大型数据中心基础设施智能化及自动化浅谈

文｜ 国网信息通信有限公司 郭向东 樊建辉

大型数据中心与传统机房在管理上的最大不同在于大型数据中心将建筑本身的基础设施也纳入到数据中心的管理范围。传统的机房管理更多关注的是IT设备、网络环境等，对于基础设施也仅仅局限于动力环境监控系统。其主要原因在于，传统的机房往往建设在普通办公楼内，其电力、空调、新风及消防等基础设施与办公楼共用，机房管理者无法按照机房的管理标准对这些基础设施进行管理，这与现在大型数据中心有很大不同。现在的数据中心通常是以整栋建筑物为平台，单体建筑面积达到1～2万平方米，可容纳3000～4000个机柜，整栋建筑物仅作为数据机房使用。近年来某些数据中心可容纳的机柜数量甚至达到几万个，在这种情况下，数据中心的管理者所面对的管理对象是整个建筑物的基础设施，涵盖了电气、暖通、消防、安保等系统。这些系统运行的安全可靠性对于数据中心更为重要，例如空调冷水机组一旦发生重大事故，可能造成整个数据中心的瘫痪。数据中心节能的概念也不再局限于机房精密空调、照明等环节，而必须关注从变压器、UPS、冷水机组等大型设备到冷却塔、水泵、新风等各环节的节能。

数据中心在建筑学上属于智能建筑专业，其智能化的表现之一是在数据中心中安装了大量的智能化及自动化设备，通过安装各种传感器实现智能化和自动化。这些传感器种类及数量繁多，包括温度、湿度、电压、电流、压力、流量、漏水、防入侵等。这些智能化设备对数据中心的节能产生了极大的作用，同时也保证了数据中心的安全可靠运行，是数据中心不可或缺的重要组成部分。

数据中心基础设施最重要的系统包括变配电系统、空调系统及相应的水系统，这些系统的智能化和自动化代表了数据中心基础设施的智能化、自动化水平。将RFID技术引入数据中心的管理，实现基础设施智能化管理，可以极大地节约人力成本，也是目前数据中心智能化的标志之一。

本文笔者通过在数据中心建设和运维中的体会，说明智能化对数据中心在节能方面所带来的效益。

1 数据中心智能化能耗监控平台

准确衡量数据中心能耗的关键指标PUE值，需要在变配电系统及用电设备上安装必要的PT、CT等各类传感器。全面实时监测数据中心的IT设备、空调制冷、新风、照明、消防等基础设施的运行参数和能耗数据，动态显示和分析PUE值等能效数据。对基础设施能耗历史及实时数据进行分析汇总，分类提出各类基础设施的运行建议和优化措施。主要表现在以下几个方面：

（1）能源动力过程监控

基于对数据处理和分析，实时掌握能源消耗状况，对各个环节的能耗异常情况进行集中监控。例如，对每个机柜的发热量进行实时监控，并形成图形化显示，对高热区域进行报警。通过自动调节地板通风口面积，消除局部“热岛”。

（2）能源消耗分析与管理

能源管理系统作为数据中心能源的监管平台，为管理人员提供了不同的管理窗口，通过一个页面管理掌握整个数据中心的能源消耗情况，通过对能源消耗的精细化管理，实现对能源消耗系统的实时监控、日常能源消耗管理、能耗分析、重点设备管理等功能，提高了能源管理的数字化和智能化水平。

（3）指标分析

引入数据中心能耗指标计算方法，包括：每个机柜用电量、单位面积综合能耗、单位面积空调能耗、单位面积照明能耗等进行考核分析。

（4）智能报表

将各种数据进行汇总产生统计报表，报表所展现的数据和内容，可以切换成饼图、棒图和曲线方式进行展现。

2 变配电系统智能化及自动化在数据中心的应用

为最大限度地保证IT设备不间断工作，数据中心在变配电系统中利用各种脱扣器和电气二次设备实现了智能化与自动化。本节以ATS切换开关为例，简要说明电气系统中的智能化及自动化。

