高校智能模塊化數據中心機房建設

摘要：隨著高校信息化的快速發展，數據中心機房作為支撐高校信息化發展的基礎設施顯得越來越重要，子系統模塊化很好地解決了數據中心機房擴展不靈活、效率低等問題，智能化是數據中心機房管理水平的重要標志，智能化管理系統貫穿機房各個子系統。本文以北京師范大學新校區IDC機房建設為例，介紹我校智能模塊化數據中心機房建設經驗。

關鍵詞：IDC；數據中心；智能

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）30-0040-03

1 前言

北京師范大學主校區IDC機房于2013年建設完成投入使用，采用國家B級機房建設標準，提供標準服務器機柜80個，采用兩路市電至兩臺400KVA UPS，采用分區分級設計，分別可提供15KW、6KW、3KW三種容量服務器機柜，根據不同配電容量機柜采用行間空調、地板下送風和冷通道封閉，保障設備制冷需求【1】。2017年學校昌平新校區IDC機房啟動建設工作，該機房定位為主校區同城災備中心和雙活數據中心，采用國家B級機房建設標準。

根據該定位我校新校區IDC機房采用兩路480KW市電，建設標準服務器機柜40個，一期建設20個。每機柜配置5KW，采用底座式空調和冷通道封閉，采用模塊化UPS和智能監控管理系統。設計如下圖所示：

2 制冷系統設計

2.1 風冷底座式制冷方案

機房設計服務器機柜40臺，5KW/臺；弱電列頭柜4臺，強電列頭柜4臺，2kw/臺。考慮到機房設備可靠性因素，空調制冷量設計應有余量保證，本項目一期選用制冷量為不低于12.5KW的底座式空調10臺單臺總冷量，9主1備工作，滿足冗余要求。

底座式空調為模塊化設計，底部標配腳輪，現場可快捷移出空調進行維護。電氣方面采用端子熱插拔式，操作安全且可大幅縮短維護時間。每臺室內機均配置快速接頭與關斷閥，方便進行末端維護。冷源分配單元安裝在冷通道底下，不占用微模塊空間，且分配單元預留空調接口，后續微模塊可實現快速擴容，空調即插即用。EC風機、變頻列間空調，按需制冷，深度節能智能群控技術，提升可用性。

2.2 節約機房空間

冷源分配單元安裝在冷通道底下，不占用微模塊空間，且分配單元預留空調接口，后續微模塊可實現快速擴容，空調即插即用。底座式空調安裝在機柜底座下，不占用機柜列空間；相同面積下可多放置10%以上的機柜，可提高數據中心機房有效利用率，為IDC創造更大價值。

2.3 應急、維護

底座式空調為模塊化設計，底部標配腳輪，現場可快捷移出空調進行維護。電氣方面采用端子熱插拔式，操作安全且可大幅縮短維護時間；每臺室內機均配置快速接頭與關斷閥，方便進行末端維護。只需要配備備品機房維護人員在很短的時間可自行替換故障室內機。

2.4 節能、綠色

智能群控技術，提升可用性。相同制冷量前提下，空調造價低于列間空調，初投資相對較小；采用恒溫恒濕型空調的微模塊，整體PUE高于采用列間空調的微模塊。按IT負載（含二期）200KW計算，使用行間空調耗電80KW，使用普通下送風空調耗電200KW，按正常運行50%計算，每年節省約52萬度電。

2.5 空調運行模擬

機柜微模塊通風地板尺寸600*600，通風率為50%，布置方式為微模塊機柜后（見設計圖紙）。空調間隔擺放，兩塊通風地板對應一臺空調，因此空調通風地板通風面積為遠大于空調回風尺寸500*440，回風通風地板布置滿足要求。

2.6 空調最大支持功率核算

每IT機柜對應一臺底座空調，按照服務器可接受最小風量負載比：204CMH/kW來計算（24℃送風溫度）。此項目空調送風風量為2200CMH/臺。單臺空調最大支持功率=2200/204=10.78kW大于項目最大負載10kW，空調滿足要求。

CFD仿真結果

通過在CFD仿真軟件中搭建虛擬模型，進行數值計算，得出以下結果：

1） 冷熱通道溫度正常，冷通道溫度在23-25度之間，熱通道溫度在33度以下。詳見下圖

回風流量滿足空調風量需求。由圖可見單臺空調后部回風流量約為0.667m?/S（約為2400CMH/臺），滿足單臺空調風量需求。

3 配電系統設計

本次電力引入為雙路480KW供電，由大樓配電室引入雙路電源經過ATS后接入市電輸入配電柜，直接供電給UPS及空調、動力配電分路。機柜內雙路PDU保證機房電子設備雙路電源供電。

