北京電信數(shù)據(jù)中心制冷AI節(jié)能技術(shù)應(yīng)用實踐

張 淵，許 洪，康志勇，林武雋

（中國電信股份有限公司北京分公司，北京 100032）

0 引 言

隨著中國電信“云網(wǎng)融合”及數(shù)字化轉(zhuǎn)型步伐加快，數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷擴大。數(shù)據(jù)中心要消耗大量的電能，以北京電信2021年運營數(shù)據(jù)為例，電費支出占網(wǎng)絡(luò)運營總支出已超過40%，成為當之無愧的網(wǎng)絡(luò)運營第一成本。同時隨著“2030年碳達峰、2060年碳中和”目標上升為國家戰(zhàn)略，以及《北京市數(shù)據(jù)中心統(tǒng)籌發(fā)展實施方案（2021—2023年）》的發(fā)布，北京市數(shù)據(jù)中心行業(yè)低碳、環(huán)保、集約發(fā)展已成為必然趨勢[1]。國家與行業(yè)主管、監(jiān)管部門鼓勵各運營企業(yè)在減少碳排放方面積極進行技術(shù)成果創(chuàng)新與轉(zhuǎn)化。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)IT設(shè)備耗電最終都要轉(zhuǎn)化成熱量，為了維持機房環(huán)境恒溫恒濕，制冷系統(tǒng)需要全年7×24小時不間斷工作。經(jīng)統(tǒng)計，制冷空調(diào)耗電約占全網(wǎng)生產(chǎn)性耗電的30%以上，要想節(jié)省電費和降低碳排放，減少空調(diào)耗電是關(guān)鍵。因此對數(shù)據(jù)中心運營企業(yè)而言，不論是企業(yè)內(nèi)部降本增效，還是對外完成行業(yè)、政策監(jiān)管，降低制冷系統(tǒng)耗電成為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

1 節(jié)能工作痛點

北京電信作為首都地區(qū)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心主流運營商，掌握著豐富的網(wǎng)絡(luò)、客戶和機房資源，并始終將履行央企社會責任，建設(shè)運營綠色網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施為己任。近幾年，公司在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域持續(xù)致力于通過試點和推廣節(jié)能先進技術(shù)，努力實現(xiàn)節(jié)費降碳。通過規(guī)模部署間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)、二氧化碳載冷技術(shù)、水源熱泵、微模塊機房、自然冷源、冰蓄冷等技術(shù)方案在自有大型數(shù)據(jù)中心的成功落地，用能效率明顯提高，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

同時也認識到，當前仍存在用能監(jiān)管愈發(fā)嚴格、機房數(shù)字化水平較低、改造資金投入壓力大、節(jié)能手段相對粗獷等方面的痛點：

（1）北京電信立身于首都，背負更為嚴格的經(jīng)營業(yè)績和碳排放考核壓力，節(jié)能工作時間緊，任務(wù)重；

（2）部分機房的電表、傳感器等采集設(shè)備數(shù)量不足，部分機房缺乏能耗在線監(jiān)測、統(tǒng)計分析功能，與數(shù)字化機房標準要求存在較大差距；

（3）機房提升信息化水平和節(jié)能改造資金投入壓力大，規(guī)模推廣投入預(yù)算不足；

（4）應(yīng)用的節(jié)能改造方案，多依賴工程建設(shè)和設(shè)備硬件改造，部分機房節(jié)能手段相對粗獷，精細化節(jié)能及管理能力有提升空間。

2 制冷AI節(jié)能技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

AI技術(shù)通過對以往用戶的歷史使用數(shù)據(jù)進行分析，建立相關(guān)的學(xué)習(xí)模型，并且根據(jù)實時的數(shù)據(jù)變化，來對其模型不斷進行優(yōu)化，最后再制定出合理、科學(xué)的節(jié)能策略。對其時間以及空間上的節(jié)能配置進行優(yōu)化，有效解決了用戶服務(wù)質(zhì)量和節(jié)能要求之間的矛盾[2,3]。

2.2 技術(shù)方案

在數(shù)據(jù)中心內(nèi)新建針對制冷系統(tǒng)的邊緣控制系統(tǒng)，采集機房和空調(diào)運行參數(shù)，利用AI技術(shù)進行分析，生成和下發(fā)運行策略，通過冷凍站和末端精密空調(diào)的AI智能控制，實現(xiàn)節(jié)省空調(diào)耗電。AI節(jié)能系統(tǒng)架構(gòu)見圖1，主要建設(shè)內(nèi)容包括以下幾個方面。

圖1 數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)AI節(jié)能系統(tǒng)架構(gòu)

（1）按照AI節(jié)能的數(shù)據(jù)采集規(guī)范進行補點改造，補充電表、溫濕度傳感器、FSU等點位，并通過采集通道上傳到集團大數(shù)據(jù)平臺。

（2）打通冷站群控系統(tǒng)及動環(huán)系統(tǒng)接口，實現(xiàn)冷源測、輸配側(cè)、室外散熱側(cè)和末端換熱側(cè)幾個子系統(tǒng)的統(tǒng)一控制。

（3）對冷站和末端精密空調(diào)增加AI能效控制，實現(xiàn)冷量按需供給，降低系統(tǒng)運行能耗。

（4）建立智慧能耗監(jiān)測系統(tǒng)，完成動環(huán)數(shù)據(jù)采集、整理和上傳，實現(xiàn)本地動環(huán)同集團大數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)打通及能耗監(jiān)測，滿足政府監(jiān)管、集團考核要求。

