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淺談數(shù)據(jù)中心能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用分析及解決方案

更新時(shí)間：2022-12-13

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吳柯霓

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定201801

摘要：“節(jié)能減排"是世界關(guān)注的熱點(diǎn)話題，遏止氣候變暖，保護(hù)有限地球資源，減少能源浪費(fèi)，推廣應(yīng)用節(jié)能技術(shù)是努力目標(biāo)。通信行業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要組成部分，數(shù)據(jù)中心耗電量約占全國(guó)總能耗的2%，屬于能耗密集型企業(yè)。數(shù)據(jù)中心能耗管理系統(tǒng)利用監(jiān)控技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)中心用能設(shè)備的能耗消耗情況進(jìn)行“采集、整理、分析"，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中能耗從粗放式管理到精細(xì)式管理的轉(zhuǎn)變，提升機(jī)房能耗管理能力，達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo)。本文針對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗管理系統(tǒng)工作原理、實(shí)際運(yùn)行及應(yīng)用意義進(jìn)行了介紹和說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；能源管理；PUE；節(jié)能技術(shù)

0 引言

我國(guó)明確提出貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，提出建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的發(fā)展理念，包括通信行業(yè)在內(nèi)的社會(huì)各行各業(yè)都為實(shí)現(xiàn)加快旅社發(fā)展、構(gòu)建生態(tài)文明的發(fā)展目標(biāo)努力。隨著我國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+"、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、AI技術(shù)、數(shù)字經(jīng)濟(jì)、5G技術(shù)等產(chǎn)業(yè)政策的落地，我國(guó)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)仍將處于快速發(fā)展期。工業(yè)和信息化部在《關(guān)于加強(qiáng)“十三五"信息通信節(jié)能減排工作的指導(dǎo)意見》強(qiáng)調(diào)要求到2020年新建大型、超大性數(shù)據(jù)中心的能耗效率（PUE）值達(dá)到1.4以下。無(wú)論是國(guó)家和社會(huì)整體勢(shì)指引，還是數(shù)據(jù)中心自身成本節(jié)約和效率的提高，通信領(lǐng)域節(jié)能減排都是一個(gè)重要而艱巨的工作。

1 數(shù)據(jù)中心能耗狀況

數(shù)據(jù)中心由當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)或?qū)Ｓ玫陌l(fā)電設(shè)施提供電力供應(yīng)，通過(guò)變、配電等過(guò)程處理后，為數(shù)據(jù)中心的用電負(fù)荷提供穩(wěn)定電源。數(shù)據(jù)中心的電能消耗一般包含以下組成部分：

1.1 IT設(shè)備包括計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等不同類型的設(shè)備，用于承載在數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的應(yīng)用系統(tǒng)，并為用戶提供信息處理和存儲(chǔ)、通訊等服務(wù)。

1.2 數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)備是為保證IT設(shè)備運(yùn)行所需溫、濕度環(huán)境而建立的相關(guān)配套設(shè)施，主要包括：空調(diào)設(shè)備、冷源設(shè)備、送回風(fēng)設(shè)備等。

1.3 數(shù)據(jù)中心變配與電源系統(tǒng)，包括發(fā)電機(jī)、變壓器、配電柜、UPS（不間斷電源）、HVDC（高壓直流）、電池、列頭柜、PDU等設(shè)備組成，提供符合設(shè)備使用要求的電壓和電流，保障用電安全性和可靠性。

1.4 數(shù)據(jù)中心中其它消耗電能的基礎(chǔ)設(shè)施，包括照明系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、消防系統(tǒng)以及相關(guān)數(shù)據(jù)中心監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)等。

