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浅析云计算数据中心动力环境监控系统

浅析云计算数据中心动力环境监控系统

2022/9/27 9:22:42

摘要 :通过介绍数据中心不同时期动力环境监控系统的建设和发展,结合数据机房的维护对象、动力环境监 控系统的软件组成和工作原理,探讨云计算数据中心动力环境监控系统的配套需求和“集中管理、集中监控集中维护"运维管理模式的发展趋势。

关键词:动力环境监控系统;云计算;数据中心;运维管理

一、动力环境监控系统概述

数据中心是云计算的主要载体,其中动力环境监控系统是数据中心保障通信设备正常、稳定运行的重要基础设施,动力环境监控系统失效,可能会造成数据灾难事故。

1.系统概述

机房动力环境监控系统是运用计算机、现代通信、智能测控等先进技术,利用先进的通信网络对 分布于本区域或者远程区域的机房和工作区进行实时监控,通过图像监控、故障告警、紧急事件处理、记录并处理相关数据等方法,实现对一个区域或不同区域里的各个机房及工作区集中监控。随着网络维护的不断发展,“集中维护、集中监控、集中管理"的维护理念越来越明确,而机房动力环境监控系统就是这种理念的体现,通过通信电源和环境的集中控制,可实现少人或无人值守,在提高维护质量的同时,有效地降低维护成本,解决目前管理部门所面临的设备运行环境要求高、机房多、人员配备少等问题。

2.发展历程

早期的动力环境监控系统主要以“集中监控、统一告警"为主要工作目的,强调数据釆集的实时 性和传输的时效性,要求“能够发现告警、通知告警"即可,侧重于维护层面,对于数据分析和挖掘要求不高;在系统架构上,表现为单服务器和数据库,未部署其余外部网络接口及其应用;在数据组织的逻辑层次上,也只有数据釆集层和数据处理层。经历了多年发展,动力环境监控系统的 发展历程大致分为三个主要阶段,如图1所示。

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图1动力环境监控系统发展历程

初期主要釆用干接点方式,即通过通信设备的系统监控数据的处理与传输。中期为满足对机房整体监控的需求,已经可以实现遥感、遥控、遥 测等功能。该阶段的监控软件开发和应用逐渐成熟,能够通过数据分析掌握监控对象的运行状态。由于网络技术的快速发展,采用轮询方式的数据处理技术已不能满足较大机房和多点机房的集中监控 要求。此时,基于IP技术的智能化嵌入式监控系统很好地解决了这一难题。该技术在系统优化设计的基础上,采用告警事件主动上报机制代替被动轮询机制。

二、动力环境监控系统组成及工作原理

1.维护对象及系统软件组成

动力环境监控系统的维护工作包括了以下对象:

(1)动力系统(组合电源、ups、电池、开关等);

(2)环境系统(空调、泄漏、温度、湿度、新风机等);

(3)消防系统(烟感探测器、温感 探测器、其他消防设备);

(4)安防(门禁、闭路监控、其它保安设备);

(5)网络设备(路由器、、主机、服务器、 其他通讯设备)。

动力环境监控系统所有硬件设备运行状况的监控,由动力环境监控系统的各个相应子系统完成,如: UPS电源、电量仪等设备的监控工作由配电监控子系统实现;机房环境的温湿度是否符合国家机房标准,由温湿度监控子系统和漏水监控子系统等完成。 因此,动力环境监控系统从软件方面可以分为图像监控、配电监控、设备监控、环境监控、消防监控 和入侵监控六个组成部分。

(1)图像监控:通过智能监控屏的音接口采 集音信号,实现对机房的图像实时监控、硬盘 存储和网络传输。

(2)配电监控:釆用专用电力监控模块,实时监控各种配电柜的运行参数和状态。

(3)设备监控:釆用嵌入式现场监控主机接入机房的UPS、专用空调、开关电源和后备发等智能设备;

