淺析基于電力無線物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的數(shù)據(jù)中心能耗管理研究及平臺應(yīng)用

摘 要：電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)支撐了電網(wǎng)業(yè)務(wù)與新興業(yè)務(wù)的發(fā)展，并將進(jìn)一步全面形成共建、共治、共享的能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈。依托電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，數(shù)據(jù)中心的發(fā)展進(jìn)行了分析和展望。

關(guān)鍵詞：電力物聯(lián)網(wǎng); 數(shù)據(jù)中心; 能耗管理; 監(jiān)測系統(tǒng); 節(jié)能

0引言

數(shù)據(jù)中心PUE值應(yīng)限制在1.3以下。

電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的提出，為解決數(shù)據(jù)中心能耗管理可以為電力用戶提供更高質(zhì)量的服務(wù)。

本文首先分析了目前數(shù)據(jù)中心能耗管理的未來研究方向。

1電力物聯(lián)網(wǎng)

1.1電力物聯(lián)網(wǎng)的主要特征

電力物聯(lián)網(wǎng)擁有將能源系統(tǒng)全周期內(nèi)的各環(huán)節(jié)設(shè)備、用戶的全狀態(tài)感知以及全業(yè)務(wù)穿透的強(qiáng)大能力，具有以下3個特征。一是信息感知全面、組網(wǎng)迅速。其網(wǎng)絡(luò)層可實現(xiàn)多模多制式的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)融合，全面覆蓋、連接感知傳感器和電力設(shè)施，全面檢測數(shù)據(jù)并迅速組建物聯(lián)網(wǎng)，開展信息采集、處理、感知，達(dá)到準(zhǔn)確無誤的效果。二是信息整合度高，通信方式簡潔。泛在物聯(lián)網(wǎng)通過有效地融合聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)，以簡化、提高局域電力的通信步驟與方法，呈現(xiàn)出電網(wǎng)信息化、智能化、互聯(lián)網(wǎng)化的發(fā)展新勢頭。其中傳感與通信設(shè)備能夠以多跳的方式進(jìn)行無線通信，從而縮短物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間的通信距離; 而通信網(wǎng)絡(luò)中包含的多條通信鏈路使通信具有靈活性和容錯性。三是拓?fù)湫问蕉鄻樱邆湟欢ㄗ晕倚迯?fù)能力。拓?fù)渥兓l繁是根據(jù)電力資源網(wǎng)分布安裝要求，為節(jié)省基礎(chǔ)設(shè)備維修投入而對傳感器進(jìn)行定時休整變動，主要解決長時間工作運(yùn)行導(dǎo)致的傳感設(shè)備問題。但拓?fù)渥兓粫绊憘鞲衅鞯母咝н\(yùn)行，其所具備的智能修復(fù)系統(tǒng)可自主檢查，并根據(jù)實時信息調(diào)整修復(fù)。

1.2 電力物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)體系

電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層與應(yīng)用層。其架構(gòu)如圖1所示。感知層是電力物聯(lián)網(wǎng)的物理基礎(chǔ)，一般包含中心及一體化云平臺等，重在實現(xiàn)電力終端物聯(lián)管理、對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘及高效處理數(shù)據(jù)信息。應(yīng)用層是電力物聯(lián)網(wǎng)的價值實現(xiàn)層，分為對內(nèi)業(yè)務(wù)和對外業(yè)務(wù)。對內(nèi)業(yè)務(wù)包括提高客戶服務(wù)水平、提升企業(yè)經(jīng)營績效、提升電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性、提升新能源滲透和消納等; 對外業(yè)務(wù)包括建設(shè)綜合能源智慧服務(wù)平臺、建設(shè)綜合能源生態(tài)環(huán)境、建立數(shù)據(jù)共享服務(wù)等。

2數(shù)據(jù)中心能耗管理研究進(jìn)展

2.1數(shù)據(jù)中心能耗

數(shù)據(jù)中心能耗降低的重點(diǎn)在于減小空調(diào)系統(tǒng)和 UPS 供電系統(tǒng)的能耗。

數(shù)據(jù)中心熱島效應(yīng)，造成大量的能量損耗; 空調(diào)分布位置和控制策略不合理，導(dǎo)致空調(diào)制冷效率低。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心監(jiān)測系統(tǒng)

在基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行說明。

(1)能源動力監(jiān)測系統(tǒng) 對市電、蓄電池、UPS供電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心UPS控制策略優(yōu)化。該算法在不影響電池使用壽命的前提下，可以平衡本地電網(wǎng)和可再生能源電力。實際數(shù)據(jù)表明: 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、負(fù)載和運(yùn)行環(huán)境相同的條件下，使用UPS控制策略可將UPS系統(tǒng)運(yùn)行成本降低40%。

