CN116961006A - 基于供电电网状态的计算机电力消耗管理 - Google Patents

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Abstract

一种使由外部电网的电力总线(104)供应电力的计算机(102)的电力消耗适应于该电力总线(104)的可用电力的方法，其中计算机(102)具有被配置用于运行计算任务的处理器(106)，并且其中电力总线(104)是AC总线或DC总线，该方法包括以下步骤:a.在AC电力总线的情况下测量电力总线(104)上的频率F，或者在DC电力总线的情况下测量电力总线(104)上的电压U，从而获得指示来自电力总线(104)的电力供应水平的电力供应测量值(Ubus)；和b.基于所获得的电力供应测量值(Ubus)来调整处理器的计算任务运行，从而保持、增加或减少计算机的电力消耗。

Description

基于供电电网状态的计算机电力消耗管理
技术领域
本公开总体上涉及数字电子计算机的供电领域。更具体地，重点在于使数字电子计算机消耗的电力与计算机可从外部电源获得的电力相匹配。
本公开的一个重要应用是管理数据中心中的服务器负载。
背景技术
W.Qi等人于2019年在《伊朗科技》D辑第26卷第6期第3559-3570页发表的文章“通过利用数据中心负载提供频率调节来实现绿色数据中心微电网(Towards green datacenter microgrids by leveraging data center loads in providing frequencyregulation)”中提出了数据中心微电网的负载控制策略。在这种控制策略中，利用数据中心的计算服务器在处理延迟容忍任务方面的灵活性来控制数据中心的电力消耗，从而调节数据中心微电网的AC电力频率。
从第3564页开始，该控制策略在文章的第3节进行了解释，并由文章的图7示出：持续监控该数据中心微电网的公共耦合点处的AC电力频率，如果频率下降到低于参考频率太多，则关闭数据中心中的计算服务器以减少微电网上的负载。
这种已知的数据中心电力管理方案的唯一目的是将AC电力供应频率保持在正常工作频率(例如60Hz)附近的范围内。这是为了确保整个微电网的稳定性和安全性。
这种方案的缺点在于，对数据中心的计算服务器的性能有相当大的负面影响。事实上，每次出现电力短缺，整个服务器集群都会被关闭。
发明内容
鉴于以上所述，本公开的目的是提供一种改进的方法，使电网中的计算机、尤其是服务器的电力消耗适应于电网中变化的电力供应水平。
根据本公开，该目的通过一种使由外部电网的电力总线供应电力的数字电子计算机的电力消耗适应于可从该电力总线获得的瞬时电力的方法来实现，其中该数字电子计算机具有处理单元，该处理单元被配置用于运行计算任务，并且其中该电力总线是以电频率F提供AC电力的AC总线，或者是以电压U提供DC电力的DC总线，该方法包括以下步骤：a.在AC电力总线的情况下测量电力总线上的瞬时电频率F，或者在DC电力总线的情况下测量电力总线上的瞬时电压U，从而获得指示来自电力总线的电力供应的瞬时水平的电力供应测量值，以及b.基于所获得的电力供应测量值来调整处理单元的计算任务运行，从而保持、增加或减少计算机的电力消耗。
换句话说，计算机的处理单元运行任务的方式取决于外部电网的当前电力状态。根据来自外部电网的可用电力，处理单元将执行更多或更少的任务、更慢地运行任务或更快地运行任务。因此，可以更加精确和动态地调整电网上的IT负载。具体而言，可以通过增加或减少处理单元的任务运行来以小增量修改IT负载。
与上述文章的控制策略相反，本公开的方法遵循自下而上的方案。根据本公开，在数据中心电网的情况下，每个计算服务器进行其自己的单独和独立的负载管理。换言之，负载控制任务是分布在所有不同的计算服务器上的。
根据本公开，是单独的计算机在监控外部电网的健康状况并相应地调整其消耗。如果电网有充足的可用电力，计算机会以最大能力运行其处理单元。另一方面，如果电网出现电力短缺，计算机会降低其处理单元的速度。
以下特征可以单独或相互结合地选择性实施:
