數據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

數據中心是一個聚集了大量服務器、存儲設備、網絡設備及配套UPS、精密空調等設備的IT設備場所，是實現數據信息的集中處理、存儲、傳輸、交換和集中管理等業務的服務平臺。從物理層次看，數據中心主要由IT設備、配電系統和空調系統三部分組成。IT設備用于數據處理（服務器）、數據存儲（存儲設備）以及通訊（網絡設備）,是實現數據中心功能的核心部分；配電系統和空調系統是實現IT設備系統的正常運行的保障。配電系統用于提供穩定的供電電源，實現直流—交流轉換，并確保為IT設備提供可靠、高質量的電源；空調系統確保IT設備在正常的溫度和濕度下工作。

隨著網絡技術、通信技術和計算機技術的發展，數據中心在企業中逐漸處于核心地位，表現在以下幾個方面：第一，數據中心的建設成為企業信息化建設中的必經階段，早期的企業信息化建設集中在網絡等基礎設施及管理信息系統開發等方面；現在的企業信息化建設將以數據中心建設為核心，并將其作為企業的知識中心及通用的業務平臺。第二，數據中心采取“數據集中、應用分布”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”為日本本土企業帶來的破壞，使企業認識到分布式數據中心對數據安全和防災冗余備份的重要性，所以在已有數據中心基礎上紛紛建立備份數據中心。第四，企業知識的集中沉淀與優化應用，將成為企業擴張經營的必備，數據中心將在此方面扮演極為重要的角色。第五，國際上許多大企業正在建設或已經建設了各自的數據中心，企業關鍵應用系統和關鍵硬件設施均統一集中在數據中心。綜上所述，數據中心的建設代表了企業信息化的方向，成為一股國際潮流，必將促進企業核心競爭力的提高。并且隨著冗余數據中心概念的推廣，數據中心項目數量和規模成倍增加，其市場前景不可小視。

2 數據中心用電規模及特點

近年來，國內各行業業務處理對信息技術的依賴不斷增加，國內數據中心市場逐漸擴大，投資規模快速增長。對用電的需求也逐年增加，通過對數據中心用電情況的分析，我們發現數據中心用電主要呈現以下特點：

1） 數據中心用電可靠性是數據中心核心要求，需要完備的故障處理機制保證其可靠穩定的運行。

數據中心用電的第一要務是安全可靠地為IT設備提供動力，所以其配電系統的安全性成為動力系統首要保證的目標。在數據中心配電系統中除了正常配電系統中采用的雙回路獨立電源供電之外，還在數據中心配備事故備用柴油發電機、大容量UPS等。同時在數據中心配電系統故障處理機制方面，會考慮供電電源失電、母線故障、開關跳閘和開關拒動等一系列非正常情況下如何最大限度地滿足設備用電可靠性的要求。

2） 數據中心配電系統較一般建筑配電系統復雜。

與一般建筑配電系統相比，數據中心配電系統其結構更為復雜，對配電管理的要求更加嚴格。復雜性表現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投切。而數據中心配電系統除雙回路單獨供電之外，自身還配備至少滿足全負荷設備容量的柴油發電機，在不同失電故障場景發生時，通過供電策略的改變實現數據中心設備的持續供電。同時，由于數據中心配電系統與用電負荷之間通過UPS進行連接，僅僅通過對配電系統端進行管理很難監測到用電負荷側情況，不能實現對IT設備精細管理，需要添加對IT服務器設備的電源管理層級。

3） 數據中心用電呈現大規模、高密度的趨勢。

數據中心已經成為新的“電老虎”。根據美國環保署報告，2011年美國的數據中心全年累計耗電1000億kWh，占全美當年總耗電量的1.5%，電費約74億美元。全球數據中心耗電量同樣驚人，據IDC報告，2005年全球數據中心的耗電量是全球用電量的0.8%。同時單個數據中心的耗電量已經上升到萬千瓦級別。隨著IT技術的不斷發展，對數據中心占地面積、柜體數量等占用資源的要求也逐漸提高。數據服務器呈現高密度設計的趨勢。服務器設備單柜體功耗從設計之初的幾kW已經上升到20kW以上。我國信息化基礎設施非常先進，已經與發達國家同步，特別是上網用戶數量已經躍居全球第一。龐大的信息需求引發了海量的數據中心建設，如中國電信、中國網通等大量建設的互聯網數據中心IDC，又如金融、稅務、電力、企業等行業的大量數據中心建設等。

3 數據中心用電管理解決方案

根據數據中心用電特點，派諾科技推出了數據中心用電管理整體解決方案，包括三個分系統解決方案，分別是：數據中心配電系統解決方案、數據中心用能管理解決方案和數據中心漏電火災解決方案。

3.1 數據中心配電系統解決方案

數據中心配電系統解決方案對數據中心配電系統進行全方位監控。根據數據中心配電系統的特點，我們將數據中心配電系統分為：電源自動控制系統、精密配電系統、服務器（精密配電柜）電源系統。

