袁旭東

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518033）

0 引言

到目前為止，能源管理解決方案主要有以下3種：1）網(wǎng)絡電源管理[3]。2）電源系統(tǒng)的在線控制[4]。3）存儲電源管理[5]。當互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心被設想為大型且靈活的電力負載時，至少可以將總消耗能源的峰值減少20%[6]。并且可以利用本地燃料電池發(fā)電的靈活性和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心電源管理的潛在優(yōu)勢，將數(shù)據(jù)中心的工作負載空間轉(zhuǎn)移到能源更便宜或可再生資源豐富的地方，盡量降低成本[7]。

盡管在電力市場中已經(jīng)有了關(guān)于開發(fā)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的研究，但是針對互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心在電力和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中的擴展規(guī)劃的研究工作卻很少?；ヂ?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心擴展計劃可以解決未來站點建設/數(shù)據(jù)中心擴展的分配問題，最大限度地滿足人們對數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的需求。這種做法其實是非常重要的，因為預計未來的數(shù)據(jù)中心將建立在電價較低、數(shù)據(jù)路徑多、帶寬容量成本最低且對環(huán)境影響較低的地區(qū)。因此，該文研究的重點是在確保電力網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)中心擴展規(guī)劃的經(jīng)濟最低化的同時，也要保障能源供應的安全以及將對環(huán)境的影響降到最低。

1 實驗設計

數(shù)據(jù)中心擴展的問題是增加數(shù)據(jù)中心的容量和滿足數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中的客戶需求。每個互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心模塊由以下幾種類型的服務器組成，包括網(wǎng)絡服務器、應用服務器和數(shù)據(jù)庫服務器。需求的類型決定了工作負載的特征和相應服務器的負載模式。為了簡單起見，該文將需求都看作是同一類型的，工作負載取決于收到的需求數(shù)量。在一組后端服務器中，負載平衡器將對終端用戶接收到的請求進行匯合，用戶群體的需求通過數(shù)據(jù)路徑連接在一起，從而實現(xiàn)負載平衡、共享請求和在數(shù)據(jù)中心之間分配工作負載的目的。

首先，該文建立一個整體的電力和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡擴展計劃的框架圖；其次，把其中要涉及的內(nèi)容都反應在上面；再次，通過相應的建模和公式框架中最難解決的能源計算問題進行計算；最后，通過其他能源和電能的換算，得出可以相應削減的成本，這對最后選擇建立電力網(wǎng)絡地區(qū)有很大的作用。

該文的擴展計劃框架添加了電力和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中的不確定性，包括需求變化和可再生能源的波動性。圖1顯示了電力和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心擴展計劃的擬議框架。如圖1所示，數(shù)據(jù)中心投資者通過采購不同的解決能源和成本的方案，對1個或多個傳輸電網(wǎng)公司進行評估。在傳輸公司決策后，管理數(shù)據(jù)中心投資者通過確定數(shù)據(jù)網(wǎng)絡不確定性等問題，整合出一個最終方案來解決上述問題。如果數(shù)據(jù)中心投資者采購的不同解決能源和成本的方案都存在不可行性，那么就會生成不可行性削減并將其發(fā)送回數(shù)據(jù)中心投資者。換句話說，管理數(shù)據(jù)中心投資者將有關(guān)方案的決定發(fā)送給傳輸公司進行評估。如果能源供應不足或者成本需求太高，那么傳輸公司進行評估時，就可以提出意見或者駁回方案。當傳輸公司對方案沒有異議時，可以將方案發(fā)給獨立的系統(tǒng)運營商，根據(jù)初步擬定的方案對將要建立電力系統(tǒng)的地點進行調(diào)查。隨后，獨立的系統(tǒng)運營商把在當?shù)亟㈦娏ο到y(tǒng)最低價格的地區(qū)反饋給數(shù)據(jù)中心投資者，以便數(shù)據(jù)中心投資者確定在不同情況下的運行成本，并在需要時更新擴展決策。一旦擴展決策可行且滿足運營成本，就可以隨時擴展。

