云网电源空调智能运营管控系统拓展应用研究

徐世军

（中国电信股份有限公司惠州分公司，广东 惠州 516000）

1 通信机房的现状概述

1.1 现状阐述

（1）IDC数据中心机房数量：随着网络的不断升级，运营商网络业务范畴不断扩大，数据中心机房数量骤增。

（2）机房设备：数据中心机房的设备随着网络升级不断升级和扩容，能耗也不断增加，增加了运营商的成本投入。

（3）数据中心冷池技术目前已经得到广泛应用，为机柜提供相对封闭集中的冷源。但是，由于空调的启停和风速控制大多采用回风温度控制模式，所以难以对冷池内部温度进行精确保障。实际运行中的机房为了保障机房设备的运行安全，只能将空调的设定温度设置为较低的值，导致较大的能源浪费。

一个数据中心可以消耗100～200倍标准办公室所消耗的电能[1]，因此是高能效设计措施的首要目标，以节省资金并减少电能的使用。然而，数据中心要求的可靠性和高功率密度使得许多设计标准远远超过了能源效率的标准。设计一种高效节能的数据中心需要创新、技术和投资，需要结合机房实际环境与新技术进行大胆尝试。可见，制定一个全面的能耗管控策略和大数据挖掘应用方案尤为重要。

1.2 找到管控的突破口

机房管控中电源空调能效是关键。机房冷热通道管理过程中，对流传热是热量传递的直接途径。机房设备正常运行，依靠空调风道流体的流动把设备热量从机柜携带到机柜外部。“对流换热”发生在它们之间的热量传递过程，是工程中经常遇到的情形。对于地方能效管理来说，冷热通道的管控可以有效提升机房综合能效。

1.3 找到管控的关键步骤

实现数据中心高能源效率的关键步骤是测量或估计组成设备消耗。对于一个新的数据中心，最好是在设计阶段估计其能源消耗。除了总能源消耗，可通过各种能量流将它们与各个区域或各个设备相关联，同时了解监控数据中心的能量如何分布。这样不仅可以确定具有最高能量消耗的设备方位，还可以确定哪些功能不是必要的，甚至可以关断或暂停相关非关键设备。

1.4 找到管控的切入点

IT系统使用的能量被转换成热量，因此必须优先保证其散热。提高这些关键能耗装置的效率意味着直接减少能量消耗，同时减少冷却的耗能（约1/3的总能量）[2]。

1.5 现有解决思路分析

（1）针对管控突破口、关键步骤和切入点分析，结合冷池现有温度情况，人工调节空调的设定温度。

（2）改变空调的控制方式，即由回风控制改为送风控制。

（3）将空调的温度探测点从空调的回风口移到冷池内部。

但是，人工调节不仅费时费力，而且基本无法根据需要及时调节。虽然机房内部温度变化不会很剧烈，但它是一个动态变化值，而人工调节不能满足不断变化的需要。因此，本文提出云网智能电源空调运营管控系统的设计实施运行，可大幅有效提升机房PUE效能，保障机房设备安全稳定运行，从而降低维护成本。

2 云网电源空调智能运营系统设计与实现

2.1 系统结构概述

云网电源空调智能运营管控系统从信息系统的分层结构来看，依据信息的获取、传输、处理和应用的不同环节，联网的体系结构分为感知识别层、网络传输层、管理服务层和综合应用层4层[3]。该系统属于物联网范畴，但随着物联网不断吸纳新的技术、拓展新的应用，体系结构划分也在不断发展。但是，不论是系统设计的研究，还是物联网的应用场景和类型研究，都需要一个相对稳定的物联网体系结构作为模型。同时，物联网应用已经普及，对于各类不同设备与不同系统之间通过协议解析已经可以完成互联互通。今天越来越多的企业及信息化建设者开始拥抱或深度介入云计算时代的各种创新和变革中，云计算的到来为社会发展与变革带来了巨大推动力。随着云计算时代及互联网时代应用的飞速发展，数据从原来零零散散收集到数据中心整体沉淀，再到海量数据爆发式增长，数据管理与数据价值挖掘成为当下众多企业不得不面对和思考的问题。

云网电源空调智能运营系统能够实现对数据中心机房内电源设备、制冷设备、机架内冷热通道温度进行实时数据采样；通过实时数据与大数据分析，实现机房用电用冷设备的自动智能操控、智能维护实现机房管理自动化，提升机房PUE综合能效水平，保障动力维护的可靠性。该系统集中并融合了云网分布传输技术、大数据挖掘和分析技术、计算机与自动控制技术、物联网和传感器技术、智能化人机交互技术的最新成果而构成的计算机信息集成系统。云网电源空调智能运营管控系统采用分布式结构设计分为市局监控中心（SC-Supervision Center，数据服务器平台）、监控站（SS-Supervision Station，实时数据浏览台）、端局（SU-Supervision Unit，采集主机）和监控模块（SM-Supervision Module，传感器）。