2 數(shù)據(jù)中心能源管理系統(tǒng)介紹

節(jié)能的首要任務(wù)就是要掌控能耗的使用情況，然后加以統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、分析，優(yōu)化能耗分配方案。數(shù)據(jù)中心針對(duì)用電情況建立一套全面有效的一體化信息解決方案--能源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心對(duì)所有能源消耗進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、整理、管控的要求，滿足數(shù)據(jù)中心每個(gè)業(yè)務(wù)部門的管理及維護(hù)訴求，實(shí)現(xiàn)能耗準(zhǔn)確管理模式，幫助數(shù)據(jù)中心“向管理要效益、憑技術(shù)促節(jié)能"。

2.1 數(shù)據(jù)中心能源管理系統(tǒng)架構(gòu)

能源管理系統(tǒng)由三部分組成：能耗監(jiān)管中心、通訊服務(wù)及能源數(shù)據(jù)采集。能耗監(jiān)管中心：主要實(shí)現(xiàn)對(duì)所有能耗數(shù)據(jù)的集成和管理。通過(guò)管理層的能耗數(shù)據(jù)采集、匯總、統(tǒng)計(jì)、對(duì)比、分析和直觀展現(xiàn)，并提供用戶人機(jī)界面、數(shù)據(jù)報(bào)表。用戶可以根據(jù)這些分析結(jié)果進(jìn)行能耗的對(duì)標(biāo)管理、制定考核、管理制度、提供能源決策依據(jù)。通訊服務(wù)：負(fù)責(zé)將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的電力儀表通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線形式所采集的相關(guān)信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)形式的信號(hào)，并進(jìn)行組合和轉(zhuǎn)發(fā)。能源數(shù)據(jù)采集：實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)采集，主要是底層電力儀表，電力儀表需具備RS485通訊接口，標(biāo)準(zhǔn)Modbus通訊協(xié)議。

2.2 數(shù)據(jù)中心能源管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力

能源管理系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)采集處理平臺(tái)為核心，不僅擁以下常用功能模塊，還可針對(duì)數(shù)據(jù)中心實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)功能定制。

2.2.1 數(shù)據(jù)接收模塊

數(shù)據(jù)中心能源數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)復(fù)雜并不能直接對(duì)能耗分析、輔助決策提供支持，模塊把各種復(fù)雜的的能源數(shù)據(jù)變成基于相同平臺(tái)并且具有相同結(jié)構(gòu)的符合終用戶邏輯的數(shù)據(jù)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為有效信息和數(shù)據(jù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理是對(duì)數(shù)據(jù)（包括數(shù)值的和非數(shù)值的）進(jìn)行分析、加工的技術(shù)過(guò)程，包括對(duì)各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)等分析、整理、計(jì)算、編輯等的加工和處理，并可根據(jù)需要進(jìn)行自定義分類分項(xiàng)，以便于進(jìn)行數(shù)據(jù)的分類分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)。

2.2.3 能源監(jiān)測(cè)模塊

能源監(jiān)測(cè)功能模塊通過(guò)工藝圖、數(shù)據(jù)列表、曲線圖、餅圖等方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心能源實(shí)時(shí)工況監(jiān)控、歷史運(yùn)行情況查詢、超限預(yù)警與異常告警等功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)能源安全問(wèn)題，并可以監(jiān)視開關(guān)、閥門、泵機(jī)、空調(diào)、空壓機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2.4 報(bào)警管理模塊

模塊提供能夠?qū)δ芎臄?shù)據(jù)快速反應(yīng)的異常報(bào)警功能模塊，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上限、下限、超出指標(biāo)報(bào)警、復(fù)合報(bào)警、累積量報(bào)警、瞬時(shí)量報(bào)警、時(shí)間段平均值報(bào)警、數(shù)據(jù)總線層服務(wù)報(bào)警、Web展示層應(yīng)用錯(cuò)誤報(bào)警、系統(tǒng)操作錯(cuò)誤報(bào)警、能耗超管理值報(bào)警、能耗超標(biāo)準(zhǔn)報(bào)警等，方便時(shí)間發(fā)現(xiàn)能源使用、設(shè)備運(yùn)行、用能質(zhì)量、用能不平衡等方面的異常。

