數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)智慧運維探討

作者：蘭洋科技????瀏覽量：4828????時間：2023年11月14日????標簽: 不間斷電源雙碳新風系統(tǒng)

摘要：供配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心基礎設施的重要組成部分，各類IT設備計算、存儲離不開供配電系統(tǒng)平穩(wěn)、安全地運行。伴隨數(shù)字產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)也在擴容壯大，這對供配電運維提出了更高的要求。為助力數(shù)據(jù)中心可靠運行，實現(xiàn)綠色節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展目標，新一代供配電系統(tǒng)智慧運維技術應用勢在必行。

隨著新時代數(shù)字經(jīng)濟快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心建設規(guī)模不斷擴大。原有數(shù)據(jù)中心用電負荷小，供配電系統(tǒng)接線單一，結(jié)構(gòu)簡單?，F(xiàn)行主要數(shù)據(jù)中心建設規(guī)模均超過了3000個機架，甚至達到萬架級別，其供配電系統(tǒng)建設容量超過10MVA，配置變壓器數(shù)量大、系統(tǒng)接線復雜。供配電系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心運行中具有舉足輕重的地位，提升運維水平對供配電系統(tǒng)安全可靠運行至關重要。采用人工運維方式已無法滿足大型數(shù)據(jù)中心運行需求，引入新技術對供配電系統(tǒng)實施智能化運維管理模式將逐漸替代原有傳統(tǒng)模式。

1、數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)運維背景

在信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，技術不夠先進，數(shù)據(jù)機房規(guī)模較小，通常僅需布置于一棟建筑的某層，與辦公、動力等建筑電氣負載共用1套變配電系統(tǒng)，機房不間斷電源只需從大樓0.4kV配電裝置引接，日常只需通過人工方式簡易運維。數(shù)據(jù)機房電源投入或切斷只涉及少量低壓斷路器、隔離開關的分合閘操作，日常巡查內(nèi)容主要為主配電柜、不間斷電源、蓄電池的運行工況，運維人員也只需要具備簡單的低壓配電知識。

隨著時代發(fā)展，機房需求急速增長，獨棟數(shù)據(jù)中心甚至數(shù)據(jù)園區(qū)建設成為常態(tài)，高功率機柜也逐漸成為機房標配，用電負荷快速增長，電源系統(tǒng)電壓等級提升到10kV專線甚至是110kV、220KV專線。數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)所包含的高壓配電裝置、變壓器、低壓配電裝置、不間斷電源或高壓直流電源等設備容量不斷擴大、數(shù)量不斷增多，系統(tǒng)也越來越復雜。對于不斷發(fā)展的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)，傳統(tǒng)人工運維方式無法適應，弊端逐漸顯現(xiàn)。人工成本高，各環(huán)節(jié)供配電設備間也存在數(shù)據(jù)互聯(lián)互通難、無法實時控制、智能化水平低、安全可靠性差等問題。數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)運維在空間維度上也無法做到監(jiān)管的面面俱到，存在維護人員誤報、漏報、瞞報等現(xiàn)象；在時間維度上運維更是滯后，對于風險、故障的處置往往由于數(shù)據(jù)滯后導致不準確、不及時。特別是在疫情防控期間，在使用人工和傳統(tǒng)管理手段的數(shù)據(jù)中心，由于運維人員不能如期復工，數(shù)據(jù)中心的運行受到極大影響。

2、數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)智慧運維的意義

當今，智能監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進技術日漸成熟，為數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)建立科學的智慧運維模式創(chuàng)造了條件。在數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)、各節(jié)點設置監(jiān)測點，采集電力參數(shù)信息并上傳后臺，運維人員在監(jiān)控室即可查看各設備運行工況，減少了現(xiàn)場巡檢次數(shù)，大大降低了人工成本。

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)先進智慧運維技術的運用，有機融合技術、數(shù)據(jù)、流程等，不僅提高整體工作效率，而且有利于保障工作效果。智慧運維通過遠程遙測、后臺分析判斷、遠程遙控等技術，在某個供配電系統(tǒng)設備發(fā)生異常事件情況下，可以立即執(zhí)行標準管理流程，順利完成工作任務，提升了運維管理流程的水平。智慧運維技術對設備運行數(shù)據(jù)長期保存，并通過科學建模及大數(shù)據(jù)分析，對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障做出預警，對故障點定位并做出預判，極大地提高了供配電系統(tǒng)運行的安全性。因此，供配電系統(tǒng)智慧運維提高了數(shù)據(jù)中心運維的智能化水平，有效解決了數(shù)據(jù)中心規(guī)模擴大后帶來的一系列運維問題。

3、數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)內(nèi)容

數(shù)據(jù)中心IT設備運行具有連續(xù)性特征，用電持續(xù)高負荷，在其供配電系統(tǒng)設計過程中應綜合分析電能負荷性質(zhì)和周圍區(qū)域電量供應。同時，數(shù)據(jù)中心對電源各電力參數(shù)指標、供電可靠性有很高的要求，供配電各環(huán)節(jié)配置應有利于系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、電能輸配工作的有序性，保障數(shù)據(jù)中心正常運行。

