本文摘要：摘要：基于柔性直流配電系統(tǒng)(FlexibleDCDistributionSystem，F(xiàn)DCDS)技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場(chǎng)景，從多個(gè)層面對(duì)數(shù)據(jù)中心FDCDS進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，對(duì)于提高數(shù)據(jù)中心供電的可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。為此，本文提出了一種面向數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場(chǎng)景的FDCDS多目標(biāo)綜合評(píng)
摘要：基于柔性直流配電系統(tǒng)(FlexibleDCDistributionSystem，F(xiàn)DCDS)技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場(chǎng)景，從多個(gè)層面對(duì)數(shù)據(jù)中心FDCDS進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，對(duì)于提高數(shù)據(jù)中心供電的可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。為此，本文提出了一種面向數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場(chǎng)景的FDCDS多目標(biāo)綜合評(píng)估方法。首先從供電可靠性需求、投資建設(shè)運(yùn)行成本角度、數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景需求和節(jié)能需求等方面建立了數(shù)據(jù)中心FDCDS的綜合評(píng)估指標(biāo)體系;其次，為了使所確定的指標(biāo)權(quán)重能夠同時(shí)體現(xiàn)專家經(jīng)驗(yàn)和指標(biāo)本身的客觀差異性，利用序關(guān)系法和離差最大化法相結(jié)合的方法來確定指標(biāo)權(quán)重，進(jìn)而提出了基于類高斯分布型模糊隸屬度函數(shù)的數(shù)據(jù)中心FDCDS多目標(biāo)綜合評(píng)估方法。最后通過對(duì)不同配電系統(tǒng)算例進(jìn)行多目標(biāo)綜合評(píng)估，驗(yàn)證了所提評(píng)估指標(biāo)體系和方法的有效性。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心;柔性直流配電系統(tǒng);指標(biāo)體系;模糊隸屬度函數(shù);綜合評(píng)估
0引言
當(dāng)前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型步伐的加快，各行各業(yè)對(duì)于數(shù)據(jù)處理的需求和可靠性要求越來越高，數(shù)據(jù)中心也逐漸向著高速集中和規(guī)�；姆较虬l(fā)展[12]。數(shù)據(jù)中心的不斷發(fā)展對(duì)配電網(wǎng)的供電水平和能力提出了更高的要求，采用合理的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案才能保障集中度高且需長(zhǎng)時(shí)間不斷電運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的高效可靠運(yùn)行。
當(dāng)前的數(shù)據(jù)中心大多采用交流供電的形式，但存在可靠供電效率低、電能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多等問題[3]，而采用直流供電形式是一種新型的高效供電方案。為此，為驗(yàn)證高壓直流供電系統(tǒng)的安全性、可靠性等，國家電網(wǎng)公司搭建了數(shù)據(jù)中心直流供電平臺(tái)，并進(jìn)行了帶載試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明，直流形式的供電系統(tǒng)在可靠性、穩(wěn)定性等方面優(yōu)于傳統(tǒng)交流供電形式，可在數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景中推廣應(yīng)用[4]。而國內(nèi)外數(shù)據(jù)行業(yè)的相關(guān)著名企業(yè)也均已開展了數(shù)據(jù)中心配用電直流化的實(shí)踐[5]。
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，基于全控型器件和脈寬調(diào)制控制的柔性直流配電技術(shù)憑借其高可控性和高效的用能效率等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為中低壓配電方式的優(yōu)選模式[68]。國家工信部2019年出臺(tái)的《關(guān)于加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見》中也對(duì)今后建設(shè)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)提出了發(fā)展多種能源接入時(shí)柔性轉(zhuǎn)供電管理技術(shù)等需求。因此，基于柔性直流配電技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場(chǎng)景，從系統(tǒng)可靠性、投資建設(shè)成本、節(jié)能指標(biāo)、供電質(zhì)量提升等多個(gè)層面研究數(shù)據(jù)中心FDCDS的量化評(píng)價(jià)方法，可因地制宜為實(shí)際數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景提供最合理規(guī)劃配置方案，對(duì)于提高數(shù)據(jù)中心供電的可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。目前已有國內(nèi)外的研究文獻(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中心供用電系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)和方法進(jìn)行了相關(guān)研究。