2.2 系统设计理念

云网电源空调智能运营系统核心设计为高精度室温自动调节及辅助控制。当温度波动范围在5 ℃以下时，采用连续PID调节系统。PID调节器的调节规律具有比例作用（P）、积分作用（I）和微分作用（D），称为三作用调节器[4]。空调控制过程中，影响室温变化的干扰很多。从自控角度说，对具有可控性干扰的部分应分别进行预先控制。这对提高温度调节质量来说虽然是辅助措施，但具有一定意义，也是空调自控设计中应重视的问题。运营系统综合上述3个作用的优势，使得抗干扰能力增强，并且对容量滞后问题予以补偿，提升了调节灵敏度，在空调自控中已经得到成熟应用。

云网电源空调智能运营管控系统将冷通道气流按要求集中处理，然后由送风机把处理后的空气经风道输送到列头柜机架区。该系统室内参数稳定，控制精度相对较高。根据有关理论分析和实践经验总结，针对数据机房空调智能调节系数分析各对象特性参数对调节系统的影响[5]。

（1）放大系数K：放大系数表示对象的静态特性，K值与被调量没有直接关联，K值越大，对象的自调节能力越小。

（2）时间常数T：时间常数表示对象的动态特性，T值受到外界干扰后，被调量重新达到平衡点的时间，表示对象一个完整动作周期的量值。

（3）纯滞后时间t：对象在阶跃干扰作用下输出的被调量并不立即响应，而是要经过一段时间而后才开始变化，这段时间就称为纯滞后时间。纯滞后对自动调节是不利的，一般希望对象的纯滞后时间尽量小。

由以上分析可以看出，对象特性参数对空调自动调节十分重要。它们是调节系统设计时重要的输入条件，应在进行空调智能自动调控设计时按照模型导入。

云网电源空调智能运营系统拓展应用为大数据分析，基于对已有批量存储数据的处理，可通过数据比对和趋势分析预测潜在事件。大数据挖掘的是全部数据，而不是抽样数据，在意义上已经与传统的统计学思想存在很多区别。所以，它的内在的关联性和复杂度提升，在大数据思维模式下，数据处理逐步向全体性、混沌性及相关性转变。因此，大数据的分析要接受不确定性的特征，放弃确定性的思维定式。逐步建立、完善能源管理系统，企业需要拥有能效对标、专家能耗诊断、数据决策等必要的数据分析处理工具与能源管理信息化平台，实现企业能源管理信息化，提供企业侧节能技术信息在线服务。

2.3 系统技术重点分析

2.3.1 数字化电能计量核心技术重点

云网电源空调智能运营系统能耗数据采样研究，基于精确时间控制的离散报文重构技术和基于高速采样与数字低通的高精度数字源技术，研究实现电子式互感器校驻仪溯源的方法，并研究开发基于数字多用表的电子式互感器校验仪溯源系统。研究直流电压量与直流电流量的精确测量技术及直流电子式互感器的时间特性、谐波特性与阶跃特性的测试技术，开发直流电子式互感器校验系统。建立起数字量输入合并单元、模拟量输入合并单元、合并单元及数字式电能表、合并单元及保护测控装置测试系统，完成对电压、电流、相位、功率以及电能等电参量的准确性测试和通信协议测试。

2.3.2 自适应控制和最佳控制技术重点

云网电源空调智能运营系统空调全实时自动调控技术研究，随着控制对象的内部构造和参数的变化，控制设备的控制结构也自动变化，始终体现最佳性能称为自适应控制（Adaptive Control）。设计控制系统时，在满足要求规格的同时，达到某种意义上的最佳。例如，将控制量转到某目标状态时，要求时间最短或者成本最低。

2.3.3 系统信息安全技术重点

云网电源空调智能运营系统信息安全研究，最直接的目的是针对电能采样信息和电能计量系统，避免受到外部恶意信息破坏和干扰，实质是保护综合数据信息的安全性，即可靠性、机密性、完整性、可控性、有效性和不可否认性。针对用电信息系统可能面临的各种攻击构建电能计量信息安全体系，采取的安全防护策略体现在物理安全、链路安全、网络安全、系统安全和数据安全5个方面[6]。