大型數(shù)據(jù)中心負荷高，從經(jīng)濟性方面考慮，后備電源系統(tǒng)一般采用中壓發(fā)電機并機復用方案，中壓發(fā)電機、中壓并機系統(tǒng)均統(tǒng)一布置于獨立動力中心。中壓配電裝置、變壓器、低壓配電裝置、不間斷電源或高壓直流電源布置于數(shù)據(jù)中心機房各樓層中部，近負荷中心布置，設變配電室、電力室、電池室等。數(shù)據(jù)中心機房主要布置于各樓層兩側(cè)，配電設備主要有微模塊柜頂雙母線配電單元、末端空調(diào)配電箱等；數(shù)據(jù)中心一層還布置有冷凍機房配電間，以及常規(guī)建筑電氣配電箱。數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)具有設備多、分布廣等特征，日常維護管理內(nèi)容多。

云計算、大數(shù)據(jù)金融科技等數(shù)字產(chǎn)業(yè)均對數(shù)據(jù)中心的運行有很高的要求，數(shù)據(jù)中心建設主要按《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》中A級數(shù)據(jù)中心建設要求實施，其中供配電系統(tǒng)應具備容錯能力，從前端到末端全程雙回路供電；變壓器、不間斷電源、高壓直流電源、發(fā)電機等設備配置冗余容量，互為備用運行；同時，考慮數(shù)據(jù)中心建設投資的經(jīng)濟性，不間斷電源、發(fā)電機等設備采用多模塊并接方式，節(jié)省投資也便于后期局部更換。因此，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)還具有子系統(tǒng)多、接線復雜等特征，出現(xiàn)人為失誤或判斷錯誤均有可能造成數(shù)據(jù)中心運行事故，造成重大經(jīng)濟損失。因此，各供電方式切換、故障運維處理需經(jīng)過大量邏輯分析、流程管理，最后才能實施操作、維修，這給運維人員帶來了極大的壓力。

4、數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)智慧運維應用原則

4.1 安全運維

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)智慧運維應用應建立在安全基礎之上，注重安全管理機制建設，落實數(shù)據(jù)分類分級、重要數(shù)據(jù)保護、數(shù)據(jù)管理成熟度評估，積極組織做好各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全共享、協(xié)同處置、算法規(guī)制、流程科學建模，時時加強數(shù)據(jù)安全關鍵技術創(chuàng)新突破，及時消減數(shù)據(jù)安全、運行安全重大隱患。

4.2 科學運維

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)智慧運維使用先進智能化技術，實現(xiàn)降低運維成本、規(guī)避人為因素造成運維風險的目的。智慧運維系統(tǒng)應優(yōu)化縮減人工巡檢梳理工作內(nèi)容，實時監(jiān)測設備運行工況，提示設備運行潛在風險，及時發(fā)現(xiàn)并處理故障，并且建立規(guī)范流程，有序落實自動化電源控制模式，合理可靠使用電力資源。

4.3 經(jīng)濟運維，綠色節(jié)能

數(shù)據(jù)中心運行耗電量大，屬社會碳排放較高的產(chǎn)業(yè)，在“雙碳”背景下國家對數(shù)據(jù)中心能源效率指標（PUE）要求不斷提升，數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展任重道遠。數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)智慧運維應堅持綠色發(fā)展，著力創(chuàng)新引領。智慧運維系統(tǒng)應注重各子系統(tǒng)、各供電環(huán)節(jié)能耗分析，確定機房最經(jīng)濟運行形態(tài)，提出微模塊IT設備布置方案、功耗控制區(qū)間等；智慧感應外界自然條件，通過配電開關合理控制空調(diào)系統(tǒng)運行組數(shù)，或直接投入新風系統(tǒng)利用自然冷源制冷；根據(jù)波峰波谷電價智慧蓄能蓄冷，落實錯峰調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)中心基礎設施運行模式，有利于顯著節(jié)省電力能源；智慧控制照明系統(tǒng)，運用先進感應技術關停非必要輔助功能設備用電。

4.4 具有發(fā)展適應性

智慧運維系統(tǒng)應采用開放式的信息體系架構(gòu)，使用標準通信協(xié)議，以滿足系統(tǒng)數(shù)字化升級需要，進一步優(yōu)化整體系統(tǒng)的功能，適應數(shù)據(jù)中心發(fā)展需求。

5 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)智慧運維應用

5.1 供配電系統(tǒng)智慧監(jiān)測及節(jié)能

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)包含高壓開關柜、變壓器、低壓配電柜、不間斷電源或高壓直流電源，以及末端配電箱等，設備多，且分布于數(shù)據(jù)中心不同功能間，日常運維難度大。

