PROBLEMS OF ENSURING OPERATIONAL CONTROL OF ELECTRICITY IN DATA CENTERS
Author: Kashin Sergey Aleksandrovich
Abstract:
In the context of the rapid growth of the digital economy, data centers (DCs) are becoming critically important infrastructure elements, and the reliability of their power supply is a key factor for uninterrupted operation. The article examines current problems of operational control of electricity in data centers, including the human factor, equipment heterogeneity, and limited scalability of existing dispatch systems. An analysis of failure statistics and modern approaches to automation is conducted. Based on the performed review, the necessity of creating a universal SCADA system with a microservice architecture is substantiated, ensuring fast integration of heterogeneous equipment and adaptation to changing requirements.
Keywords: data center, SCADA system, operational control, power supply, dispatch control, scalability, human factor.
УДК 621.311
DOI 10.57112/E251-703
Автор: Кашин Сергей Александрович
Аннотация:
В условиях стремительного роста цифровой экономики центры обработки данных (ЦОД) становятся критически важными элементами инфраструктуры, а надежность их электроснабжения – ключевым фактором бесперебойной работы. В статье рассматриваются актуальные проблемы оперативного контроля электроэнергии в ЦОД, включая человеческий фактор, гетерогенность оборудования и ограниченную масштабируемость существующих систем диспетчеризации. Проведен анализ статистики отказов и современных подходов к автоматизации. На основе выполненного обзора обосновывается необходимость создания универсальной SCADA-системы с микросервисной архитектурой, обеспечивающей быструю интеграцию разнородного оборудования и адаптацию под изменяющиеся требования.
Ключевые слова: центр обработки данных, SCADA-система, оперативный контроль, электроснабжение, диспетчеризация, масштабируемость, человеческий фактор.
Современные центры обработки данных потребляют огромные объемы электроэнергии, при этом требования к бесперебойности их работы постоянно возрастают. По данным отраслевых исследований, именно системы электроснабжения остаются основной причиной серьезных сбоев в работе ЦОД – около трети операторов за последние три года сталкивались с инцидентами, вызванными проблемами электропитания. При этом диагностика и восстановление электроснабжения, хотя и производятся достаточно быстро, зачастую влекут за собой длительную перезагрузку ИТ-систем и синхронизацию баз данных, что многократно увеличивает время простоя.
На рисунке 1 показана временная шкала типичного инцидента, связанного с электроснабжением. Можно заметить, что восстановление питания занимает минуты, тогда как перезагрузка ИТ-систем и синхронизация данных могут растянуться на десятки минут, что обосновывает приоритет оперативного контроля над простой надёжностью питания.
Актуальность темы обусловлена также сменой тенденций в отрасли: если ранее заказчики соревновались в масштабах строительства, то сегодня на первый план выходит качество эксплуатации инженерных систем. Операторы ЦОД сталкиваются с необходимостью эффективного управления потенциалом существующего оборудования в условиях дефицита энергомощностей и растущего спроса на стойки. Это требует новых подходов к диспетчеризации систем электроснабжения.
Новизна настоящего обзора заключается в систематизации проблем оперативного контроля с позиции архитектурных ограничений, существующих SCADA-решений и обосновании требований к системам нового поколения, способным обеспечить гибкую интеграцию разнородного оборудования и адаптацию под динамически изменяющуюся инфраструктуру современных ЦОД.
Целью данной работы является анализ проблем обеспечения оперативного контроля электроэнергии в центрах обработки данных и обоснование концепции универсальной SCADA-системы, лишенной выявленных недостатков. Для достижения цели решаются следующие задачи: анализ статистики отказов в системах электроснабжения ЦОД, выявление причин низкой эффективности существующих систем диспетчеризации, обзор современных тенденций в развитии SCADA-систем, формулирование требований к перспективным системам оперативного контроля.
Анализ статистики отказов и эксплуатационной практики позволяет выделить три взаимосвязанные группы проблем оперативного контроля электроснабжения ЦОД.
Рисунок 1 – График временной шкалы типичного инцидента с электроснабжением
По данным Uptime Institute, от 70% до 80% всех инцидентов в ЦОД связаны с человеческими ошибками. Влияние человеческого фактора на общую надёжность системы диспетчеризации можно выразить следующим выражением: 
где Rобщ - общая надежность;
Rтех - техническая надёжность (аппаратура и программное обеспечение);
Pчел - вероятность ошибочного действия оператора за единицу времени.
При использовании данных от Uptime Instisute, даже при высокой технической надёжности Rтех = 0,999, оборудования вероятность ошибки оператора Pчел ∈ [0,15:0,25] существенно снижает итоговую надёжность:
.
