数据中心用电管理解决方案

徐 斌 / 古雄文 / 刘 岩

（珠海派诺科技股份有限公司，广东 珠海 519080）

1 序言

数据中心是一个聚集了大量服务器、存储设备、网络设备及配套UPS、精密空调等设备的IT设备场所，是实现数据信息的集中处理、存储、传输、交换和集中管理等业务的服务平台。从物理层次看，数据中心主要由IT设备、配电系统和空调系统三部分组成。IT设备用于数据处理（服务器）、数据存储（存储设备）以及通讯（网络设备）,是实现数据中心功能的核心部分；配电系统和空调系统是实现IT设备系统的正常运行的保障。配电系统用于提供稳定的供电电源，实现直流—交流转换，并确保为IT设备提供可靠、高质量的电源；空调系统确保IT设备在正常的温度和湿度下工作。

随着网络技术、通信技术和计算机技术的发展，数据中心在企业中逐渐处于核心地位，表现在以下几个方面：第一，数据中心的建设成为企业信息化建设中的必经阶段，早期的企业信息化建设集中在网络等基础设施及管理信息系统开发等方面；现在的企业信息化建设将以数据中心建设为核心，并将其作为企业的知识中心及通用的业务平台。第二，数据中心采取“数据集中、应用分布”的方式，可以有效提高信息资源的利用率。第三，日本东部“311大地震”为日本本土企业带来的破坏，使企业认识到分布式数据中心对数据安全和防灾冗余备份的重要性，所以在已有数据中心基础上纷纷建立备份数据中心。第四，企业知识的集中沉淀与优化应用，将成为企业扩张经营的必备，数据中心将在此方面扮演极为重要的角色。第五，国际上许多大企业正在建设或已经建设了各自的数据中心，企业关键应用系统和关键硬件设施均统一集中在数据中心。综上所述，数据中心的建设代表了企业信息化的方向，成为一股国际潮流，必将促进企业核心竞争力的提高。并且随着冗余数据中心概念的推广，数据中心项目数量和规模成倍增加，其市场前景不可小视。

2 数据中心用电规模及特点

近年来，国内各行业业务处理对信息技术的依赖不断增加，国内数据中心市场逐渐扩大，投资规模快速增长。对用电的需求也逐年增加，通过对数据中心用电情况的分析，我们发现数据中心用电主要呈现以下特点：

1） 数据中心用电可靠性是数据中心核心要求，需要完备的故障处理机制保证其可靠稳定的运行。

数据中心用电的第一要务是安全可靠地为IT设备提供动力，所以其配电系统的安全性成为动力系统首要保证的目标。在数据中心配电系统中除了正常配电系统中采用的双回路独立电源供电之外，还在数据中心配备事故备用柴油发电机、大容量UPS等。同时在数据中心配电系统故障处理机制方面，会考虑供电电源失电、母线故障、开关跳闸和开关拒动等一系列非正常情况下如何最大限度地满足设备用电可靠性的要求。

2） 数据中心配电系统较一般建筑配电系统复杂。

与一般建筑配电系统相比，数据中心配电系统其结构更为复杂，对配电管理的要求更加严格。复杂性表现在电源输入及其控制策略上，一般建筑配电多采用双回路一主一备供电，其控制策略为备用电源自动投切。而数据中心配电系统除双回路单独供电之外，自身还配备至少满足全负荷设备容量的柴油发电机，在不同失电故障场景发生时，通过供电策略的改变实现数据中心设备的持续供电。同时，由于数据中心配电系统与用电负荷之间通过UPS进行连接，仅仅通过对配电系统端进行管理很难监测到用电负荷侧情况，不能实现对IT设备精细管理，需要添加对IT服务器设备的电源管理层级。

3） 数据中心用电呈现大规模、高密度的趋势。

数据中心已经成为新的“电老虎”。根据美国环保署报告，2011年美国的数据中心全年累计耗电1000亿kWh，占全美当年总耗电量的1.5%，电费约74亿美元。全球数据中心耗电量同样惊人，据IDC报告，2005年全球数据中心的耗电量是全球用电量的0.8%。同时单个数据中心的耗电量已经上升到万千瓦级别。随着IT技术的不断发展，对数据中心占地面积、柜体数量等占用资源的要求也逐渐提高。数据服务器呈现高密度设计的趋势。服务器设备单柜体功耗从设计之初的几kW已经上升到20kW以上。我国信息化基础设施非常先进，已经与发达国家同步，特别是上网用户数量已经跃居全球第一。庞大的信息需求引发了海量的数据中心建设，如中国电信、中国网通等大量建设的互联网数据中心IDC，又如金融、税务、电力、企业等行业的大量数据中心建设等。

3 数据中心用电管理解决方案

根据数据中心用电特点，派诺科技推出了数据中心用电管理整体解决方案，包括三个分系统解决方案，分别是：数据中心配电系统解决方案、数据中心用能管理解决方案和数据中心漏电火灾解决方案。

