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智能PDU在數據中心精細化管理中的應用
  • 對常規PDU提出高集成度產品設計建議,內置溫度、濕度傳感器、其他傳感器(例如空氣腐蝕、消防煙霧、門禁、資產定位)等,并采用無線接入技術形成物聯網,實現數據讀取,形成IDC數據中心環境監控、能耗監控的新技術和新設備,以提高IDC數據中心機房能效管理水平,起到節能減排作用。
  • 隨著移動互聯網、物聯網、云計算的大力發展,作為信息的重要載體,互聯網數據中心(Internet Data Center,簡稱IDC)迎來一波新的建設浪潮。數據中心數量和規模迅速增長,其能源消耗和運營成本問題日益突出。面對日益增長的能源消耗,綠色數據中心越來越受到人們的關注,各種常見的節能減排和能效提升的技術手段也得到了日益普遍的應用。然而由于能效監控管理的不完善,設備的不夠智能化及缺乏聯動協同等原因,能效的管理和優化還存在一些盲點,尚處在比較初級的階段。
      
      傳統的IDC機房建設模式,機柜內部采用常規的PDU(帶電源指示燈和若干數量的C13/C19插座,PDU本身不帶電流、電壓、電量監測功能),在機房冷熱通道內均勻安裝溫度、濕度傳感器并組網形成溫濕度監測子系統。機房監控系統平臺從動環監控子系統從機房列頭柜讀取機柜PDU數據,從溫濕度傳感器子系統讀取機房各通道和點位的溫度、濕度情況,兩個子系統獨立建設。
      
      本文擬以數字化、智能化和網絡化的設計理念,在原有節能減排的技術手段基礎上,對IDC機柜內常規、傳統的電源分配單元(Power Distribution Unit,簡稱PDU)提出高集成度、高精度、高顆粒度的產品設計建議,內置電流監測模塊、溫度傳感器、濕度傳感器、其他傳感器(例如空氣腐蝕、消防煙霧、門禁、資產定位)等,并采用無線接入技術形成物聯網,實現精確到每一個機柜每一臺IT設備的電流、功耗數據讀取,并了解每一個機柜內部IT設備的運行微環境數據,形成IDC數據中心能耗監控、環境監控的新技術和新設備,進一步提高IDC數據中心機房能效管理水平,為數據中心的節能減排和能效優化注入了一股新鮮的力量。
      
      1 IDC數據中心節能管理需求及發展現狀
      
      (1)IDC數據中心能源利用現狀
      
      根據工業和信息化部信息通信發展司2019年5月發布的《全國數據中心應用發展指引(2018)》,“截至2017年底,我國在用數據中心的機架總規模達到了166萬架,與2016年底相比,增長了33.4%。超大型數據中心共計36個,機架規模達到28.3萬架;大型數據中心共計166個,機架規模達到54.5萬架,大型、超大型數據中心的規模增速達到68%。在用超大型數據中心平均PUE值為1.63,大型數據中心平均PUE值為1.54,其中2013年后投產的大型、超大型數據中心平均PUE值低于1.50。全國規劃在建數據中心平均設計PUE值為1.5左右,超大型、大型數據中心平均設計PUE值分別為1.41和1.48。”
      
      一方面,數據中心的建設呈現向大型化、超大型化發展的趨勢,電力消耗相當驚人;另一方面,數據中心能源效率普遍低下,能源浪費巨大。對數據中心運營商而言,數據中心電費已成為很大一筆開支,大幅侵蝕著數據中心的經營利潤。
      
      數據中心能源消耗巨大和能源利用效率低下的現狀,揭示了數據中心行業存在著巨大的節能空間,綠色節能自然而然也就成為了當前和未來數據中心建設的一個主流需求。
      
      (2)IDC數據中心節能管理現狀
      
      對IDC數據中心節能管理需求,主要包括兩個方面,能源檢測管理功能、環境檢測管理功能。對能耗的節能優化主要依靠對每個機房、每列機柜、每個機柜、每臺設備的電力消耗監控,進而實現的精確控制。最直接的節電方式就是發現那些低功耗或閑置或休眠的機柜或IT設備,重新調整規劃,重新分配工作任務。
      
      及時有效的了解IT設備、PDU出口組、機架、分支電路的電源、電流、電壓、溫度、濕度等基礎數據,將有助IDC數據中心的運維管理人員改善數據中心供電的有效性,了解每臺IT設備的工作效率,追蹤管理那些低功耗或閑置或休眠的IT設備。
      
      ①能源監測管理
      
      能源監測管理需要在IDC機房內建立用電測量機制,通過加裝智能電表等傳感裝置,對機房中各類設備的用電量進行采集、記錄、分析和評價,以便及時、準確及全面了解機房主設備、配套設備等各部分用電情況,評估機房能源利用效率,發現影響能效的主要問題,并在機房節能方案實施后對節能效果進行評估。
      
