数据中心信息化及能效管理系统的设计与实现

数据中心信息化及能效管理系统的设计与实现

刘伟

亿讯信息科技（北京）有限公司 100000

摘要：随着信息技术和互联网产业的快速发展，企业管理信息化进程也随之大幅度加快，企业IT资源的使用方式和管理模式发了巨大的变化，逐渐从分散的功能性资源转变为以数据中心为核心的创新型资源。但是，由于粗放式的管理模式和低水平的技术层次，使得无法高效地指引节能减排工作顺利地进行，导致能耗数据缺失、能耗管理成本增加、能耗评估机制不健全、节能方案不科学等许多难以解决的问题。文章设计实现的系统成本低、可靠性高、易维护，具有很好的实用性。

关键词：数据中心；环境监控；能效管理；PUE；B/S框架

引言

随着信息和数据产业的发展，越来越多的IDC以及大型数据中心建成。数据中心主要研究方向是：提高数据中心自动化维护效率以降低成本以及提高绿色节能以降低能源浪费。对于大规模数据中心，机房存在的能耗过高、节能管理不当等问题已经日益显著[1]，目前数据中心耗电量超过全国总耗电量1.5%，且以6%复合增长率增加，但是超过80%的能耗浪费率使得数据中心的能源成本占到50%。针对数据中心自动监控，国内外主要集中在短距离的无线网络传输方式上，比如通过ZigBee或wifi将数据集中到上位机交互，缺点是传输距离受限，会产生信号干扰以及数据量较小。

建立热能管理能效评价指标是实现评估、控制机房能效的重要方式，建立环境控制量与能效指标的预测模型，通过模型求出工况下最优的空调系统设定参数以达到能效控制。PUE指标一直作为机房能效评价常用指标，但是并不容易建立准确的控制模型。RUI作为一种较新的评价指标被提出，但是在工程应用中并没有很好的实践示例。这里重点研究了大型数据中心大数据、可靠的近/远端监控方式和能效控制的应用。

1.系统需求分析

数据中心能耗管理系统需要实现数据中心能耗数据的采集、统计、分析以及数据中心能效的水平评估并实现指导数据中心的规划及实施的功能。数据中心能耗管理系统采用先进的测控、通讯技术，实现对数据中心内部各个组成系统的用能测量仪表持续、实时地监控和测量，及时获取各个系统的用能数据，以用能数据为基础，结合先进数据分析技术、模型和工具，通过能效指标分析计算模型和性能优化模型，深入分析设备运行和用能情况，指导设备运行，实现数据中心能耗的监控和辅助管理。例如，指导数据中心制冷系统实现科学制冷，提高系统制冷效率，防止数据中心过度制冷，造成制冷系统制冷能力及电量浪费。优化和调度服务器运行的负载率，防止运行负载率过低，造成供电系统整体效率降低和电能损耗问题。提高电能质量，治理电污染，提高不间断供电系统的的运行效率，保证高可用性，实现绿色节能。以能源管理为中心实现数据中心的用能管理优化、能源利用水平和能效水平的识别，为节能优化提供切实可行的节能措施，降低数据中心运行成本，使效益的最大化。

2.数据中心能耗构成

数据中心的动力来源是由所在地市的供电网或者专门的发电设备设施提供，经过变电、配电等多个环节处理后，为数据中心的各类耗能设备所用。数据中心的耗能设备包括以下设备：IT设备、制冷设备、供配电系统、照明等。

图1数据中心设备能耗分布图

数据中心内包括网络存储器、交换机、网络服务器等多种类IT用能设备，用于承载网络服务应用和数据中心的服务系统，满足客户对网络服务和通讯服务的需求，同时实现对客户信息的管理和存储，提高服务功能和水平。