-步骤b包括以下步骤b1：如果电力供应测量值下降至与处理单元当前运行的一个或多个任务相关联的预定降速阈值以下，则将较少的处理单元资源分配给相关联的一个或多个任务，以减少处理单元的电力消耗；
-在步骤b1中，随着电力供应测量值继续减小至该预定降速阈值以下，较少资源的该分配线性地增加；
-在步骤b中，如果电力供应测量值下降至与处理单元当前运行的一个或多个任务相关联的预定下限终止阈值，则终止相关联的一个或多个任务；
-在步骤a之后并且在步骤b之前，从所获得的电力供应测量值中导出电力供应水平指示符的步骤，该电力供应水平指示符指示来自电力总线的电力供应的瞬时水平，并且其中，在步骤b中，所导出的电力供应水平指示符被用作调整处理单元的计算任务运行的参考；
-步骤b包括以下步骤b1：如果电力供应水平指示符下降至与处理单元当前运行的一个或多个任务相关联的预定降速阈值以下，则将较少的处理单元资源分配给相关联的一个或多个任务，以减少处理单元的电力消耗；
-在步骤b1中，随着电力供应水平指示符继续减小至该预定降速阈值以下，较少资源的该分配线性地增加；
-在步骤b中，如果电力供应水平指示符下降至与处理单元当前运行的一个或多个任务相关联的预定下限终止阈值，则终止相关联的一个或多个任务；
-数字电子计算机包括用于管理由处理单元运行的计算任务的任务管理器，并且步骤b至少部分地由该任务管理器执行；、
-电力总线是DC总线，数字电子计算机的电力供应链包括DC电力供应单元，DC电力供应单元的输入侧电连接至DC电力总线，电压传感器布置在DC电力供应单元的输入侧，并且电压传感器适于执行该方法中的步骤a。
本公开还涉及一种管理数据中心中的电力消耗的方法，该数据中心包括多个计算服务器和向计算服务器供应电力的电力总线，其中，根据如上详述的方法来调整每个计算服务器的电力消耗。
可选地，在该电力消耗管理方法中，步骤a被实施为中央测量操作，并且所获得的电力供应测量值被传输到每个计算服务器，以用作调整计算服务器的电力消耗的基础。
附图说明
现在将参照附图详细描述本公开的优选实施例，附图中:
图1是根据本公开的第一数据中心及其相关电源的框图。
图2是根据本公开的第二数据中心及其相关电源的框图。
图3示出了两组电力曲线，示出了根据本公开如何调整位于数据中心的计算服务器的CPU的电力消耗。
具体实施方式
图1示出了根据本公开的第一数据中心100。
通常，数据中心100是IT设施，其向付费客户提供比如数据存储、数据处理及计算的IT服务。
数据中心100包括多个计算服务器102和向计算服务器102供应电力的电力总线104。计算服务器102处理不同的IT服务。
图1中仅示出了两个服务器，标记为“服务器1”和“服务器i”，但是实际上数据中心100可以包含数千个服务器102。
服务器102都是数字电子计算机。由此，每个服务器102包括处理单元106。
通常，处理单元106是服务器的中央处理单元或CPU。然而，其也可以是图形处理单元(GPU)或其他类型的处理单元。
处理单元106在任务管理器108的控制下运行各种计算任务，该任务管理器108也是服务器102的一部分。
任务管理器108管理由处理单元106运行的计算任务。具体而言，任务管理器108可以向处理单元106分配新任务，可以终止处理单元106运行任务，或者可以改变处理单元资源向各种任务的分配。由此，任务管理器108可以加速或减慢特定任务的运行。任务管理器108可以在服务器102中实施为硬件和/或软件模块。
在本示例中，每个服务器102还包括DC电力供应单元或PSU 110。PSU 110是DC-DC转换器，其将DC总线104的较高电压转换成服务器102所需的较低电压。如图1所示，PSU 110向处理单元106以及服务器102的其他组件供电。
PSU 110的输入侧112电连接至DC电力总线104。
电压传感器114布置在PSU 110的输入侧112。在此，电压传感器114是服务器102的一部分。然而，可替换地，PSU 110和电压传感器114都可以位于服务器102的外部。在这种情况下，PSU 110可以实施为DC电力总线104和服务器102之间的独立装置。
