心電力使用效率的衡量指標(biāo)，指數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負(fù)載消耗的能源之比。PUE值越接近于1，表示一個(gè)數(shù)據(jù)中心的綠色化程度越高。全球數(shù)據(jù)中心的平均PUE是2.0，發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)據(jù)中心的PUE約為1.8，日本部分?jǐn)?shù)據(jù)中心的PUE可達(dá)1.5，Google的數(shù)據(jù)中心PUE可達(dá)1.2以下。在我國(guó)，80%以上的數(shù)據(jù)中心PUE均大于2.0，有的甚至高達(dá)3.0以上。

1 數(shù)據(jù)中心的能耗組成和存在問(wèn)題

近10年來(lái)，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)的開(kāi)支增長(zhǎng)速度是其他開(kāi)支增長(zhǎng)速度的3倍；高密度服務(wù)器3年的能耗開(kāi)支等于它們的購(gòu)置費(fèi)用。供電和散熱開(kāi)支已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心可擴(kuò)展的主要限制。數(shù)據(jù)中心的能耗組成如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心的能耗組成

數(shù)據(jù)中心能耗主要集中在兩個(gè)方面：一個(gè)是IT設(shè)備；另一個(gè)是機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施。從技術(shù)層面上看，解決高耗能現(xiàn)狀，目前有兩個(gè)工作方向：一個(gè)是降低IT設(shè)備尤其是服務(wù)器的能耗，結(jié)合云計(jì)算和虛擬運(yùn)算技術(shù)，集中管理、分配數(shù)據(jù)中心的運(yùn)算負(fù)荷，通過(guò)在硬件層面關(guān)閉無(wú)負(fù)荷服務(wù)器，從而降低IT設(shè)備損耗實(shí)現(xiàn)節(jié)能。另一個(gè)是降低機(jī)房設(shè)施的能耗，降低機(jī)房設(shè)施的能耗是一個(gè)系統(tǒng)工程，而且數(shù)據(jù)中心的需求不斷在變化、功率密度繼續(xù)增長(zhǎng)、未來(lái)容量和密度的不確定性、可用性的要求越來(lái)越高、IT技術(shù)迅速地變化適應(yīng)性和要求越來(lái)越高、預(yù)算又不斷增加以及功率發(fā)生動(dòng)態(tài)變化等各種因素增加了節(jié)能降耗的復(fù)雜性。

目前國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗的主要困難和問(wèn)題在于：（1）缺乏技術(shù)手段獲取全面和準(zhǔn)確的PUE數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)PUE提升空間，為制定和實(shí)施節(jié)能方案提供決策支持；同時(shí)數(shù)據(jù)中心的PUE指標(biāo)體系和標(biāo)準(zhǔn)也尚未建立。（2）作為數(shù)據(jù)中心能耗“大戶”的制冷系統(tǒng)，其溫度傳感和控制還停留在“房間級(jí)”，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確感知和控制。（3）數(shù)據(jù)中心對(duì)能耗的管控還不系統(tǒng)，各種相關(guān)工作相互獨(dú)立，導(dǎo)致節(jié)能效果不理想。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心能耗管控系統(tǒng)技術(shù)方案

數(shù)據(jù)中心中，IT設(shè)備、供配電設(shè)備和制冷系統(tǒng)是機(jī)房能源開(kāi)銷的三大主要部分。IT設(shè)備由于業(yè)務(wù)的負(fù)載不同，能耗會(huì)有較大的波動(dòng)，通過(guò)搜集全面準(zhǔn)確PUE數(shù)據(jù)為應(yīng)用層管理系統(tǒng)節(jié)能決策提供充分的參考基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如結(jié)合CPU、內(nèi)存等數(shù)據(jù)，可以時(shí)段性的物理關(guān)閉（開(kāi)啟）某些閑置的服務(wù)器等，達(dá)到節(jié)能效果。實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的PUE數(shù)據(jù)又可以作為供配電系統(tǒng)調(diào)度控制的基礎(chǔ)決策數(shù)據(jù)，通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整各級(jí)電源供給策略，可以提高配電效率，達(dá)到節(jié)能效果。通過(guò)傳感設(shè)備收集實(shí)時(shí)全面的設(shè)備運(yùn)行溫度數(shù)據(jù)，精確計(jì)算并預(yù)測(cè)冷荷負(fù)載，結(jié)合智能機(jī)柜的風(fēng)門控制，可以提高制冷冷風(fēng)效率，達(dá)到節(jié)能效果。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)方案

基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心能耗管控系統(tǒng)，通過(guò)部署在機(jī)柜級(jí)的傳感器和感知設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)采集準(zhǔn)確詳細(xì)的電能和環(huán)境（溫度等）參數(shù)，傳送到服務(wù)器端計(jì)算PUE值，生成直觀的數(shù)據(jù)中心熱點(diǎn)視圖，為數(shù)據(jù)中心節(jié)能決策提供目標(biāo)方向和論證依據(jù)；同時(shí)，實(shí)施機(jī)柜級(jí)的實(shí)時(shí)節(jié)能控制。另外，采用標(biāo)準(zhǔn)和通用的協(xié)議保持系統(tǒng)的開(kāi)放性，使得其他智能設(shè)備和系統(tǒng)也可以方便納入統(tǒng)一的系統(tǒng)中。系統(tǒng)技術(shù)方案如圖2所示。