      能耗測量級別是考查機房能耗測量的深入和細致程度。按照級別由低到高可以分為L1~L3共三個級別,如表1所示。
      
      目前機房傳統的能耗測量,通過在機房內每列機柜列頭布置電源列頭柜,每個機柜內布置傳統PDU;在電源列頭柜內配置多功能數顯表,并配置智能接口,將電源列頭柜所有輸出分路電壓、電流和電度值等數據輸出至監控中心能耗監測系統;也即是對電源列頭柜內輸出分路連接到機柜內的PDU的電壓、總電流、總功耗進行測量,實現精確到單個機柜的能耗測量,即目前機房能耗測量可實現L3級別,但無法了解到PDU上每一位插座所連接的一臺設備的能耗。
      
      為了進一步提高測量精細度,細化測量粒度,近年來,行業內許多廠商都研發了在PDU進線端集成電流監控模塊的產品,并已在行業內得到廣泛地應用,采樣測量每一位插座的電流、功耗等等,實現精確到機柜內每一臺設備的電流、功耗監測。
      
      ②環境監測管理
      
      IDC機房規模越來越大,消耗的電能、空調冷量也越來越多,對機房內環境的要求更是越來越高。機房環境中的高溫、低溫或溫度快速波動都會影響設備板卡的電子和物理特性,造成運行故障。所以需要實時監測IDC機房內的環境溫度、反饋調節并消除機房局部溫度過高或過低等問題。
      
      目前機房傳統的環境監測,通過在機房內的分布式安裝溫度傳感器、濕度傳感器,進行組網并采集數據,通過網絡送至監控中心。將機房內的溫度、濕度等分布情況反映在監控中心機房2D/3D視圖上,從而了解機房IT設備的運行環境,對局部過熱、過冷、過濕、過干等區域進行定位處理。
      
      傳統的環境監測系統需要在建設階段,在機房內均勻選取合適的測量點進行傳感器安裝、電源線和信號線布放,形成組網,工程實施繁瑣;傳感器內置電池需定期更換,增大了運營維護的工作量;傳感器通常布置在機柜熱通道或冷通道內,每通道2~3個,即實現通道級別的環境監測。
      
      為了進一步提高測量精細度,細化測量粒度,近年來,行業內已有為數不多的廠商,研發了在PDU殼體內集成溫度、濕度、其他傳感器(例如空氣腐蝕、消防煙霧、門禁、資產定位)等的產品,實時監測每一個機柜內設備的運行環境情況。
      
      2 智能PDU研發方向和目標
      
      結合數字化、智能化和網絡化的設計理念,在原有節能減排的技術手段基礎上,對IDC機柜內常規、傳統的電源分配單元(Power Distribution Unit,簡稱PDU)提出高集成度、高精度、高顆粒度的產品設計建議,內置電流監測模塊、溫度傳感器、濕度傳感器、其他傳感器(例如空氣腐蝕、消防煙霧、門禁、資產定位)等,并采用無線接入技術形成物聯網,實現精確到每一個機柜每一臺IT設備的電流、功耗數據讀取,并了解每一個機柜內部IT設備的運行環境數據數據,形成IDC數據中心能耗監控、環境監控的新技術和新設備。
      
      3 智能PDU研究及應用現狀
      
      近年來,國內外相關廠家,在產品研發方面,積極開展科技創新。
      
      常規的PDU為了滿足IDC數據中心的各種應用需求,除了要提供雷電消除器、過載保護器等功能以外,相關廠家從不同的研究方向為滿足不同的市場需求,逐步開發出了具備通訊功能、傳感器檢測功能、遠程管理控制等智能化功能的各種智能PDU產品。
      
      下面就不同的研究方向及應用現狀進行介紹。
      
      ①電流監測模塊
      
      通過在傳統的PDU進線端集成電流監控模塊,對PDU總進線電流、每一位分路插座的電流進行監測,對機柜內IT設備的供配電進行實時監測,實現精確到插座級的監測。已有廠家生產并已得到應用的智能PDU產品外觀,如圖1。
      
      其中電流監測模塊可以根據需要設計成不同的樣式,并內置數字顯示器,顯示電流、電流,對達到電流閾值的電流還可以設置預警功能。
      
      ②無線傳輸模塊
      
      通過在傳統PDU內置電流監測模塊后,PDU具備精確到插座的監測,可以通過數據接口使用網線將測量數據匯聚到電源列頭柜內,再傳送至監控中心動力監控平臺。
      
      但是,使用網線組網增加了布放六類線的工作量,對后期運維也增加了日常檢修、線纜管理的工作量,后期也可能因為機柜調整規劃、其他布線等受到影響。
      
      而利用機房現有的無線WiFi系統,在PDU內進一步集成Zigbee無線傳感器,免去繁瑣的六類線布線,利用無線網絡進行組網和電流監測數據的無線監測和網絡管理。
      
      已有廠家生產并已得到應用的智能PDU產品外觀,如圖2。
      
      ③遠程管理模塊
      
      在集成電流監測模塊、無線傳輸模塊后,形成物聯網,繼而通過TCP/IP模式實現對所有PDU進行管理,開發WEB管理頁面,通過局域網或廣域網對各機房機柜內IT設備的電源進行監測、控制和管理。
      
