CN113052719B

CN113052719B - 一种考虑需求响应的数据中心数据服务定价方法及装置

Info

Publication number: CN113052719B
Application number: CN202110266938.8A
Authority: CN
Inventors: 蒋晨威; 文福拴; 薛禹胜
Original assignee: Zhejiang University ZJU; Nari Technology Co Ltd
Current assignee: Zhejiang University ZJU; Nari Technology Co Ltd
Priority date: 2021-03-11
Filing date: 2021-03-11
Publication date: 2023-09-22
Anticipated expiration: 2041-03-11
Also published as: CN113052719A

Abstract

本申请公开了一种考虑需求响应的数据中心数据服务定价方法及装置，该方法用于对数据中心的数据服务进行定价，该方法包括：建立所述数据中心的运行与数据服务定价模型；根据所述数据中心的下层用户的基本数据服务特征，建立考虑用户价格敏感性与时间敏感性的需求响应模型；构建包含所述数据中心与所述数据中心下属用户的双层规划问题，上层以所述数据中心收益最大为目标，下层以所述数据中心用户的数据服务费用最小为目标；将所述双层规划问题转化为单层混合整数规划问题，并进行全局最优求解，得到最优数据服务价格。本发明能克服现有其他数据服务定价方法不能将数据中心能耗费用的波动传导到用户侧，从而无法充分调动用户侧进行需求响应的缺陷。

Description

一种考虑需求响应的数据中心数据服务定价方法及装置

技术领域

本申请涉及电力经济技术领域，尤其涉及一种考虑需求响应的数据中心数据服务定价方法及装置。

背景技术

在众多可参与需求响应的电力负荷中，数据中心作为一种快速增长的灵活性负荷被人们所熟知。

目前，已经有一些关于数据中心参与电力需求响应的相关研究与项目实践，主要集中在数据中心内部管理与负载分配策略，地理分布式数据中心的负载转移，对可延迟数据服务的优化调度以及其他方面。

综合来看，目前关于数据中心参与需求响应的研究主要集中在数据中心内部的优化或数据中心之间的协同调度，少有涉及对数据中心下属用户需求响应潜力的挖掘。与此同时，在对用户侧数据服务需求进行分析时，重点往往落在对延迟容忍型用户数据服务需求的优化调度，而忽略了对延迟敏感型用户需求响应潜力的挖掘，即不能提供调度延迟敏感型数据中心用户的有效方法。

同时现有的研究一般将数据服务价格设定为恒定值，在这一情况下，延迟敏感型数据中心用户将难以被有效调度，从而导致在用户数据需求高峰时期，数据中心需要投入更多的服务器以提供用户数据服务，进而引起了数据中心服务器投建总量的增多，以及服务器整体设备利用效率的下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑需求响应的数据中心数据服务定价方法及装置，以解决相关技术中不能充分调度数据中心的延迟容忍型用户数据服务需求，也未能将用能价格波动传递到用户侧的问题。

本发明采用以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供一种考虑需求响应的数据中心数据服务定价方法，该方法用于对数据中心的数据服务价格进行制定，从而优化调度延迟敏感型用户的数据需求，达到减少高峰时期用户数据服务需求总量的效果，并减少数据中心的为满足用户需求所需投建的服务器数量。该方法步骤如下：

基于数据中心的基本特征，建立所述数据中心的运行与数据服务定价模型；

根据所述数据中心的下属用户的基本数据服务特征，建立考虑用户价格敏感性与时间敏感性的需求响应模型，将用户类型分为价格不敏感型用户、价格敏感-时间敏感型用户和价格敏感-时间不敏感型用户；

构建包含所述数据中心与所述数据中心下属用户的双层规划问题，上层问题以所述数据中心收益最大为目标，下层问题以所述数据中心用户的数据服务费用最小为目标；

将所述双层规划问题转化为单层混合整数规划问题，并进行全局最优求解，得到最优数据服务价格。

第二方面，本发明提供一种考虑需求响应的数据中心数据服务定价装置，该装置采用上述方法对数据中心的数据服务价格进行制定；该装置包括：

第一构建模块，用于建立所述数据中心的运行与数据服务定价模型；

第二构建模块，用于根据所述数据中心的下层用户的基本数据服务特征，建立考虑用户价格敏感性与时间敏感性的需求响应模型

第三构建模块，用于构建包含所述数据中心与所述数据中心下属用户的双层规划问题，上层问题以所述数据中心收益最大为目标，下层问题以所述数据中心用户的数据服务费用最小为目标；

