CN102937799A - 一种数据中心节能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据中心节能系统及方法，它包括放置在数据中心的若干智能配电柜、若干空调、若干通风地板和若干机柜，在机柜内设有若干服务器，每一个装置上都设有相应的采集装置，采集装置对相应的数据进行采集并上传给后台，后台根据采集数据先建立数据中心的三维模型、负荷用电和能效模型、线路损耗测量模型和电能质量测量模型，通过建模分析，进行温湿度云图的绘制，通过CFD技术仿真出整个数据中心冷气流量分布图，综合后台中已有的能效优化方案库，确定节能方案，在保证数据中心稳定、高效运行的前提下，实现节能，同时对采取节能措施后整个数据中心的节能效果和数据中心的整体运行情况进行实时评估，以求达到最优。

Description

一种数据中心节能系统及方法

技术领域

    本发明涉及一种节能系统及方法，尤其涉及一种数据中心的节能系统及方法。

背景技术

随着信息化的深入，越来越多的用户需要大量的数据处理和信息交换，相应地越来越多的企业开始进行数据中心建设，为业务系统与数据资源汇聚提供场所。

数据中心中都安装有大量的计算机设备，计算机处理速度越来越快、存储量越来越大、体积越来越小是信息处理发展的趋势，也就是说单位面积的散热量越来越大。据统计，一般一个服务器机柜散热量每小时达几千瓦到几十千瓦。

数据中心对温湿度要求较高，GB 50174－2008《电子信息系统机房设计规范》规定，A级机房，主机房温度（开机时）23±1℃，主机房相对湿度（开机时）40%～55%。数据中心温度是确保服务器等IT设备正常稳定运行的先决条件，这是因为温度对设备的电子元器件、绝缘材料以及存储介质都有较大的影响，温度过高导致设备故障率上升、可靠性下降、设备宕机甚至烧毁。对于湿度的规定，是因为较高的湿度会造成数据中心内的设备短路、磁带介质出错和元器件及电路产生腐蚀现象。在极端情况，相对湿度较高还会使设备的冷表面出现冷凝现象，这对设备的危害更大。较低的相对湿度将产生影响设备运行的静电，造成元器件的击穿、短路等故障，甚至可能损坏设备。磁带和存储介质在低相对湿度下也会产生过度磨损，所以数据中心环境温湿度应控制在合适的范围内。

数据中心规模的扩大，以及为了解决数据中心的散热，以及保证良好的数据中心温湿度环境，需要配置空调系统，随之带来数据中心耗电量的上升，现在数据中心的耗电量、电费支出已经成为新的电老虎，国内数据中心的运营电费动辄数百万元甚至上千万元的大型数据中心已不计其数，数据中心成为耗电的无底洞，超大规模的电信级数据中心甚至已经超越亿元的电费门槛。对于大型的数据中心运营商来说，巨额的电费已经超过了基础设施的投入，成为数据中心的第一成本，对于中小企业级用户而言，耗能成为建造数据中心的门槛。

在“绿色”、低碳经济呼声一浪高过一浪的今天，数据中心的能耗与污染是一个现代企业无法回避的责任，在确保数据中心高性能、高效的同时，将数据中心的电能充分利用，消除局部热点，杜绝冷量浪费将冷却散热降至最低也是实现“绿色”而必须做的，这需要更科学、更合理、更先进的数据中心节能系统和方法。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种数据中心节能系统及方法，它具有适应新一代数据中心“绿色”要求，通过建议运维人员对相关设备进行人工操作或设备以智能化运行的方式实现节能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种数据中心节能系统，它包括放置在数据中心的智能配电柜、UPS电池组、空调、通风地板和若干个机柜，在机柜内设有若干服务器，在数据中心内设有采控装置，采控装置对机柜内的微环境数据、机柜外的微环境数据进行采集，所述微环境数据指温度、湿度、气流、气压的数据，在通风地板上设有风速传感器和风向传感器，采集通风地板的风速和风向数据，智能配电柜对供配电系统所使用的各相（共A、B、C三相）运行数据进行采集，在UPS电池组表面粘有无线温度传感器，无线温度传感器采集的UPS电池组表面温度数据并上传给后台，UPS的运行信息通过直接在UPS数据输出口安装的无线通讯装置上传给后台；空调对自身的运行参数及模式数据进行采集；服务器通过自身板卡对自身内部的运行状态数据进行采集，利用服务器自身的IPMI接口通过通讯网络与后台通讯，将采集到的服务器的运行状态数据上传给后台；采控装置将采集到的数据上传到后台，智能配电柜通过通讯装置建立与后台的通讯，将采集的运行数据以报文交互的方式上传给后台，空调通过通讯装置利用通讯网络将采集到的自身的运行数据及模式数据上传给后台，风速传感器和风向传感器采集的数据通过通讯网络上传给后台，后台对接收到的数据进行建模分析，进而对数据中心的整体环境进行控制实现节能。

