大型數據中心基礎設施智能化及自動化淺談

文｜ 國網信息通信有限公司 郭向東 樊建輝

大型數據中心與傳統機房在管理上的最大不同在于大型數據中心將建筑本身的基礎設施也納入到數據中心的管理范圍。傳統的機房管理更多關注的是IT設備、網絡環境等，對于基礎設施也僅僅局限于動力環境監控系統。其主要原因在于，傳統的機房往往建設在普通辦公樓內，其電力、空調、新風及消防等基礎設施與辦公樓共用，機房管理者無法按照機房的管理標準對這些基礎設施進行管理，這與現在大型數據中心有很大不同。現在的數據中心通常是以整棟建筑物為平臺，單體建筑面積達到1～2萬平方米，可容納3000～4000個機柜，整棟建筑物僅作為數據機房使用。近年來某些數據中心可容納的機柜數量甚至達到幾萬個，在這種情況下，數據中心的管理者所面對的管理對象是整個建筑物的基礎設施，涵蓋了電氣、暖通、消防、安保等系統。這些系統運行的安全可靠性對于數據中心更為重要，例如空調冷水機組一旦發生重大事故，可能造成整個數據中心的癱瘓。數據中心節能的概念也不再局限于機房精密空調、照明等環節，而必須關注從變壓器、UPS、冷水機組等大型設備到冷卻塔、水泵、新風等各環節的節能。

數據中心在建筑學上屬于智能建筑專業，其智能化的表現之一是在數據中心中安裝了大量的智能化及自動化設備，通過安裝各種傳感器實現智能化和自動化。這些傳感器種類及數量繁多，包括溫度、濕度、電壓、電流、壓力、流量、漏水、防入侵等。這些智能化設備對數據中心的節能產生了極大的作用，同時也保證了數據中心的安全可靠運行，是數據中心不可或缺的重要組成部分。

數據中心基礎設施最重要的系統包括變配電系統、空調系統及相應的水系統，這些系統的智能化和自動化代表了數據中心基礎設施的智能化、自動化水平。將RFID技術引入數據中心的管理，實現基礎設施智能化管理，可以極大地節約人力成本，也是目前數據中心智能化的標志之一。

本文筆者通過在數據中心建設和運維中的體會，說明智能化對數據中心在節能方面所帶來的效益。

1 數據中心智能化能耗監控平臺

準確衡量數據中心能耗的關鍵指標PUE值，需要在變配電系統及用電設備上安裝必要的PT、CT等各類傳感器。全面實時監測數據中心的IT設備、空調制冷、新風、照明、消防等基礎設施的運行參數和能耗數據，動態顯示和分析PUE值等能效數據。對基礎設施能耗歷史及實時數據進行分析匯總，分類提出各類基礎設施的運行建議和優化措施。主要表現在以下幾個方面：

（1）能源動力過程監控

基于對數據處理和分析，實時掌握能源消耗狀況，對各個環節的能耗異常情況進行集中監控。例如，對每個機柜的發熱量進行實時監控，并形成圖形化顯示，對高熱區域進行報警。通過自動調節地板通風口面積，消除局部“熱島”。

（2）能源消耗分析與管理

能源管理系統作為數據中心能源的監管平臺，為管理人員提供了不同的管理窗口，通過一個頁面管理掌握整個數據中心的能源消耗情況，通過對能源消耗的精細化管理，實現對能源消耗系統的實時監控、日常能源消耗管理、能耗分析、重點設備管理等功能，提高了能源管理的數字化和智能化水平。

（3）指標分析

引入數據中心能耗指標計算方法，包括：每個機柜用電量、單位面積綜合能耗、單位面積空調能耗、單位面積照明能耗等進行考核分析。

（4）智能報表

將各種數據進行匯總產生統計報表，報表所展現的數據和內容，可以切換成餅圖、棒圖和曲線方式進行展現。

2 變配電系統智能化及自動化在數據中心的應用

為最大限度地保證IT設備不間斷工作，數據中心在變配電系統中利用各種脫扣器和電氣二次設備實現了智能化與自動化。本節以ATS切換開關為例，簡要說明電氣系統中的智能化及自動化。

