数据中心机房的电力物联网建设

浅析基于电力无线物联网建设的数据中心能耗管理研究及平台应用

摘  要：电力物联网的建设支撑了电网业务与新兴业务的发展，并将进一步全面形成共建、共治、共享的能源互联网生态圈。依托电力物联网建设，数据中心可实现在线设备的实时监测和科学化的统一能耗管理，改善传统数据中心存在的设备分布不合理、监测设备冗杂等问题。通过对数据中心的能耗问题进行梳理，构建了基于电力物联网建设的数据中心，实现了数据中心整体设备的互联互通，降低了数据中心的整体能耗。*后对新型数据中心的发展进行了分析和展望。

关键词：电力物联网; 数据中心; 能耗管理; 监测系统; 节能

0引言

数据中心是提供数据计算、数据存储与网络资源的基础设施。随着数字化进程的不断发tivenes，PUE) ，作为评估数据中心能耗水平的重要标准( 即数据中心总体能耗量与IT设备能耗量之比) ，数值越接近1，表明数据中心的能源利用率和节能水平越。我国数据中心的PUE值较( 大多在2 ～ 3 之间) ，针对这种现状，现阶段数据中心的PUE值需要降低，如上海市提出新建数据中心PUE值应限制在1.3以下。

电力物联网技术的提出，为解决数据中心能耗带来了新的发展方向，为国家电网运行提供了安全的保障，构建了科学合理的电力通信网络。与现有的电力通信网络不同，电力物联网可以对输配电的各个环节、各种设备和不同的电力业务进行全面的感知，实现各类数据的自动采集，打造安全、开放、共享的服务平台。基于电力物联网建设的数据中心能耗管理可以为电力用户提供更质量的服务。

本文首先分析了目前数据中心能耗管理的节能手段、监测系统和相关算法的研究进展; 然后根据电力物联网的技术架构，从“云、管、边、端"角度分析了数据中心能耗管理的优化方向; *后提出了数据中心能耗管理的未来研究方向。

1电力物联网

1.1电力物联网的主要特征

电力物联网拥有将能源系统全周期内的各环节设备、用户的全状态感知以及全业务穿透的强大能力，具有以下3个特征。一是信息感知全面、组网迅速。其网络层可实现多模多制式的网络传输技术融合，全面覆盖、连接感知传感器和电力设施，全面检测数据并迅速组建物联网，开展信息采集、处理、感知，达到准确无误的*效果。二是信息整合度，通信方式简洁。泛在物联网通过有效地融合联网和通信技术，以简化、提局域电力的通信步骤与方法，呈现出电网信息化、智能化、互联网化的发展新势头。其中传感与通信设备能够以多跳的方式进行无线通信，从而缩短物联网设备间的通信距离; 而通信网络中包含的多条通信链路使通信具有灵活性和容错性。三是拓扑形式多样，具备一定自我修复能力。拓扑变化频繁是根据电力资源网分布安装要求，为节省基础设备维修投入而对传感器进行定时休整变动，主要解决长时间工作运行导致的传感设备问题。但拓扑变化不会影响传感器的效运行，其所具备的智能修复系统可自主检查，并根据实时信息调整修复。

1.2 电力物联网的架构体系

电力物联网架构体系可分为感知层、网络层、平台层与应用层。其架构如图1所示。感知层是电力物联网的物理基础，一般包含先进传感器技术、数据融合技术及边缘计算关键技术，装配有低功耗传感器和智能终端以采集多种数据，从而进行全面感知。网络层是电力物联网的信息载体，包含物联网信息通信技术与信息安全技术，用于信息传输的数据传输通道，提数据传输速度，保证数据的完整性。数据上传可采用以太网、5G移动网络、卫星通信等方式。平台层是电力物联网的核心枢纽，包括物联网管理平台、全业务数据中心及一体化云平台等，重在实现电力终端物联管理、对采集数据进行深度挖掘及效处理数据信息。应用层是电力物联网的价值实现层，分为对内业务和对外业务。对内业务包括提客户服务水平、提升企业经营绩效、提升电网运行经济性和稳定性、提升新能源渗透和消纳等; 对外业务包括建设综合能源智慧服务平台、建设综合能源生态环境、建立数据共享服务等。

2数据中心能耗管理研究进展

2.1数据中心能耗

数据中心能源利用效率可采用PUE值进行综合评估。根据美国采暖制冷与空调工程师学会技术委员会9.9( 简称 TC9.9) 统计报告显示，数据中心总能耗可分为IT设备能耗、空调系统能耗、UPS( Uniterruptible Powr Supply) 供电系统能耗、照明系统能耗和其他能耗，各部分能耗占比如图2所示。由统计数据可知，数据中心能耗降低的重点在于减小空调系统和 UPS 供电系统的能耗。