2.2.5 能耗分析模塊

對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗進(jìn)行不同維度、不同時(shí)間段的統(tǒng)計(jì)分析，查找出具有節(jié)能潛力的時(shí)間點(diǎn)和節(jié)能項(xiàng)目，為用戶通過(guò)管理節(jié)能、技術(shù)節(jié)能提供具說(shuō)服力的科學(xué)依據(jù)。

2.2.6 報(bào)表管理模塊

該模塊提供了年、月、日等數(shù)據(jù)中心的用能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表，具體包含總耗能量、分項(xiàng)耗能量、PUE等指標(biāo)，提供數(shù)據(jù)中心消耗上報(bào)報(bào)表的標(biāo)準(zhǔn)格式，并可為用戶定制化開發(fā)報(bào)表。

3 數(shù)據(jù)中心能源管理系統(tǒng)應(yīng)用意義

數(shù)據(jù)中心能源管理系統(tǒng)利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、數(shù)據(jù)分析及預(yù)測(cè)技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)中心電能的生產(chǎn)、輸配和消耗設(shè)備狀態(tài)實(shí)施集中、扁平化的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和數(shù)字化管理，改進(jìn)和優(yōu)化能源平衡，提供監(jiān)控展示、計(jì)量計(jì)費(fèi)、業(yè)務(wù)管理、節(jié)能潛力分析與節(jié)能降耗技術(shù)應(yīng)用的完整性解決方案。

3.1 掌握能耗結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提供機(jī)房用能公示

系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)中心的總能耗按不同能源類型、不同時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，整體把握數(shù)據(jù)中心能耗狀態(tài)、指標(biāo)完成情況、用能趨勢(shì)和能耗排名，自動(dòng)查找出能源消耗不合理的時(shí)間點(diǎn)，為節(jié)能提供依據(jù)。系統(tǒng)可以展示每塊電表的詳細(xì)數(shù)據(jù)，包括電流、電壓、功率、功率因數(shù)等各種數(shù)據(jù)，以圖表的形式直觀顯示同類區(qū)域能源消耗的情況，并可按照人均、單位面積進(jìn)行折算。系統(tǒng)根據(jù)輸入的收費(fèi)策略，系統(tǒng)可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出電能的峰平谷電量及電費(fèi)，根據(jù)分時(shí)計(jì)費(fèi)分析結(jié)果。

3.2 實(shí)現(xiàn)能耗指標(biāo)管理，自動(dòng)分析用能效率

數(shù)據(jù)中心能源管理系統(tǒng)根據(jù)分類分項(xiàng)原則，對(duì)電能進(jìn)行對(duì)比分析，按照不同分項(xiàng)進(jìn)行對(duì)比顯示，可分析出哪些分項(xiàng)用能超標(biāo)或不合理，從而找出節(jié)能降耗點(diǎn)。系統(tǒng)可對(duì)冷機(jī)的能耗進(jìn)行分析和對(duì)比，計(jì)算COP值是否在合理范圍之內(nèi)，為冷機(jī)的啟停邏輯設(shè)定提供依據(jù)。系統(tǒng)生成數(shù)據(jù)中心整體PUE動(dòng)態(tài)曲線，便于整體能源效率分析。

3.3 提高建筑用能安全，及時(shí)發(fā)現(xiàn)用電異常

3.3.1實(shí)現(xiàn)電流平衡分析，平衡電力供應(yīng)，保證用電安全。

3.3.2顯示每個(gè)供電功率因數(shù)，提高用能質(zhì)量。

3.3.3實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)數(shù)據(jù)中心用電的平穩(wěn)性，為關(guān)停變壓器提供數(shù)據(jù)支撐。

3.3.4實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器工作負(fù)荷，在用電高峰期保證供電系統(tǒng)安全。

3.3.5以圖形的形式直觀展示每天工作時(shí)間能耗與非工作時(shí)間能耗的相關(guān)關(guān)系，大化能耗有效利用，及時(shí)發(fā)現(xiàn)非工作能耗異常。

