中心能源管控平臺(tái)架構(gòu)與功能

劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司          上海嘉定 201801

摘要：大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心能源綜合利用效率提供了參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；綜合能源管控平臺(tái)；架構(gòu)與功能

0引言

      數(shù)據(jù)中心集群的中心建設(shè)，強(qiáng)化節(jié)能降耗要求，如何降低數(shù)據(jù)中心綠色電力供應(yīng)。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(shí)現(xiàn)能源的綜合調(diào)度與運(yùn)行管理；參考文獻(xiàn)研究智慧能源管控平臺(tái)的架構(gòu)和主要功能，主要功能包括多能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、多能優(yōu)化調(diào)度、能源銷(xiāo)售一體化管理、智能運(yùn)維、智慧能源增值服務(wù)；參考文獻(xiàn)研究空港智慧能源平臺(tái)架構(gòu)和主要技術(shù)；參考文獻(xiàn)針對(duì)負(fù)荷聚合商研究需求響應(yīng)平臺(tái)架構(gòu)和功能，功能包括資源管理、負(fù)荷監(jiān)測(cè)、響應(yīng)邀約、響應(yīng)申請(qǐng)、響應(yīng)策略與控制、響應(yīng)監(jiān)控、響應(yīng)補(bǔ)償、響應(yīng)效果分析。相較于產(chǎn)業(yè)園區(qū)能源管控平臺(tái)，數(shù)據(jù)中心能源管控平臺(tái)不能套用常規(guī)的園區(qū)能源管控平臺(tái)，需要根據(jù)用能架構(gòu)和能源供給方式，深入研究其架構(gòu)與功能需求。

1 用能結(jié)構(gòu)分析

1.1用能需求

      數(shù)據(jù)中心用能設(shè)備主要包括配電柜、不間斷電源、交換機(jī)、服務(wù)器、供冷系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控等用電設(shè)施。其中，服務(wù)器和供冷系統(tǒng)占園區(qū)全部能耗的80%以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年中國(guó)數(shù)據(jù)中心用電量約占全社會(huì)總用電量的2.7%，預(yù)計(jì)2023年用電規(guī)模將繼續(xù)增長(zhǎng)66%。

1.2能源結(jié)構(gòu)

      能源生產(chǎn)側(cè)：為滿(mǎn)足的能源需求，大型數(shù)據(jù)中心可建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)、光伏電場(chǎng)作為綠色主供電源，園區(qū)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(cè)：風(fēng)光電場(chǎng)可以通過(guò)接入公用電網(wǎng)后，以中長(zhǎng)期綠電交易方式給園區(qū)供電，還可通過(guò)專(zhuān)線(xiàn)、專(zhuān)變方式給園區(qū)供電。為了平滑新能源電場(chǎng)出力，新能源電場(chǎng)側(cè)部署儲(chǔ)能；為了增加園區(qū)負(fù)荷的調(diào)節(jié)能力，園區(qū)側(cè)部署儲(chǔ)能。園區(qū)集中供冷提升供冷效率，IT設(shè)備余熱可回收利用。能源消費(fèi)側(cè)：建設(shè)充電樁，挖掘算力、充電樁等負(fù)荷的調(diào)節(jié)能力，發(fā)揮綜合能源的互濟(jì)能力。

2 能源供給方式分析

         為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(zhǎng)期綠電交易供電方式；二是綠色專(zhuān)線(xiàn)供電方式。當(dāng)風(fēng)光電場(chǎng)較分散，近期無(wú)法實(shí)現(xiàn)專(zhuān)線(xiàn)供電的，可采用中長(zhǎng)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(qū)備用的，可以專(zhuān)線(xiàn)接入園區(qū)供電。

2.1中長(zhǎng)期綠電交易方式

      中長(zhǎng)期綠電交易方式是通過(guò)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(chǎng)交易，通過(guò)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制和交易策略?xún)?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(zhǎng)期交易。

      為提升服務(wù)器效率，數(shù)據(jù)中心或服務(wù)器之間優(yōu)化調(diào)度，從能源角度看，負(fù)荷隨同數(shù)據(jù)任務(wù)映射變化。因此，數(shù)據(jù)中心需要根據(jù)數(shù)據(jù)任務(wù)的優(yōu)化調(diào)度，結(jié)合園區(qū)儲(chǔ)能、分布式光伏，實(shí)現(xiàn)園區(qū)用電和新能源發(fā)電的動(dòng)態(tài)匹配，支撐實(shí)現(xiàn)電力市場(chǎng)中的綠色電力中長(zhǎng)期交易，為大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)提供長(zhǎng)期穩(wěn)定低價(jià)的綠色電力。

