浅谈数据中心能源管理系统的应用分析及解决方案

摘要：“节能减排”是世界关注的热点话题，遏止全球气候变暖，保护有限地球资源，减少能源浪费，推广应用节能技术是全人类的努力目标。通信行业作为国民经济重要组成部分，数据中心耗电量约占全国总能耗的2%，属于能耗密集型企业。数据中心能耗管理系统利用监控技术对数据中心用能设备的能耗消耗情况进行“采集、整理、分析”，从而实现对数据中能耗从粗放式管理到精细式管理的转变，提升机房能耗管理能力，达到节能减排目标。本文针对数据中心能耗管理系统工作原理、实际运行及应用意义进行了介绍和说明。
 
关键词：数据中心；能源管理；PUE；节能技术
 
0引言
 
       我国明确提出贯彻落实科学发展观，提出建设资源节约型、环境友好型社会的发展理念，包括通信行业在内的社会各行各业都为实现加快旅社发展、构建生态文明的发展目标努力。随着我国“互联网+”、大数据、云计算、AI技术、数字经济、5G技术等产业政策的落地，我国数据中心市场仍将处于快速发展期。工业和信息化部在《关于加强“十三五”信息通信节能减排工作的指导意见》强调要求到2020年新建大型、超大性数据中心的能耗效率（PUE）值达到1.4以下。无论是国家和社会整体势指引，还是数据中心自身成本节约和效率的提高，通信领域节能减排都是一个重要而艰巨的工作。
 
1数据中心能耗状况
 
       数据中心由当地电网或专用的发电设施提供电力供应，通过变、配电等过程处理后，为数据中心的用电负荷提供稳定电源。数据中心的电能消耗一般包含以下组成部分：
       1.1 IT设备包括计算、存储、网络等不同类型的设备，用于承载在数据中心运行的应用系统，并为用户提供信息处理和存储、通讯等服务。
       1.2数据中心制冷设备是为保证IT设备运行所需温、湿度环境而建立的相关配套设施，主要包括：空调设备、冷源设备、送回风设备等。
       1.3数据中心变配与电源系统，包括发电机、变压器、配电柜、UPS（不间断电源）、HVDC（高压直流）、电池、列头柜、PDU等设备组成，提供符合设备使用要求的电压和电流，保障用电安全性和可靠性。
       1.4数据中心中其它消耗电能的基础设施，包括照明系统、安防系统、消防系统以及相关数据中心监测管理系统等。
 
2数据中心能源管理系统介绍
 
       节能的首要任务就是要掌控能耗的使用情况，然后加以统计、计算、分析，优化能耗分配方案。数据中心针对用电情况建立一套全面有效的一体化信息解决方案———能源管理系统，实现数据中心对所有能源消耗进行数据分析、整理、管控的要求，满足数据中心每个业务部门的管理及维护诉求，实现能耗准确管理模式，帮助数据中心“向管理要效益、凭技术促节能”。
2.1数据中心能源管理系统架构
       能源管理系统由三部分组成：能耗监管中心、通讯服务及能源数据采集。能耗监管中心：主要实现对所有能耗数据的集成和管理。通过管理层的能耗数据采集、汇总、统计、对比、分析和直观展现，并提供用户人机界面、数据报表。用户可以根据这些分析结果进行能耗的对标管理、制定考核、管理制度、提供能源决策依据。通讯服务：负责将现场设备层的电力仪表通过现场总线形式所采集的相关信息数据转换为网络形式的信号，并进行组合和转发。能源数据采集：实现底层数据采集，主要是底层电力仪表，电力仪表需具备RS485通讯接口，标准Modbus通讯协议。
2.2数据中心能源管理系统业务能力
       能源管理系统，以数据采集处理平台为核心，不仅拥以下常用功能模块，还可针对数据中心实际需求实现功能定制。
2.2.1数据接收模块
       数据中心能源数据存储结构复杂并不能直接对能耗分析、辅助决策提供支持，模块把各种复杂的的能源数据变成基于相同平台并且具有相同结构的符合终用户逻辑的数据，进而转化为有效信息和数据。
2.2.2数据处理模块
       数据处理是对数据（包括数值的和非数值的）进行分析、加工的技术过程，包括对各种实时数据、设备数据等分析、整理、计算、编辑等的加工和处理，并可根据需要进行自定义分类分项，以便于进行数据的分类分项统计。
2.2.3能源监测模块
       能源监测功能模块通过工艺图、数据列表、曲线图、饼图等方式实现数据中心能源实时工况监控、历史运行情况查询、超限预警与异常告警等功能，及时发现能源安全问题，并可以监视开关、阀门、泵机、空调、空压机等设备的运行状态。
2.2.4报警管理模块
       模块提供能够对能耗数据快速反应的异常报警功能模块，包括实时数据上限、下限、超出指标报警、复合报警、累积量报警、瞬时量报警、时间段平均值报警、数据总线层服务报警、Web展示层应用错误报警、系统操作错误报警、能耗超管理值报警、能耗超标准报警等，方便时间发现能源使用、设备运行、用能质量、用能不平衡等方面的异常。
2.2.5能耗分析模块
       对数据中心能耗进行不同维度、不同时间段的统计分析，查找出具有节能潜力的时间点和节能项目，为用户通过管理节能、技术节能提供具说服力的科学依据。
2.2.6报表管理模块
       该模块提供了年、月、日等数据中心的用能数据统计报表，具体包含总耗能量、分项耗能量、PUE等指标，提供数据中心消耗上报报表的标准格式，并可为用户定制化开发报表。
 
