數(shù)據(jù)中心信息化及能效管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蘇 楊，黃海松，余 萱，劉維嘉

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司信息中心，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550002）

1 引言

隨著信息和數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的IDC 以及大型數(shù)據(jù)中心建成。數(shù)據(jù)中心主要研究方向是：提高數(shù)據(jù)中心自動(dòng)化維護(hù)效率以降低成本以及提高綠色節(jié)能以降低能源浪費(fèi)。對(duì)于大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，機(jī)房存在的能耗過(guò)高、節(jié)能管理不當(dāng)?shù)葐?wèn)題已經(jīng)日益顯著[1]，目前數(shù)據(jù)中心耗電量超過(guò)全國(guó)總耗電量1.5%，且以6%復(fù)合增長(zhǎng)率增加，但是超過(guò)80%的能耗浪費(fèi)率使得數(shù)據(jù)中心的能源成本占到50%。針對(duì)數(shù)據(jù)中心自動(dòng)監(jiān)控，國(guó)內(nèi)外主要集中在短距離的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式上，比如通過(guò)ZigBee 或wifi 將數(shù)據(jù)集中到上位機(jī)交互，缺點(diǎn)是傳輸距離受限，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)干擾以及數(shù)據(jù)量較小。

建立熱能管理能效評(píng)價(jià)指標(biāo)是實(shí)現(xiàn)評(píng)估、控制機(jī)房能效的重要方式，建立環(huán)境控制量與能效指標(biāo)的預(yù)測(cè)模型，通過(guò)模型求出工況下最優(yōu)的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)以達(dá)到能效控制。PUE 指標(biāo)一直作為機(jī)房能效評(píng)價(jià)常用指標(biāo)，但是并不容易建立準(zhǔn)確的控制模型。RUI 作為一種較新的評(píng)價(jià)指標(biāo)被提出，但是在工程應(yīng)用中并沒(méi)有很好的實(shí)踐示例。這里重點(diǎn)研究了大型數(shù)據(jù)中心大數(shù)據(jù)、可靠的近/遠(yuǎn)端監(jiān)控方式和能效控制的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)功能

采集系統(tǒng)參數(shù)：動(dòng)力系統(tǒng)電壓、電流、UPS 系統(tǒng)電壓、后備時(shí)間、機(jī)房精密空調(diào)系統(tǒng)的工作參數(shù)以及狀態(tài)參數(shù)（壓縮機(jī)壓力、電熱頭溫度、風(fēng)扇狀態(tài)、出口溫度、回風(fēng)溫度、新風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)狀態(tài)）；各機(jī)柜節(jié)點(diǎn)參數(shù)：溫度、濕度、煙霧報(bào)警、電子門(mén)磁、水侵傳感器。這些參數(shù)給入系統(tǒng)控制中心單元（Center Control Unit）與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)集中控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)參數(shù)監(jiān)控。另外，中心單元獲取的安防參數(shù)中的煙霧報(bào)警、水浸報(bào)警及動(dòng)力參數(shù)中過(guò)壓、欠壓、UPS 啟動(dòng)參數(shù)，通過(guò)GSM 網(wǎng)絡(luò)以短信報(bào)警方式發(fā)送給管理員實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守報(bào)警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。系統(tǒng)能夠根據(jù)工況條件設(shè)定空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)包括制冷溫度、送風(fēng)流量等，使得機(jī)房的RUI 達(dá)到最優(yōu)值，達(dá)到節(jié)能綠色的目的。數(shù)據(jù)中心上位機(jī)將數(shù)據(jù)上傳給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)訪問(wèn)web 應(yīng)用服務(wù)器獲取與服務(wù)器上數(shù)據(jù)庫(kù)的交互接口，實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)上對(duì)數(shù)據(jù)中心的監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)概述圖Fig.1 System Overview Diagram

3 控制中心單元設(shè)計(jì)