Наиболее распространенными причинами являются несоблюдение персоналом процедур либо недостатки самих процедур. Человеческий фактор часто проявляется через ошибки при конфигурировании, неправильную интерпретацию сигналов, запаздывание с реакцией. Сложность систем усугубляет проблему: когда интерфейсы перегружены информацией, а критические сигналы теряются, вероятность ошибки оператора возрастает.
Центры обработки данных включают разнородное оборудование: ИБП различных производителей, дизель-генераторные установки, распределительные устройства, системы мониторинга среды. Каждый тип оборудования может использовать собственные протоколы, что создает проблемы при построении единой системы диспетчеризации.
Существующие SCADA-системы часто разрабатываются под статические требования и не обладают гибкостью для интеграции новых устройств. Часть оборудования не включается в мониторинг либо требует дорогостоящих работ по разработке индивидуальных драйверов. В условиях постоянного обновления парка проблема интеграции становится критической.
Традиционные SCADA-системы, построенные по монолитному принципу, плохо адаптируются к росту и изменению структуры ЦОД. Добавление новых объектов часто требует остановки системы, переконфигурирования или полной замены решения. Современные ЦОД динамично развиваются.
Отсутствие механизмов масштабирования приводит к тому, что системы со временем перестают справляться с объемом данных, запаздывают с предупреждениями и теряют актуальность информации.
Анализ решений показывает, что производители осознают необходимость преодоления указанных ограничений. Платформа StreamDat демонстрирует переход к микросервисной архитектуре, обеспечивающей разработку собственных микросервисов для продвинутых алгоритмов анализа. Использование веб-технологий и поддержка различных схем развертывания создают предпосылки для гибких систем, адаптируемых под масштаб ЦОД.
Российская система DATCHECK (MasterSCADA) ориентирована на интеграцию оборудования любых производителей при поддержке открытых протоколов. Важной особенностью является применение принципов высокопроизводительного HMI, что снижает нагрузку на оператора и уменьшает вероятность ошибок.
Международные исследования подтверждают актуальность гибкости и масштабируемости. Проект InterSCADA направлен на создание открытой, независимой от производителей SCADA-системы. Аналогичные задачи решаются в работе по созданию MicroSCADA для малых гетерогенных сетей.
Для наглядного сопоставления существующих решений и предлагаемой концепции в таблице 1.
Таблица 1 – Сравнение существующих SCADA-систем.
Обобщая результаты, можно выделить ключевые направления развития систем оперативного контроля электроэнергии ЦОД: снижение влияния человеческого фактора, обеспечение интеграционной гибкости, масштабируемость на всех уровнях, единое информационное пространство.
Решение проблемы влияния человеческого фактора представляет собой внедрение интеллектуальных интерфейсов, предиктивной аналитики, автоматизации рутинных операций и совершенствования систем оповещения. Современные подходы к проектированию HMI должны базироваться на следующих принципах:
- усиление приоритета данных, при которой критические сигналы визуально доминируют над фоновой информацией;
- снижение когнитивной нагрузки за счет применения графических мнемосхем вместо табличного отображения сотен параметров;
- предиктивный интерфейс, подсказывающий оператору вероятную причину и последовательность действий;
- унификация визуальных кодов через стандартные цветовые коды.
Для обеспечение интеграционной гибкости внедряется поддержка широкого спектра протоколов, использование адаптеров и микросервисной архитектуры, позволяющей подключать новые типы оборудования без остановки системы.
В целях обеспечения указанной масштабируемости – наращивается количество контролируемых точек, а также осуществляется распределенная обработка данных в территориально распределенных ЦОД. Детализация предложенной архитектуры предполагает выделение следующих функциональных микросервисов, взаимодействующих через шину данных:
- сервис сбора данных обеспечивает прием телеметрии от разнородного оборудования с поддержкой протоколов Modbus, SNMP, OPC UA и буферизацию при потере связи;
- сервис унификации протоколов преобразует разнородные протоколы в единый внутренний формат;
- сервис обработки и анализа реализует предиктивную аналитику, расчет PUE, выявление аномалий;
- сервис визуализации отвечает за динамические мнемосхемы и дашборды, работает по принципу «тонкого клиента»;
- сервис оповещения и событий управляет уведомлениями с эскалацией и обеспечивает аудит;
- сервис управления конфигурацией позволяет добавлять объекты без остановки процесса.
На рисунке 2 представлена структурная схема предлагаемой микросервисной SCADA-системы.
Схема иллюстрирует слабую связанность компонентов – отказ сервиса визуализации не останавливает сбор данных и логику аварийной сигнализации.
В качестве завершающего аспекта выделяется единое информационное пространство, объединяющее данные об электропотреблении, работе инженерных систем и ИТ-оборудования для комплексного анализа эффективности, включая расчет глобальный расчет показателя энергоэффективности использования энергии – PUE.
Предлагаемая SCADA-система позволяет вычислять показатель энергоэффективности PUE в реальном времени. Общая формула (2) и её динамическая форма (3) учитывают потери в системе электроснабжения, охлаждении и вспомогательном оборудовании.