(4)环境监控:釆用开关量输入模块和模拟量输入模块,接入红外、烟雾、水浸、温湿度变送器等采集的信号,实现对机房的安防、火灾、漏水 及温度、湿度的实时监控。

(5)消防监控:通过釆集信号或烟 感探测器的信号,实时监测机房内的火灾状态。 当发生烟雾着火时,系统会立即发出通知,并启动声光。

(6)入侵监控:釆用双鉴(红外+微波)双重监测人体和物体的移动,采用门磁监测门和窗户的状态,以及其他防盗设备检测机房安防状态,发现立即发出通知,并启动声光。

2.工作原理

动力环境监控系统通过前端设备,即传感器釆集现场信息并转变成信号后,由中部设备数据釆集系统实时采集,送入设备中进行存储、显示或送入计算机进行处理。执行器则接收数据采集设备输出的模拟量或开关量,执行相应的动作。系统工作原理如图2所示。

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图2监控系统工作原理

动力环境监控系统可以将各监控点数据通过 LAN/WAN、GPRS等TCP/IP网络系统传送,实现集中监控,同时可对设备进行集中管理。当发生告警时,系统会立即通过电子邮件、SNMP Trap以及声光等方式将信息传达给用户。同时可根据情况联动控制,例如:机房门禁的控制,当发生火灾时可解除门禁系统的控制;机房温度过高时,可以自动调节普通空调的温度,使温度保持在温度范围。

三、云计算数据中心动力环境监控配套需求

随着新技术新业务的不断发展,现代数据中心发生了巨大变化:资源规模及维护压力快速增长,客户需求越来越多样,数据中心迅速走向集中化、规模化,大型数据中心成为主流,云业务逐渐代替传统租赁托管业务,在资源管理、配套供给、绿色节能等方面提出新的挑战。针对其配套的动力环境监控系统,有以下五点需求:

(1)云计算一般拥有大量的服务器,机房规模大、 数量多、动力环境监控系统应当是一个通用 的系统,不同子系统、不同产品间接口和协议"标 准化",使它们之间具有互联性和互操作性,通过高集成度的监控系统将原有的分散式的监测管理改为控制中心式的集成化管理,以节约有限的资源,提高管理与控制的效率。

(2)云计算在有限的空间内需要支持高负载,机房部署集中,对机房动力及环境要求高,应提供多种方式构建一个高可靠性、稳定性的动力环境监控系统,能及时发现隐患,在长时间饱和运行的实际情况下具有连续运行能力。

(3)为满足应用和用户规模的增长,节省投资,数据中心具有良好的伸缩性,动力环境监控系统也应建成一个可扩展的平台,提高控制系统的兼容性,为将来新设备的购入和使用预留接口,保护前期工程和后继先进技术的衔接,使系统具有先进性。

(4)云计算数据机房应是24小时无人值守、可远程管理,这种管理涉及到整个数据中心的自动化运营,动力环境监控系统应严格按照模块化 结构方式开发,以满足通用性和可替换性。

由于机房内设备的实时参数复杂而且以不同方式显示,使得管理人员难以在有限的时间内进行监测与系统运行状态估计。实现人机友好的操作界面,将机房的各项参数进行数据化的处理并直观地显示在操作系统界面上,提供直观、相对简单的辅助管理,

(5)并且进行智能化预处理,可以有效降低管理人员的工作难度,提高管理人员的工作效率。

四、系统运维管理发展方向

现阶段动力环境监控系统主要以供电KPI 为网络运营指标,侧重"自动化、集中化"而建立起了 “集中监控、集中维护"的模式,针对不同级别的故障发生情况,釆用相应的部门故障上报及处理流程,在资源有限的情况下,有效地利用了设备和人力资源并且提高了故障响应速率。在这个期间,系统维护工作主要依靠的是厂商技术支援力量。

在数据中心"以客户感知为导向"的运营指标下,随着动力环境监控系统的不断完善,特别是随着监控系统覆盖面逐渐扩大,"集中维护"的管理模式在未来将不能够满足维护需求、不能够在可能发生影响客户感知故障进行处理。因此,机房运维会逐渐转向"集中管理、集中监控、分散维护"的模式上来。"集中管理"表示规划、设计、施工以及管理、维护,包括二次应用新增等,均由部门统管;“集中监控"表示各属地分别监控属地机房,监控责任人非实时监控和数据分析,设备责任人负责实时监控统一处理,体现监控分散化、属地化;“分散维护" 则表示按维护分散化、维护属地化分别执行日常维护和响应突发事件。