根據《電子信息系統機房設計規范》（GB 50174-2008）A級機房標準和美國國家標準學會（ANSI）頒布的《數據中心電信基礎設施標準》（TIA 942）中T3及T4級機房的規定，雙路市電是數據中心必備的條件。在雙路市電切換過程中，ATS自動切換開關被廣泛使用。當一路市電發生故障時，ATS自動將負載從一個電源換接至另一個電源，以確保IT設備連續、可靠運行，因此，ATS在數據中心中占有重要的地位。目前，數據中心大都用ATS開關取代母聯開關，實現了變配電系統的自動化。此外，STS（靜態切換開關）也被數據中心廣泛使用，很多網絡設備依然采用單電源供電方式，機柜式STS開關可以很好地解決單電源設備的連續供電問題。

ATS有PC級和CB級兩種型式，CB級ATS比PC級ATS多一個短路保護功能，但PC級ATS的可靠性高于CB級ATS。給IT設備配置的ATS應選用旁路隔離型的PC級ATS。在實際應用中，ATS的轉換條件和轉換時間至關重要，必須與上下級開關斷路器的電流整定值及整定時間相互配合。在實際運維中經常出現由這些小問題所引發的重大災難性事故。

3 空調自控系統在數據中心的節能應用

空調系統的智能化及自動化可以極大提高數據中心節能效果。“Free cooling”技術目前在數據中心中被廣泛采用。在我國北方的廣大地區，甚至像上海這樣的地區利用春、秋及冬季較低的氣溫，用“冷卻塔+板式換熱器”的運行模式取代冷水機組電制冷工作模式，其節能效果非常顯著。“Free cooling”技術采用了大量的溫度、壓力、流量及液位傳感器等，通過測量各種參數實現空調系統的智能控制。同時利用電磁閥、自控元件實現空調系統的自動化。根據機房內溫度及室外溫濕度，在室外溫度低于15℃時自動開啟“Free cooling”模式，當室外溫度高于15℃時，自動回到冷水機組電制冷工作模式。在春秋季節每天的溫度變化范圍較大，智能化的“Free cooling”技術可以充分利用春秋季節每天早晚及中午溫度的變化，自動進行制冷模式的切換，我們稱之為“部分Free cooling”，使其最大程度地實現節能。

此外，還可對冷水機組的冷凍系統及冷卻系統采用智能化控制，使之更加節能。例如，對冷凍系統進行恒溫控制，以回水溫度信號作為目標信號，使壓差的目標值可以在一定范圍內根據回水溫度進行適當調整，即當機房溫度較低時，使壓差的目標值適當下降一些，降低冷凍泵的平均轉速，提高節能效果。對冷卻系統采用兩個溫度傳感器，檢測冷卻水的進水溫度和回水溫度，當進水和回水溫差大時，冷卻水泵及冷卻風機加速運行，使進水和回水溫差保持在5℃左右。當進水和回水溫差偏小時，降低冷卻水泵和冷卻風機的速度以達到節能的目的。

根據對某北方數據中心的長期觀察，每年至少有一半的天數可以使用“部分Free cooling”及“完全Free cooling”（即冷水機組完全不啟動）。在此期間平均每個月可節約電能約120000kWh，節能效果非常大。

4 空調水系統智能化檢測在數據中心的節能應用

大型數據中心通常采用冷水機組作為機房冷源，因此數據中心的水系統（冷卻水及冷凍水）對于數據中心而言極為重要，其安全可靠性直接關系到數據中心的運行。不僅如此，水質也直接關系到節能的問題，例如北京地區水質較硬，當水系統中的結垢現象很嚴重時，空調系統的能耗也隨之增加。

冷卻水與空氣接觸進行熱交換的同時也將空氣中的污染物帶入系統，進而會影響設備的正常運行。空調的冷卻水系統易受到結垢、腐蝕、污垢、微生物等問題的困擾。其主要原因是冷卻塔在通過水的蒸發將熱量帶走的同時，水中的離子濃度會不斷升高，進而會加劇系統設備和管道的結垢、腐蝕。另外，在滿足一定的溫度、陽光、空氣等條件時，水中會滋生很多微生物，微生物的存在會影響系統設備和管道的正常運行。