2.3.4 大数据分析技术重点

云网电源空调智能运营系统大数据分析与挖掘研究，各项工作应在原有建设的基础上进行研究，实现数据的完整性与连续性，以保证最佳的效果。数据应该尽量减少人为干预。实现企业侧的数据在线采集和信息化，需要引入大数据技术，保证数据的真实性和可靠性。此外，考虑到将来可能会有相关新的领域的数据平台的对接以及新的功能的实现，需要保证平台的可拓展性与兼容性。

2.4 系统功能概述

云网电源空调智能管控系统设计采用全实时自动感知调控模式。

冷池智能温控模块将传统模拟调节器部分置换成云网终端服务器，在大数据挖掘和比对后形成实时控制指令，并对指令作用情况使用多重环形检测。在程序控制中，采用直接数字控制（Direct Digital Control，DDC）。

云网电源空调智能管控系统空调启停温度和风速调节的依据是IDC机房冷通道温度和热通道温度。可以在冷池机架内布置多个温度探测点，对比采样温度值与预设设定值。通过系统大数据分析与数据挖掘，系统下发指令，自动开启调高空调的启停温度。同时，空调的送风风速可以通过设定标准温差来调节，调节方式与温度调节方式一样。

云网智能全实时自动感知调控的实施分为两个模式[7]。一是下发指令模式。通过嵌入式系统，通信协议设定被控单元；云网平台下发被控单元的配置信息到嵌入式主机，由底端嵌入式主机完成底端数据通信参数、地址码信息、信号条件信息等的设定，统一数据采集与本地运算存储工作。二是上传指令模式。通过云网平台直接操控，自动操控下发到被控设备后，其指令执行结果需要上传到集控中心，同时能耗数据和温度采样数据再次上报到集控中心，通过中心平台大数据分析和比对，下一轮指令再次由集控中心对被控单元进行远程发出。云网大数据平台系统由平台来读取智能模块提供的控制需求，然后将控制需求实时转化成空调的调节命令。

云网智能电源空调运营系统的告警级别可以依据影响程度不同设置不同级别的告警信号，以提醒数据中心监控值班人员，并可通过系统平台进行远端维护，并以派修单方式通知相关维护人员进行处理。该系统将所有数据中心能耗设备信息集中在一个平台进行实时数据处理、告警输出、报表分析，并可以根据故障等级产生声光告警，使得通信机房设备维护人员从繁琐工作中解放出来，使日常工作重点更加明确。中央工作站彩色动态图形显示、打印、记录各种参数、状态和报警，记录启停时间、累计运行时间及其他历史数据等。

软件系统平台模块包括实时采集模块、数据告警模块、模块自诊断模块、用户管理模块以及设备远程管理模块[8]。

（1）实时采集模块。实时采集和上报系统中涉及PUE能耗及冷通道温度信息等相关数据；系统通过各监控单元集中采集被控设备的运行参数，并上报给云网监控中心的数据服务器，值班人员通过业务台浏览数据的实施变化情况；可以实现实时数据浏览，并可提供用户报表的自定义。

（2）数据告警模块。云网电源空调智能运营管控系统在被监控的各类设备出现异常情况时，会以声光告警方式提示值班人员。对于异常数据的出现，会有告警弹出窗口予以提示。告警条件可以在业务台动态配置，在线方式下调整告警阀值和上下限。

（3）模块自诊断模块。云网智能电源空调运营系统支持对监测单元本身的数据收发进行诊断，对通信阻塞或故障设备进行自诊断报警提示，排除硬件设备因为死机导致数据采集中断、指令无法下发问题，保障系统运行的高可靠性。

（4）用户管理模块。云网智能电源空调运营系统可根据客户的特性，划分不同区域、不同设备类、不同专业、不同操作权限，使得不同账号登录时显示的界面不同。

（5）设备远程管理模块。云网智能电源空调运营系统提供远程管理功能，维护人员可以在监控中心对远端站端采集设备配置进行修改和调整。升级和扩容设备后，系统配置只需要刷新相应的配置即可。

3 云网电源空调智能运营管控系统的优势

3.1 云网技术应用

数据流计算现有的能耗数据，把握温度采样通道和空调智能调控能力，对现场数据进行实时采样、实时合并、实时分类，作为数据仓库的基础数据。实时报表机制可实时监控和展现业务指标，使数据化运营实时化。实时检测和分析系统和用户行为，监测和发现危险行为；实时计算各类数据指标，并利用实时结果及时调整在线系统业务策略。云网系统提供数据迁移、实时数据订阅、数据实时同步等多种数据传输能力。通过数据传输服务，可实现不停服数据迁移、数据异地灾备、缓存更新策略等应用场景，帮助运营商构建安全、可扩展、高可用性的数据架构。