圖1 電力和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心擴展計劃的擬議框架

當然，在確保降低運行成本的同時，還要考慮每種情況下電網(wǎng)的安全性，如果互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心做出的決定不能保證能源安全，那么獨立運營商就會發(fā)送地區(qū)最低價格超過預期的信號到數(shù)據(jù)中心，以改變互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的決定，直到能源供應安全得到保障。互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心做出的決定確保了電網(wǎng)能源的安全，這是其中必須考慮到的一個環(huán)節(jié)。

2 實驗結(jié)論

在電力和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心擴展計劃的擬議框架中，最難處理的問題就是獨立運營商對地區(qū)最低價格的計算，因為這涉及地區(qū)建設的難易程度和其他能源和電力的換算問題。如果考慮不全面，就很可能使數(shù)據(jù)中心投資者的擴展規(guī)劃選址失敗，導致不可挽回的經(jīng)濟損失。電力行業(yè)的管制開放，使電力市場中越來越多的公司嘗試通過使用不同的能源來發(fā)電，風能發(fā)電是清潔和可持續(xù)的，具有較低的邊際成本。但是風力發(fā)電會受天氣的嚴重影響，波動較大，不好測量。因為風力發(fā)電的不確定性對電力供應有重要影響，所以該文運用了相應的儀器對風能進行系統(tǒng)的測量。

為了進一步克服風力的不確定性對電能轉(zhuǎn)化的影響，公司可以實時對風能和電能的轉(zhuǎn)化進行計算。在實時計算中，公司將每小時更新風能在總能源中的預估占比，主要的計算流程如圖2所示，把運營商的能量來源分為風能和電能2個部分：1）公司獲取電能輸送的數(shù)據(jù)，然后傳送給數(shù)據(jù)中心。2）公司獲得風能轉(zhuǎn)化為電能能源的數(shù)據(jù)，然后輸送給數(shù)據(jù)中心。一旦數(shù)據(jù)中心得到數(shù)據(jù)，就可以得出相應的風能數(shù)值。由于公司要確保最后輸送給用戶的能源是恒定的，而風力發(fā)電又是不穩(wěn)定的，因此公司要根據(jù)風能的數(shù)值不斷調(diào)節(jié)輸送的電能數(shù)值。為了滿足用戶的用電負荷，公司將提供大于用戶的實際需要的能源。對于公司的利潤來說，電能占比必須低于風力發(fā)電的最大發(fā)電量。公司發(fā)電量過多就會導致資源浪費。我們假設公司發(fā)電量過多，需要對多余的電源進行相應的存儲，因為在存儲系統(tǒng)中需要投入較高的成本，所以公司一般不會存儲太多的發(fā)電量。這時公司就需要計算出風能產(chǎn)生的總能源，并且額外需要的電能。在這樣的情況下，公司不僅可以同時滿足用戶的用電需要，還可以獲得最佳利潤。這將有利于電力市場的發(fā)展。而且，通過使用這種模型，公司發(fā)電量不會過多，可以充分避免電力資源的浪費，極大地響應了國家的節(jié)能減排的號召。

圖2 運營商能源來源示意圖

從圖2的流程可以知道，公司要通過一定的方法來測量風能能源數(shù)值，并確定風能在總能源中的占比。一般在風電測量方面，有預測模型和實際測量模型2種模型。

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一些研究采用預測模型是因為風電的量化轉(zhuǎn)變非常復雜。這種轉(zhuǎn)化取決于時間尺度（預測地平線）、風力發(fā)電廠的生產(chǎn)水平和空間布局以及天氣和風力。研究界一直在研究計算轉(zhuǎn)化的方法，有的研究人員考慮到前面提到的因素，并以概率預測的形式提供預測。采用這種不確定性的預測方法可以為預測用戶提供額外的信息，并在運營決策中提高預測的利用率。預測模型雖然可以提高預報精度，但是依然可能發(fā)生意外情況。

