CN106483876A - 一种新能源数据中心的能量调度架构 - Google Patents

一种新能源数据中心的能量调度架构 Download PDF

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Abstract

本发明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。

Description

一种新能源数据中心的能量调度架构
技术领域
本发明属于数据中心技术领域，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。
背景技术
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。
发明内容
本发明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，本发明采取如下技术方案：
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，能量消耗级)管理。
控制平面包括能量平面中各组成设备配备的状态传感器及可编程状态控制模块，用于获取如下软硬件状态信息和工作负载信息：(a)基础设施能源生产级各部分设备的能量生产状态及历史记录；(b)基础设施能量分配级中的混合能量流与IT负载的实时映射状态及历史记录；(c)基础设施能量消耗级中IT负载的能量消耗状态，运行在IT负载上的软件工作负载的状态。并返回如下状态修改指令：(a)基础设施能源生产级各部分设备的能量生产模式；(b)基础设施能量分配级中的智能能量分配单元的端口状态配置；(c)基础设施能量消耗级中IT负载的耗能模式，运行在IT负载上的软件工作负载的配置。各子模块具有不同的循环采集周期。
进一步地，控制平面包括中央控制器，由信息采集模块，决策模块和配置模块构成。中央控制器持续循环运行，一个运行周期内的行为如下：信息采集模块处理由状态传感器及可编程状态控制模块返回的系统状态信息，将信息流发送至决策模块；决策模块根据用户预设的数据中心运行策略，做出系统配置信息的调度决策，并由配置模块向各可编程状态模块返回状态修改指令，至此一个运行周期结束。不同的用户预设运行策略的运行周期长短不同。
在所述能量平面的能源生产级，信息采集模块监控和统计的信息包括：外部市电电网的电压，电流及历史发电度数统计；新能源发电设备的输出电压，电流，工作模式及历史发 电度数统计，投资回报计算；传统备用发电设备的电压，电流，传统能源存量及历史发电度数统计；储能设备的电压，电流，放电深度，寿命预测及温度。配置模块可控制的状态及模式包括：外部市电电网的接入状态；新能源发电设备的工作模式(是否MPPT)及接入状态；传统备用发电设备的接入状态；储能设备的接入配置信息(电池阵列的配置，超级电容和飞轮UPS的搭配组合)。
在所述控制平面的能量分配级，信息采集模块监控和统计的信息包括：智能能量分配单元的每个端口的电压，电流和温度。配置模块可控制的状态及模式包括：智能能量分配单元的每个端口的开闭状态。
在所述控制平面的能量消耗级，信息采集模块监控和统计的信息包括：IT负载的工作电压，电流和温度；IT负载的处理器频率和功耗模式；IT负载之上运行的虚拟设备的部署、挂起、迁移、快照状态；虚拟设备上运行的软件工作负载信息。配置模块可控制的状态及模式包括：IT负载的处理器频率和功耗模式；IT负载之上运行的虚拟设备的部署、挂起、迁移、快照状态；虚拟设备上运行的软件工作负载的部署和调度。
软件工作负载的能量消耗状态根据工作负载的性质可结合不同的能量模型计算得到，包括无虚拟化的裸机直接运行工作负载，基于虚拟化技术的虚拟机中运行的工作负载，基于容器技术的工作负载。
附图说明
图1是新能源数据中心能量调度架构结构示意图；
图2是能源调度单元中的能量流示意图；
图3是新能源数据中心能量调度架构的一种实现方式；
图4是中央控制处理单元的运行流程。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种如附图3所示的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。所述能量流调度架构包含能量平面和控制平面。所述能量平面的能源生产级由外部市电电网接入301，柴油发电设备302，太阳能光伏发电设备303，自动切换开关304，混合储能元件设备305，双向逆变系统306组成。所述能量平面的能量分配级由多个智能能量分配单元307组成。所述能量平面的能量消耗级由IT负载设备308，虚拟负载设备309，软件工作负载310组成。
在所述能量平面的能源生产级，外部市电电网301和柴油发电设备302首先接入自动切换开关304，再接入双向逆变系统306的交流输入端I301。太阳能发电设备303分别接入储能设备305和双向逆变系统306的直流输入端I302。双向逆变系统306的交流输出端I303与能量分配级的智能能量分配单元307的输入端I304相连。在本实施例中，双向逆变系统306为发明内容中所述能源调度单元的一种工程实现方式。双向逆变系统306具有交流旁路 直传功能(I301至I303)，直流逆变输出功能(I302至I303)，交流整流充电功能(I301至I302)和交流并接功能(I303至I301)。
在所述能量平面的能源分配级，智能能量分配单元307可将输入其输入端的电能分发至每个输出端口。智能能量分配单元307具有输入端I304和I305，分别连接能源生产级的O303输出端和外部市电电网301。IT负载使用双端口供电，将其双端口分别接入具有I304输入端和I305输入端的智能能量分配单元307，可实现能量的混合分配。
在所述能量平面的能量消耗级，IT负载308包括服务器，存储设备和网络交换机。虚拟设备309可采用数据中心常用计算及存储虚拟化方案，如Xen、KVM或VMware ESX等计算虚拟化平台以及常用存储虚拟化解决方案。工作负载310为数据中心常用工作负载，如Hadoop计算集群，Web服务，Web搜索等。
所述控制平面首先包括能量平面中各组成设备配备的信息采集/状态配置子模块。在所述能量平面的能源生产级，信息采集/状态配置子模块312以嵌入式微处理器的形式内置于双向逆变系统306中，通过常用工控通信协议(PROFIBUS、CAN、MODBUS)与能源生产级中各单元的分控制器通信；在所述能量分配级，信息采集/状态配置子模块313使用SNMP通信协议与智能能量分配单元307通信；在能量消耗级，信息采集/状态配置子模块314通过IPMI接口采集IT负载的物理运行信息，通过底层操作系统内置接口采集处理器功耗状态，通过数据中心管理中间件提供的接口采集虚拟设备的运行信息，通过客户操作系统的进程信息采集软件负载信息。
所述控制平面的中央控制处理单元315以软件方式部署在一台控制节点服务器上，该控制节点通过以太网或RS232、RS422、RS485等其他通信总线接口与能量平面中各信息采集/状态配置子模块连接。中央控制处理单元中的信息采集模块316，决策模块317和配置模块318分别为软件功能模块。中央控制器进程启动后，如附图4所示，控制平面的一个运行周期内的系统运行流程如下：
步骤S1：在每个周期的起始时刻，中央控制器的信息采集模块316从能量平面中各组成设备的信息采集子模块(312，313,314)获取当前设备运行配置信息。
步骤S2：中央控制器的决策模块317读取用户预置的系统运行策略，分析信息采集模块中的系统运行配置信息，做出下一运行周期的系统配置决策。
步骤S3：配置模块318根据接收的系统配置决策，向决策中配置状态需要修改的相应组成设备对应的状态配置子模块(312,313,314)发送状态修改指令。
步骤S4：能量平面中各组成设备的可编程状态控制模块和软件负载在相应状态配置子模块(312,313,314)接收到状态修改指令后，执行相应的状态修改操作。
以上所述仅是本发明的优选的实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和修饰，这些改进和修饰也应该视为本发明的保护。

