供配电系统实现数据中心智慧运维的应用探讨

江 峰， 赵祎晨， 黄浩然

(中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

供配电系统作为数据中心的核心系统，承担着数据中心内所有设备的电力支持。近些年随着数据中心建设规模的不断扩大，供配电系统涉及到的设施种类和设备数量不断增多，以及政策、规范、标准对数据中心在节能环保等方面的高标准要求，大大增加了数据中心运维人员的工作复杂程度。如何提高运维效率和降低能耗，优化运维模式已成为数据中心行业亟待解决的问题。在此背景下，供配电系统智慧化应用成为本文探讨的重点。

1 供配电系统运维模式的发展

1.1 传统运维模式

传统的数据中心供配电系统运维模式，大致可分为两个阶段。第一阶段为人工运维阶段，大致在上世纪90年代，我国数据机房的建设随着信息化产业的发展初见雏形。但受当时机房规模及技术发展的限制，机房的供配电系统多以0.4kV低压配电系统为主，系统架构主要是以机房能够达到7×24h正常运行为目的进行搭建，满足机房基本运行需求的同时，也造成了机房供配电系统设备占地面积大，各子系统间割裂且复杂。机房供配电系统的运维人员需具备严格的专业性，通常采用的方式是专业人员一天内24h连续性值班管理，依靠专业人员现场巡视、人工记录配电设备的信息，基本不具备技术手段，也未能建立起成熟的运维管理流程。

第二阶段为自动运维阶段，机房建设规模逐渐向大中型数据中心过渡，数据中心供配电系统主要包含中压配电系统、备用电源系统(以柴油发电机组系统为主)、低压配电系统、不间断电源配电系统、照明系统、防雷接地系统等。数据中心供配电系统仅仅依靠专业人员的人工运维方式已不能够满足可靠性和时效性要求。新建的供配电各子系统配备遥测、遥控模块，建立集中式的远程监测平台，制定了应急事件的标准管理流程。

目前国内大部分数据中心运维均处在此阶段，运维管理在流程化、平台化、可视化方面有了很大的提升，但仍然面临着系统预判性较差、故障难以定位、安装调试复杂、运行中的操控安全性难以得到保障、系统节能性亟待进一步优化等等一系列问题。

1.2 智慧运维模式

新一代的数据中心智慧运维模式利用物联网、大数据技术，通过数学建模、人工智能自助学习等手段，将人、技术、流程、数据四个要素有机融合，可实现数据中心运维管理的智慧化。

供配电系统的智慧化运维，要求设备采用开放式、易于扩展的体系架构。供配电系统中的设备均可进行数字化升级迭代，在整体的架构上，分为云端应用层、控制系统层、网络通讯层和现场设备层。配电系统智慧运维系统架构如图1所示，不同的层级最终功能可按照不同需求进行灵活配置来实现。

图1 配电系统智慧运维系统架构图

2 供配电系统运维智慧化的应用

现场设备层作为支撑供配电系统智慧化运维的关键部分，除了应与其他环节之间进行有效衔接和融合外，系统所配置的设备平台在满足各环节基本功能要求的基础上，还需要达到便于安装调试、数据采集管理、监测预判诊断、绿色节能环保等智慧运维的需求。下面以智能变配电系统和中压电源自动控制系统为例做简要分析。

2.1 智能变配电系统

数据中心的变配电系统，如高低压配电设备、UPS以及数量多且分散布置的末端配电箱，对数据中心运维工作提出了很大的挑战，运维难度主要体现在以下几个方面。

(1)日常巡检周期性长。数据中心供配电系统容量大、设备多，且多为多层配置，变配电房间相对分散，设备巡检需要消耗大量的人力和时间。(2)变配电系统各子系统数量多，监测功能单一、系统间联系性不足。(3)无法提前预警或诊断变配电系统各元器件的运行状态，运行隐患不能及早发现。数据机房投产使用后，运维人员很难利用人工手段判断系统设备的健康状态，无法利用提前预警方式来提高供配电系统的可靠性。(4)故障发生后无法快速进行故障诊断和故障恢复。传统的供配电系统，因缺少必要的设备数据监测采集监控系统，故障发生时需要人工调试分析，故障排除的时间较长且影响系统的可靠性。(5)备件不能结合现场供配电系统设备实际运行状况配置。传统的配电设备备件管理，通常按照运维经验及人工维修记录进行准备，无法做到与系统实际需求相匹配。

因此，智能变配电系统应该是采用嵌入式人工智能技术有机集成和融合多种智能组件和数字化功能，除具备传统的配电系统功能外，还具有远程调度、设备老化分析、故障快速诊断、设备资产管理等功能。

数据中心供配电系统实现智慧运维，需要整体配置智能化的硬件设备，并利用智能监控系统集成到统一平台，从市政电缆进户到终端用电设备均需实现智能化，即智能中低压断路器、智能干式变压器、智能ATS开关、智能配电母线、智能列头柜等，智能变配电系统设备内部均嵌入传感器及无线通信技术，通过嵌入式系统方式打通设备间的“感官系统”，从而实现设备的在线实时数据采集、故障监测和运行特性，利用数据库内参数进行对比分析，及时有效地收集各点数据进行分析总结，预判潜在故障并发出报警，自动评估运行设备的健康状态。

智能配电系统架构包括设备运行层、网络监控层和应用管理层，通过将电力监控等系统的功能进行整合，对运行数据进行实时采集后进行分析对比总结，可制定可行的节能方案，为运维实现智慧化提供了有力的保障。