物聯(lián)網(wǎng)智能IDC機(jī)柜，對(duì)電能和環(huán)境數(shù)據(jù)（溫度、濕度、煙霧等）進(jìn)行機(jī)柜級(jí)感知，智能監(jiān)控單元SU一方面收集感知數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接管控中心服務(wù)器，另一方面對(duì)機(jī)柜相關(guān)部件（如風(fēng)門）進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，達(dá)到節(jié)能的目的。對(duì)感知數(shù)據(jù)的傳輸，采用帶外數(shù)據(jù)傳輸方式，避免管控功能影響數(shù)據(jù)中心設(shè)備的正常工作；同時(shí)，采用有線和無(wú)線結(jié)合的方式，避免密集傳感導(dǎo)致的傳輸不可靠、能耗增加等問(wèn)題；采用zigbee低功耗傳感網(wǎng)降低帶外傳輸引入的能耗并減少布線開(kāi)銷；各機(jī)柜之間采用zigbee自組網(wǎng)傳輸感知數(shù)據(jù)，方便新的傳感設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)中。對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的PUE計(jì)算和分析，獲得機(jī)柜級(jí)、區(qū)域級(jí)和機(jī)房級(jí)PUE數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮PUE數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間特性，并實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)可視化，熱點(diǎn)可視化如圖3所示；根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，提供故障預(yù)警；提供實(shí)時(shí)和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，為數(shù)據(jù)中心管理人員提供節(jié)能決策支持，同時(shí)為基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)提供PUE基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和時(shí)空熱點(diǎn)信息。

圖3 數(shù)據(jù)中心熱點(diǎn)可視化示意圖

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心能耗管控系統(tǒng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心能耗管控系統(tǒng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用服務(wù)層組成，其架構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)圖

感知層由智能監(jiān)控單元、各種傳感器、數(shù)據(jù)采集器、智能儀表和智能子設(shè)備等組成。感知層中的智能子設(shè)備和傳感器包括：（1）用于電能能耗和其它電力參數(shù)監(jiān)測(cè)的傳感器和數(shù)據(jù)采集器有電流互感器、霍爾電流傳感器、模擬量采集器（溫度、電壓、電流等）和智能電表。（2）用于節(jié)能控制的傳感器、智能控制單元和智能子設(shè)備有溫度傳感器、智能新風(fēng)系統(tǒng)和新風(fēng)空調(diào)，以及設(shè)備中用于設(shè)備監(jiān)控的監(jiān)控單元（控制器）。（3）用于機(jī)房設(shè)備環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)的開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)信號(hào)采集器（煙霧傳感器、水位傳感器、紅外移動(dòng)探測(cè)器）。

網(wǎng)絡(luò)層由Internet網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信GPRS/CDMA/3G網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)（Intranet、DCN）、以太網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、RS485總線和ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與通訊介質(zhì)等組成。網(wǎng)絡(luò)層是數(shù)據(jù)信息交換的橋梁，負(fù)責(zé)對(duì)感知層（現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備）上傳的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、分類和傳送等工作的同時(shí)，下傳管控中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各種控制命令。

應(yīng)用層由管控中心[管控中心系統(tǒng)軟件（服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)）]、工作站、Web服務(wù)器、Web客戶端（PC機(jī)和手機(jī)等移動(dòng)終端）等組成。

系統(tǒng)功能主要包括：（1）數(shù)據(jù)中心低壓配電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或設(shè)備（負(fù)載）的電能消耗等電力參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；（2）對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的PUE計(jì)算和分析，獲得機(jī)柜級(jí)、區(qū)域級(jí)和機(jī)房級(jí)PUE數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮PUE數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間特性，實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)可視化。（3）根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，提供故障預(yù)警；提供實(shí)時(shí)和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，為數(shù)據(jù)中心管理人員提供節(jié)能決策支持，同時(shí)為基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)提供PUE基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和時(shí)空熱點(diǎn)信息。（4）機(jī)房/設(shè)備節(jié)能控制：根據(jù)IT設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境要求、氣候環(huán)境變化和設(shè)備負(fù)載變化，對(duì)設(shè)備進(jìn)行節(jié)能控制；（5）電能消耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析：根據(jù)管理需求，對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算和趨勢(shì)分析、輸出報(bào)表、給出預(yù)警信號(hào)等；（6）數(shù)據(jù)中心中配電系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)告警，在低壓配電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)通信設(shè)備是否過(guò)載或短路，配電系統(tǒng)是否出現(xiàn)電源故障（斷電、缺相、開(kāi)關(guān)跳閘等），通過(guò)感知層的溫度傳感器監(jiān)測(cè)空調(diào)系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障（停止運(yùn)行）。

4 結(jié)語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心能耗管控系統(tǒng)從能耗監(jiān)測(cè)、PUE分析評(píng)估和節(jié)能控制三個(gè)方面為互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排提供創(chuàng)新型的技術(shù)和管理手段，對(duì)于能耗監(jiān)測(cè)、節(jié)能控制和計(jì)算機(jī)輔助能效管理具有重要的技術(shù)促進(jìn)作用，在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排和智能化管理應(yīng)用中前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1] 高一川，鄭貴林.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的能源管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀表，2012（03）.

[2] 周伏秋，谷立靜，孟輝.數(shù)據(jù)中心節(jié)能和優(yōu)化布局研究[J].電力需求側(cè)管理，2011（03）.

[3] 張紅，王娜，尚偉林，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑能源管理系統(tǒng)[J].現(xiàn)代建筑電氣，2012（7）.