此外,对于维护团队的建设也会随之发生一些变化,原本大多“依赖监控厂商技术支援"的维护团队建设体制将逐渐转变为“依靠厂商,以我为主,釆取故障分级管理、分级处理模式,以区级统管厂商技术支援、致力于维护团队建设,建立起完整内训体系",通过设定“故障自处理率指标",促进自主维护能力和自主维护力量的提升。因此,可以预测,随着新的网络运营策略不断深化,监控系统的维护模式也将不断趋向于“集中管理、集中监控、分散维护",通过集中管理来提高一致性和掌控发展方向、通过分级监控、分散维护来提高对突发 事件的响应速度和不断贯彻落实监控系统的日常管 理维护工作。

五、安科瑞AcrelEMS-IDC数据中心综合能效管理系统平台组成

安科瑞电气紧跟数据中心发展形式,推出AcrelEMS-IDC数据中心综合能效管理解决方案,包含有电力监控、动环监控、消防监控、能耗统计分析、智能照明以及新能源监测几个子系统。集成了变配电监测、电源备自投、电气接点测温、智能照明、电能质量监测及治理、蓄电池在线监测、配电监控、智能母线监控以电气火灾、应急照明及疏散指示等多种子功能,能够帮助用户实时掌握数据中心的运行情况,保障数据中心可靠、节约、有序、低碳的运行,辅助运维团队提升数据中心能效、资源利用率和可用性,提高运维效率并降低运维成本。

六、平台拓扑图

七、平台子系统

1.电力监控解决方案

电力监控系统实现对数据中心中低压配电系统、UPS、蓄电池组、ATS/STS、精密配电柜、电源支路电流、PDU机柜电源以及其它重要设备进行监视、测量、记录、报警等功能,实时掌握供电系统运行状况和可能存在的隐患,快速排除故障,提高数据中心供电可靠性。

2.动环监控系统解决方案

通过数据中心动环监控系统,实现了对数据中心的门禁状态、水浸状态,烟雾状态,视频状态,环境状态,高低压配电状态,设备运行状态进行实时监测,并进行实时报警,保障数据中心正常运行,避免运行环境的失控导致配电设备运行故障,保证维护人员安全,延长设备使用寿命,减少配电室粗放式管理导致成本过高。同时实现动环监控并对各用能耗能进行能效分析,帮助用户实现用能效率的优化。

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系统功能

展示当前数据中心总能耗,IT能耗,空调能耗,及其他能耗并且计算出当前数据中心实时PUE值,通过仪表盘形式直观展示。

选择查看数据中心的中低压配电系统主接线图,并在一次图显示配电系统当前遥测、遥信数据和状态。实时监测各配电柜的电压、电流等电力参数,变电站的温湿度、烟感、水浸、门禁等环境情况。

