中心能源管控平臺架構與功能

劉細鳳

安科瑞電氣股份有限公司          上海嘉定 201801

摘要：大部分數(shù)據(jù)中心能源綜合利用效率提供了參考。

關鍵詞：數(shù)據(jù)中心；綜合能源管控平臺；架構與功能

0引言

      數(shù)據(jù)中心集群的中心建設，強化節(jié)能降耗要求，如何降低數(shù)據(jù)中心綠色電力供應。數(shù)據(jù)中心能源站、冬奧村能源站、光伏系統(tǒng)等子系統(tǒng)交互，實現(xiàn)能源的綜合調(diào)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時監(jiān)測、多能優(yōu)化調(diào)度、能源銷售一體化管理、智能運維、智慧能源增值服務；參考文獻研究空港智慧能源平臺架構和主要技術；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(jiān)測、響應邀約、響應申請、響應策略與控制、響應監(jiān)控、響應補償、響應效果分析。相較于產(chǎn)業(yè)園區(qū)能源管控平臺，數(shù)據(jù)中心能源管控平臺不能套用常規(guī)的園區(qū)能源管控平臺，需要根據(jù)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(shù)據(jù)中心用能設備主要包括配電柜、不間斷電源、交換機、服務器、供冷系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控等用電設施。其中，服務器和供冷系統(tǒng)占園區(qū)全部能耗的80%以上。據(jù)統(tǒng)計，2020年中國數(shù)據(jù)中心用電量約占全社會總用電量的2.7%，預計2023年用電規(guī)模將繼續(xù)增長66%。

1.2能源結構

      能源生產(chǎn)側：為滿足的能源需求，大型數(shù)據(jù)中心可建設風電場、光伏電場作為綠色主供電源，園區(qū)布置分布式光伏進一步提升綠色能源供給量。能源傳輸側：風光電場可以通過接入公用電網(wǎng)后，以中長期綠電交易方式給園區(qū)供電，還可通過專線、專變方式給園區(qū)供電。為了平滑新能源電場出力，新能源電場側部署儲能；為了增加園區(qū)負荷的調(diào)節(jié)能力，園區(qū)側部署儲能。園區(qū)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(diào)節(jié)能力，發(fā)揮綜合能源的互濟能力。

2 能源供給方式分析

         為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心綠色低價供電，風光電場的綠電供給有兩種方式：一是通過先上公網(wǎng)，然后通過中長期綠電交易供電方式；二是綠色專線供電方式。當風光電場較分散，近期無法實現(xiàn)專線供電的，可采用中長期綠電交易方式；風光電場易于專線接入且公用電網(wǎng)同意作為園區(qū)備用的，可以專線接入園區(qū)供電。

2.1中長期綠電交易方式

      中長期綠電交易方式是通過代理園區(qū)內(nèi)的用電企業(yè)，作為整體代理參與綠色電力市場交易，通過源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)控制和交易策略優(yōu)化，*大成本降低園區(qū)整體用能成本，基本功能需求如下：

(1)綠電中長期交易。

      為提升服務器效率，數(shù)據(jù)中心或服務器之間優(yōu)化調(diào)度，從能源角度看，負荷隨同數(shù)據(jù)任務映射變化。因此，數(shù)據(jù)中心需要根據(jù)數(shù)據(jù)任務的優(yōu)化調(diào)度，結合園區(qū)儲能、分布式光伏，實現(xiàn)園區(qū)用電和新能源發(fā)電的動態(tài)匹配，支撐實現(xiàn)電力市場中的綠色電力中長期交易，為大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)提供長期穩(wěn)定低價的綠色電力。

(2)聚合園區(qū)負荷降低園區(qū)整體成本。

        聚合數(shù)據(jù)中心負荷，結合峰谷時段電價以及現(xiàn)貨市場購電價格，優(yōu)化調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)任務時段分布，合理調(diào)度儲能實施，*大化降低園區(qū)公網(wǎng)購電費用。同時，在輔助服務市場中，利用儲能設施和數(shù)據(jù)任務的調(diào)節(jié)能力，爭取獲得額外收益。

2.2綠色專線供電方式

      綠色專線供電方式是在物理層面新建輸電專線實現(xiàn)新能源綠色電力直供電給園區(qū)。由于新能源子系統(tǒng)不直接接入電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)，而是通過園區(qū)綜合能源管控系統(tǒng)統(tǒng)一對接電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)，因此，專線供電模式除了聚合園區(qū)負荷降低園區(qū)整體用能成本需求外，還需增加滿足電網(wǎng)調(diào)度運行要求，具體如下：

(1)滿足電網(wǎng)調(diào)度接入要求。風光電場采用專線接入園區(qū)，綜合能源管控平臺需要與電網(wǎng)調(diào)度對接，接受調(diào)度運行指令。