(2)聚合園區(qū)負(fù)荷降低園區(qū)整體成本。

        聚合數(shù)據(jù)中心負(fù)荷，結(jié)合峰谷時(shí)段電價(jià)以及現(xiàn)貨市場(chǎng)購(gòu)電價(jià)格，優(yōu)化調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)任務(wù)時(shí)段分布，合理調(diào)度儲(chǔ)能實(shí)施，*大化降低園區(qū)公網(wǎng)購(gòu)電費(fèi)用。同時(shí)，在輔助服務(wù)市場(chǎng)中，利用儲(chǔ)能設(shè)施和數(shù)據(jù)任務(wù)的調(diào)節(jié)能力，爭(zhēng)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(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(guò)園區(qū)綜合能源管控系統(tǒng)統(tǒng)一對(duì)接電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)，因此，專(zhuān)線(xiàn)供電模式除了聚合園區(qū)負(fù)荷降低園區(qū)整體用能成本需求外，還需增加滿(mǎn)足電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行要求，具體如下：

(1)滿(mǎn)足電網(wǎng)調(diào)度接入要求。風(fēng)光電場(chǎng)采用專(zhuān)線(xiàn)接入園區(qū)，綜合能源管控平臺(tái)需要與電網(wǎng)調(diào)度對(duì)接，接受調(diào)度運(yùn)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(fēng)光電場(chǎng)富余的電量。

3 能源管控平臺(tái)架構(gòu)

        能源管控平臺(tái)基于“互聯(lián)網(wǎng)+"理念，采用“微服務(wù)+容器"技術(shù)構(gòu)建。平臺(tái)上層與電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)與電力交易平臺(tái)交互，以負(fù)荷聚合商參與電網(wǎng)第三方輔助服務(wù)，代理園區(qū)企業(yè)參與中長(zhǎng)期綠電交易。平臺(tái)下層與風(fēng)光儲(chǔ)場(chǎng)站系統(tǒng)和算力資源管理平臺(tái)對(duì)接，交互風(fēng)光儲(chǔ)場(chǎng)站的發(fā)電量值和預(yù)測(cè)值等信息，交互算力資源管理平臺(tái)數(shù)據(jù)任務(wù)分配和預(yù)測(cè)值信息。

平臺(tái)分層架構(gòu)具體闡述如下，整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1數(shù)據(jù)中心綜合能源平臺(tái)架構(gòu)圖

1)應(yīng)用層

      以微服務(wù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)管理、設(shè)備主動(dòng)感知和預(yù)測(cè)、源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同控制、綠色電力代交易、能效管理等微應(yīng)用，提升數(shù)據(jù)中心能耗和碳排放。

2)平臺(tái)層

平臺(tái)層分為業(yè)務(wù)PaaS層、基礎(chǔ)PaaS層和IaaS層。

業(yè)務(wù)PaaS層：由眾多相互獨(dú)立、可擴(kuò)展的共享微服務(wù)構(gòu)成，包括采集與計(jì)量微服務(wù)、能源監(jiān)測(cè)微服務(wù)、告警微服務(wù)、組態(tài)圖形微服務(wù)。

基礎(chǔ)PaaS層：主要由微服務(wù)組件、容器組件、物聯(lián)網(wǎng)組件、AI計(jì)算組件構(gòu)成。微服務(wù)組件為平臺(tái)微服務(wù)提供運(yùn)行監(jiān)控、服務(wù)治理等基礎(chǔ)組件，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡、服務(wù)注冊(cè)發(fā)現(xiàn)、日志監(jiān)控等功能；容器組件實(shí)現(xiàn)容器鏡像管理和自動(dòng)化部署，以及容器級(jí)的自動(dòng)擴(kuò)容和縮容能力，支持微服務(wù)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(shí)現(xiàn)多能系統(tǒng)規(guī)約轉(zhuǎn)換。AI計(jì)算組件實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的充分挖掘，為上層應(yīng)用提供算力支撐。

IaaS層：實(shí)現(xiàn)服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等物理設(shè)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(xiàn)終端設(shè)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(shè)備有微電網(wǎng)控制器、采集邊緣終端。

4)采集層

實(shí)現(xiàn)電、冷、水等終端設(shè)備的接入，以及園區(qū)空調(diào)群控系統(tǒng)、儲(chǔ)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(shù)據(jù)接入。

5)物理層

包括接入平臺(tái)的多能供給、輸送、消費(fèi)等設(shè)施。

4 平臺(tái)功能研究

      根據(jù)數(shù)據(jù)中心用能架構(gòu)和能源供給方式，研究綜合能源管控平臺(tái)功能需求。平臺(tái)需要主動(dòng)感知園區(qū)設(shè)備狀態(tài)和負(fù)荷信息，交互電源側(cè)發(fā)電和預(yù)測(cè)信息、算力資源管理平臺(tái)數(shù)據(jù)資源需求信息，通過(guò)綠電交易方式，優(yōu)化調(diào)度園區(qū)負(fù)荷，使得新能源消納率*高、能耗*低、用能*經(jīng)濟(jì)。主要功能如下(與園區(qū)常規(guī)綜合能源平臺(tái)相同的需求不做重點(diǎn)研究)。