数据中心能耗的原因主要为: 未采用合理的UPS控制策略，导致供电系统耗能严重; 数据中心机柜的不合理分布，容易形成数据中心热岛效应，造成大量的能量损耗; 空调分布位置和控制策略不合理，导致空调制冷效率低。

2.2 基于物联网的数据中心监测系统

在基于物联网的数据中心监测系统中，本文对能源动力监测、数据中心环境监测、安防监测与数据中心网络监测系统进行说明。

(1)能源动力监测系统 对市电、蓄电池、UPS供电系统进行监测，实现对数据中心动力源的实时监控和统一调动。监测参数一般为电池温度、电池电量、负载功率、输出功率，根据上述参数对供电系统的工作状态是否正常进行判断。文献采用物联网技术，通过安装小型化终端设备对数据中心的电气系统进行监测，监测对象包括电源电压、电流和电源周围环境温度状况。该设计已成功运用于马来西亚国立*大学数据中心。良好的控制策略可大幅降低UPS系统的能量损耗。美国丹佛大学的MAH等人提出了一种基于模糊聚类的Niche遗传算法，用于数据中心UPS控制策略优化。该算法在不影响电池使用寿命的前提下，可以平衡本地电网和可再生能源电力。实际数据表明: 在系统结构、负载和运行环境相同的条件下，使用UPS控制策略可将UPS系统运行成本降低40%。

（2）数据中心环境监测系统。数据中心环境监测系统对烟雾、温度、湿度等环境参数进行监测。SCHEＲEＲT提出使用低成本传器跟踪数据中心关键位置的温度，并通过数据中心无线传感器网络( Data Center Wireless Sensor Network，DCWSN) 将捕获的信息转发给监视客户端。DCWSN已成功在数据中心部署。对于数据中心温度可视化问题，文献通过收集温度传感器节点的温度数据，使用Kriging插值算法得到数据中心整体的温度分布状况。该设计已应用于浙江某集团公司 的数据中心，其预测结果与实际结果十分接近。该设计通过数据中心的温度监测结果，可追踪到能耗柜的准确位置，从而对机柜位置进行调整，使数据中心机柜和空调的空间位置合理化，避免形成数据中心热岛效应，降低了数据中心能耗。文献 在空调通风口处布置温湿度传感器，设计多层智能温控算法，实现空调开启、关闭的自动化控制，从而节约了能源消耗，使空调能耗占总能耗比例由40%降低至30%左右。文献基于物联网技术建立数据中心监测系统，通过传感器采集信息形成温度与湿度的三维视图。该系统根据单个机柜的需求调整空调系统的气流、温度和湿度，从而实现精准的空调制冷。该设计方案在威海市数据中心稳定运行，数据中心节能*。

（3）安防预警系统一般采用门禁、视频监控等方式对数据中心进行监测。文献中的安防预警系统着重设计了红外对射图像和红外移动侦测图像，每一图像采集节点设置*的ID标识，节点通过综合数据平台的控制指令调整相关参数。该设计采用了低功耗的感知设备，并对指令数据包进行细致分析、对采样点的参数进行定义。文献建立门禁、影像数据的数据库，方便管理人员查询安全监测历时数据; 系统会对异常报警位置做出标识，并将警告分成4个等级，例如一级警告为整个数据中心各个系统崩溃、二级警告为各个系统性能的降低等。

（4）数据中心网络监测系统。对数据中心的内部交换机、路由器、防火墙和服务器进行监测，采集网络设备的CPU、磁盘和内存等状态参数。文献提出一种云数据中心审核系统( Cloud Data Center Analysis System，CDCAS)。该系统包含一个受动态规则控制的自治代理模型和日志分析模型，收集服务日志、安全日志和防火墙日志等，通过安全控制策略对非法行为进行阻止和警告，并将动态安全报告提交给用户。

基于物联网的数据中心监测系统可以提供较好的监测服务，但监测系统之间的关联程度低，缺乏信息的统一管理和灵活调度。

2.3基于电力物联网架构的数据中心能耗管理设计

电力物联网技术为数据中心的发展提供了新方向，其相关研究仍处于初级阶段。文献对智慧能源站数据中心能耗管理进行了研究，在供电方面，智慧能源站采用压直流供电，并对站内用电设备的配电方式进行统一管理和综合调度;在制冷方面，采用磁悬浮制冷技术; 在监测管理方面，构建统一的数据监测平台，并采用B /S管理方式，工作人员可查看相关设备的工作状况和参数。文献中的能源站数据中心综合系统架构如图3所示。