（2）數(shù)據(jù)中心節(jié)能效果顯著。

（3）安防預(yù)警系統(tǒng)一般采用門禁、視頻監(jiān)控等方式對數(shù)據(jù)中心各個系統(tǒng)崩潰、二級警告為各個系統(tǒng)性能的降低等。

（4）數(shù)據(jù)中心審核系統(tǒng)( Cloud Data Center Analysis System，CDCAS)。該系統(tǒng)包含一個受動態(tài)規(guī)則控制的自治代理模型和日志分析模型，收集服務(wù)日志、安全日志和防火墻日志等，通過安全控制策略對非法行為進(jìn)行阻止和警告，并將動態(tài)安全報告提交給用戶。

基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心監(jiān)測系統(tǒng)可以提供較好的監(jiān)測服務(wù)，但監(jiān)測系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)程度低，缺乏信息的統(tǒng)一管理和靈活調(diào)度。

2.3基于電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心能耗管理設(shè)計

電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為數(shù)據(jù)中心綜合系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

該數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)，其架構(gòu)如圖4所示。

該架構(gòu)對各種信息數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，實現(xiàn)各種監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的一體化，提升數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)存儲、終端設(shè)備等的安全系數(shù)。

電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的技術(shù)架構(gòu)可以分為“云、管、邊、端”4部分。

（1）“云” 采用虛擬化技術(shù)為用戶提供遠(yuǎn)程資源。資源的合理化分配不僅提高了服務(wù)質(zhì)量，而且降低了計算所帶來的能量消耗。文獻(xiàn)提出了一種新型的合并算法和虛擬化技術(shù)，減少了 數(shù)據(jù)中心的整體能耗。此外，為保證數(shù)據(jù)信息安全，云加密技術(shù)的應(yīng)用也至關(guān)重要。文獻(xiàn)設(shè)計了一種基于分布式環(huán)境密鑰的加密系統(tǒng)，使用一個從多個匹配密鑰派生的加密密鑰對所有文件進(jìn)行加密，能夠抵御數(shù)據(jù)泄露、竊聽攻擊和模擬攻擊。

（2）“管” 邊緣設(shè)備與云平臺的數(shù)據(jù)傳輸通道。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和通信方式進(jìn)行融合，得到新型的一體化通信網(wǎng)絡(luò)。在新型數(shù)據(jù)中心的實

時監(jiān)測能力，降低了數(shù)據(jù)中心能耗監(jiān)測的難度。

（3）“邊” 提供邊緣計算的分布式智能代理。終端設(shè)備的不斷智能化發(fā)展，致使終端數(shù)據(jù)量大幅增長。邊緣計算減輕了云服務(wù)平臺的任務(wù)量，減少了數(shù)據(jù)上傳所需要的帶寬。邊緣設(shè)備可對終端的部分請求做出及時應(yīng)答，在用戶側(cè)進(jìn)行分布式計算，就近提供決策服務(wù)，縮短了“請求/應(yīng)答”的距離，減少了通信帶來的能量消耗。在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場景中，由于智能終端節(jié)點(diǎn)相對固定，可通過部署一定數(shù)量和*佳位置的邊緣設(shè)備達(dá)到網(wǎng)絡(luò)延遲*小化。文獻(xiàn)采用K－means 聚類算法確定邊緣設(shè)備的部署數(shù)量和*優(yōu)位置，且考慮智能終端與邊緣設(shè)備的關(guān)聯(lián)性，實現(xiàn)了終端任務(wù)完成時間*小化的目標(biāo)。實驗數(shù)據(jù)表明，在滿足智能終端服務(wù)質(zhì)量的前提下，基于K－means聚類部署算法選擇的邊緣服務(wù)器部署數(shù)量*佳，系統(tǒng)完成任務(wù)的平均時間為4.58s。

（4）“端”狀態(tài)感知和執(zhí)行控制命令的智能終端設(shè)備。在數(shù)據(jù)中心應(yīng)采用合理的智能終端調(diào)度方案，提高智能終端協(xié)同完成任務(wù)的能力。文獻(xiàn)采用自適應(yīng)多種群協(xié)同差分進(jìn)化算法求解傳感器調(diào)度方案，提高傳感器協(xié)同能力。實驗結(jié)果表明，該方案可有效調(diào)度多傳感器，應(yīng)對多任務(wù)需求。

基于電力物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心的整體能耗。此外，在運(yùn)行維護(hù)方面，智能化的巡檢設(shè)備大幅提高了運(yùn)行維護(hù)效率，減少了維護(hù)成本。

