中心能源管控平臺架構與功能

摘要：大部分數據中心能源綜合利用效率提供了參考。

關(guān)鍵詞：數據中心；綜合能源管控平臺；架構與功能

0引言

數據中心集群。

在中心建設，強化節能降耗要求。

如何降低數據中心綠色電力供應。

數據中心能源站、冬奧村能源站、光伏系統等子系統交互，實(shí)現能源的綜合調度與運行管理；參考文獻研究智慧能源管控平臺的架構和主要功能，主要功能包括多能實(shí)時(shí)監測、多能優(yōu)化調度、能源銷(xiāo)售一體化管理、智能運維、智慧能源增值服務(wù)；參考文獻研究空港智慧能源平臺架構和主要技術(shù)；參考文獻針對負荷聚合商研究需求響應平臺架構和功能，功能包括資源管理、負荷監測、響應邀約、響應申請、響應策略與控制、響應監控、響應補償、響應效果分析。

相較于產(chǎn)業(yè)園區能源管控平臺，數據中心能源管控平臺不能套用常規的園區能源管控平臺，需要根據用能架構和能源供給方式，深入研究其架構與功能需求。

1用能結構分析

1.1用能需求

數據中心用能設備主要包括配電柜、不間斷電源、交換機、服務(wù)器、供冷系統、環(huán)境監控等用電設施。其中，服務(wù)器和供冷系統占園區全部能耗的80%以上。

據統計，2020年中國數據中心用電量約占全社會(huì )總用電量的2.7%，預計2023年用電規模將繼續增長(cháng)66%。

1.2能源結構

能源生產(chǎn)側：為滿(mǎn)足的能源需求，大型數據中心可建設風(fēng)電場(chǎng)、光伏電場(chǎng)作為綠色主供電源，園區布置分布式光伏進(jìn)一步提升綠色能源供給量。

能源傳輸側：風(fēng)光電場(chǎng)可以通過(guò)接入公用電網(wǎng)后，以中長(cháng)期綠電交易方式給園區供電，還可通過(guò)專(zhuān)線(xiàn)、專(zhuān)變方式給園區供電。為了平滑新能源電場(chǎng)出力，新能源電場(chǎng)側部署儲能；為了增加園區負荷的調節能力，園區側部署儲能。園區集中供冷提升供冷效率，IT設備余熱可回收利用。

能源消費側：建設充電樁，挖掘算力、充電樁等負荷的調節能力，發(fā)揮綜合能源的互濟能力。

2能源供給方式分析

為了實(shí)現數據中心綠色低價(jià)供電，風(fēng)光電場(chǎng)的綠電供給有兩種方式：一是通過(guò)先上公網(wǎng)，然后通過(guò)中長(cháng)期綠電交易供電方式；二是綠色專(zhuān)線(xiàn)供電方式。當風(fēng)光電場(chǎng)較分散，近期無(wú)法實(shí)現專(zhuān)線(xiàn)供電的，可采用中長(cháng)期綠電交易方式；風(fēng)光電場(chǎng)易于專(zhuān)線(xiàn)接入且公用電網(wǎng)同意作為園區備用的，可以專(zhuān)線(xiàn)接入園區供電。

2.1中長(cháng)期綠電交易方式

中長(cháng)期綠電交易方式是通過(guò)代理園區內的用電企業(yè)，作為整體代理參與綠色電力市場(chǎng)交易，通過(guò)源網(wǎng)荷儲協(xié)調控制和交易策略?xún)?yōu)化，*大成本降低園區整體用能成本，基本功能需求如下：

(1)綠電中長(cháng)期交易。

為提升服務(wù)器效率，數據中心或服務(wù)器之間優(yōu)化調度，從能源角度看，負荷隨同數據任務(wù)映射變化。

因此，數據中心需要根據數據任務(wù)的優(yōu)化調度，結合園區儲能、分布式光伏，實(shí)現園區用電和新能源發(fā)電的動(dòng)態(tài)匹配，支撐實(shí)現電力市場(chǎng)中的綠色電力中長(cháng)期交易，為大數據產(chǎn)業(yè)園區提供長(cháng)期穩定低價(jià)的綠色電力。