4.1能源需求預(yù)測(cè)

      能源管控平臺(tái)主動(dòng)感知園區(qū)分布式發(fā)電、儲(chǔ)能和各類(lèi)負(fù)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(tǒng)交互得到，不需要另外增加采集和通信設(shè)備。新能源發(fā)電預(yù)測(cè)。風(fēng)光電場(chǎng)的發(fā)電預(yù)測(cè)可以由綜合能源平臺(tái)完成，也可以由新能源場(chǎng)站子系統(tǒng)完成。園區(qū)的分布式能源發(fā)電預(yù)測(cè)。分布式發(fā)電預(yù)測(cè)是園區(qū)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的基礎(chǔ)，根據(jù)園區(qū)分布式光伏的安裝容量，經(jīng)濟(jì)性選擇發(fā)電預(yù)測(cè)的時(shí)間尺度。如果園區(qū)分布式光伏裝機(jī)容量小，負(fù)荷遠(yuǎn)大于分布式能源的安裝容量時(shí)，可不做發(fā)電預(yù)測(cè)。

電負(fù)荷監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并統(tǒng)計(jì)分析IT設(shè)備的開(kāi)機(jī)運(yùn)行、用電負(fù)荷、承接數(shù)據(jù)任務(wù)以及變化趨勢(shì)情況；交互算力平臺(tái)，根據(jù)數(shù)據(jù)任務(wù)的規(guī)模、類(lèi)型，預(yù)測(cè)短中期數(shù)據(jù)中心的用電負(fù)荷，為開(kāi)展電力與算力協(xié)同優(yōu)化調(diào)度提供關(guān)鍵的信息支撐。

冷負(fù)荷監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)。根據(jù)園區(qū)氣溫、濕度等氣象數(shù)據(jù)，以及用冷設(shè)備的開(kāi)機(jī)運(yùn)行、用電負(fù)荷、變化趨勢(shì)情況，預(yù)測(cè)短中期用冷負(fù)荷需求，為開(kāi)展數(shù)據(jù)中心冷熱負(fù)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(chǔ)優(yōu)化調(diào)度

按照公用電網(wǎng)對(duì)于源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化項(xiàng)目調(diào)度運(yùn)行、新能源消納、第三方輔助服務(wù)等技術(shù)要求，根據(jù)算力平臺(tái)數(shù)據(jù)資源安排和可調(diào)節(jié)資源，全局分析決策，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化優(yōu)化調(diào)度控制，實(shí)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(jì)調(diào)度。根據(jù)綠色電力市場(chǎng)交易規(guī)則，以匹配源荷電力市場(chǎng)交易合約、降低大數(shù)據(jù)園區(qū)用能成本為優(yōu)化目標(biāo)，提出數(shù)據(jù)中心IT用能功率調(diào)節(jié)、冷熱設(shè)備用能功率調(diào)節(jié)、新能源場(chǎng)站側(cè)和儲(chǔ)能設(shè)備充放電調(diào)節(jié)在內(nèi)的源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化調(diào)度運(yùn)營(yíng)優(yōu)化策略。

電網(wǎng)中心IT用能功率調(diào)節(jié)、冷熱設(shè)備用能功率調(diào)節(jié)、新能源場(chǎng)站側(cè)和大數(shù)據(jù)園區(qū)側(cè)儲(chǔ)能設(shè)備充放電調(diào)節(jié)在內(nèi)的源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化輔助服務(wù)市場(chǎng)調(diào)度運(yùn)營(yíng)優(yōu)化策略。

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

算力任務(wù)與冷負(fù)荷需求映射優(yōu)化調(diào)度。根據(jù)氣象氣溫和IT設(shè)備用能功耗信息映射到設(shè)備冷負(fù)荷需求，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心冷熱設(shè)備調(diào)節(jié)策略，形成冷熱設(shè)備主動(dòng)跟隨IT計(jì)算負(fù)荷、動(dòng)態(tài)調(diào)整運(yùn)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(lái)預(yù)測(cè)分析的電力市場(chǎng)交易、風(fēng)光儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)電價(jià)、負(fù)荷市場(chǎng)購(gòu)電電價(jià)等綜合信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)評(píng)估，動(dòng)態(tài)評(píng)估源荷雙方綠色電力中長(zhǎng)期交易執(zhí)行情況并分析評(píng)估偏差考核成本及違約考核風(fēng)險(xiǎn)收益，結(jié)合源網(wǎng)荷儲(chǔ)的綜合狀態(tài)與調(diào)節(jié)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(xiàn)綠色電力交易、*大化實(shí)現(xiàn)智慧綠色大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目整體效益的優(yōu)化決策實(shí)施策略。