根据《电子信息系统机房设计规范》（GB 50174-2008）A级机房标准和美国国家标准学会（ANSI）颁布的《数据中心电信基础设施标准》（TIA 942）中T3及T4级机房的规定，双路市电是数据中心必备的条件。在双路市电切换过程中，ATS自动切换开关被广泛使用。当一路市电发生故障时，ATS自动将负载从一个电源换接至另一个电源，以确保IT设备连续、可靠运行，因此，ATS在数据中心中占有重要的地位。目前，数据中心大都用ATS开关取代母联开关，实现了变配电系统的自动化。此外，STS（静态切换开关）也被数据中心广泛使用，很多网络设备依然采用单电源供电方式，机柜式STS开关可以很好地解决单电源设备的连续供电问题。

ATS有PC级和CB级两种型式，CB级ATS比PC级ATS多一个短路保护功能，但PC级ATS的可靠性高于CB级ATS。给IT设备配置的ATS应选用旁路隔离型的PC级ATS。在实际应用中，ATS的转换条件和转换时间至关重要，必须与上下级开关断路器的电流整定值及整定时间相互配合。在实际运维中经常出现由这些小问题所引发的重大灾难性事故。

3 空调自控系统在数据中心的节能应用

空调系统的智能化及自动化可以极大提高数据中心节能效果。“Free cooling”技术目前在数据中心中被广泛采用。在我国北方的广大地区，甚至像上海这样的地区利用春、秋及冬季较低的气温，用“冷却塔+板式换热器”的运行模式取代冷水机组电制冷工作模式，其节能效果非常显著。“Free cooling”技术采用了大量的温度、压力、流量及液位传感器等，通过测量各种参数实现空调系统的智能控制。同时利用电磁阀、自控元件实现空调系统的自动化。根据机房内温度及室外温湿度，在室外温度低于15℃时自动开启“Free cooling”模式，当室外温度高于15℃时，自动回到冷水机组电制冷工作模式。在春秋季节每天的温度变化范围较大，智能化的“Free cooling”技术可以充分利用春秋季节每天早晚及中午温度的变化，自动进行制冷模式的切换，我们称之为“部分Free cooling”，使其最大程度地实现节能。

此外，还可对冷水机组的冷冻系统及冷却系统采用智能化控制，使之更加节能。例如，对冷冻系统进行恒温控制，以回水温度信号作为目标信号，使压差的目标值可以在一定范围内根据回水温度进行适当调整，即当机房温度较低时，使压差的目标值适当下降一些，降低冷冻泵的平均转速，提高节能效果。对冷却系统采用两个温度传感器，检测冷却水的进水温度和回水温度，当进水和回水温差大时，冷却水泵及冷却风机加速运行，使进水和回水温差保持在5℃左右。当进水和回水温差偏小时，降低冷却水泵和冷却风机的速度以达到节能的目的。

根据对某北方数据中心的长期观察，每年至少有一半的天数可以使用“部分Free cooling”及“完全Free cooling”（即冷水机组完全不启动）。在此期间平均每个月可节约电能约120000kWh，节能效果非常大。

4 空调水系统智能化检测在数据中心的节能应用

大型数据中心通常采用冷水机组作为机房冷源，因此数据中心的水系统（冷却水及冷冻水）对于数据中心而言极为重要，其安全可靠性直接关系到数据中心的运行。不仅如此，水质也直接关系到节能的问题，例如北京地区水质较硬，当水系统中的结垢现象很严重时，空调系统的能耗也随之增加。

冷却水与空气接触进行热交换的同时也将空气中的污染物带入系统，进而会影响设备的正常运行。空调的冷却水系统易受到结垢、腐蚀、污垢、微生物等问题的困扰。其主要原因是冷却塔在通过水的蒸发将热量带走的同时，水中的离子浓度会不断升高，进而会加剧系统设备和管道的结垢、腐蚀。另外，在满足一定的温度、阳光、空气等条件时，水中会滋生很多微生物，微生物的存在会影响系统设备和管道的正常运行。