3.2 大数据比对与大数据挖掘、商业智能分析技术应用

建立基于集中平台的数据提取、数据清洗、数据关联、数据比对、基础数据库核对以及业务数据库校对机制。通过对IDC机房PUE能耗数据的深入分析，结合计费系统数据，提升数据价值，提供面向企业管理层决策支持和面向整个通信产业链预测服务。此外，实现对企业自身能耗管控与节能的潜力挖掘，实现经济效益和社会效益的双赢。

3.3 电源数据与空调数据集成应用

基于业务需求，全面推进业务数据化，不断优化电源空调的匹配关系。数据采集方面通过接触层埋点及增加数据采集传感器，扩大数据触角。打通数据采集链路，不是孤立采集某些数据点而导致数据价值大打折扣。要深入研究整个数据流，对数据流上的每个点有规则、有体系地进行采集。做到数据闭环，实现数据与业务良性互动，在企业内部使数据“活”起来。

3.4 数据输出成果

如图1所示云网智能电源空调运营管控系统的应用，可完成能效考核和节能目标的合理设定。根据行业现有能效水平、技术进度及产业机构调整等，合理设定企业、集团的节能目标，并对企业能耗实行在线监测和考核。通过平台主要软件升级，进一步提高中心数据信息化水平；通过与相关平台的对接，实现企业能耗数据的自动采集和在线智能调控；通过数据仓库或云平台建设，实现数据的合理化、标准化、规范化和结构化，同时实现能源大数据平台功能应用层的设计建设。

4 云网电源空调智能运营管控系统特点

4.1 告警信号的集中采集

告警是云网电源空调智能运营管控系统的一个重要功能。系统采取两类方式对设备进行数据采集，一类属于非智能设备通过变送器或传感器方式采集，另一类通过智能设备协议处理采集。故障发生后，系统会根据故障的告警区域、告警类别和告警等级通知相关人员进行处理，有效压缩故障历时。

图1 云网电源空调智能运营管控平台系统

4.2 远端设备的集中管控

系统将远端采集器设备的通信状态一并纳入监控范畴，所有采集器的状态一目了然。监控人员可以远程方便地进行设备管理、系统配置修改和动态配置等。

4.3 支持各类智能设备的接入

数据中心机房被控设备生产厂家不同，通信协议千差万别。前期需要与厂家做好沟通，协调被控设备的协议资料，包括协议文本、厂家测试软件、用户使用手册等资料[9]。通过协议开发，编译为系统统一格式，提高系统的兼容性。不同厂家各类监测设备和被控设备均可纳入云网电源空调智能运营管控系统。系统支持后期根据需要调整通信方式和扩充协议模块内容，如能耗设备新增整流模块设备，更换监控单元模块、被控设备空调机组扩容、列头柜机架扩容等。上述调整均可平滑接入该系统进行集中管控。

4.4 全自动智能调控

根据系统控制模式，自动控制可分为反馈控制、前馈控制和序列控制。反馈控制是根据目标值的时间性质、控制量的种类等进行分类；前馈控制是“在干扰可直接检测并可为控制所利用的场合下，施加相应测量值的适当的改正动作于控制对象，可消除干扰的影响”的控制方式；还可检验目标值的变化，适当操作有效减小偏差。

4.5 能耗超标预警

根据设备限额标准等，对能耗即将或超标的设备提供预警跟踪功能；根据当前数据中心布局结构等，预测整个数据中心的能源消耗模型并进行节能潜力分析，为相关部门决策提供数据依据。

5 云网电源空调智能运营管控系统实际应用探索

5.1 应用效果

云网电源空调智能运营管控系统上线运行，将惠州电信分公司所属3个数据中心（江南数据中心、城东数据中心、东平数据中心）集中在一个云网管控平台下，所有IDC列头柜、各机架能耗数据信息都纳入系统，使得惠州电信能耗管理水平达到了新的高度，彻底改变了传统分散式监控模式。通过云网和大数据对现有系统平台进行升级，集中改造IDC所属环境，使得中央空调受控于云网数据，实现自动调节和控制，达到精准送风、精准制冷，显著提升了数据机房的PUE能效水平。

（1）实时监视供电设备、用电设备、制冷设备的运行状态，为云网大数据分析提供基础数据信息。

（2）故障告警及PUE能耗超限时报警，及时提示值班人员进行处理。

（3）通过云网智能电源空调运营系统系统可以实现电子化派单流程，通过底端嵌入式系统设备实时数据采集、通过云网平台做中心数据比对、异常故障做报警派单、对故障问题处理情况说明进行消单等形成一个完整的闭环链路。