平臺(tái)可統(tǒng)一代理用戶(hù)與電力市場(chǎng)交易，主要實(shí)現(xiàn)信息發(fā)布、客戶(hù)管理、協(xié)議管理、電量預(yù)測(cè)、需求申報(bào)、交易管理、代理交易、結(jié)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(qū)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(biāo)，作為園區(qū)運(yùn)營(yíng)和考核指標(biāo)，優(yōu)化園區(qū)用能策略。

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

4.5運(yùn)營(yíng)管理

數(shù)據(jù)中心綜合能源管理平臺(tái)作為園區(qū)平臺(tái)的一種，運(yùn)營(yíng)管理與普通園區(qū)平臺(tái)功能類(lèi)似，通常包括設(shè)備管理、智能運(yùn)維(設(shè)備監(jiān)測(cè)與告警、巡檢運(yùn)維、故障研判等)、能源計(jì)量、運(yùn)維托管等功能。

5安科瑞能耗統(tǒng)計(jì)分析（能源管理）解決方案

5.1概述

建立高效的能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，對(duì)建筑各類(lèi)耗能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。能夠合理的確定各區(qū)域建筑能耗經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及績(jī)效考核指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)能源使用規(guī)律和能源浪費(fèi)情況，提高人員主動(dòng)節(jié)能的意識(shí)。

①　搭建數(shù)據(jù)中心智慧能源管理系統(tǒng)的基本框架，對(duì)各個(gè)用能環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

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

③　區(qū)域能效比：實(shí)現(xiàn)建筑單位內(nèi)區(qū)域能耗對(duì)比，方便能耗考核；

④　同期能效比：實(shí)現(xiàn)同年、同期、同一區(qū)域能耗對(duì)比，方便節(jié)能數(shù)據(jù)分析；

⑤　能耗評(píng)估管理：按照能源消耗定額標(biāo)準(zhǔn)約束值、標(biāo)準(zhǔn)值、引導(dǎo)值進(jìn)行分析單位面積能耗和人均能耗指標(biāo)；

⑥　能耗競(jìng)爭(zhēng)排名：各個(gè)功能區(qū)能耗對(duì)比，實(shí)現(xiàn)能耗排名，增強(qiáng)工作人員的節(jié)能意識(shí)；

⑦　對(duì)能耗的使用數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的分析、統(tǒng)計(jì)、打印和查詢(xún)等功能，并根據(jù)能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的需要可選擇不同樣式報(bào)表的打印。為能耗運(yùn)營(yíng)管理部門(mén)提供可靠的依據(jù)；

⑧　能耗數(shù)據(jù)采集，隨時(shí)查詢(xún)，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，監(jiān)測(cè)異常能源用量，對(duì)能源智能儀表故障進(jìn)行報(bào)警，提高系統(tǒng)信息化、自動(dòng)化水平。

5.2平臺(tái)部署硬件選型

6結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)中心因?yàn)榫G色電源供給方式(綠電交易或者綠電直供)、大容量?jī)?chǔ)能、能耗管控、算力資源與電冷負(fù)荷相互映射且可調(diào)節(jié)等特征，平臺(tái)功能需求與產(chǎn)業(yè)園區(qū)平臺(tái)相差很大。

本文首先分析數(shù)據(jù)中心用能架構(gòu)和能源供給方式，明確平臺(tái)建設(shè)邊界和交互系統(tǒng)，按照互聯(lián)網(wǎng)思維構(gòu)建平臺(tái)架構(gòu)，平臺(tái)上層與電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)、電力交易系統(tǒng)交互，平臺(tái)下層與風(fēng)光儲(chǔ)場(chǎng)站系統(tǒng)和算力資源管理平臺(tái)交互。

然后根據(jù)用能和運(yùn)行特征，研究平臺(tái)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(diào)節(jié)，研究能源管控平臺(tái)和算力平臺(tái)互動(dòng)，源荷儲(chǔ)互動(dòng)優(yōu)化調(diào)度；考慮算力與電冷負(fù)荷緊密互動(dòng)，研究設(shè)備動(dòng)態(tài)感知與預(yù)測(cè)；考慮數(shù)據(jù)中心控能耗指標(biāo)要求，研究能效管理需求。

本文提出的架構(gòu)與功能研究基于實(shí)際需求提出，為平臺(tái)開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)，避免數(shù)據(jù)中心綠色高效用能提供保障。

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作者簡(jiǎn)介：

劉細(xì)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(shè)計(jì)與應(yīng)用