数据中心制冷设备用来保证IT设备工作时所处的环境达到其正常运行时所需的舒适温度和湿度环境。主要包括：

（1）空调设备:包括中央空调、空调处理机组、行间制冷空调等。

（2）制冷设备：包括风冷室外机、恒温恒湿机、冷却塔、风冷冷凝器、压缩机等。

（3）新风系统：包括变风量空调箱、回风风扇、低噪音通风机、风阀等。

数据中心供配电系统可以为数据中心内给类的IT用能设备提供正常运行所需的电流和电压，供配电系统的稳定性和快速性，直接影响到数据中心的服务性能。数据中心中其他耗能的基础设备，包括数据中心安防设备、照明设备、办公设备、传感器以及数据中心建筑管理相关的基础设备。

3.数据中心能效指标

数据中心能效指标是数据中心设计、运维、升级和改进必不可少的指导依据，用以衡量数据中心能效水平，它能够客观地反映数据中心运营过程中能源使用情况，可以作为数据中心之间能效评判标准和依据[5]。考虑到数据中心能效指标的科学性、可优化性和可操作性，规范将电能利用效率、局部电能利用效率、制冷/供电负载系数和可再生能源利用率作为数据中心能效测评的基本指标。数据中心的总耗电是指维持数据中心正常运行的所有设备耗电量地总和，包括IT设备、制冷设备、供配电系统和其它基础设施的耗电。如果数据中心所在建筑同时用于办公等其它用途，则办公等所消耗的电能不包括在数据中心总耗电中。在数据中心中，只有IT设备的耗电被认为是“有意义”的电能。

电能利用效率的实际含义，是计算在提供给数据中心的总电能中，有多少电能是真正应用到IT设备上。根据定义，电能利用效率值的取值范围为1.0到无穷大，数据中心机房的电能利用效率值越大，则表示制冷和供电等配套基础设施所消耗的电能越大。电能利用效率定义简单、易于操作，只需分别测量出数据中心总耗电和IT设备耗电，就能计算出数据中心的电能利用效率值。

局部PUE（PartialPowerUsageEffectiveness，局部电能利用效率）是对电能利用效率概念的补充和扩展，完成对数据中心内部子系统的能效评估和能耗数据分析，实现对数据中心电能利用的精细化管理。在采用局部电能利用效率指标进行数据中心能效水平评估时，首先根据需求对数据中心进行区域的划分，形成多个ZONE（区域）。例如，对于一个数据中心建筑中的一个机房，或者一个集装箱数据中心的集装箱模块，都可以作为一个ZONE（区域），如图2所示。

图2局部PUE示意图

局部电能利用效率反映了数据中心固定区域的能效状况或是部分设备的能耗情况，局部电能利用效率会影响到整体电能利用效率值，局部整体电能利用效率值会在围绕整体电能利用效率值浮动。为了更高效和快速地提高数据中心能源的是使用效率，首先通过局部电能利用效率值找到能效水平低的区域，提高该区域的能源使用效率。局部电能利用效率适合应用于大型的数据中心，因为大型的数据中心大多采用模块化和集装箱的设计模式，有利于区域的选取和划分。另外，由多个机房的较大型数据中心也适合采用局部能效评估的评估方式。

制冷负载系数和供电负载系数是对电能利用效率的补充和深化，可以通过计算制冷负载系数和供电负载系数，可以实现对数据中心制冷系统和供配电系统的精细化分析和管理。假设忽略安防、日常办公等少量耗电系统的能耗，数据中心的总耗电量可由下面的公式表示：

数据中心总耗电≈制冷设备耗电+供配电系统耗电+IT设备耗电

可再生能源是指在自然界中可以循环再生的能源，主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。用于衡量数据中心利用可再生能源的情况，以促进可再生、无碳排放或极少碳排放的能源利用。

4.控制中心单元设计

控制中心单元（CCU）主要设计功能是采集机柜数据与上位机通信，同时向管理人员手机发送烟雾、水浸、过压、欠压、UPS启动报警信息，是系统数据采集的重要部分。中心模块的主控芯片采用STM32F407ZGT6，中心单元移植LwIP协议栈，通过tcp/IP协议与上位机通信。LwIP可在保持TCP/IP协议基础上减少对RAM和ROM的占用，实现在嵌入式设备上运行时的轻量化和可靠性[2，3]。定义了两个DMA描述符用于完成接收/发送FIFO和内存之间的数据传输，分别用于接收/发送以太网数据[4]。定义结构体进行协议栈数据包及网络接口的管理[5]。中心控制单元的短信报警功能采用SIM900A芯片与主控制器串口通信，通过AT指令以Text短信方式将报警信息发送给指定管理员手机。基于LwIP的中心控制单元经过长时间测试使用，具有很好的稳定性，丢包率最高低于10%，能够满足数据中心日常使用。