(2)聚合園區負荷降低園區整體成本。

聚合數據中心負荷，結合峰谷時(shí)段電價(jià)以及現貨市場(chǎng)購電價(jià)格，優(yōu)化調節數據任務(wù)時(shí)段分布，合理調度儲能實(shí)施，*大化降低園區公網(wǎng)購電費用。同時(shí)，在輔助服務(wù)市場(chǎng)中，利用儲能設施和數據任務(wù)的調節能力，爭取獲得額外收益。

2.2綠色專(zhuān)線(xiàn)供電方式

綠色專(zhuān)線(xiàn)供電方式是在物理層面新建輸電專(zhuān)線(xiàn)實(shí)現新能源綠色電力直供電給園區。由于新能源子系統不直接接入電網(wǎng)調度系統，而是通過(guò)園區綜合能源管控系統統一對接電網(wǎng)調度系統，因此，專(zhuān)線(xiàn)供電模式除了聚合園區負荷降低園區整體用能成本需求外，還需增加滿(mǎn)足電網(wǎng)調度運行要求，具體如下：

(1)滿(mǎn)足電網(wǎng)調度接入要求。風(fēng)光電場(chǎng)采用專(zhuān)線(xiàn)接入園區，綜合能源管控平臺需要與電網(wǎng)調度對接，接受調度運行指令。

(2)在公用電網(wǎng)具有額外調節能力的情況下，消納風(fēng)光電場(chǎng)富余的電量。

3能源管控平臺架構

能源管控平臺基于“互聯(lián)網(wǎng)+"理念，采用“微服務(wù)+容器"技術(shù)構建。平臺上層與電網(wǎng)調度系統通過(guò)與電力交易平臺交互，以負荷聚合商參與電網(wǎng)第三方輔助服務(wù)，代理園區企業(yè)參與中長(cháng)期綠電交易。平臺下層與風(fēng)光儲場(chǎng)站系統和算力資源管理平臺對接，交互風(fēng)光儲場(chǎng)站的發(fā)電量值和預測值等信息，交互算力資源管理平臺數據任務(wù)分配和預測值信息。

平臺分層架構具體闡述如下，整體架構如圖1所示。

圖1數據中心綜合能源平臺架構圖

1)應用層

以微服務(wù)架構，實(shí)現運營(yíng)管理、設備主動(dòng)感知和預測、源網(wǎng)荷儲協(xié)同控制、綠色電力代交易、能效管理等微應用，提升數據中心能耗和碳排放。

2)平臺層

平臺層分為業(yè)務(wù)PaaS層、基礎PaaS層和IaaS層。

業(yè)務(wù)PaaS層：由眾多相互獨立、可擴展的共享微服務(wù)構成，包括采集與計量微服務(wù)、能源監測微服務(wù)、告警微服務(wù)、組態(tài)圖形微服務(wù)。

基礎PaaS層：主要由微服務(wù)組件、容器組件、物聯(lián)網(wǎng)組件、AI計算組件構成。微服務(wù)組件為平臺微服務(wù)提供運行監控、服務(wù)治理等基礎組件，實(shí)現負載均衡、服務(wù)注冊發(fā)現、日志監控等功能；容器組件實(shí)現容器鏡像管理和自動(dòng)化部署，以及容器級的自動(dòng)擴容和縮容能力，支持微服務(wù)規模的彈性伸縮。物聯(lián)網(wǎng)組件支持多種能源終端的靈活接入，實(shí)現多能系統規約轉換。AI計算組件實(shí)現對采集數據的充分挖掘，為上層應用提供算力支撐。

IaaS層：實(shí)現服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò )等物理設備虛擬化，向上層提供虛擬化的IT資源。

3)邊緣層

邊緣層實(shí)現終端設備的采集、規約轉換、園區綜合能源就地協(xié)調控制功能，常用的邊緣設備有微電網(wǎng)控制器、采集邊緣終端。

4)采集層

實(shí)現電、冷、水等終端設備的接入，以及園區空調群控系統、儲能變流器(PCS)通信網(wǎng)關(guān)、風(fēng)光逆變器通信網(wǎng)關(guān)的數據接入。

