綠色數(shù)據(jù)中心電能資源效率優(yōu)化研究.pdf

1、隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，數(shù)據(jù)中心耗能達(dá)到萬億瓦。數(shù)據(jù)中心的高耗能給社會，環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)中心每年需要花費(fèi)幾百萬美金用于日常電費(fèi)的開銷。此外還需巨額的花費(fèi)用于建設(shè)數(shù)據(jù)中心的電力設(shè)施以支撐IT設(shè)施峰值功耗的需要，即便這樣的峰值需求很少或者幾乎達(dá)不到。由于用戶訪問行為導(dǎo)致電能需求的波動性，使得數(shù)據(jù)中心配給的昂貴電能資源并不能保證每一瓦都被高效利用。高耗能的數(shù)據(jù)中心不僅帶來了巨額成本開銷而且會產(chǎn)生巨大的碳排放量，給環(huán)境造成了巨大的

2、壓力。因此，工業(yè)界以及學(xué)術(shù)界致力于在數(shù)據(jù)中心引入清潔能源，以降低日常電費(fèi)帶來的巨額運(yùn)營成本以及減少溫室氣體的排放。本文致力于在具有多重電能資源的綠色數(shù)據(jù)中心下提升電能資源效率：(1)降低數(shù)據(jù)中心電網(wǎng)資源的超額配給以提高電網(wǎng)資源的利用效率；（2）提高新能源的供給效率降低數(shù)據(jù)中心對于傳統(tǒng)電網(wǎng)電能以及儲能設(shè)備的依賴；（3）提高服務(wù)器能效以提升數(shù)據(jù)中心新能源資源的利用率，從而實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能減排。因此降低數(shù)據(jù)中心總體擁有成本依賴于提高數(shù)據(jù)中心

3、的電能資源效率。
　　當(dāng)前學(xué)術(shù)界以及工業(yè)界都將目光聚焦于優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的電能資源配給，調(diào)整電網(wǎng)容量以應(yīng)對常見的需求峰值而不再采用超額配給的方式。當(dāng)前的優(yōu)化方案多采用對于計算資源的調(diào)節(jié)以降低負(fù)載功耗需求或者采用儲能設(shè)施進(jìn)行峰值功耗的削減。然而，當(dāng)前研究忽略了利用新能源供電資源優(yōu)化電網(wǎng)資源配給的問題。數(shù)據(jù)中心中傳統(tǒng)電網(wǎng)配給方案多采用集中式的電力傳輸結(jié)構(gòu)，優(yōu)化電網(wǎng)配給容量需要重新設(shè)計并且改造整個電網(wǎng)傳輸結(jié)構(gòu)，這樣會帶來極大的成本以及時間開

4、銷。我們關(guān)注如何便捷、高效地利用新能源的電能供給降低IT設(shè)施對于電網(wǎng)資源的依賴。針對該問題我們提出一種新的新能源配給方案，采用分布式的新能源供電設(shè)施以及分布式電池系統(tǒng)用于電網(wǎng)資源的配給優(yōu)化。此外，針對新能源波動特性以及電池系統(tǒng)使用壽命，我們設(shè)計一個新的電能資源控制以及能耗需求控制結(jié)構(gòu)，用于選擇合適的電能資源供給以及調(diào)控服務(wù)器功耗以實(shí)現(xiàn)整體電能使用效率的優(yōu)化。
　　降低電網(wǎng)配給容量在提高電網(wǎng)資源的利用效率的同時，也將導(dǎo)致電力緊急狀態(tài)

5、，即數(shù)據(jù)中心的用電需求會超過電網(wǎng)配給的實(shí)際容量，從而帶來用電危險。電力緊急狀態(tài)需要良好的電力響應(yīng)機(jī)制保障數(shù)據(jù)中心電能資源的可用性。針對這一問題，我們從新能源利用效率的角度出發(fā)，利用綠色數(shù)據(jù)中心多重電能資源的調(diào)度，降低負(fù)載峰值功耗（削峰策略）對于電網(wǎng)資源的依賴以解決電力緊急狀態(tài)。利用新能源進(jìn)行削峰既可以降低數(shù)據(jù)中心的電網(wǎng)建造成本，又能夠提高新能源使用效率。然而，新能源波動性以及電池容量的有限性給數(shù)據(jù)中心負(fù)載性能以及用電安全帶來新的挑戰(zhàn)。我

6、們從性能的角度上，探索了在電力緊急狀態(tài)下，如何合理地調(diào)度可用的電能資源以解決電力緊急狀態(tài)以及保證負(fù)載的性能需求？因此，我們提出一個新的基于電力緊急狀態(tài)的調(diào)度框架，該框架針對不同時間跨度的電力緊急狀態(tài)選擇合適的電能資源，以應(yīng)對電力緊急狀態(tài)；并且根據(jù)負(fù)載的性能需求選擇合適的節(jié)能機(jī)制以彌補(bǔ)電能資源的供給不足。我們評估了在不同容量的新能源以及電池系統(tǒng)配置條件下，不同類型負(fù)載的性能。我們評估了在新能源波動以及電池儲能有限的條件下，不同節(jié)能方案對于

7、負(fù)載性能的影響。通過實(shí)驗(yàn)證明，我們發(fā)現(xiàn)充分利用新能源可以較好地實(shí)現(xiàn)負(fù)載性能優(yōu)化與電力設(shè)施投資成本節(jié)約之間的平衡。
　　無論在數(shù)據(jù)中心降低電網(wǎng)配給容量還是接入不穩(wěn)定的新能源，都會導(dǎo)致電能供需不匹配的情況出現(xiàn)，即IT設(shè)施的功率需求會超過或者低于電網(wǎng)或新能源的功率供給。雖然將新能源用于數(shù)據(jù)中心峰值功耗的處理會帶來較優(yōu)的能源利用效率，然而數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器長時間處于較低利用率狀態(tài)，使得對于非峰值階段的負(fù)載，新能源利用效率較低。服務(wù)器低能效導(dǎo)

8、致的過度電能需求，同樣加劇了電能供需不匹配，使得數(shù)據(jù)中心依然過度依賴于電網(wǎng)資源。當(dāng)前研究工作重點(diǎn)關(guān)注電能供給側(cè)以儲能設(shè)備（電池系統(tǒng)）用于平衡綠色能源的供給，或者依賴于傳統(tǒng)的節(jié)能方案降低負(fù)載需求，從而達(dá)到數(shù)據(jù)中心的整體電能供需平衡。但是，這些方案忽略了服務(wù)器自身的耗能特性，并且忽略了電能資源調(diào)度與傳統(tǒng)能效提升機(jī)制相結(jié)合，使得新能源使用效率的提升極其有限。針對這一問題，我們提出GreenGear——結(jié)合服務(wù)器能效優(yōu)化以及新能源供給調(diào)度的機(jī)制