每个服务器102还包括监控模块116。监控模块116可以实施为例如逻辑电路形式的硬件，或者实施为软件模块。
监控模块116接收由电压传感器114输出的电压测量值Ubus作为输入。
监控模块116的输出是一组负载系数LFj，其被发送到任务管理器108。监控模块116的作用是持续监控DC总线104上电压Ubus的变化，并通过负载系数LFj告知任务管理器108何时以及如何降低由CPU 106执行的各种任务的速度。
在本示例中，来自电力总线104的可用电力由三个不同的电源10、12和14提供。电源10对应于公共AC电网。电源12是电池。电源14是可再生能源，比如太阳能电池板阵列。
从图1中可以明显看出，电源10、12和14、DC总线104以及相应的电力供应单元110一起形成数据中心100的每个服务器102的电力供应链。
从服务器102来看，DC电力总线104以及电源10、12和14一起形成外部电网，并且服务器102连接至外部电网。
图1和图2所示的电气系统是直流(DC)系统。然而，本公开同样适用于类似的交流系统，其中电力总线104/204是交流(AC)总线，并且电压传感器114/214由用于测量AC电力总线上的瞬时电频率的频率传感器来代替。
参考图1和图3，现在将描述，根据本公开，如何根据可从DC电力总线104获得的电力来调整服务器102的电力消耗。
在图1和3所示的示例性方法中，一般的控制策略是，当DC总线104上电力短缺时，降低CPU 106的任务运行速度。这对于总线电压Ubus具有稳定效果，并且有助于减少由数据中心100汲取的电力与由电源10、12和14生成的电力之间的不平衡。
可从DC电力总线104获得的电量与电力总线上的电压Ubus相关。电压Ubus越高，可用电力越高。相反，如果总线电压Ubus较低，则没有太多电力可从DC电力总线104获得。
下调控制确保DC电力总线104上的电压Ubus保持在上限U最大值(Umax)和下限U紧急值(Uemer)之间。该电压范围(voltage corridor)由图3底部的电压标度表示。总线电压Ubus不得低于紧急电压Uemer，以防止数据中心100断电。总线电压Ubus也不得高于最大电压Umax，以防止电力泛滥，电力泛滥可能损坏数据中心100中的设施。
在由Umax和Uemer界定的电压范围内，有两个中间电压：U平衡电压(Ubal)和U最小电压(Umin)。电压Ubal是DC电力总线104的最佳电压。在该电压下，由电源10、12和14生成的电力与由数据中心100消耗的电力之间存在平衡。最小电压Umin是高于临界下限Uemer的下限值。当总线电压Ubus下降至低于最小电压Umin、但仍高于临界电压Uemer时，DC电力总线104上存在电力短缺。应该避免这种情况，但是数据中心100仍然可以在限电模式下工作。如果总线电压Ubus下降至低于临界极限值Uemer，则电力短缺变成断电，并且数据中心100中的设施将开始不受控制地关闭。因此，图1所示的包括电源10、12和14、DC电力总线104以及服务器102的电气系统应该以这样的方式被控制，以保持总线电压Ubus在Umax和Umin之间。例外情况下，总线电压Ubus可能低于Umin，但不得低于Uemer。
在图1和图3的实施例中，每个服务器102具有电压传感器114，使得其可以持续监控总线电压，从而监控DC电力总线104上的电力水平。如果总线电压下降至低于最佳电压Ubal，则每个服务器102都将注意到这一点。然后，每个服务器可以开始减慢其CPU 106的任务运行，以稳定总线电压Ubus。另一方面，如果总线电压Ubus超过Ubal，则每个服务器102可以加速其CPU 106的任务运行和/或向其CPU 106分配额外的任务。
换言之，电压传感器114测量电力总线104上的瞬时电压Ubus，从而获得指示来自电力总线104的电力供应的瞬时水平的电力供应测量值。随后，基于所获得的电力供应测量值Ubus来调整每个处理单元106的计算任务运行，从而保持、增加或减少服务器的电力消耗。
