浅析基于电力无线物联网建设的数据中心能耗管理研究及平台应用
摘 要：电力物联网的建设对电网业务和新兴业务的发展起到了重要的推动作用，同时，它也将进一步促进能源互联网生态圈的全面形成，实现共建、共治、共享。依托电力物联网建设，数据中心的发展也得到了分析和展望。在电力物联网的支撑下，数据中心的发展前景展现出更加多样化的可能性。
关键词：电力物联网; 数据中心; 能耗管理; 监测系统; 节能
0引言
数据中心PUE值应限制在1.3以下。电力物联网技术的提出，为解决数据中心能耗管理可以为电力用户提供更高质量的服务。本文首先分析了目前数据中心能耗管理的未来研究方向。
1电力物联网
1.1电力物联网的主要特征
电力物联网拥有将能源系统全周期内的各环节设备、用户的全状态感知以及全业务穿透的强大能力，具有以下3个特征。全面感知：电力物联网可以对电力生产、输送、消费、管理等环节的信息进行全面智能识别，通过信息采集、汇聚处理，实现全过程、资产全寿命、客户全方位的感知。可感知性：通过射频识别、传感器、二维码等感知、捕获、测量技术对物体进行实时信息的采集，再利用相关设备进行及时反馈，使得人们可以对配电网中的每一个流程运行情况进行实时掌握，避免其他干扰因素导致的系统紊乱，降低配电系统出现突发故障的概率。IP互联：传感器之间、传感器与应用系统之间通过电力物联网标准化通信协议与通信网络，实现信息有效传递与交互。
1.2 电力物联网的架构体系
电力物联网架构体系可分为感知层、网络层、平台层与应用层。其架构如图1所示。感知层是电力物联网的物理基础，一般包含中心及一体化云平台等，重在实现电力终端物联管理、对采集数据进行深度挖掘及高效处理数据信息。应用层是电力物联网的价值实现层，分为对内业务和对外业务。对内业务包括提高客户服务水平、提升企业经营绩效、提升电网运行经济性和稳定性、提升新能源渗透和消纳等; 对外业务包括建设综合能源智慧服务平台、建设综合能源生态环境、建立数据共享服务等。
2数据中心能耗管理研究进展
2.1数据中心能耗
数据中心能耗降低的重点在于减小空调系统和 UPS 供电系统的能耗。
数据中心热岛效应，造成大量的能量损耗; 空调分布位置和控制策略不合理，导致空调制冷效率低。
2.2 基于物联网的数据中心监测系统
基于物联网的数据中心网络监测系统为确保数据中心的稳定和安全，提供了全面的解决方案。这个系统对数据中心的各种设备（如服务器、交换机、防火墙等）及环境进行集中监测和管理，包括动力系统、环境系统和安防系统等关键参数。 在动力系统中，该监测系统能实时监控UPS、空调、市电等设备的状态，并在异常发生时及时告警。另外，对于新风机和发电机等设备，系统也能进行实时监控，确保其运行正常。 对于环境系统，该监测系统则主要监控温度、湿度、烟雾等环境参数。一旦发现异常，例如温度过高或湿度过大等，系统就会立即告警，并联动相应的设备进行调整，例如开启空调或除湿机等。 在安防系统方面，该监测系统可以实时监控门磁、红外人体检测、震动等安防设备的工作状态。一旦发生异常情况，例如有人闯入或设备故障等，系统就会立即告警，并通过联动相应的设备进行处置，例如启动报警器或摄像头等。 在数据中心环境中，该监测系统能够通过云平台远程监控和管理各项参数，并能将历史数据、报警事件等信息记录在云平台中。这样，运维人员无需实时在机房值班，通过远程联网登录管理云平台就能查看机房情况。
2.3基于电力物联网架构的数据中心能耗管理设计
电力物联网技术为数据中心综合系统架构如图3所示。
该数据中心系统，其架构如图4所示。
该架构对各种信息数据进行整合，实现各种监测数据信息的一体化，提升数据中心的数据计算、数据存储、终端设备等的安全系数。
电力物联网技术的技术架构可以分为“云、管、边、端”4部分。
1. 云：这是电力物联网的云侧，由物联管理平台、APP管控服务中心以及业务应用系统组成。物联管理平台可以对边缘物联代理进行统一管理，主要功能包括设备档案管理、注册管理、在线状态监控、告警信息管理、容器管理、APP管理等。
2. 管：这是电力物联网的管侧，主要指无处不在的通信网络，包括无线公网、光纤、HPLC等。
3. 边：这是电力物联网的边侧，指的是边缘计算，即边缘物联代理设备。
4. 端：这是电力物联网的端侧，它涵盖了智能传感、智能仪表和家用电器等。
通过“云、管、边、端”的协同工作，电力物联网技术实现了对电力设备和系统的全面监测和管理，有助于提高电力系统的运行效率，降低运营成本，并为各类用户提供更加智能便捷的服务。
2.4研究进展