所述采控装置包括安装在数据中心建筑内部的至少一个温湿度传感器和安装在机柜内的至少一个温湿度传感器、气流传感器和气压传感器，以测量机柜内部微环境数据，所述安装在数据中心建筑内部的温湿度传感器用来测量机柜外的温湿度；所述机柜内的温湿度传感器、气流传感器和气压传感器在机柜内壁沿垂直方向分层分布。

所述供配电监测的运行数据主要包括供配电使用的A、B、C三相的有功、无功、电压、电流、功率因数、功率、开关状态、通讯状态、谐波、负荷量数据；所述空调运行参数及模式数据主要包括回风温度、回风湿度、加湿器状态、传感器状态、电加热状态、除湿器运行状态数据；所述服务器的运行数据包括CPU温度、风扇转速。

所述通讯网络包括有线通讯网络和无线通讯网络。

基于一种数据中心节能系统的一种数据中心节能方法，具体步骤为：

步骤一：数据采集和传输：智能配电柜、UPS电池组通过各自的通讯装置建立与后台的通讯，将采集的供配电系统所使用的各相（共A、B、C三相）运行数据上传给后台；空调通过通讯装置利用通讯网络将采集到的自身的运行数据及运行模式数据上传给后台；服务器通过自身板卡对自身内部的运行状态数据进行采集，利用服务器自身的IPMI接口通过通讯网络与后台通讯，将采集到的服务器运行状态数据上传给后台；通风地板的风速传感器和风向传感器采集的数据通过通讯网络上传给后台；在数据中心内设有采控装置，采控装置对机柜内的微环境数据、机柜外的环境数据进行采集，将采集的数据上传给后台；

步骤二：建模分析：后台根据系统建立初期输入的基础数据以及实时接收到的数据进行建模，包括建立数据中心整个建筑物及设备的基础设施三维模型、负荷用电和能效模型、线路损耗测量模型和电能质量测量模型；基础设施三维模型是为了逼真展示数据中心的建筑及设备的物理位置，为后面提到的和节能相关的模型建立和相关操作提供平台；所述基础数据主要指数据中心中各设备的建筑布局及基础参数、配电系统中线路的规格、长度、通风地板的部署位置、开孔大小的数据；

所述负荷用电和能效模型：通过对供配电系统中供配电各相（共A、B、C三相）的有功、无功、电压、电流、功率、功率因数、开关状态、通讯状态、谐波数据等，把负荷简化为以功率为依据的模型，相应的能效参数也以功率为依据；通过该模型的建立，可全面反映各节点及整个数据中心负荷特性及能效关系，为各个负荷运行方案的优化提供依据，也为仿真提供模型资源，从而通过负荷的优化运行实现节能；

线路损耗测量模型：在数据中心中，供配电系统属于电力领域的低压配电网络，其线路阻抗一般为阻性，通过数据中心中供配电系统的线路规格、长短、数据中心环境温湿度、负荷量数据，建立一个多变量的等效线路损耗模型，模型的建立将覆盖整个数据中心的供配电系统，提高供配电系统能效计算及仿真的计算精度和可行度，通过合理的调整线路，降低线路损耗，实现节能；