2.2 中压电源自动控制系统

目前国内大型或超大型数据中心中压系统均采用多电源系统供电。图2为A级数据中心中压系统常规系统架构(油机采用单母线并机方式)。

图2 A级数据中心中压系统架构图

中压系统运行要求具体包括：(1)正常运行时，两路市电电源投入供电，主母线采用单母线分段运行，母联开关与两路油机进线开关处于分闸位置。(2)两路市电其中任何一路市电电源失电时，断开故障电源开关，母联开关闭合，由另外一路市电电源供电。(3)两路市电均失电时，两路市电电源开关、母联开关均断开，油机具备带载能力后，负载侧中压开关切除后依次闭合，两路油机电源开关闭合各带一段主母线运行。(4)两路市电均失电时，且其中的一路油机电源开关无法闭合时，负载侧中压开关切除后依次闭合，母联开关和油机的另外一路电源开关闭合向负载侧供电。(5)任何一路市电恢复供电后，油机退出，母联开关闭合，由该路市电电源供电。(6)两路市电均恢复供电时，恢复正常运行模式。

不同于低压配电系统，中压配电系统要实现整个中压系统的自动切换，不能仅仅依靠信号作为自动分合闸的逻辑判断，需要做好完善的自投、自复、联锁等等逻辑判断和系统性问题。由图2可以看出，要完成以上中压系统的投切要求，需要对20～30个中压开关进行控制，受技术发展的限制，较早投入运行的大型或超大型数据中心多采用微机综合保护装置搭接或可编程逻辑控制器来完成。

无论是微机综合保护装置还是可编程逻辑控制器，在实现复杂的自投自复逻辑动作时，都需要大量的硬件设备和接线支持逻辑编程的功能实现。以其中一个状态点为例，两路油机线路分别承担两个主母线负载时，母联开关处在分闸状态，当其中一路市电恢复后，按中压系统的运行要求，需要恢复到一路市电供电方式，此时自复逻辑的完成需要现场多个控制器和复杂的逻辑程序来实现，出现错误的概率自然会变大，而且系统复杂，运维人员很难第一时间对故障点做出准确判断。除此以外，因中压油机对负载的突加或者突减有相应的性能要求，需要对负载开关做顺序的投切。通常馈线开关数量在10个左右，也会加大系统逻辑判断的难度，自然也加大了运维人员的工作难度。

中压电源自动控制系统以电力系统自动化领域唯一的全球通用标准IEC 61850的通信标准为基础，将控制程序预制到系统的自动投切控制装置中，通过GOOSE协议传送机制，为继电保护装置发送设备间保护功能判断，开关分合闸、设备间闭锁等信号，对中压开关进行一体化管理。中压电源自动控制系统常用的系统架构见图3～4。

图3 中压电源自动控制系统环形架构图

图4 中压电源自动控制系统放射式架构图

中压电源自动控制系统通过预制化、流程化、标准化的模型手段，使中压系统二次设备之间在操作性、逻辑性、开放性、扩展性等方面体现出非常高的智慧性，很好地实现了如逻辑判断、开关分合闸等信号的实施监测和变位信息的快速传输。中压电源自动控制系统与可编程逻辑控制器在运行管理维护等方面的性能分析详见表1。

中压电源自动控制系统与可编程逻辑控制器性能分析 表1

由上文可知，大中型数据中心变配电系统一次设备通常采用2N系统架构，在正常供电的情况下，智能变配电系统可随时监测系统的运行状态，系统的容错能力很强。但在电源侧出现N-1故障后，系统需要倒闸操作时，二次设备的潜在通讯故障就会成为薄弱环节。中压电源自动控制系统除表1所示的特点外，还具备维护数字化、运行仿真化等特点，逻辑信号可24h在线监视，在线设备可进行模拟仿真测试，有效地自动预防系统故障的发生，为数据中心供配电系统的智慧化运维提供了可行的技术支持。

3 供配电系统智慧运维对“双碳”政策的意义

2020年，政府工作会议中明确指出做好“双碳”工作是未来工作重点任务之一。电力系统相关部门也明确指出，争取2025年左右率先实现碳达峰，在2030～2050年实现近零排放，力争逐步实现2060年前“碳中和”目标。数据中心作为用电大户，在其全生命周期的各个环节当中都亟待提高电力资源利用效率。在新建数据中心期间，在保证安全可靠的前提下，可以利用优化设计方案的方式降低电力损耗。但无论是新建还是既有的数据中心，在其运行阶段采用合理的运维管理至关重要。

目前针对能耗管理，国际上通常采用PUE作为评测数据中心能耗效率的一项重要指标。据我国有关机构对203家数据中心的统计，其年平均PUE约在1.70，投入使用时间在5年以内的数据中心年平均PUE约在1.40。虽然较早些年的数据统计值有所降低，但与政府部门倡导的1.30以下值仍有些差距。

数据中心供配电系统实现智慧化运维，通过智能设备大数据监测分析和预制化控制逻辑，可以对能源利用进行统筹调度和智能管理，实现错峰用电管理，系统自动判断电力波谷期，自动开启数据中心储能充电机制。智能设备对数据中心的供电质量、断电时间、断电时长、断电次数的采集和分析，通过系统的设备运行状态监测和故障预判断功能，形成日常供电报告，结合电源自动控制系统，由人工模式转为自动模式，在保障生产正常运行的基础上，达到合理配置资源的目的。

4 结束语