3数据中心能源管理系统应用意义
 
       数据中心能源管理系统利用现代计算机、网络技术、实时数据库技术、数据分析及预测技术，对数据中心电能的生产、输配和消耗设备状态实施集中、扁平化的动态监控和数字化管理，改进和优化能源平衡，提供监控展示、计量计费、业务管理、节能潜力分析与节能降耗技术应用的全方位、完整性解决方案。
3.1掌握能耗结构特点，提供机房用能公示
       系统对数据中心的总能耗按不同能源类型、不同时间进行统计分析，整体把握数据中心能耗状态、指标完成情况、用能趋势和能耗排名，自动查找出能源消耗不合理的时间点，为节能提供依据。系统可以展示每块电表的详细数据，包括电流、电压、功率、功率因数等各种数据，以图表的形式直观显示同类区域能源消耗的情况，并可按照人均、单位面积进行折算。系统根据输入的收费策略，系统可自动统计出电能的峰平谷电量及电费，根据分时计费分析结果。
3.2实现能耗指标管理，自动分析用能效率
       数据中心能源管理系统根据分类分项原则，对电能进行对比分析，按照不同分项进行对比显示，可分析出哪些分项用能超标或不合理，从而找出节能降耗点。系统可对冷机的能耗进行分析和对比，计算COP值是否在合理范围之内，为冷机的启停逻辑设定提供依据。系统生成数据中心整体PUE动态曲线，便于整体能源效率分析。
3.3提高建筑用能安全，及时发现用电异常
       3.3.1实现电流平衡分析，平衡电力供应，保证用电安全。
       3.3.2显示每个供电功率因数，提高用能质量。
       3.3.3实时监测整个数据中心用电的平稳性，为关停变压器提供数据支撑。
       3.3.4实时监测变压器工作负荷，在用电高峰期保证供电系统安全。
       3.3.5以图形的形式直观展示每天工作时间能耗与非工作时间能耗的相关关系，大化能耗有效利用，及时发现非工作能耗异常。
3.4找到节能改造方向、监督节能改造效果
       数据中心能源管理系统根据单位能源消耗量与室内外温度的对比关系，采用专用先进的能耗算法，找出用能不合理时间点，并将结果反馈给用户，为节能提供决策依据。系统将实际耗能量与计划值进行分析比较，实时查看节能值的变化量，验证节能改造方案效果。
 
4安科瑞能源管理解决方案
 
4.1概述
       建立高效的能耗监测管理系统，对建筑各类耗能设备能耗数据进行实时测量，对采集数据进行统计和分析。能够合理的确定各区域建筑能耗经济指标及绩效考核指标，发现能源使用规律和能源浪费情况，提高人员主动节能的意识。
       ①　搭建数据中心智慧能源管理系统的基本框架，对各个用能环节进行实时监测；
       ②　排碳数据化：通过系统可实现建筑单位内人均能耗分析（包括水、电、能量），实现低碳办公数据化；
       ③　区域能效比：实现建筑单位内区域能耗对比，方便能耗考核；
       ④　同期能效比：实现同年、同期、同一区域能耗对比，方便节能数据分析；
       ⑤　能耗评估管理：按照能源消耗定额标准约束值、标准值、引导值进行分析单位面积能耗和人均能耗指标；
       ⑥　能耗竞争排名：各个功能区能耗对比，实现能耗排名，增强工作人员的节能意识；
       ⑦　对能耗的使用数据进行综合的分析、统计、打印和查询等功能，并根据能耗监测管理系统的需要可选择不同样式报表的打印。为能耗运营管理部门提供可靠的依据；
       ⑧　能耗数据采集，随时查询，并根据采集数据进行统计分析，监测异常能源用量，对能源智能仪表故障进行报警，提高系统信息化、自动化水平。

4.2 硬件选型


 
5结论
 
       数据中心能源管理系统采用测控与计量产品，依托智能通讯网络，实现供配电等能源数据的自动化测控与计量功能，对数据中心电能资源进行监控管理，与DCIM（数据中心基础设施管理系统）密切结合，完成设备、人员与能源的协调管理，可根据电能使用情况合理利用资源、节约能源，大限度地降低数据中心运营成本，大限度降低对环境的污染。
该系统通过对能耗分类分项分析等手段找出数据中心耗能的问题点，进行能耗分析评估，有针对性的开展节能改造工作，保证能源的使用可控、可测、可执行、可实现，从而达到数据中心节能减排的目标。
 
【参考文献】 
【1】胡炳丽, 张珅. 数据中心能源管理系统的应用背景及功能概述[J]. 科学技术创新, 2020(7):2.
【2】徐善梅.绿色数据中心节能技术探讨[J].建设科技，2019，6，25.
【3】安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5版
 
作者简介：王蒙蒙，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司。