李偉明

摘 要：通過分析數(shù)據(jù)中心的能耗組成和存在問題，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：TP308 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）006-088-02

隨著互聯(lián)網(wǎng)的寬帶化、移動化和物聯(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)中心迎來了建設高潮期。當前我國各類數(shù)據(jù)中心總量約50多萬個，可容納服務器共約500萬臺。2011年，我國數(shù)據(jù)中心總耗電量達700億千瓦時，占全社會用電量的1.5%。數(shù)據(jù)中心的高能耗，不僅給企業(yè)帶來了沉重的負擔，也造成了社會能源的巨大浪費。為了推動數(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。PUE（Power Usage Effectiveness，電源使用效率）值是國際上通用的數(shù)據(jù)中心電力使用效率的衡量指標，指數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負載消耗的能源之比。PUE值越接近于1，表示一個數(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)達國家數(shù)據(jù)中心的PUE約為1.8，日本部分數(shù)據(jù)中心的PUE可達1.5，Google的數(shù)據(jù)中心PUE可達1.2以下。在我國，80%以上的數(shù)據(jù)中心PUE均大于2.0，有的甚至高達3.0以上。

1 數(shù)據(jù)中心的能耗組成和存在問題

近10年來，數(shù)據(jù)中心運營的開支增長速度是其他開支增長速度的3倍；高密度服務器3年的能耗開支等于它們的購置費用。供電和散熱開支已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心可擴展的主要限制。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方面：一個是IT設備；另一個是機房基礎設施。從技術(shù)層面上看，解決高耗能現(xiàn)狀，目前有兩個工作方向：一個是降低IT設備尤其是服務器的能耗，結(jié)合云計算和虛擬運算技術(shù)，集中管理、分配數(shù)據(jù)中心的運算負荷，通過在硬件層面關(guān)閉無負荷服務器，從而降低IT設備損耗實現(xiàn)節(jié)能。另一個是降低機房設施的能耗，降低機房設施的能耗是一個系統(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、未來容量和密度的不確定性、可用性的要求越來越高、IT技術(shù)迅速地變化適應性和要求越來越高、預算又不斷增加以及功率發(fā)生動態(tài)變化等各種因素增加了節(jié)能降耗的復雜性。

目前國內(nèi)數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗的主要困難和問題在于：（1）缺乏技術(shù)手段獲取全面和準確的PUE數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)PUE提升空間，為制定和實施節(jié)能方案提供決策支持；同時數(shù)據(jù)中心的PUE指標體系和標準也尚未建立。（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”，無法實現(xiàn)精確感知和控制。（3）數(shù)據(jù)中心對能耗的管控還不系統(tǒng)，各種相關(guān)工作相互獨立，導致節(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設備、供配電設備和制冷系統(tǒng)是機房能源開銷的三大主要部分。IT設備由于業(yè)務的負載不同，能耗會有較大的波動，通過搜集全面準確PUE數(shù)據(jù)為應用層管理系統(tǒng)節(jié)能決策提供充分的參考基礎數(shù)據(jù)，如結(jié)合CPU、內(nèi)存等數(shù)據(jù)，可以時段性的物理關(guān)閉（開啟）某些閑置的服務器等，達到節(jié)能效果。實時現(xiàn)場的PUE數(shù)據(jù)又可以作為供配電系統(tǒng)調(diào)度控制的基礎決策數(shù)據(jù)，通過適當?shù)恼{(diào)整各級電源供給策略，可以提高配電效率，達到節(jié)能效果。通過傳感設備收集實時全面的設備運行溫度數(shù)據(jù)，精確計算并預測冷荷負載，結(jié)合智能機柜的風門控制，可以提高制冷冷風效率，達到節(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)，通過部署在機柜級的傳感器和感知設備及網(wǎng)絡采集準確詳細的電能和環(huán)境（溫度等）參數(shù)，傳送到服務器端計算PUE值，生成直觀的數(shù)據(jù)中心熱點視圖，為數(shù)據(jù)中心節(jié)能決策提供目標方向和論證依據(jù)；同時，實施機柜級的實時節(jié)能控制。另外，采用標準和通用的協(xié)議保持系統(tǒng)的開放性，使得其他智能設備和系統(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機柜，對電能和環(huán)境數(shù)據(jù)（溫度、濕度、煙霧等）進行機柜級感知，智能監(jiān)控單元SU一方面收集感知數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡交換機連接管控中心服務器，另一方面對機柜相關(guān)部件（如風門）進行實時控制，達到節(jié)能的目的。對感知數(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)中心設備的正常工作；同時，采用有線和無線結(jié)合的方式，避免密集傳感導致的傳輸不可靠、能耗增加等問題；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銷；各機柜之間采用zigbee自組網(wǎng)傳輸感知數(shù)據(jù)，方便新的傳感設備加入網(wǎng)絡中。對收集的數(shù)據(jù)進行全面的PUE計算和分析，獲得機柜級、區(qū)域級和機房級PUE數(shù)據(jù)，同時考慮PUE數(shù)據(jù)的時間和空間特性，并實現(xiàn)熱點可視化，熱點可視化如圖3所示；根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，提供故障預警；提供實時和遠程監(jiān)控平臺，為數(shù)據(jù)中心管理人員提供節(jié)能決策支持，同時為基于云計算的數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)提供PUE基礎數(shù)據(jù)和時空熱點信息。