IT設備由1臺200KVA容量的模塊UPS供電，UPS采用N+X冗余供電結構，其中的UPS采用雙變換在線式模塊化熱插拔的冗余型智能UPS系統，在保證供電安全和可靠性的基礎上方便實現擴容和維護。電池配置后備時間半小時。

機房初步負荷計算如表1：

模塊化UPS較傳統UPS有較大的優勢，模塊化UPS通過模塊的冗余來實現高可靠，而傳統UPS需要兩臺并機實現，建設成本更高。模塊化UPS的轉化效率更高，如下圖所示，負載在25%-100%之間模塊化UPS效率能達到96%左右，遠高于傳統UPS。模擬化UPS后期擴容方便靈活，只需要增加模塊即可。

4 DCIM系統設計

DCIM系統通過統一的操作平臺和統一的管理平臺，完成對機房環境、機電設備、安防、消防、IT上架設備各子系統無縫數據集成【2】，實時獲取各子系統監控數據，通過對各子系統監控數據處理、分析及邏輯判斷，實現上述各子系統的集中視圖、集中監控、集中告警、集中數據分析和統一運維管理。全面地集中監控供配電系統、暖通系統、安全防范系統、 資產管理系統、能源與熱場管理系統，并且通過可視化系統直觀展現大平臺數據。使各個子系統之間的數據進行交互，實現各系統信息的互聯、 互通、互用，提供高效、集中、優化的管理手段，實現信息互通互聯、業務協同，為數據中心的長期可靠運行提供決策支撐。

4.1 能源能耗管理

系統通過采集數據中心的能耗，了解各個設備、模塊能耗使用情況。如能源輸入能耗、變配電能耗、負載能耗等等。其次對各個子系統能耗進行精細化統計分析，如對所有IT設備能耗進行統計，制冷子系統能耗、通風子系統能耗、配電子系統能耗、照明子系統能耗等。 數據采集完成后，通過能效分析管理平臺分析，為用戶提高數據機房的電源使用效率指明方向。能效管理數據來自于機房的UPS、UPS配電柜、市電輸入柜、精密配電柜、發電機等配電設備，通過能效管理模塊就可以實時顯示每個耗電系統（精密空調、冷水機組、照明、IT系統等）當前的耗電情況，實時監測數據中心總能耗、IT設備能耗、空調設備能耗等。通過能耗分析引擎，迅速找出能耗使用突破點，根據匹配的能耗知識庫，關聯出相應的節能改進建議。

4.2 設備資產管理

設備資產管理旨在對機房相關實物資產（庫存資產、在架資產、辦公資產等）進行全生命周期管理，給用戶提供面向企業內部統一的資產管理平臺，提供機房實物資產自動化盤點工具，并為機房容量管理、配置管理等IT服務管理提供數據接口，協助管理員高效運維機房業務。

資產管理功能主要包含設備管理、線路管理、備品備件管理、資源管理。智能條碼技術，通過條形碼標簽結合掃描槍讀取方式進行設備身份識別、管理，該方式造價成本相對較低，但人員主動性依賴大，適合機房規模小設備變動頻率低的應用場景。RFID技術，采用成熟的無線射頻RFID技術，結合物聯網應用，采用智能化標簽，通過天線自動獲取標簽屬性、位置信息等，實現全自動化管理。有線標簽U位管理，采用標簽綁定采集條方式實現設備一對一高效管理，每臺設備通過標簽連接到機柜資產信息采集條，精確到資產U位，100%準確率管理，是綜合考慮成本及管理手段的一種管理方式。

4.3 基礎動環監控子系統

基礎設施監控子系統由機房動力設施監控、環境設備監控、安防設施監控組成。其中動力設施監控實現對低壓配電柜、UPS、精密列頭柜、蓄電池組等加裝智能電量儀和采集模塊，通過RS485智能監控通訊接口及通信協議將信號上傳至監控平臺由監控平臺軟件進行實時監測。環境設施監控實現對精密空調、定位漏水、機房溫濕度等實時監測和預警。安防設施監控實現對視頻系統、門禁系統、煙感溫感的實時監控和遠程控制。

5 總結

北京師范大學昌平新校區IDC機房各子系統均采用模塊化設計便于以后的擴容和維護。在機房管理方面引入DCIM系統，實現對各子系統的健康狀況、能耗的實時監控，主動對物理設備進行識別、定位、運行狀態監測保障可用性前提下提高效率、降低成本，讓數據中的資產、空量、能耗說得清、管得住。

參考文獻：

[1] 魯學亮，等.高校數據中心機房建設研究與實踐[J].中國教育網絡，2016：59-60.

[2] 李明江.DCIM系統在數據中心部署中存在的問題探討[J].現代建設電氣，2015：18-20.

【通聯編輯：梁書】