Claims (11)

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，其特征在于，在所述能量平面的能量消耗级，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。
8.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，所述控制平面通过位于所述能量平面中的子采集模块获取如下软硬件状态信息和工作负载信息：(a)基础设施能源生产级各部分设备的能量生产状态及历史记录；(b)基础设施能量分配级中的混合能量流与IT负载的实时映射状态及历史记录；(c)基础设施能量消耗级中IT负载的能量消耗状态，运行在IT负载上的软件工作负载的状态；
所述控制平面通过位于所述能量平面中的子配置模块执行如下状态修改操作：(a)基础设施能源生产级各部分设备的能量生产模式；(b)基础设施能量分配级中的智能能量分配单元的端口状态配置；(c)基础设施能量消耗级中IT负载的耗能模式，以及运行在IT负载上的软件工作负载的配置。
9.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，所述控制平面的中央控制处理单元通过调用位于所述能量平面的能源生产级的子信息采集模块采集和统计如下信息：外部市电电网的电压，电流及历史发电度数统计；新能源发电设备的输出电压，电流，工作模式及历史发电度数统计，投资回报计算；传统备用发电设备的电压，电流，传统能源存量及历史发电度数统计；储能设备的电压，电流，放电深度，寿命预测及温度；
通过调用位于所述能量平面的能量分配级的子信息采集模块采集和统计如下信息：智能能量分配单元的每个端口的电压，电流和温度；
通过调用位于所述能量平面的能量消耗级的子信息采集模块采集和统计如下信息：IT负载的工作电压，电流和温度；IT负载的处理器频率和功耗模式；IT负载之上运行的虚拟设备的部署、挂起、迁移、快照状态；虚拟设备上运行的软件工作负载信息；
所述能量平面的各子信息采集模块具有不同的数据采集周期。
10.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，所述控制平面的中央控制处理单元通过调用位于所述能量平面的能源生产级的子配置模块修改如下设备或软件配置状态：外部市电电网的接入状态；新能源发电设备的工作模式(是否MPPT)及接入状态；传统备用发电设备的接入状态；储能设备的接入配置信息(电池阵列的配置，超级电容和飞轮UPS的搭配组合)；
通过调用位于所述能量平面的能量分配级的子配置模块修改如下设备或软件配置状态：智能能量分配单元的每个端口的开闭状态；
通过调用位于所述能量平面的能量消耗级的子配置模块修改如下设备或软件配置状态：IT负载的处理器频率和功耗模式；IT负载之上运行的虚拟设备的部署、挂起、迁移、快照状态；虚拟设备上运行的软件工作负载的部署和调度。
11.根据权利要求2所述的新能源数据中心的能量调度架构，其特征在于，所述控制平面 的中央控制处理单元持续循环运行，一个运行周期内的行为如下：信息采集模块处理由各子采集模块返回的系统状态信息，将信息流发送至决策模块；决策模块根据用户预设的数据中心运行策略，做出系统配置信息的调度决策，并由配置模块向各子配置模块返回状态修改指令；不同的预设运行策略可具有不同的运行周期。
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