3.1 数据中心配电系统解决方案

数据中心配电系统解决方案对数据中心配电系统进行全方位监控。根据数据中心配电系统的特点，我们将数据中心配电系统分为：电源自动控制系统、精密配电系统、服务器（精密配电柜）电源系统。

图1 数据中心配电系统图

3.1.1 电源自动控制系统

本系统主要实现按照不同设计要求，在不同场景下电源之间的切换控制功能，为数据中心系统提供稳定可靠的供电保证。除逻辑满足设计需求之外，系统的稳定可靠是该级系统的核心要求。为满足系统控制的高稳定可靠性，派诺根据大量现场工程经验，在控制实现的硬件和软件方面通过一系列措施提高系统的稳定可靠性，主要包括：

硬件措施：

1） 改进安装环境；

2） 提升电源质量，系统可靠接地；

3） 通过硬件电路对输入/输出信号进行防错处理；

4） 通过硬件电路对输入/输出回路进行保护。

软件措施：

1） 增加互锁逻辑，防止误操作；

2） 利用计时器，过滤伪输入信号和干扰信号；

3） 跟踪现场设备的动作时间，保护设备安全；

4） 增加锁定逻辑，提高系统对设备故障的判断能力；

表1 根据TIA-942不同机房等级对应的不同系统解决方案

5） 设置停电记忆功能，保护数据安全。

3.1.2 精密配电监测系统

派诺公司率先重点开发了SmartPM中低压配电管理系统。该系统集实时/历史数据查询、报表打印、远程控制、事故预警、事故记录统一查询/打印、故障切除/恢复等众功能于一体，并对现场数据采用RS485总线传输方式，进一步增强了抗干扰能力，从根本上保证了系统的可靠、稳定运行。

本系统主要实现数据中心配电监测，满足数据中心配电系统安全性要求。系统通过末端PST700、PMAC700、PMAC600系列产品实现对配电系统信息的实时监测。末端采集设备综合电力监测仪主要应用于中低压配电监控系统，提供实时测量、电度计量、电能质量分析、需量分析、定值保护、偏差及SOE记录、总线通讯等功能，可灵活配置多种扩展模块，实现电力监控系统中关于通讯、“四遥”、电能质量分析等功能。

3.1.3 精密配电柜监测系统

本系统通过安装于列头柜中的PMAC201系列产品实现服务器末端的IT设备精细化管理。精密配电柜监控系统主要实现以下功能：

1） 对于末端配电柜中IT设备的负载情况进行检测，当需要添加IT设备时，可以根据当前的负载情况进行相应的负荷调整；

2） 高集成监测设备，单套仪表可完成数十台传统仪表完成的功能；

3） 可扩展性强，可检测2路进线和21路，42路、63路电参数状态；

4） 监测配电开关的开闭状态；

5） 通过人机接口实现界面化操作，方便用户使用。

6） 金属外壳，抗干扰性强。

3.1.4 根据机房不同等级采用不同配电系统配置

考虑到标准上对机房有多个等级划分，并且不同等级对系统的安全和可靠性要求有所不同。数据中心配电系统根据数据中心的设计等级要求有其相应的配套解决方案，这些方案根据数据中心供电可靠性整体要求配置为：单机系统、双机热备、双控制系统、双通讯系统等，具体配置方案如表1所示。

1） 数据中心用能管理解决方案

数据中心作为能耗大户，其能耗水平一直是多方关注的焦点，在设计过程中采用先进的设计理念和技术方案来实现数据中心的能效水平的提升。PUE、DCiE、CLF、PLC 等 作 为 数 据 中 心 专 属 评 价 指标，一直是用户和设计人员关注的关键评价指标。SmartPM2000数据中心能效管理系统对数据中心用能情况进行实时监测，通过能耗统计，实现对数据中心用能情况的分析。在数据中心运行过程中对数据中心用能及能效情况进行实时监测，让用户对数据中心的整体和局部区域运行情况有清晰的了解，同时也是对设计过程中的设计思想理念继仿真分析之后，在实际运行过程中对其效果的一种检验。

2） 数据中心漏电火灾解决方案

派诺公司根据数据中心中低压配电管理系统的开发经验，重点研制出SmartPM 漏电火灾报警系统。该系统除具备传统的漏电、过载、短路保护功能外，又增加了过压、欠压、雷电感应和误操作等防护措施。可通过实时监控、显示并储存故障发生点或指定点的漏电电流、过电流、温度等状态参数，及时掌握电路运行状况；同时系统具有良好的扩散性，可与火灾自动报警系统相联，实现远程切断火灾发生点的负载和电源等操作。

4 总结

数据中心用电管理解决方案更注重在使用过程中安全稳定地满足用户要求，验证了数据中心的设计理念在数据中心实际运行过程中的效果，为更多的数据中心设计理念在中国广大数据中心的落实提供实际运行数据和依据。希望通过数据中心用电管理解决方案的采用，让国内数据中心更加稳定可靠地运行。