（4）云网中心服务器根据大数据比对结果（机架设备能耗分析、机架设备区域温度采样），自动调节远程受控设备，集中管理设备状况，查询数据，分析故障。

（5）能效提升系统能够实现生产能效和空调、照明等设备能效的自动诊断、对标、分析，发现用能差距，挖掘节能潜力，并出具能效诊断报告。

（6）节能产品、设备、软件技术在线服务，为企业提供节能技术、产品数据库信息查询服务，匹配合理的节能改造技术和方案；相关报告、报表的自动输出，简化企业的人力管理，便于企业与政府部门的对接。

（7）综合能效智能分析，即对能耗区域分布、综合能耗、能耗强度及各项能耗指标进行多角度的横向、纵向、同比、环比和对比等智能综合分析，绘制区域能效图。

（8）能效对标，进行单位产值能耗、产品能耗、设备能效对标；能效规划，由平台相关数据成果支撑制定合理的节能规划及产业调整目录等；深入挖掘节能数据潜在的价值，提升平台公共服务水平；实现数据可视化，成果展现更丰富、直观与清晰。

5.2 应用成果

5.2.1 大大提升了能耗利用效率

中国电信集团数据中心环境温度标准要求为20 ℃，最新的数据中心标准要求服务器进风温度为不超过24 ℃，实际冷池内温度远低于标准值[10]。根据现场冷池内温度传感器监测数据看，目前冷池内的温度一般在20 ℃左右。可见，当前数据中心空调的运行状态存在着巨大的能源浪费，也为节能减排提供了很大的提升空间。保守估算，综合PUE值可以提升10%。

5.2.2 大幅提升运行维护效率

基于云网电源空调智能运营管控系统的运行，动力设备与空调设备的监测数据覆盖率明显提升，可第一时间掌握IDC机房的设备运行信息；通过云网大数据比对和数据挖掘，对一段时间内能耗的异常波动进行预警，做到能耗数据信息透明化。

5.2.3 IDC机房安全管控能力显实效

利用云网电源空调智能运营管控系统，准确掌握设备在网不间断运行的能耗波动情况，同步监测机架侧双路供电的状态，保障机架侧设备的安全可靠运行。

5.2.4 科学指导设备优化和技术改造

对于设备性能评估，通过云网大数据比对和大数据挖掘技术，横向比对计费系统能耗数据，纵向比对历史数据。通过数据比对数据挖掘，可实现对被监测设备的性能评估，为领导层决策提供参考意见，即作为设备更换或设备升级的数据依据，实现在网运行设备的最优化配置。

5.2.5 实用性和可操作性

基于数据可视化技术、人机交互技术、APP客户端等的研发，从而更好地以图表展示系统平台数据成果，也有助于更方便的使用；开展能源大数据平台应用推广，探索“数据、平台、应用、终端”新型产业建设推广模式，实现相关数据资源的共享，促进参与者良性互动。

6 结 论

本文涉及的云网电源空调智能运营管控系统已在惠州电信分公司上线试运行，效果明显。该系统将所有冷通道的温度情况与所有空调的制冷效果进行综合数据采集与大数据比对分析，提供一种综合环境智能动态调控空调的综合应用方法。空调对冷通道的制冷效果要根据机房实际情况来设定，同时要根据运行效果通过云网大数据比对和大数据挖掘技术实时自动调控受控对象，得到一个机房总体满意的控制目的，实现所有冷池的温度都稳定在允许区间，满足能耗综合调控需求。

目前，系统正在向集约化方向发展，综合更多的其他系统基础数据资源，不断提升客户移动终端设备远程操控的简便性、实时性和可靠性。因此，后续工作需要灵活、及时地把最新的技术（5G移动终端、多平台汇聚融合北向接口）应用于云网电源空调智能运营管控系统，才能不断优化云网电源空调智能运营管控系统，进一步提升该系统的节能降耗价值，保障数据中心机房的设备安全稳定运行，不断满足新的需求。

数据中心机房运行的众多关键设备，与机房的电源空调有着密切关系。良好可靠的机房电源空调对保障设备的正常运行具有重要作用。运营商的首要任务是保障设备正常稳定运行，其次是合理有效管控能耗，提升机房的综合利用效能。智能化的云网电源空调智能运营管控系统是行之有效的应用方案，通过云网数据采集技术、大数据分析技术、智能调控技术，使机房能耗管控工作更加科学化和合理化，提升设备的安全可靠运行级别，同时大大降低不必要的能源浪费，响应政府及集团公司节能减排工作的号召。