2.4.1 解决电力设备监测的挑战：电力设备数量庞大、分布范围广泛，传统电力系统对数据进行有效管理面临诸多困难。LPWAN技术的引入，使得对电力设备的远程、低功耗监测成为可能。该技术具有传输距离远、功耗低、网络连通性好等优点，能够有效地解决传统无线通信技术无法解决的问题。
2.4.2 边缘计算的优点：边缘计算是一种将计算任务从云端推向网络边缘的技术，其优点在于减少了数据传输的延迟，提高了数据处理效率。在电力设备监测中，通过在终端设备上部署分布式边缘网关，可以对电力设备终端数据进行就地分析和处理，避免了大量数据的长距离传输，节省了带宽，同时也提高了电力巡检的效率。
2.4.3 “云、管、边、端”一体化管控的平台架构：这种架构将云计算、通信网络（管）、边缘计算（边）和终端设备（端）有机地结合在一起，形成了一个一体化的管控平台。其中，云计算负责大数据处理和存储，通信网络负责数据的传输，边缘计算负责数据的就地处理和分析，终端设备负责数据的采集和设备的控制。
2.4.4 应用场景的示范：你们的应用场景非常具有创新性，如图5所示的监测节点可以灵活部署，构建广泛的监测网络。这种网络可以覆盖到每一个电力设备，实现对设备的实时监测和管理。例如，如果一个电力设备出现故障或者异常情况，那么这个信息可以立即通过LPWAN网络传输到边缘网关，边缘网关在接收到数据后可以立即进行分析和处理，然后将处理结果反馈给云端，云端在接收到数据后可以立即进行相应的处理和响应。
应用场景示意如图5所示。采用LPWAN技术，可使环境监测节点灵活部署，构建广泛的监测网络;采用分布式边缘网关对电力设备终端数据进行分析和处理，提高了电力巡检的效率。
此外，本研究团队在已构建的电力物联网数据中心能耗管理进行优化。
3高校综合能效解决方案
3.1校园电力监控与运维
集成设备所有数据，综合分析、协同控制、优化运行，集中调控，集中监控，数字化巡检，移动运维，班组重新优化整合，减少人力配置。
3.2后勤计费管理
采用先进的网络抄表付费管理技术，实现电、水、气等能源综合计费，实现远程抄表、费率设置、账单统计汇总等，支持微信、支付宝、一卡通等充值支付方式，可设置补贴方案。通过能源付费管理方式，培养用能群体和部门的节能意识。
3.2.1宿舍用电管理
针对学生宿舍用电进行管理控制：可批量下发基础用电额度和定时通断功能；可进行恶性负载识别，检测违规电气，并可获取违规用电跳闸记录。
3.2.2商铺水电收费
针对校园超市、商铺、食堂及其他针对个体的水电用能进行预付费管理。
3.2.3充电桩管理平台
充电桩在“源、网、荷、储、充”信息能源结构中是必不可缺的。充电桩应用管理同样是校园生活服务中必不可缺的一部分。
3.2.4智能照明管理
通过对高校路灯的全局监测，提供对路灯灵活智能的管理，实现校园内任一线路，任一个路灯的定时开关、强制开关、亮度调节，以及定时控制方案灵活设置，确保路灯照明的智能控制和高效节能。
3.3能源管理系统
针对校园水、电、气等各类接入能源进行统计分析，包含同比分析、环比分分析、损耗分析等。了解用能总量和能源流向。
按校园建筑的分类进行采集和统计的各类建筑耗电数据。如办公类建筑耗电、教学类建筑耗电、学生宿舍耗电等，对数据分门别类的分析，提供领导决策，提高管理效能。
构建符合校园节能监管内容及要求的数据库，能自动完成能耗数据的采集工作，自动生成各种形式的报表、图表以及系统性的能耗审计报告，能够监测能耗设备的运行状态，设置控制策略，达到节能目的。
3.4智慧消防系统
智慧消防系统具备火灾初期自动报警功能，能够自动感知火灾及泄漏等风险，通过数据分析，可以实时发送预警信息。该系统还与消防中心报警器相连接，当发生火灾时，能够立即发出报警信号，显示火灾的位置或区域代号，同时管理人员会立即启动火警广播，组织人员安全疏散。智慧消防系统还能联动自动灭火控制柜，关闭防火门以封闭火灾区域，并自动喷洒水或灭火剂灭火。另外，该系统还开动消防泵和自动排烟装置，尽可能减少人员伤亡和财产损失。智慧消防系统通过智能化、自动化的方式，提高了火灾预警和应对能力，有效降低了火灾风险。
4.平台部署硬件选型
4.1电力监控与运维平台
| 应用场合 | 产品 | 型号 | 功能 |
| 变电所运维云平台 |
| AcrelCloud-1000 | AcrelCloud-1000变电所运维云平台基于互联网＋、大数据、移动通讯等技术开发的云端管理平台，满足用户或运维公司监测众多变电所回路运行状态和参数、室内环境温湿度、电缆及母线运行温度、现场设备或环境视频场景等需求，实现数据一个中心，集中存储、统一管理，方便使用，支持具有权限的用户通过电脑、手机、PAD等各类终端链接访问、接收报警，并完成有关设备日常和定期巡检和派单等管理工作。 | ||