电气接点温度实时监测,断路器触头、触臂、母排和线缆连接等位置安装无线测温传感器监测接点温度,便于提前发现温度异常导致的事故。

监测各变压器各项参数,包括负载率、频率、功率因数、三相不平衡度等,并且显示历时曲线图,数据实时变化。帮助用户直

电能质量在线监测,可以监测电流和电压谐波畸变率、电压暂升暂降暂中断等暂态事件记录、ITIC容忍曲线等

系统采集UPS输入、输出端和旁路三相电压、电流、有功功率、功率因数频率,同时监测UPS温度、蓄电池电压、当前负载下的剩余时间等数据。

展示单体电池电压、内阻和温度,预测电池带载时剩余时间,每节电池数据均可以设置异常报警,及时发现蓄电池异常。

展示精密配电柜内进线和馈线回路电气参数,包括电流电压功率电能以及开关状态,并可以对数据进行报警设置和分级,数据取自精密配电柜测量模块。

展示智能小母线的始端箱和插接箱电气参数,包括电流电压、开关状态、插接点温度,并对数据进行报警设置和分级。

通过平面图显示数据中心能源分布,设备分布情况,并显示设备能耗数据,点击平面图上设备可以进入具体设备监控界面。

实时显示当前数据中心PUE值以及历史PUE曲线。并且显示各分项用能的用能情况及用能排行。监测各变压器运行及负载情况,给出本月变压器输出电能排行。

显示电能消耗日/月/年报表,并可对具体回路选择曲线图、饼图进行展示。对数据中心用电数据进行同比、环比分析比较,查看用电趋势。

监测精密空调的回风温湿度,出回水温度,并可以设定精密空调的温湿度,达到更好的控制效果。

监测数据中心温湿度、开关门、水浸、烟雾、噪声、气体浓度状态等参数。曲线图直观明了,同时支持历史数据查询

通过列表显示各类报警事件数量,通过柱状图显示逐日报警数量,提供报警总数以及增长趋势。

维管理功能,可针对数据中心各主要设备进行巡检派工,消缺,抢修等维护工作。


3.能耗统计分析(能源管理)解决方案

?  建立高效的能耗监测管理系统,对建筑各类耗能设备能耗数据进行实时测量,对采集数据进行统计和分析。能够合理的确定各区域建筑能耗经济指标及绩效考核指标,发现能源使用规律和能源浪费情况,提高人员主动节能的意识。

① 搭建数据中心智慧能源管理系统的基本框架,对各个用能环节进行实时监测;

② 排碳数据化:通过系统可实现建筑单位内人均能耗分析(包括水、电、能量),实现低碳办公数据化;

③ 区域能效比:实现建筑单位内区域能耗对比,方便能耗考核;

④ 同期能效比:实现同年、同期、同一区域能耗对比,方便节能数据分析;

⑤ 能耗评估管理:按照能源消耗定额标准约束值、标准值、引导值进行分析单位面积能耗和人均能耗指标;

⑥ 能耗竞争排名:各个功能区能耗对比,实现能耗排名,增强工作人员的节能意识;

⑦ 对能耗的使用数据进行综合的分析、统计、打印和查询等功能,并根据能耗监测管理系统的需要可选择不同样式报表的打印。为能耗运营管理部门提供可靠的依据;

⑧ 能耗数据采集,随时查询,并根据采集数据进行统计分析,监测异常能源用量,对能源智能仪表故障进行报警,提高系统信息化、自动化水平。

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4.蓄电池监测系统

安科瑞公司ABAT系列铅酸蓄电池在线监测系统是在线电池监测产品,可以提前对失效的铅酸蓄电池进行预警及电池均衡,符合ANSI/TIA-942标准要求。

??该系统具有监测电池的电压、内阻与内部温度功能,安装、维护与接入非常方便。系统主要由ABAT-S模块、ABAT-C模块及ABAT-M采集器组成,可通过采集器查询告警与实时数据、设置参数等,可选配监测平台实现网络化集中管理。

5.精密配电管理系统解决方案

系统可以展示精密配电柜内进线和馈线回路电气参数,包括电流电压功率电能以及开关状态,并可以对数据进行报警设置和分级,数据取自精密配电柜测量模块。

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6.智能小母线监控解决方案

数据中心IT服务器配电传统采用精密配电柜,占用空间较大,配电线缆多,新增设备不便,为了节省面积,智能小母线方案由于不占用机房面积、可按需灵活插拔,受到很多数据中心的青睐,被越来越多的应用。 

安科瑞智能母线监控产品分为交流和直流母线监控两类,包括始端箱监测模块、插接箱监测模块以及触摸屏,另外还可以搭配母线槽连接器红外测温模块用于监测母线槽的运行温度,确保母线槽配电安全。通过标准网线手拉手简单组网,可以实现任意插接箱检修或更换时不影响其他在线运行的插接箱的数据上传通讯。

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7.智能照明控制系统解决方案

数据中心人流较少,面积大,机房多,合理使用照明控制系统,通过感应控制做到人来灯亮,人走灯灭或保持地强度照明,尽量解决照明用电。

 系统在配电箱内的模块主要有总线电源、开关驱动器、IP网关、耦合器、干接点输入模块等。这些模块使用35mm标准导轨安装。

 安装在控制现场的模块主要有光照度传感器、红外传感器和智能面板。有人经过可以设定红外感应控制亮灯,人离开后在设定的时间内熄灯,智能面板等手动控制设备,可实现自动控制、现场控制和值班室远程控制相结合。