电能质量测量模型：通过步骤一中采集到的供配电系统的运行数据以及由基础数据通过计算获得的每一个负荷用电质量信息，负荷用电质量信息指频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变（谐波）信息，建立电能质量测量的多参数模型，运用该模型评估每一用电设备的用电质量，从设备分类、安装和配电方面进行综合考虑，为制定电量质量改善方案提供技术理论依据和验证，为各种节能措施采取后对数据中心供配电电能质量的影响进行评估；

步骤三：云图绘制和仿真：采用三维虚拟现实技术，通过后台接收到的机柜内和机柜外的温度和湿度数据，绘制整个数据中心在不同水平面、不同垂直面或其它方向的平面云图或立体云图，从云图中可以直观地分析整个数据中心的温度/湿度分布情况，以及局部热/湿点的位置，再结合通风地板风向传感器和风速传感器采集到的数据、空调回风温度、回风湿度以及基础设施的三维模型数据等信息，通过CFD技术仿真出整个数据中心冷气流量分布图；

步骤四：确定节能方案：运用CFD技术对数据中心整个冷气流量分布进行仿真绘制，通过负荷用电和能效模型、线路损耗测量模型和电能质量测量模型的运算和仿真，综合后台中已有的能效优化方案库，提供节能方案以及节能建议或直接对设备进行智能化操作，实现节能，节能方案包括但不限于以下内容：空调系统运行参数（主要指空调的开关、单台空调回风温度、湿度值的设定、加/除湿器的开关、电加热的开关、自然冷源的开关）的优化；数据中心基础设施布局（主要指诸如机柜位置的调整、通风地板的增减、机柜盲板的安装）的优化；配电系统其线路及拓扑结构的优化（配电线路的更换及线调整、负荷的调整）；IT设备运行参数（服务器及存储设备的开关、运算的虚拟化等）的设置等；智能化操作是指按照提前设定的策略，对相关的设备进行智能化控制。

本发明的有益效果：一种数据中心节能系统及方法，在保证数据中心稳定、高效运行的前提下，实现节能，同时对采取节能措施后整个数据中心的节能效果和整体运行情况进行实时评估，以求达到最优。

附图说明

图1为本发明数据中心节能系统的框架图；

图2为本发明数据中心节能系统实施实例图；

图3为本发明数据中心节能方法的流程图。

其中，1.采控对象，2.采控装置，3.通讯网络，4后台，5.基站，6.无线传感器，7.以太网。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的数据中心节能系统的框架图，如图1所示，一种数据中心节能系统，它包括至少一种采控装置2，每种采控装置2对相应的采控对象1进行运行信息的采集，运行状态的操作及运行参数的设置，采控装置2将采集和控制的数据通过通讯网络3上传给后台4，由后台4对数据进行建模分析，每种采控装置2安装在相关设备上，比如，采集机柜内部温湿度数据的无线传感器6安装到机柜进出风口的内壁，并且沿垂直方向分层分布，各机柜分层的水平位置保持一致；空调自身带有的采控装置2负责接收设定空调温湿度参数及运行模式的命令并回答查询设置参数的命令，通讯网络3包括有线通讯和无线通讯。

一种数据中心节能系统除了实时采集数据和对设备进行控制外，还将按数据中心实际布局采用三维虚拟现实技术建模，实现对机房基础设施运行情况总体掌握，方便后期采用CFD技术分析气流及温湿度分布情况，后台除了进行三维建模外，还建立负荷用电和能效模型、线路损耗测量模型和电能质量测量模型，以便节能措施的最后确定和节能效果的评估。

图2为本发明数据中心节能系统实施实例图，如图2所示，采集数据的传输均通过无线的方式进行。采控装置2部署如下：将低功耗的无线传感器6部署在数据中心各需要采集数据的采控对象1上，比如采集机柜内部微环境的无线温湿度传感器以及机柜内部气压的无线气压传感器固定于机柜内部；采集UPS电池组表面温度的无线温度传感器，直接粘在电池组表面；UPS的运行信息通过在UPS数据口直接安装无线通讯装置作为采控装置2获得；采集精密空调的运行信息的数据通过在空调的数据输出口安装无线通讯装置，由后台向空调数据发送请求报文获得空调的运行数据，空调温湿度设置参数、运行模式的控制等也由后台通过该通讯装置发给空调；供配电系统的运行信息通过安装在智能配电柜上的无线通讯装置由后台以报文交互的方式获得相关数据。各无线传感器6以2.4G通讯频段通过自定义通讯协议的方式发送给无线基站5，无线基站5通过以太网7把数据传送到后台4，其中无线基站5和以太网7构成图1中的通讯网络3。在后台按照图3所示的数据中心节能方法的流程进行数据处理和节能操作。