控制中心單元（CCU）主要設(shè)計(jì)功能是采集機(jī)柜數(shù)據(jù)與上位機(jī)通信，同時(shí)向管理人員手機(jī)發(fā)送煙霧、水浸、過(guò)壓、欠壓、UPS 啟動(dòng)報(bào)警信息，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的重要部分。中心模塊的主控芯片采用STM32F407ZGT6，中心單元移植LwIP 協(xié)議棧，通過(guò)tcp/IP協(xié)議與上位機(jī)通信。LwIP 可在保持TCP/IP 協(xié)議基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM 和ROM 的占用，實(shí)現(xiàn)在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行時(shí)的輕量化和可靠性[2，3]。定義了兩個(gè)DMA 描述符用于完成接收/發(fā)送FIFO 和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸，分別用于接收/發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)[4]。定義結(jié)構(gòu)體進(jìn)行協(xié)議棧數(shù)據(jù)包及網(wǎng)絡(luò)接口的管理[5]。中心控制單元的短信報(bào)警功能采用SIM900A 芯片與主控制器串口通信，通過(guò)AT 指令以Text 短信方式將報(bào)警信息發(fā)送給指定管理員手機(jī)。基于LwIP的中心控制單元經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試使用，具有很好的穩(wěn)定性，丟包率最高低于10%，能夠滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心日常使用。機(jī)柜內(nèi)模塊布置，如圖2 所示。中心控制單元模塊及傳感器，如圖2 中1 所示。門(mén)禁電磁發(fā)，如圖2 中2 所示。

圖2 中心控制單元模塊布置圖Fig.2 Central Control Unit Module

4 基于能效評(píng)價(jià)指標(biāo)的系統(tǒng)熱能控制管理

系統(tǒng)熱能控制，如圖3 所示。建立能效評(píng)價(jià)指標(biāo)有利于進(jìn)行能效管理評(píng)估和優(yōu)化，以PUE 和RUI/SHI 指標(biāo)進(jìn)行分析和仿真優(yōu)化并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。PUE=數(shù)據(jù)中心所有設(shè)備總耗能/所有IT 設(shè)備總耗能。PUE 用于實(shí)際工程中監(jiān)控指標(biāo)，但在對(duì)能效管理仿真中，PUE 參數(shù)并不能直接求解得到，將使用新的指標(biāo)來(lái)作為替代參數(shù)進(jìn)行仿真和優(yōu)化，并找到PUE 和RUI 指標(biāo)聯(lián)系，用于實(shí)際工程評(píng)價(jià)和控制。

圖3 數(shù)據(jù)中心熱能控制示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Thermal Energy Control in Data Center

4.1 RUI/SHI 指標(biāo)

式中：Q—數(shù)據(jù)中心所有設(shè)備的發(fā)熱量；δQ—冷空氣經(jīng)過(guò)機(jī)柜之后的焓變。定義是分別為：

式中：mi—通過(guò)第i 個(gè)機(jī)柜的冷空氣質(zhì)量流量；（Tin）i、（Tout）i—第i個(gè)機(jī)柜冷空氣進(jìn)入處溫度和機(jī)柜出口溫度；Tavr—制冷設(shè)備冷空氣出口處平均溫度。

SHI 越低，說(shuō)明系統(tǒng)熱循環(huán)更低，制冷設(shè)備的制冷量使用效率更高。對(duì)于RUI，δQ 還可以表示為：

式中：mj、（Tin）j—第j 個(gè)制冷設(shè)備進(jìn)風(fēng)口處的質(zhì)量流量和溫度。此處用冷空氣從制冷設(shè)備出風(fēng)口經(jīng)過(guò)機(jī)柜設(shè)備到制冷設(shè)備回風(fēng)口處的總熵增。