8.电气安全

电气接点温度实时监测,断路器触头、触臂、母排和线缆连接等位置安装无线测温传感器监测接点温度,便于提前发现温度异常导致的事故。

8.1电气火灾监控系统解决方案

电气火灾监控系统是用于接收剩余电流式电气火灾监控探测器等现场设备信号,以实现对被保护电气线路的报警、监视、控制、管理的运行于计算机的工业级硬件/软件系统。对分散在建筑内的探测器进行遥测、遥调、遥控、遥信,方便实现监控与管理。

8.2消防设备电源监控系统解决方案

消防设备电源监控系统能够对消防设备的电源进行实时监控,通过检测消防设备电源的电压、电流、开关状态等有关设备电源信息,从而判断电源设备是否有断路、短路、过压、欠压、错相以及过流(过载)等故障信息并实时报警、记录的监控系统。此系统具有可靠性、实时性并具有数字化、智能化、网络化、自动化和连续监控的特性。实时反映出被监控设备电源的状况,并集中显示,从而可以有效避免在火灾发生时,消防设备由于电源故障而无法正常工作的危急情况,保障消防联动系统的可靠性。

8.3防火门监控系统解决方案

数据中心防火门数量比较多,由于部分区域经常有人走动,常开常闭防火门数量都不少,防火门监控系统的作用就是监测防火门开闭状态,在发生火灾后自动关闭常开防火门,防止烟雾扩散。防火门监控系统采用消防二总线将具有通信功能的监控模块相互连接起来,用于监测和控制防火门状态,当防火门发生异常位置信号时,防火门监控器能发出故障报警信号,指示故障报警部位并保存故障报警信息。发生火灾时,关闭事故区域所有常开防火门,防止烟雾向安全区域扩散。

8.4消防应急照明和疏散指示系统解决方案

数据中心消防比较复杂,一旦发生火灾,疏散指示系统非常重要。消防应急照明和指示系统可以和火灾报警系统联动,提供应急照明和疏散路径指示,指引人群快速找到疏散出口,并可以一键选择疏散应急预案,提升人员逃生概率。

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9.充电桩系统解决方案

数据中心停车场有电动汽车和电动自行车,均需要提供充电桩。充电桩管理系统通过技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控,解决物业、用电管理部门的充电桩使用、监控问题。电动自行车充电可采用投币、扫码充电方式,电动汽车支持IC卡和扫码充电方式。远程充电桩系统可实时远程完成启动充电、强制停止、单价设置等控制指令,用户可通过APP、微信、支付宝小程序扫描二维码,进行支付后,系统发起充电请求,控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警;能够远程控制,提供财务报表和数据分析等功能。

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10.电能质量治理解决方案

数据中心常用设备为不间断电源系统UPS、LED照明、IT服务器等,易产生谐波电流和三相负载不平衡问题,电能质量监测和治理装置可根据负载运行情况进行实时的检测、分析并跟踪治理,为不同负载类型的电能质量问题提供合适的设计解决方案,以达到改善供电质量和确保电力系统安全经济运行的目的。

八、平台部署硬件选型

1.电力监控、电能质量、配电室环境监控系统


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九、结语

云计算的飞速发展形成大量数据传输,大规模 的数据中心机房逐渐取代传统数据机房,对数据的处理和存储进行集中管理,以提高稳定性并有效降 低运行及维护成本。而数据中心的动力及环境设备无间断正常运行才能保证网络环境中用户的正常工作,现代数据中心动力环境监控系统的出现有效改进了传统的人工被动监控和排除故障的方式,为实现数据中心环境设备的正常运行提供了有力保障。随着数据挖掘、物联网概念的普及,以及外部传输网络、数据网络技术的不断更新和成熟,动力环境监控系统必有较好的发展前景。

参考文献

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[8]安科瑞企业微电网设计与应用手册. 2022.05版

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王静
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