中心能源管控平臺架構與功能

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定201801

摘要：大部分數據中心能源綜合利用效率提供了參考。

關鍵詞：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(jié)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(tǒng)等子系統(tǒng)交互，實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時監(jiān)測、多能優(yōu)化調度、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。

相較于產業(yè)園區(qū)能源管控平臺，數據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。

據統(tǒng)計，2020年中國數據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

能源生產側：為滿足的能源需求，大型數據中心可建設風電場、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

為了實現數據中心綠色低價供電，風光電場的綠電供給有兩種方式：一是通過先上公網，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，通過源網荷儲協(xié)調控制和交易策略優(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，數據中心或服務器之間優(yōu)化調度，從能源角度看，負荷隨同數據任務映射變化。

因此，數據中心需要根據數據任務的優(yōu)化調度，結合園區(qū)儲能、分布式光伏，實現園區(qū)用電和新能源發(fā)電的動態(tài)匹配，支撐實現電力市場中的綠色電力中長期交易，為大數據產業(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。

聚合數據中心負荷，結合峰谷時段電價以及現貨市場購電價格，優(yōu)化調節(jié)數據任務時段分布，合理調度儲能實施，*大化降低園區(qū)公網購電費用。同時，在輔助服務市場中，利用儲能設施和數據任務的調節(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)不直接接入電網調度系統(tǒng)，而是通過園區(qū)綜合能源管控系統(tǒng)統(tǒng)一對接電網調度系統(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，還需增加滿足電網調度運行要求，具體如下：

(1)滿足電網調度接入要求。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調度對接，接受調度運行指令。

(2)在公用電網具有額外調節(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+”理念，采用“微服務+容器”技術構建。平臺上層與電網調度系統(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據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數據中心綜合能源平臺架構圖

1)應用層

以微服務架構，實現運營管理、設備主動感知和預測、源網荷儲協(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，實現負載均衡、服務注冊發(fā)現、日志監(jiān)控等功能；容器組件實現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)網組件支持多種能源終端的靈活接入，實現多能系統(tǒng)規(guī)約轉換。AI計算組件實現對采集數據的充分挖掘，為上層應用提供算力支撐。

IaaS層：實現服務器、存儲、網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

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

4)采集層

實現電、冷、水等終端設備的接入，以及園區(qū)空調群控系統(tǒng)、儲能變流器(PCS)通信網關、風光逆變器通信網關的數據接入。

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據資源需求信息，通過綠電交易方式，優(yōu)化調度園區(qū)負荷，使得新能源消納率*高、能耗*低、用能*經濟。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)經濟調度的基礎，根據園區(qū)分布式光伏的安裝容量，經濟性選擇發(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、承接數據任務以及變化趨勢情況；交互算力平臺，根據數據任務的規(guī)模、類型，預測短中期數據中心的用電負荷，為開展電力與算力協(xié)同優(yōu)化調度提供關鍵的信息支撐。

冷負荷監(jiān)測和預測。根據園區(qū)氣溫、濕度等氣象數據，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(qū)源網荷儲優(yōu)化調度

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

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

電網中心IT用能功率調節(jié)、冷熱設備用能功率調節(jié)、新能源場站側和大數據園區(qū)側儲能設備充放電調節(jié)在內的源網荷儲一體化輔助服務市場調度運營優(yōu)化策略。

數據任務和用電負荷需求映射優(yōu)化調度。由數據中心算力任務策略。

算力任務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(jié)策略，形成冷熱設備主動跟隨IT計算負荷、動態(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，結合源網荷儲的綜合狀態(tài)與調節(jié)能力感知信息，進行智能化決策優(yōu)化，提出源荷互動實現綠色電力交易、*大化實現智慧綠色大數據產業(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，數據中心考核指標。

4.5運營管理

數據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據進行實時測量，對采集數據進行統(tǒng)計和分析。能夠合理的確定各區(qū)域建筑能耗經濟指標及績效考核指標，發(fā)現能源使用規(guī)律和能源浪費情況，提高人員主動節(jié)能的意識。

①搭建數據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排碳數據化：通過系統(tǒng)可實現建筑單位內人均能耗分析（包括水、電、能量），實現低碳辦公數據化；

③區(qū)域能效比：實現建筑單位內區(qū)域能耗對比，方便能耗考核；

④同期能效比：實現同年、同期、同一區(qū)域能耗對比，方便節(jié)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，實現能耗排名，增強工作人員的節(jié)能意識；

⑦對能耗的使用數據進行綜合的分析、統(tǒng)計、打印和查詢等功能，并根據能耗監(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；

⑧能耗數據采集，隨時查詢，并根據采集數據進行統(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

	采用泛在物聯(lián)、云計算、大數據、移動通訊、智能傳感等技術手段可為用戶提供能源數據采集、統(tǒng)計分析、能效分析、用能預警、設備管理等服務，平臺可以廣泛應用于多種領域。
智能網關	Anet系列網管		采用嵌入式硬件計算機平臺，具有多個下行通信接口及一個或者多個上行網絡接口，作為信息采集系統(tǒng)中采集終端與平臺系統(tǒng)間的橋梁，能夠根據不同的采集規(guī)約進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數據采集匯總，并使用相應的規(guī)約轉發(fā)現場設備的數據給平臺系統(tǒng)。
高壓重要回路或低壓進線柜	APM810

	具有全電量測量，電能統(tǒng)計，電能質量分析及網絡通訊等功能，主要用于對電網供電質量的綜合監(jiān)控診斷及電能管理。該系列儀表采用了模塊化設計，當客戶需要增加開關量輸入輸出，模擬量輸入輸出，SD卡記錄，以太網通訊時，只需在背部插入對應模塊即可。
APM520		三相全電量測量，2-63次諧波，不平衡度，*大需量，支持付費率，越限報警，SOE,4-20mA輸出。
低壓聯(lián)絡柜、 出線柜	AEM96

	DIN35mm導軌式安裝結構，體積小巧，能測量電能及其他電參量，可進行時鐘、費率時段等參數設置，精度高、可靠性好、性能指標符合國標GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和電力行業(yè)標準DL/T614-2007對電能表的各項技術要求，并且具有電能脈沖輸出功能；可用RS485通訊接口與上位機實現數據交換。
AEW100		三相全電量測量，剩余電流、2-63次諧波，支持付費率，量值、電纜溫度，可選2G/4G通訊。

6結語

隨著社會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)、大容量儲能、能耗管控、算力資源與電冷負荷相互映射且可調節(jié)等特征，平臺功能需求與產業(yè)園區(qū)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(tǒng)，按照互聯(lián)網思維構建平臺架構，平臺上層與電網調度系統(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際需求提出，為平臺開發(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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審核編輯 黃宇