日常巡檢周期比較長，這是因為數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)容量大，且擁有大量設備，主要采用多層配置方式，設備具有分散性特征，如采用人工巡檢會產(chǎn)生大量維護預算。
大型數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)中包含較多的子系統(tǒng)，而且各個系統(tǒng)之間的聯(lián)系較弱。
預警難度大，很難及時發(fā)現(xiàn)安全隱患。數(shù)據(jù)中心投產(chǎn)之后，運維人員若再采用傳統(tǒng)手段判斷系統(tǒng)狀態(tài)，就無法發(fā)揮預警作用，供配電系統(tǒng)的可靠性得不到保障。
發(fā)生故障之后不能及時診斷故障，對恢復到正常的工作狀態(tài)有影響。利用傳統(tǒng)的供配電系統(tǒng)，因為設備數(shù)據(jù)監(jiān)測采集監(jiān)控系統(tǒng)不夠完善，如果發(fā)生故障需要利用人工調(diào)試方式，需要耗費較多的時間排除故障，數(shù)據(jù)中心運行因此受到影響。

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)智慧運維，需要在供配電各節(jié)點嵌入各種傳感器、感應設備，并配置帶通信功能智能化儀表，實現(xiàn)設備運行電壓、電流、有功功率、無功功率、諧波等參數(shù)采集及記錄；同時在數(shù)據(jù)中心監(jiān)控室建設統(tǒng)一平臺集成智慧監(jiān)控系統(tǒng)，利用嵌入式人工智能技術，融合不同的智能組件和數(shù)字化功能，不僅可以提供供配電系統(tǒng)的基礎功能，還可以發(fā)揮遠程調(diào)度、故障診斷以及設備管理等作用。運行期間，各節(jié)點實時采集設備數(shù)據(jù)，并通過485線或光纖傳送至后臺，由監(jiān)控系統(tǒng)緊密聯(lián)系各鏈路設備運行參數(shù)，通過對比分析確定是否對應，判斷某個節(jié)點是否存在故障；監(jiān)控系統(tǒng)還可以通過對比分析數(shù)據(jù)庫的歷史參數(shù)，提早發(fā)現(xiàn)設備存在的隱患；同時供配電系統(tǒng)智慧運維系統(tǒng)還能記錄分析數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)各運行方式下能耗，綜合考慮電網(wǎng)波峰波谷電價情況，為數(shù)據(jù)中心提出科學的節(jié)能運行方案，并通過對末端配電開關控制實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的合理運行，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心降低碳排放的目標。

5.2 中壓智慧負載控制系統(tǒng)

當前大型數(shù)據(jù)中心的外市電主要采用中壓多電源供電，中壓系統(tǒng)運行要求如下：

10 kV采用單母線分段接線，正常運行狀態(tài)兩路外市電電源同時供電。
如果其中一路市電電源失電，需要斷開故障電源的進線開關，并且閉合分段開關，利用另一路市電電源供本系統(tǒng)全部負荷。
如果兩路市電同時失電，需要同時斷開電源進線開關、分段開關及所有負載側(cè)開關，閉合兩路發(fā)電機電源開關，發(fā)電機啟動穩(wěn)定后，逐步閉合各負載側(cè)開關。
恢復一路市電供電之后，市電/發(fā)電機切換開關斷開發(fā)電機電源，轉(zhuǎn)而投入市電電源，其次閉合分段開關，實現(xiàn)市電電源供電，并向發(fā)電機發(fā)出停機信號。
恢復兩路市電供電之后，即可恢復正常運行模式。

中壓配電常規(guī)微機綜合保護裝置可實現(xiàn)雙電源互為備投功能，但大型數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)增加了中壓發(fā)電機啟動及切換功能，切換前還需提前關停數(shù)據(jù)中心大容量負載，避免發(fā)電機宕機損壞。如繼續(xù)采用微機綜合保護裝置驅(qū)動各開關投切，需增加大量中間繼電器組件各種運行邏輯關系，二次接線復雜，且會增加很多故障點，可靠性差。如出現(xiàn)故障導致多電源并入情況，可能會造成上級電網(wǎng)事故，運維人員的工作難度、工作壓力也會因此增加。

在大型數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)運行過程中，需要中壓系統(tǒng)具備及時投入后備電源能力，也要避免各回路電源出現(xiàn)并接事故，確保整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性。中壓智慧負載控制系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器，增強了中壓系統(tǒng)二次設備的開放性、邏輯性、安全性，大大提升了數(shù)據(jù)中心智慧運維技術水平。中壓智慧負載控制系統(tǒng)在接收中壓系統(tǒng)市電電源狀態(tài)、發(fā)電機并機系統(tǒng)狀態(tài)信息并接入開關輔助觸點信號后，由系統(tǒng)自動分析故障，利用流程化的模型手段，有效判斷中壓系統(tǒng)各點運行情況等，最后快速輸出所需信號，驅(qū)動相應中壓開關分合閘，滿足數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)運行需求。