RUI 越高，則數(shù)據(jù)中心能效評(píng)價(jià)越高，越綠色節(jié)能。RUI/SHI中的參數(shù)便于仿真求解，但是作了很多理想化處理，包括出風(fēng)管道與流體不發(fā)生熱交換，冷空氣在機(jī)柜中與空氣的混合是均勻的，但是RUI 或SHI 依舊是可信度很高的評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于系統(tǒng)的仿真也有很好的便捷性。

4.2 指標(biāo)仿真與預(yù)測(cè)模型建立

采用Flotherm 進(jìn)行仿真，設(shè)定仿真機(jī)房是6.0*4.0*3.0m，空調(diào)制冷功率4kW，設(shè)備熱負(fù)荷功率（2～3）kW，通過(guò)將仿真得到在滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心機(jī)柜工作溫度在（25～30）℃的換熱條件下RUI 指數(shù)與制冷溫度、送風(fēng)流量、熱負(fù)荷功率關(guān)系。制冷溫度、送風(fēng)量和RUI 關(guān)系，如圖4 所示?？梢缘贸?，仿真得到RUI 設(shè)定溫度在滿(mǎn)足機(jī)柜溫度要求時(shí)最佳為14℃左右，送風(fēng)流量隨著熱負(fù)荷功率和設(shè)定溫度不同，有一個(gè)最優(yōu)值。

根據(jù)仿真所得數(shù)據(jù)樣本，對(duì)三個(gè)變量（熱負(fù)荷功率、制冷溫度、送風(fēng)量）進(jìn)行歸一化處理之后進(jìn)行非線性回歸，得到變量與RUI 學(xué)習(xí)模型為：

式中：xloa、xloa、xflo—熱負(fù)荷功率、制冷溫度、送風(fēng)流量；θi—學(xué)習(xí)模型中各變量權(quán)重。以±5%RUI 作為可接受誤差范圍，以10 組測(cè)量樣本作為測(cè)試集驗(yàn)證模型的回歸正確性，得到學(xué)習(xí)模型的預(yù)測(cè)正確率為90%。

圖4 RUI 仿真數(shù)據(jù)圖Fig.4 Simulation Data Graph of RUI Index

根據(jù)學(xué)習(xí)模型的凸優(yōu)性，可以得到在極值點(diǎn)處對(duì)應(yīng)模型最佳送風(fēng)流量和最優(yōu)理論RUI 值。則RUI 關(guān)于自變量xflo的偏導(dǎo)數(shù)存在：f（xflo）=0

此時(shí)的xflo為設(shè)定送風(fēng)流量。

將仿真結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際能效管理中。數(shù)據(jù)中心實(shí)驗(yàn)機(jī)房尺寸6.0*4.0*3.0m，熱負(fù)荷估算為2.5kW，空調(diào)4kW，設(shè)定制冷溫度為14℃，根據(jù)推導(dǎo)的送風(fēng)流量xflo表達(dá)式求得為1900m3/h，通過(guò)各中心單元數(shù)據(jù)得到，各機(jī)柜溫度為（23～26）℃，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。理論計(jì)算RUI 為87%，采集各機(jī)柜出口溫度計(jì)算得到實(shí)際RUI 為62%，實(shí)際PUE 為2.01，優(yōu)化前數(shù)據(jù)中心采用人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，測(cè)定PUE 為3.21。可以看到，優(yōu)化的效果明顯，理論年度節(jié)省電能達(dá)到28000°。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到理論RUI 值與實(shí)際PUE 關(guān)系可粗略記為：PUE=1.1/RUI

通過(guò)上式，設(shè)計(jì)的管理系統(tǒng)可以計(jì)算得到理論P(yáng)UE 值。值得提出的是，由于優(yōu)化前機(jī)房的層高、架空地板高度、機(jī)房房間選擇等都已一定，使得PUE 優(yōu)化沒(méi)有達(dá)到最優(yōu)值[8]。提出的能效模型和計(jì)算方法將作為系統(tǒng)一部分，采集數(shù)據(jù)中心熱負(fù)荷參數(shù)在上位機(jī)中給出日常機(jī)房熱能管理中制冷溫度、送風(fēng)流量的參考值，并通過(guò)采集到的各節(jié)點(diǎn)溫度參數(shù)以及功率參數(shù)計(jì)算得到RUI/SHI 及PUE 值。