该数据中心综合系统仅包含数据采集层、管理应用层和辅助决策层。数据采集层采集的数据直接存储于数据库中，再由管理应用层对数据进行处理，*终辅助决策层对数据信息进行综合分析。显然，该管理系统难以对终端数据进行快速处理分析，难以保证实时性监测。因此，本文提出基于电力物联网的数据中心系统，其架构如图4所示。

该架构对各种信息数据进行整合，实现各种监测数据信息的一体化，提升数据中心的整体效率; 加入边缘计算网关，实现数据的就近处理，为用户提供优质的实时服务; 采用大数据、云平台等技术手段，实现全业务的快速迁移和快速响应，大大减少冗余性服务; 大幅提了数据中心的数据计算、数据存储、终端设备等的安全系数。

电力物联网技术的技术架构可以分为“云、管、边、端"4部分。

（1）“云" 采用虚拟化技术为用户提供远程资源。资源的合理化分配不仅提了服务质量，而且降低了计算所带来的能量消耗。文献提出了一种新型的合并算法和虚拟化技术，减少了 数据中心所需的服务器和网络设备数量。仿真结果表明，采用新型合并算法和虚拟化技术对数据中心资源合理整合可以获得显著的节能效果。“云"可以为用户提供强大的计算能力和计算任务迁移能力，可对上传数据进行深度挖掘，并将计算结果回传给用户。在数据中心的应用场景下，数据中心综合管理平台、空调照明远程监控、系统配置管理、用户权限管理、控制策略等都属于“云"的范畴。“云"通过对数据中心的数据整合和深度挖掘，给出*优化的控制策略，从而降低数据中心的整体能耗。此外，为保证数据信息安全，云加密技术的应用也至关重要。文献设计了一种基于分布式环境密钥的加密系统，使用一个从多个匹配密钥派生的加密密钥对所有文件进行加密，能够抵御数据泄露、*攻击和模拟攻击。 

（2）“管" 边缘设备与云平台的数据传输通道。根据网络架构对多网络协议和通信方式进行融合，得到新型的一体化通信网络。在新型数据中心建设中，一体化通信网络对整个数据中心全覆盖，支持数据中心各类终端设备的即插即用，实现对数据中心网络资源的整体、合理、灵活的调度与管理; 采用加密技术对数据中心通信网络的数据传输通道进行加密，保证数据传输的安全性。文献采用级加密标准( Advanced Encryp tiopn Standard，AES) 加密算法保障数据报文的保密传输，并结合混沌密码学，优化密码系统的密钥管理及分配方式，提通信网络的安全性能。数据中心一体化网络的实现，提了数据中心的实

时监测能力，降低了数据中心能耗监测的难度。

（3）“边" 提供边缘计算的分布式智能代理。终端设备的不断智能化发展，致使终端数据量大幅增长。边缘计算减轻了云服务平台的任务量，减少了数据上传所需要的带宽。边缘设备可对终端的部分请求做出及时应答，在用户侧进行分布式计算，就近提供决策服务，缩短了“请求/应答"的距离，减少了通信带来的能量消耗。在数据中心应用场景中，由于智能终端节点相对固定，可通过部署一定数量和*佳位置的边缘设备达到网络延迟*小化。文献采用K－means 聚类算法确定边缘设备的部署数量和*优位置，且考虑智能终端与边缘设备的关联性，实现了终端任务完成时间*小化的目标。实验数据表明，在满足智能终端服务质量的前提下，基于K－means聚类部署算法选择的边缘服务器部署数量*佳，系统完成任务的平均时间为4.58s。

（4）“端"状态感知和执行控制命令的智能终端设备。在数据中心应用场景中，根据感知节点功能的不同，分为温湿度监测节点、烟雾监测节点、能源动力监测节点、射频识别(Ｒadio Frequency Identification，ＲFID) 标签、红外图像节点等。由于各类节点监测的环境参数不同，因此其终端设备响应时间不同。感知节点采用小型化、低功耗的智能终端设备，可降低数据中心能耗。如文献设计的低功耗温度采集终端，在正常工作下消耗电流不大于 700μA，休眠状态时功耗电流不大于12μA。此外，数据中心应采用合理的智能终端调度方案，提智能终端协同完成任务的能力。文献采用自适应多种群协同差分进化算法求解传感器调度方案，提传感器协同能力。实验结果表明，该方案可有效调度多传感器，应对多任务需求。