在空調專業上將冷卻水出水溫度與制冷劑的冷凝溫度之差稱為冷凍機趨近溫度。當冷水機組內的銅管干凈時，該差值小，也即趨近溫度低；反之，當銅管有水垢粘附時，差值大，也即趨近溫度高。趨近溫度高時，空調壓縮機需要額外多做功壓縮制冷劑，產生額外的電耗。根據實際運行中的統計，趨近溫度每升高1℃，冷水機組增加3%的能耗。此外，當趨近溫度達到7℃時，會給冷水機組的運行帶來非常大的危險。因此實時檢測水系統的水質并自動進行加藥處理對數據中心的水系統尤為重要。

水系統自動檢測及自動加藥設備通過在線的、實時的控制，可以嚴格地控制水的電導率在合理范圍內，根據電導率大小自動控制排污閥的開或關，使補水量更精確，從而達到節約用水的目的。下面以實例說明自動水處理系統在節電、節水方面所取得的效果。

某數據中心在采用自動水處理系統前遭遇冷凍機組結垢、微生物滋生等問題困擾，造成趨近溫度升高，最高時達到6.5℃，產生了嚴重的能源浪費和運行風險。經過自動處理系統后，現趨近溫度穩定在1℃以下。在處理前，冷水機組耗電量為202kW。處理后，在相同的負荷下，耗電量降為170kW。在采用“Free cooling”技術的前提下，冷水機組每年運行7.5個月計算，則一年節約用電為：

（202-165）kW×24h×225d =199800 kWh

合理的濃縮倍數和穩定的控制效果，可以把冷水機組的排污用水量控制到最合理的范圍。按照一臺540噸/時循環量的冷水機組來計算，在未采用自動檢測及自動加藥設備前，其濃縮倍數為2.22倍。采用自動檢測及自動加藥設備后，其濃縮倍數可以在3.5倍。由此每年節約的用水量達到12噸。

5 RFID技術在數據中心基礎設施管理中的應用

大型數據中心的IT設備及基礎設施眾多，這些設備的基本信息，如設備歸屬、購置時間、放置地點、保養維護、備品備件等信息，若用人工進行管理將是復雜的工作，且極易出現錯誤。目前國內外大型數據中心都在探索利用RFID技術對數據中心進行管理的途徑，出現了各種應用案例，但大多數是在局部環節的應用，例如僅僅實現了對IT設備的資產管理，并沒有對整個數據中心從基礎設施到人、財、物等環節全面應用RFID的案例。本節將結合RFID技術探討在智能化方面的應用模式，利用RFID高效、便捷、準確的特點，對大型數據中心實現安全、可靠、現代化的管理。

（1）將物聯網概念引入數據中心管理中，以RFID技術為感知層，探索物聯網在大型數據中心的應用。

（2）利用RFID實現資產管理，實現資產實時定位、盤點、異常上報、資產屬性管理等。

（3）利用RFID實現人員定位跟蹤，確保人員在指定范圍內活動。對非法進入未經授權的區域，利用語音系統進行警告并提示其正確的路徑，同時提示后臺監控人員，加強對此人的監控。對于大型數據中心而言，有很多IT維護人員、設備維護人員、物業及管理人員要進入數據中心，如何限制這些人員的活動范圍，僅靠監控人員顯然無法實現，RFID的定位跟蹤功能可以很方便的解決這個問題。

6 結束語

在筆者所建設和運維的數據中心中，智能化和自動化程度越高，其所帶來的效益就越大。這種效益不僅表現在降低能耗上，在節約人力資源、提高數據中心運行安全可靠性等方面也有突出的表現。在我們的生活越來越依靠網絡的時代，數據中心基礎設施運維安全問題，在某些領域是一個關乎到國計民生的重大問題。在進行數據中心建設和運維時，要充分發揮各種先進技術實現數據中心的智能化和自動化。

對大型及超大型數據中心基礎設施的管理，傳統的管理模式已無法應對，只有將智能化與自動化的概念引入到數據中心的建設及管理中，才可以確保數據中心的安全可靠運行。

本文從幾個不同的方面談了對數據中心智能化和自動化的理解和認識，借助于以往的經驗及教訓，供廣大同仁參考。