求解模块，用于将所述双层规划问题转化为单层混合整数规划问题，并进行全局最优求解，得到最优数据服务价格。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面所述的方法。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如第一方面所述方法的步骤。

本发明技术方案具有以下有益效果：

1)本发明建立的数据中心的运行与数据服务定价模型，其有益效果在于明确了数据服务需求与数据中心能耗之间的数学关系，将能耗价格与数据服务价格建立联系，便于能耗价格波动向数据服务价格传导；

2)本发明根据所述数据中心的下层用户的基本数据服务特征，建立考虑用户价格敏感性与时间敏感性的需求响应模型，其有益效果在于充分考虑了用户差异化的价格与时间可接受范围，使得模型更加贴近实际用户的决策行为；

3)本发明构建包含所述数据中心与所述数据中心下属用户的双层规划问题，上层以所述数据中心收益最大为目标，下层以所述数据中心用户的数据服务费用最小为目标，其有益效果在于有效解决了数据服务中心与用户利益冲突的问题，将其描述为双层规划问题以得到一种合理的优化结果；

4)将所述双层规划问题转化为单层混合整数规划问题，并进行全局最优求解，得到最优数据服务价格，其有益效果在于利用能够求解线性规划问题的方法可以得到全局最优求解，而不会使求解结果陷于局部最优。

本发明可以克服现有其他相关技术中不能充分调度数据中心的延迟容忍型用户数据服务需求，也未能将用能价格波动传递到用户侧的问题。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是本发明的一种考虑需求响应的数据中心数据服务定价方法的流程图。

图2是一种考虑需求响应的数据中心数据服务定价装置的结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

图1是本发明的一种考虑需求响应的数据中心数据服务定价方法的流程图。参考图1，本发明实施例提供一种考虑需求响应的数据中心数据服务定价方法，该方法用于对数据中心的数据服务价格进行制定，该方法包括：

步骤S101，基于数据中心的基本特征，建立所述数据中心的运行与数据服务定价模型；

步骤S102，根据所述数据中心的下属用户的基本数据服务特征，建立考虑用户价格敏感性与时间敏感性的需求响应模型，将用户类型分为价格不敏感型用户、价格敏感-时间敏感型用户和价格敏感-时间不敏感型用户；

步骤S103，构建包含所述数据中心与所述数据中心下属用户的双层规划问题，上层以所述数据中心收益最大为目标，下层以所述数据中心用户的数据服务费用最小为目标；

步骤S104，将所述双层规划问题转化为单层混合整数规划问题，并进行全局最优求解，得到最优数据服务价格。

上述步骤S101中，基于数据中心的基本特征，建立所述数据中心的运行与数据服务定价模型，具体包括：

根据数据中心的基本特征，例如服务器的处理速率与功耗大小、数据中心的制冷情况等信息，即可建立数据中心能耗模型，以及所述数据中心向所述用户提供所述数据服务过程中的服务器调度模型和数据服务定价模型。

建立数据中心能耗模型函数(即数据服务负载与所述数据中心能耗的关系表达)，如下式所述：

P_t ^DC＝n_t[P^idle+(P^peak-P^idle)u_t+(η-1)P^peak]

式中：P_t ^DC是数据中心在时刻t的能耗；P^peak和P^idle分别是单台服务器的高峰与空闲功率；u_t＝D_t/(n_tμ)是服务器的平均利用率；D_t是总用户数据服务需求；n_t是时刻t运行的服务器数量；μ是服务器的服务速率；η是数据中心的能源使用效率(PUE)。

服务器调度模型构建方法如下：

1)建立数据中心服务质量函数，如下式所述：

0≤n_t≤n^max

式中：d^max是一个数据服务需求的最短延迟时间；n^max是数据中心的服务器最大数量。

2)为避免服务频繁启停，建立数据中心服务器启停函数，如下式所述：

式中：是服务器的启停状态，系0/1变量；/>是服务器启停状态的改变量，包含-1/0/1；T^d是服务器启停的最短周期；sumX_n，t是服务器在最短周期内的启停状态之和；M是一个极大值。

所述数据服务定价模型主要包括了数据服务价格的上下限、价格平均值、价格档位数量等关键信息与价格制定要求，具体如下式所示：

式中：是数据服务价格档位的选择状态变量；/>是第i个档位的数据服务价格；N^c是数据服务价格档位的数量；C^fixed是原始数据服务价格；C^data,max和C^data,min分别是数据服务价格的最大值与最小值；ΔC是数据服务价格档位间差值的最小值。