更准确地说，在每个任务管理器108中，由相关联的CPU 106运行的任务根据优先级来排序。参考图3，第一服务器“服务器1”的CPU和第i服务器“服务器i”的CPU可以各自运行标记为“任务1”的第一任务T1、标记为“任务2”的第二任务T2以及一组其他任务T3，第一任务T1是计算任务并具有最高优先级，第二任务T2是备份任务并具有第二高的优先级，其他任务T3具有最低优先级。
现在将首先关注服务器1中实施的任务降速策略。该策略如图3a所示。
图3a中最上面的图示出了CPU的电力消耗如何根据由电压传感器114测量的总线电压Ubus而变化。可以看到，在Umax和Umin之间，CPU以全功率运行。然而，如果总线电压Ubus下降至低于Umin，则CPU会线性降速。如果总线电压Ubus下降至紧急电压Uemer，则CPU完全关闭。
CPU在Umin和Uemer之间的降速是计算任务T1、备份任务T2和其他任务T3降速的组合结果。
任务降速是如下实现的：两个电压阈值Uthj和Uendj与具有相同优先级的每个任务或任务组j相关联。第一电压阈值Uthj称为降速阈值，低于该电压时，任务或任务组j被降速。第二下限电压阈值Uendj称为终止阈值，在该电压下终止任务或任务组j。如果电力供应测量值Ubus下降至低于降速阈值Uthj，则将较少的处理单元资源分配给相关联的任务或任务组j，以减少处理单元的电力消耗。优选地，如图3a所示，随着电力供应测量值Ubus继续减小至低于降速阈值Uthj，分配给任务或任务组j的资源线性地减少。
如果电力供应测量值Ubus下降至下限终止阈值Uendj，则终止相关联的任务或任务组。
对于每个任务或任务组j，两个阈值Uthj和Uendj作为输入参数被提供给监控模块116(参见图1)。基于两个输入参数Uthj和Uendj以及总线电压测量值Ubus，监控模块116计算每个任务或任务组j的负载系数LFj。监控模块116将计算的负载系数LFj发送给任务管理器108。每个负载系数LFj是1到0之间的数字。可选地，负载系数LFj也可以被提供为100％和0％之间的百分比值。任务管理器108指示其CPU 106将任务或任务组j的处理负载减少一定倍数，该倍数由相应的负载系数LFj给出。例如，如果负载系数是0.5或50％，则相应的任务或任务组由CPU 106以正常负载的一半运行。
对于每个任务或任务组j，相应的负载系数LFj可以用以下两个公式来计算:
如果Ubus≥Uthj，则LFj＝1 (1)
如果Ubus<Uthj，则LFj＝1-(Uthj–Ubus)/(Uthj–Uendj) (2)
根据上述公式，如果DC电力总线104上的电压大于或等于降速电压Uthj，则负载系数等于1。这意味着，只要总线电压Ubus高于相应任务的降速电压，就百分之百地运行该任务。
然而，如果DC电力总线104上的电压Ubus下降至低于降速电压Uthj，则负载系数LFj下降到1以下。根据上面的公式(2)，随着DC电力总线104上的电压Ubus从降速电压Uthj下降至终止电压Uendj，负载系数LFj从1线性下降到0。负载系数LFj的线性下降率取决于降速电压Uthj和终止电压Uendj之间的差值。降速电压Uthj越接近终止电压Uendj，负载系数LFj的下降率越高。将根据相应任务或任务组j的优先级来选择降速电压Uthj的值和终止电压Uendj的值，从而选择二者之间的差值。这由图3a示出：具有最高优先级的任务T1的终止电压Uend1等于紧急电压Uemer，并且其降速电压Uth1接近终止电压Uend1。
具有较低优先级的任务T2的终止电压与任务T1相同。然而，降速电压Uth2和终止电压Uend2之间的差值较大，使得任务T2将比任务T1更早地被降速。具有最低优先级的其他任务T3的终止电压Uend3高于任务T1和T2的终止电压。此外，其他任务T3的降速电压Uth3是最高的，并且被设置为最小电压Umin。
在刚刚描述的服务器102的电力消耗的控制策略中，负载系数LFj的计算直接基于由电压传感器114提供的电压测量值Ubus。然而，可替换地，如下面详细描述的，代替直接使用电压测量值来计算负载系数，也可以首先从电力供应测量值Ubus导出电力供应水平指示符SOG，然后使用导出的电力供应水平指示符SOG来计算负载系数。