5)物理層

包括接入平臺的多能供給、輸送、消費等設施。

4平臺功能研究

根據數據中心用能架構和能源供給方式，研究綜合能源管控平臺功能需求。平臺需要主動(dòng)感知園區設備狀態(tài)和負荷信息，交互電源側發(fā)電和預測信息、算力資源管理平臺數據資源需求信息，通過(guò)綠電交易方式，優(yōu)化調度園區負荷，使得新能源消納率*高、能耗*低、用能*經(jīng)濟。主要功能如下(與園區常規綜合能源平臺相同的需求不做重點(diǎn)研究)。

4.1能源需求預測

能源管控平臺主動(dòng)感知園區分布式發(fā)電、儲能和各類(lèi)負荷的狀態(tài)和電氣量。其中，風(fēng)光電場(chǎng)的電氣量通過(guò)風(fēng)光電場(chǎng)場(chǎng)站系統交互得到，不需要另外增加采集和通信設備。

新能源發(fā)電預測。風(fēng)光電場(chǎng)的發(fā)電預測可以由綜合能源平臺完成，也可以由新能源場(chǎng)站子系統完成。

園區的分布式能源發(fā)電預測。分布式發(fā)電預測是園區經(jīng)濟調度的基礎，根據園區分布式光伏的安裝容量，經(jīng)濟性選擇發(fā)電預測的時(shí)間尺度。如果園區分布式光伏裝機容量小，負荷遠大于分布式能源的安裝容量時(shí)，可不做發(fā)電預測。

電負荷監測和預測。實(shí)時(shí)監測并統計分析IT設備的開(kāi)機運行、用電負荷、承接數據任務(wù)以及變化趨勢情況；交互算力平臺，根據數據任務(wù)的規模、類(lèi)型，預測短中期數據中心的用電負荷，為開(kāi)展電力與算力協(xié)同優(yōu)化調度提供關(guān)鍵的信息支撐。

冷負荷監測和預測。根據園區氣溫、濕度等氣象數據，以及用冷設備的開(kāi)機運行、用電負荷、變化趨勢情況，預測短中期用冷負荷需求，為開(kāi)展數據中心冷熱負荷的靈活優(yōu)化調度提供數據支撐。

4.2園區源網(wǎng)荷儲優(yōu)化調度

按照公用電網(wǎng)對于源網(wǎng)荷儲一體化項目調度運行、新能源消納、第三方輔助服務(wù)等技術(shù)要求，根據算力平臺數據資源安排和可調節資源，全局分析決策，實(shí)現源網(wǎng)荷儲一體化優(yōu)化調度控制，實(shí)現系統整體效益*優(yōu)。具體包括：

綠電交易方式下多能經(jīng)濟調度。根據綠色電力市場(chǎng)交易規則，以匹配源荷電力市場(chǎng)交易合約、降低大數據園區用能成本為優(yōu)化目標，提出數據中心IT用能功率調節、冷熱設備用能功率調節、新能源場(chǎng)站側和儲能設備充放電調節在內的源網(wǎng)荷儲一體化調度運營(yíng)優(yōu)化策略。

電網(wǎng)中心IT用能功率調節、冷熱設備用能功率調節、新能源場(chǎng)站側和大數據園區側儲能設備充放電調節在內的源網(wǎng)荷儲一體化輔助服務(wù)市場(chǎng)調度運營(yíng)優(yōu)化策略。

數據任務(wù)和用電負荷需求映射優(yōu)化調度。由數據中心算力任務(wù)策略。

算力任務(wù)與冷負荷需求映射優(yōu)化調度。根據氣象氣溫和IT設備用能功耗信息映射到設備冷負荷需求，優(yōu)化數據中心冷熱設備調節策略，形成冷熱設備主動(dòng)跟隨IT計算負荷、動(dòng)態(tài)調整運行狀態(tài)等優(yōu)化調度方案。

4.3綠電代交易

基于歷史、現況以及未來(lái)預測分析的電力市場(chǎng)交易、風(fēng)光儲節點(diǎn)電價(jià)、負荷市場(chǎng)購電電價(jià)等綜合信息的實(shí)時(shí)監測與預測評估，動(dòng)態(tài)評估源荷雙方綠色電力中長(cháng)期交易執行情況并分析評估偏差考核成本及違約考核風(fēng)險收益，結合源網(wǎng)荷儲的綜合狀態(tài)與調節能力感知信息，進(jìn)行智能化決策優(yōu)化，提出源荷互動(dòng)實(shí)現綠色電力交易、*大化實(shí)現智慧綠色大數據產(chǎn)業(yè)園項目整體效益的優(yōu)化決策實(shí)施策略。

