數(shù)據(jù)中心直流電源運行能耗優(yōu)化方法

王 濤，成 曦，李曉陽

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

數(shù)據(jù)中心作為海量數(shù)據(jù)的運營中心，不僅承載著大量的市場運營數(shù)據(jù)，更是作為信息處理的樞紐中心，負責數(shù)據(jù)的管理與集中統(tǒng)計處理[1]。根據(jù)大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的典型能耗測試結(jié)果可知，現(xiàn)階段數(shù)據(jù)中心中直流電源運行的耗能占整體耗能的20%以上。20%的耗能中，僅有1/3 的電能作用于信息技術(shù)設(shè)備的運行，可以認為數(shù)據(jù)中心直流電源運行過程對能量的利用率處于極低狀態(tài)。在深入此方面內(nèi)容的研究中發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心直流電源運行能耗優(yōu)化的研究不夠完善，能耗優(yōu)化方法也具有一定缺陷，其主要體現(xiàn)在優(yōu)化效果不明顯。數(shù)據(jù)中心中IT 設(shè)備所消耗的電能大多由直流電源供應(yīng)，數(shù)據(jù)中心內(nèi)設(shè)計優(yōu)化的能耗控制方法不僅可以節(jié)約能源，還可以實現(xiàn)對綠色能源的高效利用，這對提高直流電源的能源效率、降低電源運行中所造成的環(huán)境污染而言具有很大的幫助。數(shù)據(jù)中心是存儲、管理、處理大量數(shù)據(jù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，因此其能源消耗一直是一個重要的關(guān)注點。數(shù)據(jù)中心的高能耗不僅導致運營成本過高，還對環(huán)境造成不可忽視的影響。為應(yīng)對這一問題，研究者們不斷探索能耗優(yōu)化的方法，并提出各種解決方案。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心都采用交流電源供電，該模式在轉(zhuǎn)換和分配過程中會引起能源損耗。而直流電源作為一種新興的供電方式，具有高能效和可靠性的優(yōu)勢。因此，越來越多的數(shù)據(jù)中心開始采用直流電源來降低能耗并提高能源利用效率。然而，盡管直流電源具備節(jié)能的潛力，數(shù)據(jù)中心的能耗優(yōu)化仍然面臨一些挑戰(zhàn)。例如，數(shù)據(jù)中心往往具有復雜的負載特征和不確定的能源需求，同時還存在著電源和負載的不匹配問題。

為滿足數(shù)據(jù)中心的運行需求，運營管理方不得不增加直流電源容量，但電源容量過大，也在一定程度上增加了數(shù)據(jù)中心的管理難度。為解決這一問題，提高對電源能耗的利用率，解決直流電源的高耗能問題，開展數(shù)據(jù)中心直流電源運行能耗優(yōu)化方法的設(shè)計研究，旨在提高直流電源供電系統(tǒng)的安全性、可靠性，提高電源維護管理的便捷性，進一步降低數(shù)據(jù)中心直流電源系統(tǒng)的建設(shè)成本。

1 直流電源母線與數(shù)據(jù)中心接口單元主動調(diào)控

為滿足數(shù)據(jù)中心直流電源的運行能耗優(yōu)化需求，開展研究前，應(yīng)進行直流電源母線與數(shù)據(jù)中心接口單元的主動調(diào)控。在此過程中應(yīng)明確兩者之間的接口單元包括能源接口、DC/DC 接口、變換器接口，其中變換器采用穩(wěn)壓控制與最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制，為提供電源變換器在運行中相對良好的運行條件，需要進行電源母線在當前模態(tài)下運行時電感電流的計算，計算公式為

式中：iL(t)表示t時刻下，電源母線在當前模態(tài)下運行時的電感電流；iL(0)表示電源母線在初始化狀態(tài)下運行時的電感電流；U1表示當前條件下的輸出電壓；U2表示電源母線在初始化狀態(tài)下運行時的電壓；L表示電源母線長度。為確保電源處于穩(wěn)態(tài)運行條件，根據(jù)計算后得到的電感電流值，如iL(t)的輸出值滿足電源運行條件，將直流電源母線接入MPPT 進行控制，通過此種方式最大限度地利用能源[2]。反之，當iL(t)的輸出值不滿足電源運行條件時，采用另一方式進行接口對接，實現(xiàn)直流電源母線與數(shù)據(jù)中心接口單元的主動調(diào)控。

2 直流電源運行系統(tǒng)級控制與能量管理

基于數(shù)據(jù)中心直流電源的計算任務(wù)（如交互任務(wù)、批處理任務(wù)等）、可再生能源發(fā)電預測以及儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)等信息，對數(shù)據(jù)中心直流電源的綠色能源利用進行綜合監(jiān)控和集中管理[3]。管理中，應(yīng)根據(jù)直流電源的運行條件，將多種內(nèi)、外約束作為前提條件，科學地制定直流電源運行過程中對電能的調(diào)度方案，此過程的計算公式為