圖1 數據中心配電系統圖

3.1.1 電源自動控制系統

本系統主要實現按照不同設計要求，在不同場景下電源之間的切換控制功能，為數據中心系統提供穩定可靠的供電保證。除邏輯滿足設計需求之外，系統的穩定可靠是該級系統的核心要求。為滿足系統控制的高穩定可靠性，派諾根據大量現場工程經驗，在控制實現的硬件和軟件方面通過一系列措施提高系統的穩定可靠性，主要包括：

硬件措施：

1） 改進安裝環境；

2） 提升電源質量，系統可靠接地；

3） 通過硬件電路對輸入/輸出信號進行防錯處理；

4） 通過硬件電路對輸入/輸出回路進行保護。

軟件措施：

1） 增加互鎖邏輯，防止誤操作；

2） 利用計時器，過濾偽輸入信號和干擾信號；

3） 跟蹤現場設備的動作時間，保護設備安全；

4） 增加鎖定邏輯，提高系統對設備故障的判斷能力；

表1 根據TIA-942不同機房等級對應的不同系統解決方案

5） 設置停電記憶功能，保護數據安全。

3.1.2 精密配電監測系統

派諾公司率先重點開發了SmartPM中低壓配電管理系統。該系統集實時/歷史數據查詢、報表打印、遠程控制、事故預警、事故記錄統一查詢/打印、故障切除/恢復等眾功能于一體，并對現場數據采用RS485總線傳輸方式，進一步增強了抗干擾能力，從根本上保證了系統的可靠、穩定運行。

本系統主要實現數據中心配電監測，滿足數據中心配電系統安全性要求。系統通過末端PST700、PMAC700、PMAC600系列產品實現對配電系統信息的實時監測。末端采集設備綜合電力監測儀主要應用于中低壓配電監控系統，提供實時測量、電度計量、電能質量分析、需量分析、定值保護、偏差及SOE記錄、總線通訊等功能，可靈活配置多種擴展模塊，實現電力監控系統中關于通訊、“四遙”、電能質量分析等功能。

3.1.3 精密配電柜監測系統

本系統通過安裝于列頭柜中的PMAC201系列產品實現服務器末端的IT設備精細化管理。精密配電柜監控系統主要實現以下功能：

1） 對于末端配電柜中IT設備的負載情況進行檢測，當需要添加IT設備時，可以根據當前的負載情況進行相應的負荷調整；

2） 高集成監測設備，單套儀表可完成數十臺傳統儀表完成的功能；

3） 可擴展性強，可檢測2路進線和21路，42路、63路電參數狀態；

4） 監測配電開關的開閉狀態；

5） 通過人機接口實現界面化操作，方便用戶使用。

6） 金屬外殼，抗干擾性強。

3.1.4 根據機房不同等級采用不同配電系統配置

考慮到標準上對機房有多個等級劃分，并且不同等級對系統的安全和可靠性要求有所不同。數據中心配電系統根據數據中心的設計等級要求有其相應的配套解決方案，這些方案根據數據中心供電可靠性整體要求配置為：單機系統、雙機熱備、雙控制系統、雙通訊系統等，具體配置方案如表1所示。

1） 數據中心用能管理解決方案

數據中心作為能耗大戶，其能耗水平一直是多方關注的焦點，在設計過程中采用先進的設計理念和技術方案來實現數據中心的能效水平的提升。PUE、DCiE、CLF、PLC 等 作 為 數 據 中 心 專 屬 評 價 指標，一直是用戶和設計人員關注的關鍵評價指標。SmartPM2000數據中心能效管理系統對數據中心用能情況進行實時監測，通過能耗統計，實現對數據中心用能情況的分析。在數據中心運行過程中對數據中心用能及能效情況進行實時監測，讓用戶對數據中心的整體和局部區域運行情況有清晰的了解，同時也是對設計過程中的設計思想理念繼仿真分析之后，在實際運行過程中對其效果的一種檢驗。

2） 數據中心漏電火災解決方案

派諾公司根據數據中心中低壓配電管理系統的開發經驗，重點研制出SmartPM 漏電火災報警系統。該系統除具備傳統的漏電、過載、短路保護功能外，又增加了過壓、欠壓、雷電感應和誤操作等防護措施。可通過實時監控、顯示并儲存故障發生點或指定點的漏電電流、過電流、溫度等狀態參數，及時掌握電路運行狀況；同時系統具有良好的擴散性，可與火災自動報警系統相聯，實現遠程切斷火災發生點的負載和電源等操作。

4 總結

數據中心用電管理解決方案更注重在使用過程中安全穩定地滿足用戶要求，驗證了數據中心的設計理念在數據中心實際運行過程中的效果，為更多的數據中心設計理念在中國廣大數據中心的落實提供實際運行數據和依據。希望通過數據中心用電管理解決方案的采用，讓國內數據中心更加穩定可靠地運行。