平臺可統一代理用戶(hù)與電力市場(chǎng)交易，主要實(shí)現信息發(fā)布、客戶(hù)管理、協(xié)議管理、電量預測、需求申報、交易管理、代理交易、結算管理、用戶(hù)賬單管理、收付款管理等功能。

4.4能效管理

動(dòng)態(tài)管控園區整體電能利用效率PUE、水利用效率WUE、碳排放等關(guān)鍵能效和碳排放指標，作為園區運營(yíng)和考核指標，優(yōu)化園區用能策略。

能耗監測的功能一般包括能效和碳排放監測、能效分析、用能分析、能效評估、碳審計等。與常規園區的能效監測相比，數據中心考核指標。

4.5運營(yíng)管理

數據中心綜合能源管理平臺作為園區平臺的一種，運營(yíng)管理與普通園區平臺功能類(lèi)似，通常包括設備管理、智能運維(設備監測與告警、巡檢運維、故障研判等)、能源計量、運維托管等功能。

5安科瑞能耗統計分析（能源管理）解決方案

5.1概述

建立高效的能耗監測管理系統，對建筑各類(lèi)耗能設備能耗數據進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，對采集數據進(jìn)行統計和分析。能夠合理的確定各區域建筑能耗經(jīng)濟指標及績(jì)效考核指標，發(fā)現能源使用規律和能源浪費情況，提高人員主動(dòng)節能的意識。

①　搭建數據中心智慧能源管理系統的基本框架，對各個(gè)用能環(huán)節進(jìn)行實(shí)時(shí)監測；

②　排碳數據化：通過(guò)系統可實(shí)現建筑單位內人均能耗分析（包括水、電、能量），實(shí)現低碳辦公數據化；

③　區域能效比：實(shí)現建筑單位內區域能耗對比，方便能耗考核；

④　同期能效比：實(shí)現同年、同期、同一區域能耗對比，方便節能數據分析；

⑤　能耗評估管理：按照能源消耗定額標準約束值、標準值、引導值進(jìn)行分析單位面積能耗和人均能耗指標；

⑥　能耗競爭排名：各個(gè)功能區能耗對比，實(shí)現能耗排名，增強工作人員的節能意識；

⑦　對能耗的使用數據進(jìn)行綜合的分析、統計、打印和查詢(xún)等功能，并根據能耗監測管理系統的需要可選擇不同樣式報表的打印。為能耗運營(yíng)管理部門(mén)提供可靠的依據；

⑧　能耗數據采集，隨時(shí)查詢(xún)，并根據采集數據進(jìn)行統計分析，監測異常能源用量，對能源智能儀表故障進(jìn)行報警，提高系統信息化、自動(dòng)化水平。

5.2平臺部署硬件選型

6結語(yǔ)

隨著(zhù)社會(huì )對數據中心因為綠色電源供給方式(綠電交易或者綠電直供)、大容量?jì)δ?、能耗管控、算力資源與電冷負荷相互映射且可調節等特征，平臺功能需求與產(chǎn)業(yè)園區平臺相差很大。

本文首先分析數據中心用能架構和能源供給方式，明確平臺建設邊界和交互系統，按照互聯(lián)網(wǎng)思維構建平臺架構，平臺上層與電網(wǎng)調度系統、電力交易系統交互，平臺下層與風(fēng)光儲場(chǎng)站系統和算力資源管理平臺交互。

然后根據用能和運行特征，研究平臺主要功能，包括：考慮綠電的供給方式不同，研究綠電交易需求功能；考慮算力資源動(dòng)態(tài)可調節，研究能源管控平臺和算力平臺互動(dòng)，源荷儲互動(dòng)優(yōu)化調度；考慮算力與電冷負荷緊密互動(dòng)，研究設備動(dòng)態(tài)感知與預測；考慮數據中心控能耗指標要求，研究能效管理需求。

本文提出的架構與功能研究基于實(shí)際需求提出，為平臺開(kāi)發(fā)奠定基礎，避免數據中心綠色高效用能提供保障。

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