基于电力物联网的数据中心数据整合，减少了冗余的监测环节和服务器的数量，从而降低了数据中心的整体能耗。此外，在运行维护方面，智能化的巡检设备大幅提了运行维护效率，减少了维护成本。

2.4研究进展

为解决电力设备数量庞大、分布范围广、传统电力系统难以对数据进行有效管理等问题，本团队开展了低功耗广域物联网技术( Low Power Wide Area Network，LPWAN)与边缘计算融合的相关研究，构建“云、管、边、端"一体化管控的平台架构。其中，LPWAN技术与边缘计算融合，已应用于电力设备环境监测，其应用场景示意如图5所示。采用LPWAN技术，可使环境监测节点灵活部署，构建广泛的监测网络;采用分布式边缘网关对电力设备终端数据进行分析和处理，提了电力巡检的效率。

此外，本研究团队在已构建的电力物联网数据中心基础上，开展与数据中心温度可视化和数据中心温度预测的相关调研; 随后将开展数据中心热岛效应和数据中心温度预测的算法编写与优化，依托热岛效应图和温度预测模型，对数据中心能耗管理进行优化。

3校综合能效解决方案

3.1校园电力监控与运维

集成设备所有数据，综合分析、协同控制、优化运行，集中调控，集中监控，数字化巡检，移动运维，班组重新优化整合，减少人力配置。

3.2后勤计费管理

采用先进的网络抄表付费管理技术，实现电、水、气等能源综合计费，实现远程抄表、费率设置、账单统计汇总等，支持微信、支付宝、一卡通等充值支付方式，可设置补贴方案。通过能源付费管理方式，培养用能群体和部门的节能意识。

3.2.1宿舍用电管理

针对学生宿舍用电进行管理控制：可批量下发基础用电额度和定时通断功能；可进行恶性负载识别，检测违规电气，并可获取违规用电跳闸记录。

3.2.2商铺水电收费

针对校园超市、商铺、食堂及其他针对个体的水电用能进行预付费管理。

3.2.3充电桩管理平台

充电桩在“源、网、荷、储、充"信息能源结构中是必*。充电桩应用管理同样是校园生活服务中必*一部分。

3.2.4智能照明管理

通过对校路灯的全局监测，提供对路灯灵活智能的管理，实现校园内任一线路，任一个路灯的定时开关、强制开关、亮度调节，以及定时控制方案灵活设置，确保路灯照明的智能控制和效节能。

3.3能源管理系统

针对校园水、电、气等各类接入能源进行统计分析，包含同比分析、环比分分析、损耗分析等。了解用能总量和能源流向。

按校园建筑的分类进行采集和统计的各类建筑耗电数据。如办公类建筑耗电、教学类建筑耗电、学生宿舍耗电等，对数据分门别类的分析，提供领导决策，提管理效能。

构建符合校园节能监管内容及要求的数据库，能自动完成能耗数据的采集工作，自动生成各种形式的报表、图表以及系统性的能耗审计报告，能够监测能耗设备的运行状态，设置控制策略，达到节能目的。

3.4智慧消防系统

智慧消防云平台基于物联网、大数据、云计算等现代信息技术，将分散的火灾自动报警设备、电气火灾监控设备、智慧烟感探测器、智慧消防用水等设备连接形成网络，并对这些设备的状态进行智能化感知、识别、定位，实时动态采集消防信息，通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析，帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。实现了无人化值守智慧消防，实现智慧消防“自动化"、“智能化"、“系统化"需求。从火灾预防，到火情报警，再到控制联动，在统一的系统大平台内运行，用户、安保人员、监管单位都能够通过平台直观地看到每一栋建筑物中各类消防设备和传感器的运行状况，并能够在出现细节隐患、发生火情等紧急和非紧急情况下，在几秒时间内，相关报警和事件信息通过手机短信、语音电话、邮件提醒和APP推送等手段，就迅速能够迅速通知到达相关人员。