      4 智能PDU的主要功能結構
      
      結合目前已有的智能PDU的電流監測模塊、無線傳輸模塊、遠程管理模塊,進一步提高集成度,可以在PDU殼體內集成溫度傳感器、濕度傳感器、空氣腐蝕傳感器等等,形成物聯網進行管理。
      
      ①電力監測
      
      ·監測對象:對機柜內PDU每一位插座的供配電進行實時監測。
      
      ·監測實現:將為機柜內PDU供電的線路與電流監測采集模塊相連;實時的監測機柜內每一臺IT設備供電的電流、電壓等。
      
      ②溫濕度監測
      
      ·監測對象:對機柜內各分段區域的溫度、濕度進行實時監測。
      
      ·監測實現:將溫度傳感器、濕度傳感器集成在PDU殼體內,按機柜高度分為上中下三個區段,分別安裝傳感器,傳感器支持RS485串口,可以設置地址碼,每個傳感器上面有液晶屏顯示,在多個傳感器之間用4芯線串接,再通過有線或無線采集單元的串口連接,系統通過傳感器不同的地址碼來區別每個位置的傳感器;實時顯示溫度傳感器、濕度傳感器所在位置的溫度、濕度變化情況。
      
      ③煙霧監測
      
      ·監測對象:對機柜內的煙霧進行監測。
      
      ·監測實現:在機柜PDU殼體內布置煙霧傳感器,通過有線或無線采集單元形成物聯網,當機柜內出現設備起火時,會立即報警;實時監控各區域煙霧報警狀態。
      
      ④空氣腐蝕氣體濃度監測
      
      ·監測對象:對機柜內的空氣腐蝕性氣體濃度進行監測。
      
      ·監測實現:在機柜PDU殼體內布置腐蝕性氣體濃度監測傳感器,通過有線或無線采集單元形成物聯網;實時監控各區域機柜內部腐蝕性氣體濃度。
      
      ⑤門磁監測
      
      ·監測對像:對機柜門實施開關進出管理。
      
      ·監測實現:通過加裝門磁傳感器,將其連接匯總到PDU的數據采集單元的接口上;實現監測機
      
      柜門的狀態。
      
      ⑥數據傳輸采集
      
      目前IDC數據中心機房內均會布置無線WiFi系統,利用機房現有的無線WiFi系統,在PDU內進一步集成Zigbee無線傳感器和數據采集模塊,數據采集模塊對所有傳感器數據進行采集匯總,無線傳感器與無線WiFi系統進行物聯網,實現相關監測數據的無線監測和網絡管理。
      
      ⑦WEB管理平臺
      
      智能PDU的WEB管理平臺主要體現三方面特點:遠程管理、遠程監測、遠程控制。
      
      ·遠程管理:通過TCP/IP模式實現管理,WEB管理頁面直觀方便,可設置用戶密碼;通過局域網或廣域網可對各機房機柜內多臺設備的電源進行監測、控制和管理。
      
      ·遠程監控:實施故障監控、記錄、報警;可測量電壓、電流、電能、功率;在PDU殼體內置集成電流傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器、腐蝕性氣體濃度監測傳感器、門磁監測等等,并可對電壓、電流、溫度、濕度超出設定范圍本地告警。
      
      ·遠程控制:遠程喚醒,網絡設備斷電后無需去現場按電源按鈕,直接通過PDU喚醒重啟。
      
      ⑧其他智能功能
      
      此外,還可通過內置其他控制電路使得PDU具備其他智能功能。
      
      ·定時功能:定時開關設備電源,可降低機房內設備的使用率,延長其使用壽命。
      
      ·延時順序開機:每路通道支持延時順序加電,避免設備同時加電給電源和設備本身帶來沖擊。
      
      ·多功能性:針對TCP/IP協議提供常用網絡工具。
      
      ·可靠性:用戶實時控制無需斷電重啟設備,避免某些設備因斷電引起不必要的麻煩。
      
      智能PDU采用傳感器技術、通訊技術、網絡技術、控制技術等多種實現技術,可通過WEB瀏覽器或命令行界面遠程控制,開展PDU級和各個插座級的功率計量,以了解每一個機柜內的基礎設備和IT設備的電能消耗情況;可以設定基于用戶定義的閾值的警報;可以嚴格密碼、身份驗證、授權和加密的方式提供安全性;切換設備的所有功能(遠程加電/斷電功能、插座級的切換和順序加電),并提供實時環境監測功能;為運維管理人員提供一套完整的在數據中心用電和環境的監控管理解決方案。
      