在空调专业上将冷却水出水温度与制冷剂的冷凝温度之差称为冷冻机趋近温度。当冷水机组内的铜管干净时，该差值小，也即趋近温度低；反之，当铜管有水垢粘附时，差值大，也即趋近温度高。趋近温度高时，空调压缩机需要额外多做功压缩制冷剂，产生额外的电耗。根据实际运行中的统计，趋近温度每升高1℃，冷水机组增加3%的能耗。此外，当趋近温度达到7℃时，会给冷水机组的运行带来非常大的危险。因此实时检测水系统的水质并自动进行加药处理对数据中心的水系统尤为重要。

水系统自动检测及自动加药设备通过在线的、实时的控制，可以严格地控制水的电导率在合理范围内，根据电导率大小自动控制排污阀的开或关，使补水量更精确，从而达到节约用水的目的。下面以实例说明自动水处理系统在节电、节水方面所取得的效果。

某数据中心在采用自动水处理系统前遭遇冷冻机组结垢、微生物滋生等问题困扰，造成趋近温度升高，最高时达到6.5℃，产生了严重的能源浪费和运行风险。经过自动处理系统后，现趋近温度稳定在1℃以下。在处理前，冷水机组耗电量为202kW。处理后，在相同的负荷下，耗电量降为170kW。在采用“Free cooling”技术的前提下，冷水机组每年运行7.5个月计算，则一年节约用电为：

（202-165）kW×24h×225d =199800 kWh

合理的浓缩倍数和稳定的控制效果，可以把冷水机组的排污用水量控制到最合理的范围。按照一台540吨/时循环量的冷水机组来计算，在未采用自动检测及自动加药设备前，其浓缩倍数为2.22倍。采用自动检测及自动加药设备后，其浓缩倍数可以在3.5倍。由此每年节约的用水量达到12吨。

5 RFID技术在数据中心基础设施管理中的应用

大型数据中心的IT设备及基础设施众多，这些设备的基本信息，如设备归属、购置时间、放置地点、保养维护、备品备件等信息，若用人工进行管理将是复杂的工作，且极易出现错误。目前国内外大型数据中心都在探索利用RFID技术对数据中心进行管理的途径，出现了各种应用案例，但大多数是在局部环节的应用，例如仅仅实现了对IT设备的资产管理，并没有对整个数据中心从基础设施到人、财、物等环节全面应用RFID的案例。本节将结合RFID技术探讨在智能化方面的应用模式，利用RFID高效、便捷、准确的特点，对大型数据中心实现安全、可靠、现代化的管理。

（1）将物联网概念引入数据中心管理中，以RFID技术为感知层，探索物联网在大型数据中心的应用。

（2）利用RFID实现资产管理，实现资产实时定位、盘点、异常上报、资产属性管理等。

（3）利用RFID实现人员定位跟踪，确保人员在指定范围内活动。对非法进入未经授权的区域，利用语音系统进行警告并提示其正确的路径，同时提示后台监控人员，加强对此人的监控。对于大型数据中心而言，有很多IT维护人员、设备维护人员、物业及管理人员要进入数据中心，如何限制这些人员的活动范围，仅靠监控人员显然无法实现，RFID的定位跟踪功能可以很方便的解决这个问题。

6 结束语

在笔者所建设和运维的数据中心中，智能化和自动化程度越高，其所带来的效益就越大。这种效益不仅表现在降低能耗上，在节约人力资源、提高数据中心运行安全可靠性等方面也有突出的表现。在我们的生活越来越依靠网络的时代，数据中心基础设施运维安全问题，在某些领域是一个关乎到国计民生的重大问题。在进行数据中心建设和运维时，要充分发挥各种先进技术实现数据中心的智能化和自动化。

对大型及超大型数据中心基础设施的管理，传统的管理模式已无法应对，只有将智能化与自动化的概念引入到数据中心的建设及管理中，才可以确保数据中心的安全可靠运行。

本文从几个不同的方面谈了对数据中心智能化和自动化的理解和认识，借助于以往的经验及教训，供广大同仁参考。