(2)在公用電網(wǎng)具有額外調(diào)節(jié)能力的情況下，消納風光電場富余的電量。

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+容器"技術構建。平臺上層與電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)通過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，代理園區(qū)企業(yè)參與中長期綠電交易。平臺下層與風光儲場站系統(tǒng)和算力資源管理平臺對接，交互風光儲場站的發(fā)電量值和預測值等信息，交互算力資源管理平臺數(shù)據(jù)任務分配和預測值信息。

平臺分層架構具體闡述如下，整體架構如圖1所示。

圖1數(shù)據(jù)中心綜合能源平臺架構圖

1)應用層

      以微服務架構，實現(xiàn)運營管理、設備主動感知和預測、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(shù)據(jù)中心能耗和碳排放。

2)平臺層

平臺層分為業(yè)務PaaS層、基礎PaaS層和IaaS層。

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

基礎PaaS層：主要由微服務組件、容器組件、物聯(lián)網(wǎng)組件、AI計算組件構成。微服務組件為平臺微服務提供運行監(jiān)控、服務治理等基礎組件，實現(xiàn)負載均衡、服務注冊發(fā)現(xiàn)、日志監(jiān)控等功能；容器組件實現(xiàn)容器鏡像管理和自動化部署，以及容器級的自動擴容和縮容能力，支持微服務規(guī)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，實現(xiàn)多能系統(tǒng)規(guī)約轉(zhuǎn)換。AI計算組件實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的充分挖掘，為上層應用提供算力支撐。

IaaS層：實現(xiàn)服務器、存儲、網(wǎng)絡等物理設備虛擬化，向上層提供虛擬化的IT資源。

3)邊緣層

邊緣層實現(xiàn)終端設備的采集、規(guī)約轉(zhuǎn)換、園區(qū)綜合能源就地協(xié)調(diào)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

實現(xiàn)電、冷、水等終端設備的接入，以及園區(qū)空調(diào)群控系統(tǒng)、儲能變流器(PCS)通信網(wǎng)關、風光逆變器通信網(wǎng)關的數(shù)據(jù)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(jù)數(shù)據(jù)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。平臺需要主動感知園區(qū)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(shù)據(jù)資源需求信息，通過綠電交易方式，優(yōu)化調(diào)度園區(qū)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(qū)常規(guī)綜合能源平臺相同的需求不做重點研究)。

4.1能源需求預測

      能源管控平臺主動感知園區(qū)分布式發(fā)電、儲能和各類負荷的狀態(tài)和電氣量。其中，風光電場的電氣量通過風光電場場站系統(tǒng)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。風光電場的發(fā)電預測可以由綜合能源平臺完成，也可以由新能源場站子系統(tǒng)完成。園區(qū)的分布式能源發(fā)電預測。分布式發(fā)電預測是園區(qū)經(jīng)濟調(diào)度的基礎，根據(jù)園區(qū)分布式光伏的安裝容量，經(jīng)濟性選擇發(fā)電預測的時間尺度。如果園區(qū)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，可不做發(fā)電預測。

電負荷監(jiān)測和預測。實時監(jiān)測并統(tǒng)計分析IT設備的開機運行、用電負荷、承接數(shù)據(jù)任務以及變化趨勢情況；交互算力平臺，根據(jù)數(shù)據(jù)任務的規(guī)模、類型，預測短中期數(shù)據(jù)中心的用電負荷，為開展電力與算力協(xié)同優(yōu)化調(diào)度提供關鍵的信息支撐。

冷負荷監(jiān)測和預測。根據(jù)園區(qū)氣溫、濕度等氣象數(shù)據(jù)，以及用冷設備的開機運行、用電負荷、變化趨勢情況，預測短中期用冷負荷需求，為開展數(shù)據(jù)中心冷熱負荷的靈活優(yōu)化調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2園區(qū)源網(wǎng)荷儲優(yōu)化調(diào)度

按照公用電網(wǎng)對于源網(wǎng)荷儲一體化項目調(diào)度運行、新能源消納、第三方輔助服務等技術要求，根據(jù)算力平臺數(shù)據(jù)資源安排和可調(diào)節(jié)資源，全局分析決策，實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲一體化優(yōu)化調(diào)度控制，實現(xiàn)系統(tǒng)整體效益*優(yōu)。具體包括：

綠電交易方式下多能經(jīng)濟調(diào)度。根據(jù)綠色電力市場交易規(guī)則，以匹配源荷電力市場交易合約、降低大數(shù)據(jù)園區(qū)用能成本為優(yōu)化目標，提出數(shù)據(jù)中心IT用能功率調(diào)節(jié)、冷熱設備用能功率調(diào)節(jié)、新能源場站側和儲能設備充放電調(diào)節(jié)在內(nèi)的源網(wǎng)荷儲一體化調(diào)度運營優(yōu)化策略。

電網(wǎng)中心IT用能功率調(diào)節(jié)、冷熱設備用能功率調(diào)節(jié)、新能源場站側和大數(shù)據(jù)園區(qū)側儲能設備充放電調(diào)節(jié)在內(nèi)的源網(wǎng)荷儲一體化輔助服務市場調(diào)度運營優(yōu)化策略。