式中：K(t)表示直流電源運行過程中對電能的調(diào)度；m表示直流電源的開關(guān)序列；Vp表示調(diào)度層級。通過對直流電源電能的調(diào)度，實現(xiàn)直流電源的運行系統(tǒng)級控制與能量管理，完成數(shù)據(jù)中心直流電源運行能耗優(yōu)化方法的設(shè)計研究[4]。通過此種方式，保證數(shù)據(jù)中心直流電源安全、穩(wěn)定、高效地利用綠色新能源。

3 實例應(yīng)用分析

為實現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心直流電源運行能耗優(yōu)化方法在實際應(yīng)用中效果的檢驗，以某地區(qū)大型能源數(shù)據(jù)中心為例，采用設(shè)計實例應(yīng)用實驗的方式，對提出的優(yōu)化方法展開測試。

測試前，為排除相關(guān)因素對實驗結(jié)果的影響與干擾，對數(shù)據(jù)中心直流電源運行的基本情況展開分析，相關(guān)內(nèi)容如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心直流電源運行的基本情況

考慮到此次研究的數(shù)據(jù)中心為能源數(shù)據(jù)中心，為明確能源數(shù)據(jù)中心內(nèi)的發(fā)電作業(yè)工況，按照表1進行能源數(shù)據(jù)中心內(nèi)發(fā)電存儲一體化IT 設(shè)備參數(shù)的設(shè)計。

表1 數(shù)據(jù)中心內(nèi)發(fā)電存儲一體化IT 設(shè)備的參數(shù)

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，與數(shù)據(jù)中心直流電源運行管理有關(guān)部門進行交涉，通過交涉發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心直流電源在運行中存在耗能高、成本高、人力管理難度大等缺陷。為解決以上問題，有關(guān)單位開展大量研究，并投入大量資金，用于提高數(shù)據(jù)中心直流電源運行中的能量利用率[5]。但現(xiàn)有的工作在實施中一直未能發(fā)揮預期效果。針對此方面問題，決定使用文章設(shè)計的方法進行數(shù)據(jù)中心直流電源運行過程中的能耗優(yōu)化。優(yōu)化前，先進行數(shù)據(jù)中心直流電源基本參數(shù)的分析，具體內(nèi)容如表2 所示。

表2 數(shù)據(jù)中心直流電源的基本參數(shù)

完成上述準備工作后，進行數(shù)據(jù)中心直流電源運行過程中的移相控制，為避免直流電源在運行中受到其他因素的干擾，進行直流電源母線與數(shù)據(jù)中心接口單元的主動調(diào)控，最后通過直流電源運行系統(tǒng)級控制與能量管理完成文章所提方法在測試環(huán)境中的應(yīng)用。

將優(yōu)化前與優(yōu)化后電源運行單位時間內(nèi)的能耗、能源平均利用率作為檢驗方法應(yīng)用效果的關(guān)鍵指標，統(tǒng)計實驗結(jié)果如表3 所示。

表3 數(shù)據(jù)中心直流電源運行能耗的優(yōu)化效果

從表3 所示的實驗結(jié)果可以看出，使用文章設(shè)計的方法進行數(shù)據(jù)中心直流電源運行能耗優(yōu)化，優(yōu)化后不僅可以控制電源運行單位時間內(nèi)能耗，還可以提高電源在運行過程中對能源的平均利用率，解決數(shù)據(jù)中心直流電源運行管理中存在的高耗能問題。通過對電源運行的靈活調(diào)度和優(yōu)化配置，能夠合理安排電源的開關(guān)機時間和電源負載分配，使電源在運行過程中更加高效地利用能源資源。通過精確的能源調(diào)度和負載均衡策略，能夠最大限度地減少電源的閑置時間和不必要的能源浪費，從而降低總體的能源消耗。通過優(yōu)化能源利用率，能夠提高電源系統(tǒng)的效能和可持續(xù)性。通過合理規(guī)劃和協(xié)調(diào)電源的工作狀態(tài)，以有效地利用已有資源，減少不必要的能源浪費。同時，能夠及時檢測和識別電源工作中存在的能耗問題，并采取相應(yīng)措施進行優(yōu)化和改進，以進一步提高整體的能源利用效率。

4 結(jié) 論

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展與成熟，在通信、金融、工業(yè)、石油、教育以及新能源等諸多行業(yè)中，人們對數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計、運營以及管理的需求日益迫切。為滿足海量數(shù)據(jù)的運營管理需求，數(shù)據(jù)中心應(yīng)運而生，在接入新能源的情況下，數(shù)據(jù)中心的直流電源供電系統(tǒng)相當于一個直流微電網(wǎng)。為解決直流電源在運行中存在的高耗能問題，通過直流電源母線與數(shù)據(jù)中心接口單元的主動調(diào)控、直流電源運行系統(tǒng)級控制與能量管理，完成數(shù)據(jù)中心直流電源運行能耗優(yōu)化方法的設(shè)計。設(shè)計后，對該方法進行檢驗，檢驗后的結(jié)果證明，文章所提方法不僅可以控制電源運行單位時間內(nèi)能耗，還可以提高電源在運行過程中對能源的平均利用率。