如在此使用的，指示符SOG指示来自电力总线104的电力供应的瞬时水平。指示符SOG是外部电网状态的指标，因此缩写为SOG，代表电网状态。
以下公式是如何计算指示符SOG的示例：
SOG ＝ (Ubus – Umin)/(Umax – Umin) (3)
根据公式(3)，SOG是总线电压Ubus的线性函数。同样根据公式(3)，由于总线电压Ubus只能在上限Umax和下限Umin之间变化，所以指示符SOG将是0和1之间的数字。
在上面的公式(3)中，在允许总线电压Ubus下降至与紧急电压Uemer一样低的设置中，Umin可以由Uemer代替。
使用上面定义的SOG指示符的优点在于，可以从该指示符直接确定当前可从电力总线104获得的电量。事实上，如果SOG指示符接近0，则可用电力非常少。如果SOG指示符接近1，则有充足的电力可用。从电压测量值Ubus估计可用电力是比较迂回的，因为需要知晓DC总线104的工作参数，即Umax和Umin。
当使用电力供应水平指示符SOG时，每个任务或任务组j的两个阈值是指示符阈值，而不是电压阈值。然后，每个任务或任务组j具有降速阈值SOGthj和终止阈值SOGendj。
上面的公式(1)和(2)变成:
如果SOG≥SOGthj，则LFj＝1(4)
如果SOG<SOGthj，则LFj＝1–(SOGthj–SOG)/(SOGthj–SOGendj)(5)
基于指示符SOG的任务降速由图3b中的图表示出。
图3b示出了在服务器i中实施的任务降速策略，而图3a示出了在服务器1中实施的任务降速策略。比较二者，可以看出，在服务器i中，当指示符SOG等于0时，即：当总线电压已经下降至Umin时，所有任务都被终止。然而，在服务器1中，具有高优先级的任务(例如任务T1和T2)可能仍然在某种程度上运行，直到总线电压已经下降至低于Umin的应急电压Uemer。
图3a中所示的任务降速策略可以应用于由高级客户(即：数据中心中支付高价的客户)租用的服务器中，从而即使数据中心100遭受电力短缺，也能保持运行其计算任务。
图3b的任务降速策略可以应用于由标准客户租用的服务器。
参考图2，本公开的电力消耗管理方法也可以应用于配备有保护设备218的数据中心200。保护装置218被布置在DC电力总线204和服务器202之间。保护装置218是电气、机电或电子组件，其在电网出现故障(例如短路)的情况下中断对相关联的服务器202的电力供应。
在数据中心200中，用于测量DC总线204上的电压的电压传感器214位于保护装置218中。因此，在数据中心200中，在每个保护装置218处集中测量总线电压Ubus，并且所获得的电力供应测量值Ubus被传输到每个计算服务器202，以用作调整计算服务器的电力消耗的基础。
在数据中心200中，由于电压测量值从中央位置218传输到各个服务器202，使得电力管理更加通用。例如，可以向其中一个服务器202发送虚拟电压值，而不是真实的总线电压Ubus。该虚拟电压值可以例如等于Umax，并且可以被传输到高优先级服务器。因此，即使实际总线电压Ubus很低，服务器也将保持满负载运行。
在另一变型中，除了中央电压传感器214之外，每个服务器202可以具有其自己的相关联的本地电压传感器(如图1所示)。如果来自中央电压传感器214的电压测量值的传输失败，这些附加的本地电压传感器可以充当备份。
以上说明和附图涉及配备有DC电力总线的数据中心。然而，本公开同样适用于具有AC电力总线的数据中心。在这种情况下，测量的是AC总线的瞬时电频率F，而不是电压。所测量的电频率F被用作可从AC电力总线获得的电力的指标，并且基于频率测量值来调整服务器的CPU的任务运行。

Claims (12)

1.一种使由外部电网的电力总线(104)供应电力的数字电子计算机(102)的电力消耗适应于可从所述电力总线(104)获得的瞬时电力的方法，
其中，所述数字电子计算机(102)具有处理单元(106)，所述处理单元(106)被配置用于运行计算任务(T1-T3)，并且
其中，所述电力总线(104)是以电频率F提供AC电力的AC总线，或者是以电压U提供DC电力的DC总线，
所述方法包括以下步骤:
