一种新能源数据中心的能量调度架构制造技术

本发明专利技术公开了一种应用于新能源数据中心的能量调度架构，该架构具有两个组成部分：能量平面包括有一套集成分布式发电设备和储能设备的，具有阶段化供电架构的，具有软件编程控制接口的数据中心基础设施；控制平面包括有中央控制处理单元，位于能量平面中的子采集模块和子配置模块。控制平面的中央控制处理单元实时监控能量平面中的各组成单元的状态，结合用户预定义的优化策略对能量平面中的各组成设备进行实时状态调整，实现对能量流的跨层次联合优化管理。本发明专利技术通过软硬件结合手段实现了新能源数据中心中从能量生产端到能量消耗端的协同能量管理，从而提高新能源数据中心能量管理的效率和粒度，使用户能够结合不同的自定义优化目标通过本架构实现软件定义的新能源数据中心能量管理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于数据中心
，尤其涉及一种集成新能源分布式发电单元和储能单元的数据中心能量调度架构。
技术介绍
绿色计算将成为二十一世纪人类面临的重大技术变革之一。当前，计算机制造业和信息技术产业正设法应对两项最为严峻的挑战：高能耗问题以及高污染困境。截至2010年，计算机系统能耗已占全球总电能消耗的3％。然而全球服务器市场才刚进入全面扩张阶段。面对世界能源危机日益加剧的形势，对传统电能的过度依赖将极大制约计算机系统的设计和运营。除去高能耗带来的经济开销，相关环境问题也成为近年来信息产业界饱受争议的焦点。根据麦肯锡公司的调查，在未来十年内，全球计算机间接造成的二氧化碳年排放量将达1.54亿吨，成为世界最大污染源之一。因此，提高非化石能源比重，发展智能电网和分布式发电，鼓励绿色低碳技术和循环经济，提高应对气候变化的能力成为当前绿色计算的重要议题。与此同时，智能电网和大数据应用将对大型计算机集群的设计和运营产生深远的影响。一方面，尽管未来智能电网集成了多样化的分布式新能源系统和灵活的电源负载通讯接口，但是目前的计算机系统还无法主动地参与到智能电网的功耗管理中来。这无疑阻碍了系统能源配置和利用。另一方面，随着信息时代数据量的不断累积和增长，计算机系统必须采取有效的负载检测和创新的协同管理来满足各类新涌现的大数据应用对计算速度、可用性、安全性的不同需求。目前针对数据中心的节能减排技术研究和创新均着重于降低数据中心本身的能源消耗。关于引入新能源驱动数据中心虽然已有初步的设计，例如申请公布号为CN103208852A的中国专利文献，公开了一种使用绿色能源发电驱动IT负载的数据中心系统。但是可以明显看出，该设计仅仅是提出一种粗放的绿色能源作为数据中心能源的方案，并未提出新能源数据中心中的复杂能量流的具体管理方案，也缺乏对数据中心中软件工作负载的感知，无法实现精确和多样的数据中心能量管理操作。在当前数据中心工作负载日益复杂化的背景下，高效的数据中心管理架构必须整体地考虑工作负载和能源(包括外部交流市电和自生产)的相互影响，以满足用户各方面的使用需求。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提出一种集成新能源分布式发电单元和储能单元的数据中心中的跨层次能量流调度架构，通过软硬件结合手段实现从新能源数据中心的能量生产端到能量消耗端的协同能量管理，从而提高新能源数据中心能量管理的效率和粒度，使用户能够结合不同的自定义优化目标通过本架构实现软件定义的新能源数据中心能量管理。为此，本专利技术采取如下技术方案：首先提出一套集成分布式发电设备和储能设备的，具有阶段化供电架构的，具有软件编程控制接口的数据中心基础设施，命名为能量平面，其特征在于：所述能量平面包括能量流从产生到使用所经历的所有阶段，能量平面中各组成设备根据所处阶段不同被划分为能源生产级(包括外部市电电网，新能源分布式发电设备，传统备用发电设备，储能元件设备，能源调度单元)，能量分配级(包括智能能量分配单元)和能量消耗级(包括IT负载，软件工作负载)，每个阶段分别具有不同粒度的能量调控手段。