在數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的可靠性評(píng)估方面，文獻(xiàn)[9]對(duì)數(shù)據(jù)中心分布式能源系統(tǒng)的供電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)的可靠度進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)[10]提出了一種針對(duì)樹型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)可靠性和可用性的分層評(píng)估框架，旨在根據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行合理的組網(wǎng)優(yōu)化數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)分布。在數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估方面，文獻(xiàn)[11]提出了一種基于經(jīng)濟(jì)性的數(shù)據(jù)中心光伏和儲(chǔ)能電池協(xié)同優(yōu)化配置模型，文獻(xiàn)[12]建立了含風(fēng)光水的發(fā)電端與負(fù)荷端數(shù)據(jù)中心的優(yōu)化調(diào)度模型，提高了系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)效益。
此外，針對(duì)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題，文獻(xiàn)[13]根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析并提出了相應(yīng)的治理方法�？傮w來說，相關(guān)評(píng)估研究均只針對(duì)影響系統(tǒng)運(yùn)行的某一個(gè)方面展開的，而結(jié)合數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的場(chǎng)景需求，從可靠性與供電質(zhì)量、投資建設(shè)成本、節(jié)能指標(biāo)等多個(gè)方面進(jìn)行綜合分析與評(píng)估的研究較少。
本文首先根據(jù)數(shù)據(jù)中心FDCDS的特征，從供電可靠性需求、投資建設(shè)運(yùn)行成本角度、數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景需求和節(jié)能需求四個(gè)方面建立了其綜合評(píng)估指標(biāo)體系;其次，通過引入類高斯分布型隸屬度函數(shù)，提出了基于模糊隸屬度函數(shù)的系統(tǒng)多目標(biāo)綜合評(píng)估方法，且在求取各指標(biāo)權(quán)重時(shí)將序關(guān)系法和離差最大化法結(jié)合，使得所確定的指標(biāo)權(quán)重能夠同時(shí)體現(xiàn)專家經(jīng)驗(yàn)和指標(biāo)本身的客觀差異性;最后通過實(shí)例分析表明了所提方法的有效性。
1評(píng)估指標(biāo)體系
為了對(duì)面向數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場(chǎng)景的FDCDS進(jìn)行評(píng)估，本文綜合考慮了數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)的供電可靠性需求、投資建設(shè)與運(yùn)行成本、場(chǎng)景需求、節(jié)能需求等因素，建立了數(shù)據(jù)中心FDCDS多目標(biāo)評(píng)估指標(biāo)體系。通過建立該指標(biāo)體系并進(jìn)行綜合評(píng)估，可以給數(shù)據(jù)中心FDCDS的規(guī)劃建設(shè)提供指導(dǎo)建議，從而最大限度地發(fā)揮FDCDS在數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
1.1供電可靠性需求
提高數(shù)據(jù)中心FDCDS的供電可靠性是推進(jìn)數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景應(yīng)用的首要目標(biāo)。在本文，數(shù)據(jù)中心FDCDS的供電可靠性主要由兩個(gè)指標(biāo)來衡量：①FDCDS可靠性指標(biāo)數(shù)據(jù)中FDCDS的可靠性指標(biāo)Y1可由系統(tǒng)關(guān)鍵元器件的可靠性評(píng)估模型經(jīng)過解析或模擬等方法處理后得到，主要可以用來衡量為數(shù)據(jù)中心負(fù)荷持續(xù)可靠供電的能力，同時(shí)還應(yīng)考慮數(shù)據(jù)中心備用電源情況。本文采用最小割集法[14]進(jìn)行數(shù)據(jù)中FDCDS的可靠性分析，最小割集法通過模擬從電源到負(fù)荷點(diǎn)的一條或多條供電路徑，形成各負(fù)載點(diǎn)的最小割集，從而將系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為元件的串并聯(lián)關(guān)系以求得系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。