a.在AC电力总线的情况下测量所述电力总线(104)上的瞬时电频率F，或者在DC电力总线的情况下测量所述电力总线(104)上的瞬时电压U，从而获得指示来自所述电力总线(104)的电力供应的瞬时水平的电力供应测量值(Ubus)；和
b.基于所获得的电力供应测量值(Ubus)来调整所述处理单元的计算任务运行，从而保持、增加或减少计算机的电力消耗。
2.根据前述权利要求所述的方法，其中，步骤b包括以下步骤:
b1.如果所述电力供应测量值(Ubus)下降至与所述处理单元(106)当前运行的一个或多个任务(T1-T3)相关联的预定降速阈值(Uthj)以下，则将较少的处理单元资源分配给相关联的一个或多个任务(T1-T3)以减少处理单元的电力消耗。
3.根据前述权利要求所述的方法，其中，在步骤b1中，随着所述电力供应测量值(Ubus)继续减小至所述预定降速阈值(Uthj)以下，较少资源的所述分配线性地增加。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b中，如果所述电力供应测量值(Ubus)下降至与所述处理单元(106)当前运行的一个或多个任务(T1-T3)相关联的预定下限终止阈值(Uendj)，则终止相关联的所述一个或多个任务(T1-T3)。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括在步骤a之后并且在步骤b之前，从所获得的电力供应测量值(Ubus)中导出电力供应水平指示符(SOG)的步骤，所述电力供应水平指示符(SOG)指示来自所述电力总线(104)的电力供应的瞬时电平，并且其中，在步骤b中，所导出的所述电力供应水平指示符(SOG)被用作调整所述处理单元(106)的计算任务运行的参考。
6.根据前述权利要求所述的方法，其中，步骤b包括以下步骤:
b1.如果所述电力供应水平指示符(SOG)下降至与所述处理单元(106)当前运行的一个或多个任务(T1-T3)相关联的预定降速阈值(SOGthj)以下，则将较少的处理单元资源分配给相关联的所述一个或多个任务(T1-T3)以减少处理单元的电力消耗。
7.根据前述权利要求所述的方法，其中，在步骤b1中，随着所述电力供应水平指示符(SOG)继续减小至所述预定降速阈值(SOGthj)以下，较少资源的所述分配线性地增加。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中，在步骤b中，如果所述电力供应水平指示符(SOG)下降至与所述处理单元(106)当前运行的一个或多个任务(T1-T3)相关联的预定下限终止阈值(SOGendj)，则终止相关联的所述一个或多个任务(T1-T3)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述数字电子计算机(102)包括任务管理器(108)，用于管理由所述处理单元(106)运行的计算任务(T1-T3)，并且其中，步骤b至少部分地由所述任务管理器(108)执行。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中:
所述电力总线(104)是DC总线；
所述数字电子计算机(102)的电力供应链包括DC电力供应单元(110)，所述DC电力供应单元(110)的输入侧(112)电连接至所述DC电力总线(104)；
电压传感器(114)布置在所述DC电力供应单元(110)的输入侧(112)；并且
所述电压传感器(114)适于执行所述方法的步骤a。
11.一种管理数据中心(100)中的电力消耗的方法，所述数据中心(100)包括多个计算服务器(102)和向所述计算服务器(102)供应电力的电力总线(104)，其中，根据前述权利要求中任一项所述的方法来调整每个计算服务器(102)的电力消耗。
12.根据前述权利要求所述的方法，其中，步骤a被实施为中央测量操作，并且其中，所获得的电力供应测量值(Ubus)被传输到每个计算服务器(202)以用作调整所述计算服务器的电力消耗的基础。
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