      5 智能PDU技術未來展望
      
      智能PDU為數據中心運維管理人員提供了提高運營生產率和電力供應效率所需的控制。方便管理人員可從任何地方通過Web瀏覽器遠程重新啟動服務器和IT設備,以提高運行時間和工作效率。精細化管理,智能電源管理解決方案的遠程電源解決方案簡化了對數據中心的電力資源的訪問和控制。使IT管理員和設備管理者能夠改善系統運行時間和提高員工工作效率,從而更高效地制定生產規劃,以及有效利用能源,以節省電能和成本。
      
      智能PDU還能追蹤各類環境傳感器收集到的數據中心溫度、濕度、煙霧、空氣腐蝕性其他濃度、門禁等信息。
      
      目前智能PDU擁有以下六大好處:
      
      ①PDU安裝在IT設備機架上,可從世界上任何地方通過Web瀏覽器遠程重新啟動服務器和IT設備,可有效地提高運行時間和維護人員工作效率;
      
      ②插座級監控可確定對IT設備的一些簡單調整,以在機架之間平衡電力供應需求。使用PDU級監控,可以很容易地設置閾值,由此能夠得知何時接近電流限制。同時還使用插座級監視,從而確定需要更換的設備,以保證安全;
      
      ③調整數據中心時,溫度傳感和環境配置文件非常重要,可導致違反常規的溫度變化。智能PDU可幫助確保正確的空氣流動模式,以優化機架級的溫度效率。用戶可配置插座級延遲,可實現順序加電,以防止電路在IT設備出現勵磁涌流時跳閘。保持電源插座斷開或僅在需要時打開,可防止IT設備插入重負載電路或電流斷路器有跳閘危險的電路;
      
      ④通過結合使用插座級電源監控和趨勢分析,可分別監控各服務器,一直以峰值功率30%運行的服務器是虛擬化或即將退役的候選服務器;
      
      ⑤遠程電力循環可節省成本,因為IT管理人員可迅速重新啟動掛起或崩潰的服務器和IT設備,而且不會產生站點訪問費用;
      
      ⑥常見數據中心錯誤是過度冷卻IT設備。過熱可縮短IT設備壽命或導致設備故障,但過度冷卻不會延長設備壽命,還會浪費能源。溫度和濕度感應器幫助數據中心管理人員優化空調系統和濕潤作用設置,提高效率。這些基本節能功能可以在保障機房安全運行的基礎上,將節省現有機房30%以上的能耗,同時使機房的管理更加精細化,管理加集中。
      
      智能PDU的高集成度、高精度、高顆粒度的產品設計建議,將傳統PDU與電流、功耗、溫度、濕度、煙霧、空氣腐蝕性其他濃度、門禁等監測傳感器集成在一起,形成智能物聯網,并將測量顆粒度從每一列機柜精確到每一個機柜,并能替代數據中心建設過程中機房環境監控系統的建設;通過將監控系統與其他配套系統形成互動,可實現對IT設備的供配電、運行環境的智能追蹤、智能控制。
      
      隨著數據中心建設超大規模、高度集中的發展趨勢,未來運維管理面臨著巨大的考驗,物聯網智能PDU能夠有效降低設備維護、維修、操作和IT支持的運維成本,提升運營商現有的產品或服務的價值。
      
      6 結束語
      
      IDC機房內每個機柜均配備PDU,若能在PDU上集成溫度、濕度傳感器、電流計量、插座監測模塊,將減少兩套子系統建設的工程量,有助于對IDC數據中心形成精確到機柜插座級別的能耗監測和精確到機柜的溫濕度環境監控,有助于IDC數據中心的運維管理。對常規PDU提出高集成度產品設計建議,對常規PDU提出高集成度產品設計建議,內置溫度、濕度傳感器、其他傳感器(例如空氣腐蝕、消防煙霧、門禁、資產定位)等,并采用無線接入技術形成物聯網,實現數據讀取,形成IDC數據中心環境監控、能耗監控的新技術和新設備,以提高IDC數據中心機房能效管理水平,起到節能減排作用。
      
      作者簡介
      
      丁聰,工程碩士,高級工程師,數據中心設計師技術組(DDO)副主任委員、上海綠色數據中心專委會常務副主任、國家互聯網數據中心產業技術創新戰略聯盟技術專家委員會專家、數據中心節能技術委員會專家組專家、中國勘察設計協會建筑電氣工程設計分會杰出青年工作組委員、注冊咨詢工程師(投資)、注冊監理工程師、高級項目經理,長期從事數據中心咨詢、規劃、設計、評估工作。
      
      編輯:Harris
      
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