| 智能网关 |
 |
Anet系列 | 8个RS485串口2kV隔离，2个以太网接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通讯协议设备的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上传协议、支持多中心不同数据服务要求，支持断点续传，装置电源:220VAC/DC。 |
| ANet-2E4SM | 4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块,可扩展16路。 | ||
| 10KV进/馈线 |
 |
AM6-L | 相间电流速断保护，相间限时电流速断保护（可带低压闭锁），相间过电流保护（可带低压闭锁），两段式零序过流保护，反时限相间过流保护（可带低压闭锁），零序反时限过流保护，过负荷保护，控制回路异常告警。 |
| 10/0.4KV变压器 | AML-S | 分合闸位置、手车工作/试验位置、接地刀闸位置、硬接点信号(保护跳闸、装置告警、控制回路断线、装置异常、未储能、事故总等)、报文(过流、过负荷、超温报警、过温报警、装置告警、PT断线、CT断线、对时异常等)、遥控开关、故障波形分析(故障录波、故障波形、故障记录、跳闸、故障电流电压)等。 | |
|
35kV/100kV/6kV间隔智能操控、 35kV/10kV/6kV传感器 |
| ASD500 | 一次回路动态vwin 图、弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、自动温湿度控制及显示（标配一路强制加热）、远方/就地旋钮、分合闸旋钮、储能旋钮、人体感应、柜内照明控制、RS485接口、高压柜内电气接点无线测温。 | ||
| 35kV/10kV/6kV传感器 |
 |
合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A，测温范围-50-125℃，测量精度±1℃；无线传输距离空旷150米； | |
| 35kV/10kV/6kV间隔电参量测量 |
| APM810 |
三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In；四象限电能；实时及需量；电流、电压不平衡度；负载电流柱状图显示；66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录；2-63次谐波；2DI+2DO RS485/Modbus；LCD显示； |
|
| 变压器接头测温低压进出线柜接头测温 |
| ARTM-Pn | 可至多配套60个ATE400测温传感器，无线温度传感器ATE400适用于手车式动触头，电缆与母排搭接处，隔离刀闸搭接处等电气搭接点的温度测量，采用捆绑式安装。可使用ATC-400无线测温接收器接收数据。该终端可单独安装在高压柜、低压抽屉柜内。 | |
| 中低压回路 |
| WHD72-11 | WHD温湿度控制器产品主要用于中高压开关柜、端子箱、环网柜、箱变等设备内部温度和湿度调节控制。工作电源：AC/DC85～265V工作温度：-40.0℃～99.9℃工作湿度：0RH～99RH | |
| ADW300 | 三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次）；A、B、C、N四路测温；1路剩余电流测量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD显示；有功电能精度：0.5S级（改造项目） | |
| DTSD1352 | 三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，分相总有功电能，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级 |
4.2.3智能照明管理
| 应用场景 | 产品 | 型号 | 功能 |
| 普通照明 | 配电箱 |
| ASL220-S系列 |
1、ALIBUS总线扩展模块，通信链路供电。 2、功耗：≤5VA 3、4路16A磁保持继电器输出，输出可通过按钮手动控制，输出状态液晶屏显示。 4、2路开关量输入，可接入开关、报警、人体红外感应器等信号。 5、外形尺寸:144mm(W)*90mm(H)*70mm(D)。 6、35mm标准导轨式安装 |
|||
| 按键面板 |
 |