圖3 數(shù)據(jù)中心熱點可視化示意圖

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)絡層和應用服務層組成，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備等組成。感知層中的智能子設備和傳感器包括：（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備有溫度傳感器、智能新風系統(tǒng)和新風空調(diào)，以及設備中用于設備監(jiān)控的監(jiān)控單元（控制器）。（3）用于機房設備環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測的開關(guān)量數(shù)據(jù)信號采集器（煙霧傳感器、水位傳感器、紅外移動探測器）。

網(wǎng)絡層由Internet網(wǎng)絡、移動通信GPRS/CDMA/3G網(wǎng)絡、局域網(wǎng)（Intranet、DCN）、以太網(wǎng)絡設備、RS485總線和ZigBee無線網(wǎng)絡與通訊介質(zhì)等組成。網(wǎng)絡層是數(shù)據(jù)信息交換的橋梁，負責對感知層（現(xiàn)場設備）上傳的數(shù)據(jù)信息進行采集、分類和傳送等工作的同時，下傳管控中心對現(xiàn)場設備的各種控制命令。

應用層由管控中心[管控中心系統(tǒng)軟件（服務器和數(shù)據(jù)庫）]、工作站、Web服務器、Web客戶端（PC機和手機等移動終端）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)絡節(jié)點或設備（負載）的電能消耗等電力參數(shù)實時監(jiān)測；（2）對收集的數(shù)據(jù)進行全面的PUE計算和分析，獲得機柜級、區(qū)域級和機房級PUE數(shù)據(jù)，同時考慮PUE數(shù)據(jù)的時間和空間特性，實現(xiàn)熱點可視化。（3）根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，提供故障預警；提供實時和遠程監(jiān)控平臺，為數(shù)據(jù)中心管理人員提供節(jié)能決策支持，同時為基于云計算的數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)提供PUE基礎數(shù)據(jù)和時空熱點信息。（4）機房/設備節(jié)能控制：根據(jù)IT設備的運行環(huán)境要求、氣候環(huán)境變化和設備負載變化，對設備進行節(jié)能控制；（5）電能消耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析：根據(jù)管理需求，對能耗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算和趨勢分析、輸出報表、給出預警信號等；（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)測告警，在低壓配電網(wǎng)絡節(jié)點監(jiān)測通信設備是否過載或短路，配電系統(tǒng)是否出現(xiàn)電源故障（斷電、缺相、開關(guān)跳閘等），通過感知層的溫度傳感器監(jiān)測空調(diào)系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障（停止運行）。

4 結(jié)語

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、PUE分析評估和節(jié)能控制三個方面為互聯(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，對于能耗監(jiān)測、節(jié)能控制和計算機輔助能效管理具有重要的技術(shù)促進作用，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用中前景廣闊。

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