4.平台部署硬件选型

4.1电力监控与运维平台

4.2后勤计费管理

4.2.1宿舍/商业预付费平台

应用场景	型号	图        片	保护功能
预付费云平台	AcrelCloud-3200		系统为B/S架构，主要包括前端管理网站和后台集抄服务，配合公司的预付费电表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用户计量箱ADF300L系列，实现电能计量和电费管理等功能。另外可以选配远传阀控水表组成水电一体预付费系统，达到先交费后用水的目的，剩余水量用完自动关阀。
智能数据采集	Anet系列		8个RS485串口2kV隔离，2个以太网接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通讯协议设备的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上传协议、支持多中心不同数据服务要求，支持断点续传，装置电源:220VAC/DC。
	ANet-2E4SM		4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块,可扩展16路。
	ABox5000		多路RS485接口，能对多种终端设备进行数据采集 支持网口通过ModbusTcp协议采集其它系统或设备转发的数据提供6路DC12/24V电压输出接口支持4级遥测越限告警，遥信变位告警功能支持断点续传功能，实时检测，防止数据丢失
计量及预付费仪表	DDSY1352-Z		·全电参量测量：U、1、P、Q、S、PF ·预付费功能：可设置欠费蔬闸功能，除欠用电功能 ·恶性负数识别，作息时间 ·RS-485通讯接口，MODBUS或DL／T645规约 ·具有CPA证书
	DTSY1352-Z		.全电参量测量：U、1、P、Q、S、PF ·不平衡度、2-31次请波测量 .数据冻结功能 ·精度0.5S级电能计量 ·预付费功能 ·恶性负载识别，作息时间管理 ·RS-485通讯接口，MODBUS或DL／T645规约 ·具有CPA证书
	ADW300		支持多种通讯方式：支持RS-485，NB-loT、LoRa、WIFI及4G通讯 支持多种规格外置开口式互感器，方便改造项目接线 支持多路DUDO、温度、漏电监测 ·具有电能质量分析和需量统计功能 ·具有CPA证书
	DDSY1352-xDM		一进多出，可实现宿舍照明，插座、空调，卫生间等用电分路计量和控制 ·谐波1％（2-42），2％（43-63） ·全电参量测量：U、1、P、Q、S、PF ABox5000数据融合终端 ·预付费功能：基础用电下发 ·支持网口通过ModbusTcp协议采集其它系统或设备转发的数据 多路RS485撞口，能对多种终瑞设备进行数据采集 ·恶性负载识别：阻性负载识别、相位插座识别、夜间小功率载跳闸记录 ·提供6路DC12／24V电压输出接口 ·作息时间管理
	ADF400系列		支持12路三相或36路单相组合计量，可单三相混用，直接接入与互感器接入混用： 全电参量测量：U、1、P、Q、S、PF ·精度0.5S级电能计量 ·预付费功能 ·恶性负载识别，作息时间管理
	LXSY系列		·预付费功能∶∶先买水后用水，欠费 关闯 远传功能支持总线通讯和物联网 通讯 双显功能电子显示和机械字轮显 示 阀门自动维护、IP68防防护ENC测试达到国家标准、克服环境 电磁干扰影响，稳定性强
中压产品	AM系列综合保护装置		·具有级强的数据处理，逻辑造算和信息存储能力，可为35kY及以下电压等级的进线，馈线、变压器，压电动机，压电容器等对象提供过负荷、低电压、过电压、热过载、非电量等保护功能，防止事故扩大，降低价值设备损坏的风险。
	APView500		相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压／电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动／闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G,16D0+22D1,通讯 2RS485+1RS232+1GPS,3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口，支持U盘读取数据，支持61850协议。
智能仪表及用电监控装置	APM系列		全电量测量，四象限电能，复费率电能，仪表内部温度测量，总有功、总无功、总视在电能脉冲输出、秒脉冲等可选。三相电流、有功功率、无功功率、视在功率实时需量(包含时间戳)。电流、线电压、相电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、电流总谐波、电压总谐波的本月值和上月值(包含时间戳)。中文显示，有功电能0.2s级。通讯方式：RS485，Prifibus-DP、以太网
	AEM系列		三相电力参数测量、电压和电流的相角、四象限电能计量、复费率、需量、历史电能统计、开关量事件记录、历史值记录、31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）、开关量、报警输出 通讯方式：RS485接口，支持Modbus-RTU协议
	ARCM系列		ARCM系列电气火灾探测器可对配电回路的剩余电流、导线温度等火灾危险参数实施监控和管理，集成度，体积小巧，安装方便，防范因泄漏电流而导致的电气火灾.

4.2.2充电桩管理平台

4.2.3智能照明管理

4.3能源管理系统

4.4智慧消防系统

4.4.1电气火灾监控系统

4.4.2消防设备电源监控系统

4.4.3防火门监控系统

5结束语

电力物联网建设对于电力行业发展具有重大的价值和意义。基于电力物联网建设的数据中心能耗管理旨在更好地服务电网的各类业务，快速提供决策方案，提升电网的整体运行水平，为用户带来更加人性化的服务。本文通过电力物联网技术框架，对数据中心的各个方面进行了节能分析，为基于电力物联网建设下的数据中心建设提供了参考，为后续研究指明了方向。

【参考文献】

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【3】安科瑞校综合能效解决方案2022.5版.

【4】安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.