ASL220-F1/2 |
1联两键 1、ALIBUS总线场景面板，通信链路供电； 2、1联2键轻触按键，多彩背光指示，金、黑、灰可选； 3、每个按键支持长按、短按功能，均可实现开关、调光、场景控制； 4、外形尺寸:86mm(W)*86mm(H)*24mm(D)； 5、86底盒安装 |
|
| 探测器 |
 |
ASL220-PM/T |
PIR+照度传感器 1、ALIBUS总线传感器，通信链路供电,功耗：20mA@24V； 2、特殊运算电路，可通过红外感应探测到人体动作； 4、安装方式：嵌入式； 5、外形尺寸：ф80mm*33mm；产品外露尺寸：ф80mm*2.5mm |
|
| 备用照明 | 双切箱 |
 |
ASL210-S系列 |
1、ALIBUS总线扩展模块，通信链路供电。 2、功耗：≤3VA 3、4路16A磁保持继电器输出。 4、1路开关量输入，可接入开关、报警、人体红外感应器等信号，1路485通讯。 5、外形尺寸:108mm(W)*90mm(H)*70mm(D)。 6、消防联动启动一般照明（备用照明）。 7、35mm标准导轨式安装 |
| 应用场景 | 产品 | 型号 | 功能 | |
| 普通照明 | 配电箱 |
| ASL220-S系列 |
1、ALIBUS总线扩展模块，通信链路供电。 2、功耗：≤5VA 3、4路16A磁保持继电器输出，输出可通过按钮手动控制，输出状态液晶屏显示。 4、2路开关量输入，可接入开关、报警、人体红外感应器等信号。 5、外形尺寸:144mm(W)*90mm(H)*70mm(D)。 6、35mm标准导轨式安装 |
|||
| 按键面板 |
 |
ASL220-F1/2 |
1联两键 1、ALIBUS总线场景面板，通信链路供电； 2、1联2键轻触按键，多彩背光指示，金、黑、灰可选； 3、每个按键支持长按、短按功能，均可实现开关、调光、场景控制； 4、外形尺寸:86mm(W)*86mm(H)*24mm(D)； 5、86底盒安装 |
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| 探测器 |
 |
ASL220-PM/T |
PIR+照度传感器 1、ALIBUS总线传感器，通信链路供电,功耗：20mA@24V； 2、特殊运算电路，可通过红外感应探测到人体动作； 4、安装方式：嵌入式； 5、外形尺寸：ф80mm*33mm；产品外露尺寸：ф80mm*2.5mm |
|
| 备用照明 | 双切箱 |
 |
ASL210-S系列 |
1、ALIBUS总线扩展模块，通信链路供电。 2、功耗：≤3VA 3、4路16A磁保持继电器输出。 4、1路开关量输入，可接入开关、报警、人体红外感应器等信号，1路485通讯。 5、外形尺寸:108mm(W)*90mm(H)*70mm(D)。 6、消防联动启动一般照明（备用照明）。 7、35mm标准导轨式安装 |
| IP网关 |
| ASL200-485-IP |
IP协议转换器（ALIBUS<-->TCP/IP） 1、1路ALIBUS通信总线接口。 2、1路RS485 3、1路以太网接口，以太网通讯 4、串口速率1200~115200bps可配置。串口支持标准MODBUS-RTU协议。 5、外形尺：96.6mm(W)*70mm(H)*18mm(D)。 6、35mm标准导轨式安装 7、IP地址设置连接、ALIBUS系统组网扩容、ALIBUS通讯软件连接 |
|
| IP辅助电源 |
| ASL200-P20 |
辅助电源 1、输入电压范围：176-264VAC 2、输出电压及功率：24VDC/20W 3、电压调整范围：21.6~29V 4、工作温度:-40~+70℃ 5、外形尺寸：96.6mm(W)*70mm(H)*18mm(D) 6、35mm标准导轨式安装 |
5结束语
电力物联网建设对于电力行业发展具有重大的价值和意义。基于电力物联网建设的数据中心建设提供了参考，为后续研究指明了方向。
【参考文献】
【1】李康，李欣，张子凡，庞成鑫.基于电力物联网建设的数据中心能耗管理研究［J］上海电力大学,2021,6(37):241-246.
【2】何士爽.绿色互联网数据中心机房节能方案［J］.电信技术，2012(3)：61-63．
【3】安科瑞高校综合能效解决方案2022.5版.
【4】安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.
审核编辑 黄宇
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