2.4研究進(jìn)展

為解決電力設(shè)備數(shù)量龐大、分布范圍廣、傳統(tǒng)電力系統(tǒng)難以對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理等問題，本團(tuán)隊開展了低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)( Low Power Wide Area Network，LPWAN)與邊緣計算融合的相關(guān)研究，構(gòu)建“云、管、邊、端”一體化管控的平臺架構(gòu)。其中，LPWAN技術(shù)與邊緣計算融合，已應(yīng)用于電力設(shè)備環(huán)境監(jiān)測，其應(yīng)用場景示意如圖5所示。采用LPWAN技術(shù)，可使環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn)靈活部署，構(gòu)建廣泛的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò);采用分布式邊緣網(wǎng)關(guān)對電力設(shè)備終端數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，提高了電力巡檢的效率。

此外，本研究團(tuán)隊在已構(gòu)建的電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心能耗管理進(jìn)行優(yōu)化。

3高校綜合能效解決方案

3.1校園電力監(jiān)控與運(yùn)維

集成設(shè)備所有數(shù)據(jù)，綜合分析、協(xié)同控制、優(yōu)化運(yùn)行，集中調(diào)控，集中監(jiān)控，數(shù)字化巡檢，移動運(yùn)維，班組重新優(yōu)化整合，減少人力配置。

3.2后勤計費(fèi)管理

采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)抄表付費(fèi)管理技術(shù)，實現(xiàn)電、水、氣等能源綜合計費(fèi)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、費(fèi)率設(shè)置、賬單統(tǒng)計匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設(shè)置補(bǔ)貼方案。通過能源付費(fèi)管理方式，培養(yǎng)用能群體和部門的節(jié)能意識。

3.2.1宿舍用電管理

針對學(xué)生宿舍用電進(jìn)行管理控制：可批量下發(fā)基礎(chǔ)用電額度和定時通斷功能；可進(jìn)行惡性負(fù)載識別，檢測違規(guī)電氣，并可獲取違規(guī)用電跳閘記錄。

3.2.2商鋪水電收費(fèi)

針對校園超市、商鋪、食堂及其他針對個體的水電用能進(jìn)行預(yù)付費(fèi)管理。

3.2.3充電樁管理平臺

充電樁在“源、網(wǎng)、荷、儲、充”信息能源結(jié)構(gòu)中是必不可缺的。充電樁應(yīng)用管理同樣是校園生活服務(wù)中必不可缺的一部分。

3.2.4智能照明管理

通過對高校路燈的全局監(jiān)測，提供對路燈靈活智能的管理，實現(xiàn)校園內(nèi)任一線路，任一個路燈的定時開關(guān)、強(qiáng)制開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)，以及定時控制方案靈活設(shè)置，確保路燈照明的智能控制和高效節(jié)能。

3.3能源管理系統(tǒng)

針對校園水、電、氣等各類接入能源進(jìn)行統(tǒng)計分析，包含同比分析、環(huán)比分分析、損耗分析等。了解用能總量和能源流向。

按校園建筑的分類進(jìn)行采集和統(tǒng)計的各類建筑耗電數(shù)據(jù)。如辦公類建筑耗電、教學(xué)類建筑耗電、學(xué)生宿舍耗電等，對數(shù)據(jù)分門別類的分析，提供領(lǐng)導(dǎo)決策，提高管理效能。

構(gòu)建符合校園節(jié)能監(jiān)管內(nèi)容及要求的數(shù)據(jù)庫，能自動完成能耗數(shù)據(jù)的采集工作，自動生成各種形式的報表、圖表以及系統(tǒng)性的能耗審計報告，能夠監(jiān)測能耗設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置控制策略，達(dá)到節(jié)能目的。

3.4智慧消防系統(tǒng)

智慧消防云平臺基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等現(xiàn)代信息技術(shù)，將分散的火災(zāi)自動報警設(shè)備、電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設(shè)備連接形成網(wǎng)絡(luò)，并對這些設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行智能化感知、識別、定位，實時動態(tài)采集消防信息，通過云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。實現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實現(xiàn)智慧消防“自動化”、“智能化”、“系統(tǒng)化”需求。從火災(zāi)預(yù)防，到火情報警，再到控制聯(lián)動，在統(tǒng)一的系統(tǒng)大平臺內(nèi)運(yùn)行，用戶、安保人員、監(jiān)管單位都能夠通過平臺直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設(shè)備和傳感器的運(yùn)行狀況，并能夠在出現(xiàn)細(xì)節(jié)隱患、發(fā)生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內(nèi)，相關(guān)報警和事件信息通過手機(jī)短信、語音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達(dá)相關(guān)人員。

結(jié)束語

電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)對于電力行業(yè)發(fā)展具有重大的價值和意義?；陔娏ξ锫?lián)網(wǎng)建設(shè)的數(shù)據(jù)中心建設(shè)提供了參考，為后續(xù)研究指明了方向。

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審核編輯 黃宇