上述步骤S102中，根据所述数据中心的下属用户的基本数据服务特征，建立考虑用户价格敏感性与时间敏感性的需求响应模型，将用户分为价格不敏感型用户、价格敏感-时间敏感型用户和价格敏感-时间不敏感型用户，具体包括：

根据数据中心用户的心理价位上限与可调时间范围的抽样值，可以判断其价格敏感性与时间敏感性，进而将其分为价格不敏感型用户、价格敏感-时间敏感型用户和价格敏感-时间不敏感型用户，各类用户最终接受的数据服务价格与时间可以表述如下：

对于价格敏感-时间不敏感型用户，其最终接受的数据服务价格与时间可以表述如下：

式中：是用户接受的数据服务价格，价格为0则表示用户选择放弃数据服务需求；/>是时刻t的数据服务价格；/>是抽样得到的该用户心理价位上限值；/>是该用户原始使用数据服务的时间；/>是抽样得到的该用户最大可调时间。

对于价格敏感-时间敏感型用户，其最终接受的数据服务价格与时间可以表述如下：

对于价格不敏感型用户，其最终接受的数据服务价格与时间可以表述如下：

上述步骤S103中：

上层问题的目标函数为数据中心收益最大，具体如下式：

式中：u₁是数据中心的优化目标；为电网的电价。

下层问题的目标函数为用户数据服务费用最低，具体如下式所示：

式中：u₂是用户的优化目标；D^fix是用户的数据服务需求量。

为了便于建立下层问题的拉格朗日函数及其偏导，去除模型中的0/1非连续变量，以构建KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件，将下层问题目标函数以及需求响应模型进行变型如下：

1)变型后的目标函数如下：

式中：N^avail是价格敏感型用户的数量；是价格敏感型用户的数据服务需求；是损失的价格敏感型用户的数据服务需求；/>是价格不敏感型用户的数据服务需求。

2)相关新生成的约束条件如下：

式中：是用户可调时间范围的状态变量；/>是价格敏感型用户原始的数据服务需求。

上述步骤S104中，将所述主从博弈问题转化为单层混合整数规划问题，并进行全局最优求解，得到最优数据服务价格，具体包括：

转换后的单层混合整数规划问题如下：

式中：和/>均为对偶乘子。

对所述单层混合整数规划问题，利用求解线性规划问题的算法进行全局最优解的求取，即可得到考虑用户需求响应的、以数据中心收益最大为目标的最优数据服务价格方案。

可以快速求取所述定价模型的全局最优解，避免了诸如经启发式算法求取的可行解可能会落入局部最优的可能，保证最终能得到正确的定价方案。

与前述的一种考虑需求响应的数据中心数据服务定价方法的实施例相对应，本申请还提供了一种考虑需求响应的数据中心数据服务定价装置的实施例。

图2是一种考虑需求响应的数据中心数据服务定价装置框图。参照图2，该装置用于实现考虑需求响应的数据中心数据服务定价方法，该装置包括：

第一构建模块21，用于建立所述数据中心的运行与数据服务定价模型；

第二构建模块22，用于根据所述数据中心的下层用户的基本数据服务特征，建立考虑用户价格敏感性与时间敏感性的需求响应模型

第三构建模块23，用于构建包含所述数据中心与所述数据中心下属用户的双层规划问题，上层问题以所述数据中心收益最大为目标，下层问题以所述数据中心用户的数据服务费用最小为目标；

求解模块24，用于将所述双层规划问题转化为单层混合整数规划问题，并进行全局最优求解，得到最优数据服务价格。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本申请方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

相应的，本申请还提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述的考虑需求响应的数据中心数据服务定价方法。

相应的，本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如上述的一种考虑需求响应的数据中心数据服务定价方法。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims

1.一种考虑需求响应的数据中心数据服务定价方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)基于数据中心的基本特征，建立所述数据中心的运行与数据服务定价模型；

2)根据所述数据中心的下属用户的基本数据服务特征，建立考虑用户价格敏感性与时间敏感性的需求响应模型，将用户分为价格不敏感型用户、价格敏感-时间敏感型用户和价格敏感-时间不敏感型用户；

3)构建包含所述数据中心与所述数据中心下属用户的双层规划问题，上层问题以所述数据中心收益最大为目标，下层问题以所述数据中心用户的数据服务费用最小为目标；

4)将所述双层规划问题转化为单层混合整数规划问题，并进行全局最优求解，得到最优数据服务价格；

所述步骤1)具体为：

根据所述数据中心的基本特征信息，建立数据中心能耗模型，建立所述数据中心向所述用户提供所述数据服务过程中的服务器调度模型和所述数据服务定价模型；

所述数据服务定价模型具体表示如下：

式中：是时刻t的数据服务价格；/>是数据服务价格档位的选择状态变量；/>是第i个档位的数据服务价格；N^c是数据服务价格档位的数量；C^fixed是原始数据服务价格；C^data,max和C^data,min分别是数据服务价格的最大值与最小值；ΔC是数据服务价格档位间差值的最小值；