3.4 找到節(jié)能改造方向、監(jiān)督節(jié)能改造效果

數(shù)據(jù)中心能源管理系統(tǒng)根據(jù)單位能源消耗量與室內(nèi)外溫度的對(duì)比關(guān)系，采用專用先進(jìn)的能耗算法，找出用能不合理時(shí)間點(diǎn)，并將結(jié)果反饋給用戶，為節(jié)能提供決策依據(jù)。系統(tǒng)將實(shí)際耗能量與計(jì)劃值進(jìn)行分析比較，實(shí)時(shí)查看節(jié)能值的變化量，驗(yàn)證節(jié)能改造方案效果。

4 安科瑞能源管理解決方案

4.1 概述

建立高效的能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，對(duì)建筑各類耗能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。能夠合理的確定各區(qū)域建筑能耗經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及績(jī)效考核指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)能源使用規(guī)律和能源浪費(fèi)情況，提高人員主動(dòng)節(jié)能的意識(shí)。

①　搭建數(shù)據(jù)中心智慧能源管理系統(tǒng)的基本框架，對(duì)各個(gè)用能環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

②　排碳數(shù)據(jù)化：通過(guò)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)建筑單位內(nèi)人均能耗分析（包括水、電、能量），實(shí)現(xiàn)低碳辦公數(shù)據(jù)化；

③　區(qū)域能效比：實(shí)現(xiàn)建筑單位內(nèi)區(qū)域能耗對(duì)比，方便能耗考核；

④　同期能效比：實(shí)現(xiàn)同年、同期、同一區(qū)域能耗對(duì)比，方便節(jié)能數(shù)據(jù)分析；

⑤　能耗評(píng)估管理：按照能源消耗定額標(biāo)準(zhǔn)約束值、標(biāo)準(zhǔn)值、引導(dǎo)值進(jìn)行分析單位面積能耗和人均能耗指標(biāo)；

⑥　能耗競(jìng)爭(zhēng)排名：各個(gè)功能區(qū)能耗對(duì)比，實(shí)現(xiàn)能耗排名，增強(qiáng)工作人員的節(jié)能意識(shí)；

⑦　對(duì)能耗的使用數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的分析、統(tǒng)計(jì)、打印和查詢等功能，并根據(jù)能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的需要可選擇不同樣式報(bào)表的打印。為能耗運(yùn)營(yíng)管理部門提供可靠的依據(jù)；

⑧　能耗數(shù)據(jù)采集，隨時(shí)查詢，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，監(jiān)測(cè)異常能源用量，對(duì)能源智能儀表故障進(jìn)行報(bào)警，提高系統(tǒng)信息化、自動(dòng)化水平。

4.2 硬件選型

5 結(jié)論

數(shù)據(jù)中心能源管理系統(tǒng)采用專業(yè)測(cè)控與計(jì)量產(chǎn)品，依托智能通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)供配電等能源數(shù)據(jù)的自動(dòng)化測(cè)控與計(jì)量功能，對(duì)數(shù)據(jù)中心電能資源進(jìn)行監(jiān)控管理，與DCIM（數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施管理系統(tǒng)）密切結(jié)合，完成設(shè)備、人員與能源的協(xié)調(diào)管理，可根據(jù)電能使用情況合理利用資源、節(jié)約能源，大限度地降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)成本，大限度降低對(duì)環(huán)境的污染。

該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)能耗分類分項(xiàng)分析等手段找出數(shù)據(jù)中心耗能的問(wèn)題點(diǎn)，進(jìn)行能耗分析評(píng)估，有針對(duì)性的開展節(jié)能改造工作，保證能源的使用可控、可測(cè)、可執(zhí)行、可實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排的目標(biāo)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】胡炳麗, 張珅. 數(shù)據(jù)中心能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用背景及功能概述[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新, 2020(7):2.

【2】徐善梅.綠色數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)探討[J].建設(shè)科技，2019，6，25.

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.5版

作者簡(jiǎn)介：吳柯霓，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。