5.基于能效评价指标的系统热能控制管理

行能效管理评估和优化，以PUE和RUI/SHI指标进行分析和仿真优化并实验验证。PUE=数据中心所有设备总耗能/所有IT设备总耗能。PUE用于实际工程中监控指标，但在对能效管理仿真中，PUE参数并不能直接求解得到，将使用新的指标来作为替代参数进行仿真和优化，并找到PUE和RUI指标联系，用于实际工程评价和控制。

6.RUI/SHI指标

RUI越高，则数据中心能效评价越高，越绿色节能。RUI/SHI中的参数便于仿真求解，但是作了很多理想化处理，包括出风管道与流体不发生热交换，冷空气在机柜中与空气的混合是均匀的，但是RUI或SHI依旧是可信度很高的评价指标，用于系统的仿真也有很好的便捷性。

7.指标仿真与预测模型建立

采用Flotherm进行仿真，设定仿真机房是6.0*4.0*3.0m，空调制冷功率4kW，设备热负荷功率（2~3）kW，通过将仿真得到在满足数据中心机柜工作温度在（25~30）℃的换热条件下RUI指数与制冷温度、送风流量、热负荷功率关系。可以得出，仿真得到RUI设定温度在满足机柜温度要求时最佳为14℃左右，送风流量随着热负荷功率和设定温度不同，有一个最优值。

8.基于RAW接口和B/S框架的上位测控中心设计

前文中心单元的LwIP提供了RAW接口，用于完成TCP/IP通信，本节将各机柜中心单元作为web服务器，通过web浏览器对各服务器进行访问（B/S框架），达到数据监测和控制的目的。另外，设计了广域网络结构，将局域网内本地数据库数据上传到网络数据库中，访问web应用服务器，通过服务器内的数据库JDBC接口获取数据，实现在广域网上的数据中心监控。利用CGI和SSI完成浏览器在局域网内对各服务器节点的页面访问和数据交互，达到在局域网上参数监测和控制的目的，并将数据储存到本地数据库和网络数据库以实现在/离线监控。广域网内通过访问网络web应用服务器及数据库实现数据交互。Web应用服务器选用TomCatV7，数据库选用MySQL5.5版本。数据库设计power_tb、environment_tb、alarm_tb、control_tb分别用于存储动力参数、环境变量、报警参数以及控制参数，数据库模块中数据存储表的部分设计。

结论

（1）设计实现了基于LwIP的数据中心机柜中心控制及网关单元，实现了数据中心机柜动力参数、环境参数、精密空调参数以及安防参数采集、与上位机通信和安防报警的功能。

（2）以RUI/SHI作为数据中心能效评价标准仿真得到指标与热负荷功率、制冷温度、送风量数学关系，通过预测模型计算得到特定工况下的空调系统设定参数，实验结果显示优化后的节能效果明显。

（3）设计实现了基于B/S框架局域网、广域网的集中监控和数据存储。设计实现的监控管理系统具有成本低廉，稳定性好的特点，在数据中心参数监测和控制上有很好的实用性。

参考文献

［1］卢彩玲，丁舒亚.基于微环境监测的移动核心机房节能管理体系［J］.电信科学，2018（1）：254-260.

［2］陈志星，杨金孝.基于LwIP的嵌入式设备Web服务器设计与实现［J］.电子设计工程，2018（11）：110-113.

［3］赵易峰.基于LwIP和MQTT的室内监控系统设计与实现［D］.成都：西南交通大学，2018.

［4］刘传.基于LwIP协议的低功耗家电智能控制系统［D］.长春：吉林大学，2016.