建立数据中心能耗模型函数，如下式所述：

P_t ^DC＝n_t[P^idle+(P^peak-P^idle)u_t+(η-1)P^peak]

式中：P_t ^DC是数据中心在时刻t的能耗；P^peak和P^idle分别是单台服务器的高峰与空闲功率；u_t＝D_t/(n_t μ)是服务器的平均利用率；D_t是总用户数据服务需求；n_t是时刻t运行的服务器数量；μ是服务器的服务速率；η是数据中心的能源使用效率；

服务器调度模型构建方法如下：

(1)建立数据中心服务质量函数，如下式所述：

0≤n_t≤n^max

式中：d^max是一个数据服务需求的最短延迟时间；n^max是数据中心的服务器最大数量；

(2)建立数据中心服务器启停函数，如下式所述：

式中：是服务器的启停状态，系0/1变量；/>是服务器启停状态的改变量，包含-1/0/1；T^d是服务器启停的最短周期；sumX_n,t是服务器在最短周期内的启停状态之和；M是一个极大值；

步骤3)中，上层问题的目标函数为数据中心收益最大，具体如下式：

式中：u₁是数据中心的优化目标；为电网的电价；Δt是单位时间间隔；

式中：u₂是用户的优化目标；D^fix是用户的数据服务需求量；是用户接受的数据服务价格，价格为0则表示用户选择放弃数据服务需求；N^user是当前数据中心的用户总数；

步骤4)中，单层混合整数规划问题如下：

式中：和/>均为对偶乘子；N^avail是价格敏感型用户的数量；/>是价格敏感型用户的数据服务需求；/>是损失的价格敏感型用户的数据服务需求；/>是价格不敏感型用户的数据服务需求；ε_j,t是价格敏感型用户j在时刻t使用数据服务的偏好程度；/>是抽样得到的用户j的心理价位上限值；ε^max是用户偏好程度的最大值。

2.根据权利要求1所述的一种考虑需求响应的数据中心数据服务定价方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：

根据历史数据，建立所述数据中心用户的心理价位上限与可调时间长度的正态分布模型，并通过抽样获取所述用户的心理价位上限与可调时间长度的数值；

将所述数据中心用户的心理价位上限与所述数据服务价格调节范围进行比较，当所述用户心理价位完全高于所述数据服务价格调节范围时，所述用户属于价格不敏感型用户；当所述用户心理价位在所述数据服务价格调节范围内时，用户属于价格敏感型用户；当价格敏感型用户的可调时间范围大于一个最小可调时间单位时，用户属于价格敏感-时间不敏感型用户；当价格敏感型用户的可调时间范围小于等于一个最小可调时间单位时，用户属于价格敏感-时间敏感型用户。

3.根据权利要求1所述的一种考虑需求响应的数据中心数据服务定价方法，其特征在于，所述步骤3)中：

上层问题是数据中心的优化过程，包含了数据中心能耗模型、服务器调度模型、数据服务定价模型，将形成的数据服务价格方案在日前向下属的用户进行公布；

下层问题是数据中心下属用户的响应过程，包含了用户特征参数的形成、需求响应模型的形成，用户根据所公布的数据服务价格方案形成数据服务使用方案，决定在何时使用数据服务。

4.根据权利要求3所述的一种考虑需求响应的数据中心数据服务定价方法，其特征在于，所述步骤4)具体为：

将下层问题的需求响应模型进行变型，去除模型中的0/1非连续变量，以便于构建下层问题的拉格朗日函数及其偏导结果；

将下层问题转化为KKT条件，使得原有双层规划问题转变为单层混合整数规划问题，并利用线性规划问题的算法进行全局最优求解，得到最终的最优数据服务价格。

5.一种考虑需求响应的数据中心数据服务定价装置，其特征在于，所述装置采用如权利要求1-4任一项所述的方法对数据中心的数据服务价格进行制定；该装置包括：

第二构建模块，用于根据所述数据中心的下属用户的基本数据服务特征，建立考虑用户价格敏感性与时间敏感性的需求响应模型；

6.一种电子设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-4任一项所述的方法。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述方法的步骤。