在數(shù)據(jù)中心FDCDS中，都會(huì)配置有備用電源以保證供電的可靠性。備用電源可以是另一路市電、小型發(fā)電機(jī)組、或者是不間斷電源(UninterruptedPowerSupply,UPS)。因此在獲取數(shù)據(jù)中心FDCDS的供電可靠性指標(biāo)時(shí)，還需要考慮備用電源的影響。當(dāng)系統(tǒng)中主供電區(qū)發(fā)生失電情況時(shí)，可由聯(lián)接開關(guān)轉(zhuǎn)換至備用供電區(qū)，這樣就形成了備用割集，備用電源本身的可靠性水平將由該備用割集反映。因此，備用割集的存在會(huì)對(duì)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)中的年平均停電時(shí)間產(chǎn)生影響，需要根據(jù)負(fù)荷點(diǎn)轉(zhuǎn)移到備用電源的成功概率更新系統(tǒng)的年平均停電時(shí)間指標(biāo)值[15]。
1.2配電系統(tǒng)投資建設(shè)與運(yùn)行成本指標(biāo)
數(shù)據(jù)中心柔性直流配電網(wǎng)的投資與運(yùn)行成本指標(biāo)是衡量數(shù)據(jù)中心建設(shè)推廣的市場(chǎng)潛力和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的重要方面。
1.3數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景需求
在數(shù)據(jù)中心FDCDS的建設(shè)評(píng)估時(shí)，考慮直流配電系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景需求之間的匹配程度[18]。本文從系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)中心源荷特性”和“數(shù)據(jù)中心柔性直流配電網(wǎng)絡(luò)特性”兩個(gè)方面，提出了評(píng)估數(shù)據(jù)中心需求的配電系統(tǒng)場(chǎng)景指標(biāo)。①數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的源荷特性在數(shù)據(jù)中心源荷特性方面設(shè)置了可再生電源綜合占比和敏感數(shù)據(jù)負(fù)荷占比兩個(gè)指標(biāo)[18]，用以描述數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的源荷需求匹配特性�；谌嵝灾绷骷夹g(shù)的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)對(duì)分布式風(fēng)光等可再生電源提供了靈活的接入方式，也促進(jìn)了數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的綠色清潔和可持續(xù)性。
因此，本文設(shè)置了可再生電源綜合占比指標(biāo)Y5來描述數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景對(duì)清潔可再生電源的需求。另一方面，數(shù)據(jù)中心內(nèi)大量的敏感數(shù)據(jù)負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)的規(guī)劃要求有著很大的影響，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器對(duì)配電系統(tǒng)的電壓非常敏感，一旦發(fā)生供電問題將會(huì)引起非常大的經(jīng)濟(jì)損失。
1.4配電系統(tǒng)節(jié)能需求
隨著各行各業(yè)數(shù)字化進(jìn)程的加快，數(shù)據(jù)中心負(fù)荷的功率密度越來越高，隨之帶來的能源消耗也越來越大，因此，在對(duì)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，需要合理并有效地評(píng)估數(shù)據(jù)中心負(fù)荷的資源消耗水平以符合節(jié)能需求。數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)的節(jié)能評(píng)估指標(biāo)可根據(jù)TheGreenGrid組織提出的能源使用效率(Powerusageeffectiveness,PUE)、水使用效率(Waterusageeffectiveness,WUE)和碳使用效率(Carbonusageeffectiveness,CUE)進(jìn)行定義[20]。其中，能源使用效率PUE用來衡量數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)施總能耗和IT設(shè)備能耗之間的關(guān)系，從而為數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵設(shè)備部署運(yùn)行提供的能耗方面的判斷指導(dǎo)。
PUE的準(zhǔn)確測(cè)量較為復(fù)雜，還包括數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備內(nèi)部的散熱組件等，可通過基本級(jí)測(cè)量法獲取。水使用效率WUE用來評(píng)估數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)中包括日常用水、冷卻用水、加濕用水等水資源消耗情況。碳使用效率CUE可以用來衡量數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的溫室氣體排放情況，理想情況下其值為0，表示系統(tǒng)無碳排放或?qū)崿F(xiàn)了碳排放的中和。