5 基于RAW 接口和B/S 框架的上位測(cè)控中心設(shè)計(jì)

前文中心單元的LwIP 提供了RAW 接口，用于完成TCP/IP通信，本節(jié)將各機(jī)柜中心單元作為web 服務(wù)器，通過(guò)web 瀏覽器對(duì)各服務(wù)器進(jìn)行訪問(wèn)（B/S 框架），達(dá)到數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和控制的目的。另外，設(shè)計(jì)了廣域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將局域網(wǎng)內(nèi)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中，訪問(wèn)web 應(yīng)用服務(wù)器，通過(guò)服務(wù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)JDBC 接口獲取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在廣域網(wǎng)上的數(shù)據(jù)中心監(jiān)控[9]。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，如圖5 所示。利用CGI 和SSI 完成瀏覽器在局域網(wǎng)內(nèi)對(duì)各服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的頁(yè)面訪問(wèn)和數(shù)據(jù)交互，達(dá)到在局域網(wǎng)上參數(shù)監(jiān)測(cè)和控制的目的，并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)以實(shí)現(xiàn)在/離線監(jiān)控。廣域網(wǎng)內(nèi)通過(guò)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)web 應(yīng)用服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。Web 應(yīng)用服務(wù)器選用TomCatV7，數(shù)據(jù)庫(kù)選用MySQL5.5 版本。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)power_tb、environment_tb、alarm_tb、control_tb 分別用于存儲(chǔ)動(dòng)力參數(shù)、環(huán)境變量、報(bào)警參數(shù)以及控制參數(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)模塊中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表的部分設(shè)計(jì)，如表1 所示。

圖5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.5 System Network Architecture

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)部分?jǐn)?shù)據(jù)Tab.1 Partial Sheet of Database

通過(guò)訪問(wèn)web 應(yīng)用服務(wù)器獲取訪問(wèn)頁(yè)面，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控，如圖6、圖7 所示。系統(tǒng)數(shù)據(jù)頁(yè)面用于顯示數(shù)據(jù)中心各子站點(diǎn)的動(dòng)力數(shù)據(jù)、微環(huán)境數(shù)據(jù)、能效參數(shù)，集散控制頁(yè)面用于實(shí)現(xiàn)對(duì)子站點(diǎn)門(mén)禁開(kāi)關(guān)和溫濕度控制閾值設(shè)置，數(shù)據(jù)記錄頁(yè)面用于顯示查看子站點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)，顯示了各采樣時(shí)間的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分布，數(shù)據(jù)包括溫濕度、動(dòng)力參數(shù)、報(bào)警，采樣時(shí)間為5min。

圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)頁(yè)面Fig.6 System Data Page

圖7 數(shù)據(jù)記錄頁(yè)面Fig.7 Data Record Page

6 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于LwIP 的數(shù)據(jù)中心機(jī)柜中心控制及網(wǎng)關(guān)單元，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心機(jī)柜動(dòng)力參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、精密空調(diào)參數(shù)以及安防參數(shù)采集、與上位機(jī)通信和安防報(bào)警的功能。（2）以RUI/SHI 作為數(shù)據(jù)中心能效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)仿真得到指標(biāo)與熱負(fù)荷功率、制冷溫度、送風(fēng)量數(shù)學(xué)關(guān)系，通過(guò)預(yù)測(cè)模型計(jì)算得到特定工況下的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示優(yōu)化后的節(jié)能效果明顯。（3）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于B/S 框架局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)的集中監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控管理系統(tǒng)具有成本低廉，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)中心參數(shù)監(jiān)測(cè)和控制上有很好的實(shí)用性。