其次，在能量平面之上是控制平面。其特征在于，包括：中央控制处理单元，包括有信息采集模块，决策模块和配置模块；位于所述能量平面中的子采集模块和子配置模块，包括各能量平面组成单元配备的状态传感器、可编程状态控制模块、IT负载及软件负载的状态信息数据库和配置接口。中央控制处理单元实时监控三个能量流阶段的各组成单元的状态，结合用户预定义的优化策略对能量平面中的各组成设备进行实时状态调整，实现对能量流的跨层次联合优化管理。所述能量平面的能源生产级由外部市电电网，新能源分布式发电设备，传统备用发电设备，储能元件设备，能源调度单元和相应的状态传感器及可编程状态控制模块构成。所述新能源分布式发电设备包括太阳能发电设备(直流输出)、风能发电设备(交流输出)、燃料电池发电设备(直流输出)、微型燃气涡轮发电设备(交流输出)或生物能发电设备(直流输出)中的任一种或多种。所述传统备用发电设备包括柴油、天然气、液化石油气、汽油发电机(交流输出)中的一种或多种。所述储能元件设备包括蓄电池组、超级电容、飞轮UPS(均为直流输入/输出)中的一种或多种。所述能量平面的能源生产级中能量流的物理管理操作由能源调度单元执行。所述能源调度单元连接所述能源生产级中的所有外部市电电网，发电设备和储能设备，并连接后端的能量分配级，用于集中管理能量在能源生产级中各组成部分之间的流动行为(包括必要的整流和逆变)及向能量分配级的供应(交流输出)。能量流动行为包括：①外部市电电网对后端能量分配级的供电；②新能源分布式发电设备对后端能量分配级的供电；③传统备用发电设备对后端能量分配级的供电；④储能元件设备对后端能量分配级的供电；⑤外部市电电网对储能元件设备充电；⑥新能源分布式发电设备对储能元件设备充电；⑦新能源分布式发电设备对外部市电电网输电。根据数据中心IT负载的动态功耗和各发电设备的能量生产情况变化，结合用户给定的不同数据中心管理策略，能源生产级中可能出现上述七中能量流的一种或多种，能源生产级中各输入输出能量流之间的关系满足如下等式：Eutil+Estore+Edis+Ebk＝Eload(1)其中，Eutil为能源调度单元从外部市电电网获得(Eutil取正值)或回馈(Eutil取负值)的能量；Estore为储能元件设备输出(Estore取正值)或输入(Estore取负值)的能量；Edis为能源调度单元从新能源分布式发电设备获得的能量；Ebk为能源调度单元从传统备用发电设备获得的能量；Eload为能源调度单元输出至能量分配级的能量；所述能量平面的能量分配级由多个智能能量分配单元组成。能量平面的能量分配级的能量流管理操作由智能能量分配单元执行。所述智能能量分配单元可将一路输入能量分配至连接在其多个输出端口的多个IT负载，每个输出端口均可由中央控制器远程通信控制通断状态。所述能量平面的能量分配级中的多个智能能量分配单元的输入端除与前端能源生产级的能源调度单元相连之外，还可以与除能源生产级之外的第二路外部市电电网相连，结合IT负载的双端口或多端口供电特性，可实现对同一IT负载的混合能量调度，提高管理多样性。所述能量平面的能量消耗级由IT负载以及运行于其上的软件工作负载构成。由能源生产级供应的能量在物理上为IT负载所消耗，而软件工作负载则为逻辑上的能量消耗者。结合IT负载上的软件工作负载结构分析，能量消耗级的能量流管理可在软件层面上实现。在所述能量平面的能量消耗级，对使用虚拟化环境的IT负载集群来说，能量平面的能量消耗级的能量流管理操作可以基于服务器级，虚拟设备级(虚拟机，虚拟磁盘卷)和应用程序级；对物理机运行的IT负载集群来说，能量平面的能量消耗级的能量流管理操作可以基于服务器级和应用程序级。其中，服务器级的管理包括DVFS，处理器功耗状态管理；虚拟设备级的管理包括虚拟机动态部署、挂起、迁移、快照，虚拟磁盘卷的动态部署、挂起、迁移、快照等；应用程序级的管理包括工作负载的动态部署和调度。