如图3所示的数据中心节能方法的流程，后台4根据收到的实时数据以及前期输入的数据中心基础数据。实时数据主要指数据中心中各位置（含机柜内部微环境）的温湿度数据、气压数据、供配电系统各干线和支线的有功、无功、功率、功率因数、电压、电流、频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变（谐波）、通风地板的流量、冷风利用率等、精密空调的温湿度设置参数及运行模式等。基础数据主要指数据中心中各设备的建筑布局及基础参数、配电系统中线路的规格、长度、通风地板的部署位置、开孔大小等数据。通过三维虚拟现实技术对基础数据进行三维建模，并结合收到的温湿度实时数据，绘制出温湿度分布云图，运用CFD技术对数据中心整个冷气流量分布进行仿真绘制，再在三维模型的基础上建立负荷用电和能效模型、线路损耗测量模型、电能质量测量模型，通过模型进行各参数的分析，综合后台4中已有的能效优化方案库，确定最后的节能方案。节能方案包括但不限于以下内容：供配电网络的优化建议、制冷设备参数设定及运行模式的改善建议、配电线路负载的调整、数据中心布局的调整（如通风地板高度的调整、送风口的气流速率及位置、机柜布局与热负载分布的调整、是否需要设置制冷和人员专用通道、通风地板位置及开孔大小的改变）等。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种数据中心节能系统，其特征是，它包括放置在数据中心的若干智能配电柜、UPS电池组、若干空调、若干通风地板和若干机柜，在机柜内设有若干服务器，在数据中心内设有采控装置，采控装置对机柜内、机柜外的微环境数据进行采集，所述微环境数据指温度、湿度、气流、气压的数据，采控装置将采集到的数据上传到后台；在通风地板上设有风速传感器和风向传感器，采集通风地板的风速和风向数据，风速传感器和风向传感器采集的数据通过通讯网络上传给后台；智能配电柜对供配电系统的三相运行数据进行采集，智能配电柜通过通讯装置利用通讯网络将采集的运行数据上传给后台；空调对自身的运行参数及模式数据进行采集，空调通过通讯装置利用通讯网络将采集数据上传给后台；服务器通过自身板卡对内部运行状态数据进行采集，服务器将采集的内部运行状态数据通过通讯网络传给后台；在UPS电池组表面粘有无线温度传感器，无线温度传感器采集的UPS电池组表面温度并上传给后台，UPS的运行信息通过直接在UPS数据口安装的无线通讯装置上传给后台；后台对接收到的数据进行建模分析，进而对数据中心的整体环境进行控制。

2.如权利要求1所述的一种数据中心节能系统，其特征是，所述采控装置包括安装在数据中心建筑内部的至少一个温湿度传感器和安装在机柜内的至少一个温湿度传感器、气流传感器和气压传感器，所述安装在数据中心建筑内部的温湿度传感器用来测量机柜外的温湿度；所述机柜内的温湿度传感器、气流传感器和气压传感器在机柜内壁沿垂直方向分层分布，测量机柜内部微环境的温湿度、气流、气压信息。

3.如权利要求1所述的一种数据中心节能系统，其特征是，所述通讯网络包括有线通讯网络和无线通讯网络。

4.基于权利要求1所述的一种数据中心节能方法，具体步骤为：

步骤一：数据采集和传输：服务器对自身的运行状态数据采集、采控装置对机柜内和机柜外的微环境数据进行采集、智能配电柜自身对供配电系统所使用的三相运行数据进行采集，空调对自身的运行参数及模式数据进行采集，通风地板上的风速传感器和风向传感器对通风地板的风速和风向数据进行采集，粘在UPS电池组的无线温度传感器采集UPS电池组表面温度，UPS的运行信息通过直接在UPS数据口安装的无线通讯装置上传给后台，各装置采集的数据通过通讯网络上传到后台；