（5）節(jié)能指令接收及分析，現(xiàn)場實施節(jié)能策略，反饋執(zhí)行情況，評估節(jié)能結(jié)果。

3 應(yīng)用情況

中國電信自2020年起，在機房節(jié)能領(lǐng)域重點推進制冷系統(tǒng)AI節(jié)能工作，對IDC機房進行能耗分析和預(yù)測、制定和實施節(jié)能策略，實現(xiàn)機房智能化制冷管理。2020年北京電信W數(shù)據(jù)中心1間機房作為試點參與集團AI創(chuàng)新“雙重”項目，對機房末端空調(diào)運行策略進行優(yōu)化，試點機房取得制冷系統(tǒng)節(jié)能11%的效果。2021年，北京公司通過合同能源管理的商務(wù)模式，將AI節(jié)能技術(shù)在W數(shù)據(jù)中心全樓進行推廣，開展更廣泛、深入的節(jié)能工作。采用合同能源管理模式，能充分利用專業(yè)公司的技術(shù)優(yōu)勢和資金優(yōu)勢，降低用能單位財務(wù)、技術(shù)和運行管理風(fēng)險。

W數(shù)據(jù)中心坐落在北京市昌平區(qū)國家級科技創(chuàng)新園內(nèi)（如圖2），2013年投產(chǎn)，分地上5層地下1層，機房總建筑面積4.2萬 m2；從兩個獨立變電站引入4路市電，總供電容量超過4萬kVA；設(shè)計安裝網(wǎng)絡(luò)機柜將近5 000個。供冷采用大型離心式水冷中央空調(diào)為全樓供冷，末端采用高效冷凍水空調(diào)且具有精確控溫功能。

圖2 W數(shù)據(jù)中心外景圖

4 技術(shù)優(yōu)勢

4.1 可監(jiān)可控可視

利用機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等AI算法結(jié)合IDC機房用能特點，構(gòu)建機房出風(fēng)溫度預(yù)測模型、機房熱平衡模型、水冷機組功耗預(yù)測模型。挖掘熱源分布與機房IT負載的關(guān)聯(lián)規(guī)律，精確計算冷負荷需求，可以給每個業(yè)務(wù)機房、電力機房的末端空調(diào)、水冷機組的調(diào)控輸出個性化節(jié)能策略，實現(xiàn)“千房千面、一房一策”定制化方案，同時滿足節(jié)能成效可視化呈現(xiàn)（見圖3）。

圖3 AI節(jié)能優(yōu)勢

4.2 云邊端運營級架構(gòu)

AI節(jié)能系統(tǒng)對標集團、省、地市數(shù)據(jù)中心3級運營體系，基于云原生技術(shù)構(gòu)建彈性系統(tǒng)架構(gòu)，形成云端集團部署，邊緣省動環(huán)收斂、數(shù)據(jù)中心按需拓展的分布式節(jié)能系統(tǒng)（見圖4）。通過云端智能決策、邊緣自動響應(yīng)、終端實時調(diào)控的3級控制機制，實現(xiàn)機房節(jié)能的智慧化、持續(xù)化運營。

圖4 AI節(jié)能云邊端運營級架構(gòu)

4.3 算法級智能化控制

AI節(jié)能系統(tǒng)核心為AI算法引擎，通過特征建模訓(xùn)練結(jié)合專家經(jīng)驗，生成典型業(yè)務(wù)AI模型，實現(xiàn)智能控制。

基于機房節(jié)能業(yè)務(wù)場景，中國電信自研基于AI的能耗分析模型，核心的AI智能引擎加載了2大類10余種核心關(guān)鍵AI模型算法，能夠根據(jù)機房狀態(tài)進行制冷設(shè)備的最優(yōu)化設(shè)置。同時提高人力效率和運維安全，大大降低了基礎(chǔ)維護的人力需求，在保障系統(tǒng)安全可靠和高效運行前提下，實現(xiàn)節(jié)能工作的持續(xù)化（見圖5）。

圖5 AI節(jié)能算法級智能化控制

5 預(yù)期效益

W數(shù)據(jù)中心37間機房將全部參與改造，從整個制冷系統(tǒng)層面進行AI節(jié)能控制。當前制冷系統(tǒng)年用電量約為2 500萬kWh，按照合同約定15%的節(jié)能率估算，W數(shù)據(jù)中心年節(jié)能量有望達到375萬kWh，預(yù)計機房PUE從1.42降至1.36以下，年減少電費285萬元（見表1）， 折合減排二氧化碳氣體超過3 730噸，, 取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。下一步，北京電信將加快推動節(jié)能項目完成實施，按計劃早日實現(xiàn)節(jié)能收益，并積極探討采取進一步技術(shù)和管理舉措，將W數(shù)據(jù)中心PUE值降至1.3以下，并力爭更低。

表1 W數(shù)據(jù)中心預(yù)期節(jié)能收益

6 結(jié) 語

本改造項目所使用的AI算法關(guān)鍵技術(shù)均為中國電信自主研發(fā)，具備自主知識產(chǎn)權(quán)。北京電信W數(shù)據(jù)中心也是中國電信利用自主研發(fā)的制冷AI技術(shù)在大型數(shù)據(jù)中心的首次規(guī)模化應(yīng)用。

當前正值國家加快新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、促進數(shù)字經(jīng)濟創(chuàng)新發(fā)展政策利好之際，北京電信將繼續(xù)嚴格依照國家和北京市對數(shù)據(jù)中心行業(yè)發(fā)展要求，致力于利用AI、大數(shù)據(jù)、可再生能源、智能控制在內(nèi)的多種技術(shù)手段落實國家“雙碳”戰(zhàn)略，在自我革新的同時，助力數(shù)據(jù)中心行業(yè)的整體可持續(xù)、綠色發(fā)展。