2基于模糊隸屬度函數(shù)的綜合評(píng)估方法
根據(jù)上一節(jié)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，本文設(shè)計(jì)了一種基于模糊隸屬度函數(shù)的多目標(biāo)綜合評(píng)估方法，對(duì)數(shù)據(jù)中心FDCDS進(jìn)行評(píng)價(jià)選優(yōu)。
3算例分析
為了驗(yàn)證本文所提綜合評(píng)估方法的有效性，本算例選擇不同配電系統(tǒng)作為被評(píng)估對(duì)象(對(duì)象1~對(duì)象5)進(jìn)行多目標(biāo)綜合評(píng)估。由于現(xiàn)階段數(shù)據(jù)中心FDCDS工程尚處于探索階段，缺乏必要的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，因此本算例結(jié)合了FDCDS相關(guān)文獻(xiàn)[18]中的資料作為數(shù)據(jù)來源。
由于各指標(biāo)值量綱不一致，因此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了無量綱處理。根據(jù)被評(píng)估對(duì)象的各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)，利用類高斯分布型隸屬度函數(shù)計(jì)算各指標(biāo)數(shù)據(jù)的隸屬度值，計(jì)算出各指標(biāo)數(shù)據(jù)的改進(jìn)隸屬度值。由于不同隸屬度函數(shù)不會(huì)明顯影響評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度，因此本算例并未對(duì)不同參數(shù)的類高斯分布型隸屬度函數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。進(jìn)而，考慮不同的評(píng)估優(yōu)先度，利用序關(guān)系法和離差最大化法組合而成的主客觀結(jié)合賦權(quán)法得出各指標(biāo)權(quán)重，最后得到關(guān)于多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果�？芍u(píng)價(jià)結(jié)果相差在千分位，其主要原因在于被評(píng)估對(duì)象的各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)相差不是很大，這也符合數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)建設(shè)的高可靠性等一般原則。盡管如此，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果之間的橫向比較，仍然可以得到不同對(duì)象的綜合評(píng)估結(jié)論。
4結(jié)論
1)本文首先從供電可靠性需求、投資建設(shè)運(yùn)行成本角度、數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景需求和節(jié)能需求等方面建立了數(shù)據(jù)中心柔性直流配電系統(tǒng)的綜合評(píng)估指標(biāo)體系。
2)提出了基于類高斯分布型模糊隸屬度函數(shù)的多目標(biāo)綜合評(píng)估方法，并結(jié)合序關(guān)系法和離差最大化法提出了指標(biāo)權(quán)重的確定方法，使得所確定的指標(biāo)權(quán)重能同時(shí)體現(xiàn)專家經(jīng)驗(yàn)和指標(biāo)本身的客觀差異性。
3)提出了數(shù)據(jù)中心柔性直流配電系統(tǒng)的綜合評(píng)估步驟，并通過實(shí)例表明了所提評(píng)估指標(biāo)體系和方法的有效性。
參考文獻(xiàn)References
[1]趙天陽,張華君,徐巖,等.不確定環(huán)境下含云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的電網(wǎng)韌性增強(qiáng)調(diào)度[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2021,45(3):4957.ZHAOTianyang,ZHANGHuajun,XUYan,etal.Resilienceenhancedschedulingofpowersystemwithcloudcomputingdatacentersunderuncertainty[J].AutomationofElectricPowerSystems,2021,45(3):4957.
[2]YANGYugang,WUYanqiu,SUNXiaoyu,etal.DesigncriterionandguidelinesforthreephaseasymmetriccoupledinductorsininterleavingDC/DCconverterforVRMindatacentresandPOL[J].IETPowerElectronics,2020,13(13):28542865.
[3]杜先波,陳國琳,唐一銘,等.多站融合型數(shù)據(jù)中心交直流供電模式對(duì)比分析[J].電力需求側(cè)管理,2021,23(1):8489.
作者：陳冰1,2，倫振堅(jiān)1，張學(xué)昶1，陸子凱1，鄧文揚(yáng)2，張勇軍2
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///nylw/28627.html