步骤二：建模分析：后台根据系统建立初期输入的基础数据以及实时接收到的数据进行建模，建立数据中心整个建筑物及设备的基础设施三维模型；

通过对供配电系统中三相运行数据分析，把负荷简化为以功率为依据的模型，即建立负荷用电和能效模型；

通过数据中心中供配电系统的线路规格、长短、数据中心环境数据、负荷量数据，建立多变量的等效线路损耗模型；

通过采集到的供配电系统运行数据或通过采集数据的简单运算得到的供配电系统的频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变信息，建立多参数的电能质量测量模型；

步骤三：云图绘制和仿真：采用三维虚拟现实技术，通过后台收到的机柜内和机柜外的温度和湿度数据，绘制整个数据中心在不同水平面、不同垂直面或其它方向的平面云图或立体云图，并通过CFD技术仿真出整个数据中心冷气流量分布图；

步骤四：确定节能方案：运用步骤三中的立体云图，及对步骤二中建立的负荷用电和能效模型、线路损耗模型、电能质量测量模型的仿真，综合后台中已有的能效优化方案库，提供节能方案以及节能建议或直接对设备进行智能化操作，实现节能。

5.如权利要求4所述的一种数据中心节能方法，其特征是，所述步骤一中的供配电监测使用的三相运行数据主要包括供配电系统三相的有功、无功、电压、电流、功率因数、功率、开关状态、通讯状态、谐波、负荷量数据；所述空调运行参数及模式数据主要包括回风温度、回风湿度、加湿器状态、传感器状态、电加热状态、除湿运行状态数据；所述服务器的运行数据包括CPU温度、风扇转速数据。

6.如权利要求4所述的一种数据中心节能方法，其特征是，所述步骤二中的具体步骤为所述根据立体云图直观的分析整个数据中心的温度/湿度分布情况，以及局部热/湿点的位置，再结合通风地板风向传感器和风力传感器采集到的数据、空调回风温度、回风湿度以及基础设施的三维模型数据信息，运用CFD技术对数据中心整个冷气流量分布进行仿真绘制。

7.如权利要求1所述的一种数据中心节能方法，其特征是，所述步骤二中的基础设施三维模型是为了逼真展示数据中心的建筑及设备的物理位置，为后面提到的和节能相关的模型建立和相关操作提供平台。

8.如权利要求1所述的一种数据中心节能方法，其特征是，所述步骤二中的负荷用电和能效模型：通过对供配电系统中供配电监测所使用的三相的有功、无功、电压、电流、功率因数、功率、开关状态、通讯状态、谐波数据，把负荷简化为以功率为依据的负荷用电和能效模型，相应的能效参数也以功率为依据；通过该模型的建立，全面反映各节点及整个数据中心负荷特性及能效关系，为各个负荷运行方案的优化提供依据，也为仿真提供模型资源，从而通过负荷的优化运行实现节能。

9.如权利要求1所述的一种数据中心节能方法，其特征是，所述步骤二中的线路损耗测量模型建立具体规则为：在数据中心中，供配电系统属于电力领域的低压配电网络，所以其线路阻抗一般为阻性，通过数据中心中供配电系统的线路规格、长短、数据中心环境温湿度、负荷量数据，建立一个多变量的等效线路损耗模型，该模型覆盖整个数据中心的供配电系统，提高配电系统能效计算及仿真的计算精度和可行度，通过合理的调整线路，降低线路损耗，实现节能。

10.如权利要求1所述的一种数据中心节能方法，其特征是，所述步骤二中的电能质量测量模型建立具体原则为：通过步骤一中采集到的供配电系统的基础数据以及由基础数据通过计算获得的每一个负荷用电质量信息，负荷用电质量信息指频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变信息，建立电能质量测量的多参数模型，该模型覆盖整个数据中心的供配电系统，评估每一用电设备的用电质量，从设备分类、安装和配电方面进行综合考虑，为制定电量质量改善方案提供技术理论依据和验证，也为各种节能措施采取后对数据中心供配电电能质量的影响进行评估。

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