Такое разделение обеспечивает слабую связанность компонентов: выход из строя сервиса визуализации не остановит сбор данных и логику аварийной сигнализации, что критически важно для отказоустойчивости системы диспетчеризации ЦОД.
Выявленные проблемы имеют глубокие взаимосвязи. Ограниченная масштабируемость приводит к использованию разрозненных инструментов мониторинга, что увеличивает нагрузку на персонал и провоцирует ошибки. Гетерогенность оборудования создает разрозненные системы с множеством неконтролируемых элементов.
Рисунок 2 – Структурная схема микросервисной SCADA-системы
Традиционный подход к модернизации через замену устаревших систем не отвечает потребностям динамично развивающихся ЦОД. Требуется иная философия – изначально ориентированная на постоянные изменения.
Идея создания универсальной SCADA-системы с масштабируемой структурой и быстрой интеграцией с любым оборудованием перспективна. Такая система должна базироваться на микросервисной архитектуре с открытыми интерфейсами для разработки адаптеров и пользовательских аналитических модулей.
Критически важна унификация представления информации и применение современных подходов к проектированию человеко-машинных интерфейсов, снижающих когнитивную нагрузку.
Проведенный анализ подтверждает наличие системных проблем в области оперативного контроля электроэнергии ЦОД. Человеческий фактор, гетерогенность оборудования и ограниченная масштабируемость существующих SCADA-решений создают риски для надежного функционирования ЦОД и препятствуют повышению их энергоэффективности.
Перспективным направлением является создание универсальной SCADA-системы на микросервисной архитектуре с открытыми интерфейсами интеграции. Такая система должна обеспечивать быстрое подключение любого оборудования, масштабироваться без остановки работы и предоставлять информацию в наглядном виде, минимизируя вероятность ошибок.
Дальнейшие исследования могут быть направлены на разработку архитектуры такой системы, определение оптимального состава микросервисов и методов обеспечения отказоустойчивости при сохранении гибкости и способности к быстрой адаптации.
Список литературы
1. Митин, И. А. Энергоэффективное стратегическое управление дата-центром с применением искусственного интеллекта / И. А. Митин // Вестник СибГУТИ. – 2025. – Т. 19, № 3. – С. 3-18. – DOI 10.55648/1998-6920-2025-19-3-3-18. – EDN JWUKNO.
2. Крюкова, Д. С. Энергоэффективность как фактор конкурентоспособности центров обработки данных / Д. С. Крюкова // Информационные технологии и системы 2024 (ИТС 2024) = Information Technologies and Systems 2024 (ITS 2024) : материалы международной научной конференции, Минск, 20 ноября 2024 г. / Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники ; редкол.: Л. Ю. Шилин [и др.]. – Минск, 2024. – С. 213–214. – URL: https://libeldoc.bsuir.by/handle/123456789/58637 (дата обращения: 01.04.2025).
3. Ченцов, С. В. Обеспечение устойчивости информационных систем с учётом человеческого фактора / С. В. Ченцов, И. З. Краснов, А. А. Сидарас // Фундаментальные исследования. – 2017. – № 11-1. – С. 140-144. – EDN ZSSQON.
4. Серебряков, А. В. Системы диспетчеризации, автоматизации и управления инженерными системами ЦОД / А. В. Серебряков // Современные технологии автоматизации. – 2016. – № 30. – С. 73–80. – URL: http://cons-systems.ru/sistemy-dispetcherizatcii-avtomatizatcii-i-upravleniya-inzhenern (дата обращения: 25.03.2025).
5. Хрушков, А. Е. Обзор архитектуры SCADA-систем и их области применения / А. Е. Хрушков, Г. Д. Базаров // Научный аспект. – 2024. – Т. 41, № 1. – С. 6. – ISSN 2226-5694. – URL: https://na-journal.ru/1-2024-tehnologii-proizvodstva/8308-obzor-arhitektury-scada-sistem-i-ih-oblasti-primeneniya (дата обращения: 01.04.2025).
6. Бочнев, Н. А. Исследование архитектурных решений и подходов к построению интеллектуальных гибридных SCADA-систем с интеграцией предиктивной аналитики и контроля доступа / Н. А. Бочнев, А. Р. Харисов // Вестник науки. – 2025. – Т. 3, № 6(87). – С. 1707-1712. – EDN GFNIKB.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Кашин С. А. – студент группы 8Э-41, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.
НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ
Сташко В. И. – к.т.н., доцент, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.
ССЫЛКА ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ
Кашин С. А. Проблемы обеспечения оперативного контроля электроэнергии центров обработки данных / С. А. Кашин // // Энерджинет. 2025. № 1. URL: http://nopak.ru/251-703 (дата обращения: 19.12.2025).