數(shù)據(jù)任務和用電負荷需求映射優(yōu)化調(diào)度。由數(shù)據(jù)中心算力任務策略。

算力任務與冷負荷需求映射優(yōu)化調(diào)度。根據(jù)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(shù)據(jù)中心冷熱設備調(diào)節(jié)策略，形成冷熱設備主動跟隨IT計算負荷、動態(tài)調(diào)整運行狀態(tài)等優(yōu)化調(diào)度方案。

4.3綠電代交易

基于歷史、現(xiàn)況以及未來預測分析的電力市場交易、風光儲節(jié)點電價、負荷市場購電電價等綜合信息的實時監(jiān)測與預測評估，動態(tài)評估源荷雙方綠色電力中長期交易執(zhí)行情況并分析評估偏差考核成本及違約考核風險收益，結合源網(wǎng)荷儲的綜合狀態(tài)與調(diào)節(jié)能力感知信息，進行智能化決策優(yōu)化，提出源荷互動實現(xiàn)綠色電力交易、*大化實現(xiàn)智慧綠色大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)園項目整體效益的優(yōu)化決策實施策略。

平臺可統(tǒng)一代理用戶與電力市場交易，主要實現(xiàn)信息發(fā)布、客戶管理、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、用戶賬單管理、收付款管理等功能。

4.4能效管理

動態(tài)管控園區(qū)整體電能利用效率PUE、水利用效率WUE、碳排放等關鍵能效和碳排放指標，作為園區(qū)運營和考核指標，優(yōu)化園區(qū)用能策略。

能耗監(jiān)測的功能一般包括能效和碳排放監(jiān)測、能效分析、用能分析、能效評估、碳審計等。與常規(guī)園區(qū)的能效監(jiān)測相比，數(shù)據(jù)中心考核指標。

4.5運營管理

數(shù)據(jù)中心綜合能源管理平臺作為園區(qū)平臺的一種，運營管理與普通園區(qū)平臺功能類似，通常包括設備管理、智能運維(設備監(jiān)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(tǒng)計分析（能源管理）解決方案

5.1概述

建立高效的能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)，對建筑各類耗能設備能耗數(shù)據(jù)進行實時測量，對采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。能夠合理的確定各區(qū)域建筑能耗經(jīng)濟指標及績效考核指標，發(fā)現(xiàn)能源使用規(guī)律和能源浪費情況，提高人員主動節(jié)能的意識。

①　搭建數(shù)據(jù)中心智慧能源管理系統(tǒng)的基本框架，對各個用能環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)測；

②　排碳數(shù)據(jù)化：通過系統(tǒng)可實現(xiàn)建筑單位內(nèi)人均能耗分析（包括水、電、能量），實現(xiàn)低碳辦公數(shù)據(jù)化；

③　區(qū)域能效比：實現(xiàn)建筑單位內(nèi)區(qū)域能耗對比，方便能耗考核；

④　同期能效比：實現(xiàn)同年、同期、同一區(qū)域能耗對比，方便節(jié)能數(shù)據(jù)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：各個功能區(qū)能耗對比，實現(xiàn)能耗排名，增強工作人員的節(jié)能意識；

⑦　對能耗的使用數(shù)據(jù)進行綜合的分析、統(tǒng)計、打印和查詢等功能，并根據(jù)能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的需要可選擇不同樣式報表的打印。為能耗運營管理部門提供可靠的依據(jù)；

⑧　能耗數(shù)據(jù)采集，隨時查詢，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，監(jiān)測異常能源用量，對能源智能儀表故障進行報警，提高系統(tǒng)信息化、自動化水平。

5.2平臺部署硬件選型

6結語

隨著社會對數(shù)據(jù)中心因為綠色電源供給方式(綠電交易或者綠電直供)、大容量儲能、能耗管控、算力資源與電冷負荷相互映射且可調(diào)節(jié)等特征，平臺功能需求與產(chǎn)業(yè)園區(qū)平臺相差很大。

本文首先分析數(shù)據(jù)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(tǒng)，按照互聯(lián)網(wǎng)思維構建平臺架構，平臺上層與電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)、電力交易系統(tǒng)交互，平臺下層與風光儲場站系統(tǒng)和算力資源管理平臺交互。

然后根據(jù)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；考慮算力資源動態(tài)可調(diào)節(jié)，研究能源管控平臺和算力平臺互動，源荷儲互動優(yōu)化調(diào)度；考慮算力與電冷負荷緊密互動，研究設備動態(tài)感知與預測；考慮數(shù)據(jù)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際需求提出，為平臺開發(fā)奠定基礎，避免數(shù)據(jù)中心綠色高效用能提供保障。

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[7]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.5版.

作者簡介：

劉細鳳，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事數(shù)據(jù)中心的設計與應用