所述能量调度架构中的控制平面用于监控和决策所述能量平面对能量流的管理操作，实现对混合能源数据中心中的能量生产和消耗进行协同式地跨层次(能源生产级，能量分配级，能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新能源数据中心的能量调度架构，其特征在于，包括：能量平面，其包括：一套集成分布式发电设备和储能设备的，具有阶段化供电架构的，具有软件编程控制接口的数据中心基础设施；控制平面，其包括：中央控制处理单元，包括有信息采集模块，决策模块和配置模块；位于所述能量平面中的子采集模块和子配置模块，包括能量平面各组成单元配备的状态传感器、可编程状态控制模块、IT负载及软件负载的状态信息数据库和配置接口。

【技术特征摘要】
1.一种新能源数据中心的能量调度架构，其特征在于，包括：能量平面，其包括：一套集成分布式发电设备和储能设备的，具有阶段化供电架构的，具有软件编程控制接口的数据中心基础设施；控制平面，其包括：中央控制处理单元，包括有信息采集模块，决策模块和配置模块；位于所述能量平面中的子采集模块和子配置模块，包括能量平面各组成单元配备的状态传感器、可编程状态控制模块、IT负载及软件负载的状态信息数据库和配置接口。2.根据权利要求1所述的新能源数据中心的能量调度架构，其特征在于，所述能量平面包括能量流从产生到使用所经历的所有阶段，能量平面中各组成设备根据所处阶段不同被划分为能源生产级，能量分配级和能量消耗级；能源生产级包括：外部市电电网，新能源分布式发电设备，传统备用发电设备，储能元件设备，能源调度单元；所述新能源分布式发电设备可选用太阳能光伏发电设备、风能发电设备、燃料电池发电设备、微型燃气涡轮发电设备或生物能发电设备中的任一种或多种；所述传统备用发电设备可选用柴油、天然气、液化石油气、汽油发电机中的一种或多种；所述储能元件设备可选用蓄电池组、超级电容、飞轮UPS中的一种或多种；能量分配级包括：可远程控制端口通断状态的智能能量分配单元；能量消耗级包括：IT负载以及运行于其上的软件工作负载。3.根据权利要求1和2所述的新能源数据中心的能量调度架构，其特征在于，所述能量平面的能源生产级中能量流的物理管理操作由能源调度单元执行，所述能源调度单元连接所述能源生产级中的所有外部市电电网，发电设备和储能设备，并连接后端的能量分配级，用于集中管理能量在能源生产级中各组成部分之间的流动行为(包括必要的整流和逆变)及向能量分配级的供应(交流输出)。4.根据权利要求3所述的新能源数据中心的能量调度架构，其特征在于，所述能源调度单元参与管理的能量流动行为包括：①外部市电电网对后端能量分配级的供电；②新能源分布式发电设备对后端能量分配级的供电；③传统备用发电设备对后端能量分配级的供电；④储能元件设备对后端能量分配级的供电；⑤外部市电电网对储能元件设备充电；⑥新能源分布式发电设备对储能元件设备充电；⑦新能源分布式发电设备对外部市电电网输电。5.根据权利要求1和2所述的新能源数据中心的能量调度架构，其特征在于，所述能量平面的能量分配级的能量流管理操作由智能能量分配单元执行，所述智能能量分配单元可将一路输入能量分配至连接在其多个输出端口的多个IT负载，每个输出端口均可由中央控制器远程通信控制通断状态；所述能量平面的能量分配级中的多个智能能量分配单元的输入端除与前端能源生产级的能源调度单元相连之外，还可以与除能源生产级之外的第二路外部市电电网相连，结合IT负载的双端口或多端口供电特性，可实现对同一IT负载的混合能量调度。6.根据权利要求1和2所述的新能源数据中心的能量调度架构，其特征在于，在所述能量平面的能量消耗级，对使用虚拟化环境的IT负载集群来说，能量平面的能量消耗级的能量流管理操作可以基于服务器级，虚拟设备级(虚拟机，虚拟磁盘卷)和应用程序级；对物理机运行的IT负载集群来说，能量平面的能量消耗级的能量流管理操作可以基于服务器级和应用程序级。7.根据权利要求6所述的新能源数据中心的能量调度架构，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：李涛，胡杨，李超，
申请(专利权)人：李涛，
类型：发明
国别省市：北京;11