該文采用更為直接的實際測量模型，下文將對相應的測量風能的裝置和應用進行詳細的說明。該文使用的是WD411X模型，該模型可以被用來測量風力系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)。而且WD411X系列風速傳感器，是專為精確測量管道風速而研發(fā)的，其管道形狀無特殊要求，可以放置在任意形狀的管道內(nèi)，也可以通過多點測量的測量方式，消除風管內(nèi)紊流產(chǎn)生的誤差，從而準確測量風速的有效值。

外殼是高溫耐腐蝕性材料，抗污染能力強，維護成本低，性價比高。由于傳感器的工作原理是散熱管原理，所以空氣的需求量很小，與傳統(tǒng)風葉式風速傳感器相比，其具有低壓段重復性高、能夠快速更換以及測量微小風量精度更加精確的特點。通過寬量程得到的數(shù)據(jù)，比通過內(nèi)部的微控制器進行全量程得到的數(shù)據(jù)標定得更為精確。（線性補償和溫度補償均為數(shù)字化實現(xiàn)，具有精度和分辨率高，無零點漂移，長期穩(wěn)定性極好的特點。）WD411X系列風速傳感器精密的內(nèi)置溫度補償電路的工作原理為通過PTAT能隙基準溫度傳感器來測量芯片上的溫度，將數(shù)據(jù)反饋到CMOS傳感器芯片進行補償，該文根據(jù)大部分地區(qū)的環(huán)境，將風速傳感器的量程訂制為電路0～3 m/s，輸出為0～5 V，電源為24 V，工作電流為15 mA，精度為1%FS。

風力發(fā)電需要的設備稱為風力發(fā)電單元。風力渦輪機可分為3個部分：風力渦輪機（包括尾舵），發(fā)電機和塔筒風。風速傳感器參數(shù)與典型傳感器精度比較，見表1。從表1中，可以知道WD411X系列風速傳感器的適用溫度為-40 ℃，基本可以適用于中國絕大部分地區(qū)。而且這種傳感器的保存溫度可以達到60 ℃，并無特殊存儲要求，可以應用的區(qū)域廣泛。計算輸出風速值如下。

表1 風速傳感器性能說明

輸出風速值=當前輸出電壓×最大量程（其中最大量程為5 V）

利用所需要的傳感器，測出風速值v，然后根據(jù)公式（1）計算出風速傳遞的能量。式中：E為產(chǎn)生的總能源，J，ρ為空氣密度，kg/m2，t為時間，s，s為橫截面積，m2。

風能轉(zhuǎn)化率用Cp表示，表示了風力發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)化成電能的轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)貝茲理論，風力發(fā)電機最大風能利用系數(shù)為0.593。風能利用系數(shù)大小與葉尖速比和槳葉節(jié)距角有關(guān)系。它的具體表達式如公式（2）所示。

式中：P電為電功率,W；S為掃風面積，m2，即A=?π×R2（π=3.14159，R為半徑，即風葉長度）；v為風速，m/s；Cp為一種風能轉(zhuǎn)化率，根據(jù)貝茲極限，Cp最高值為59%。

式中：W為功，J；P電為電功率，W；t為放電時間，s。

通過風速v的值，可以得到實際的風能；隨后根據(jù)實際測得的電能的值，可以把風能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率Cp（貝茲極限）求出。

通過一段時間的測量，可以得到不同的貝茲極限，然后導入數(shù)據(jù)中心，對數(shù)據(jù)進行分析，去掉偏差較大的數(shù)據(jù)后，對剩余的數(shù)據(jù)求平均值，得到最后的貝茲極限值。有了貝茲極限值，我們可以在這相近區(qū)域內(nèi)，通過風速預估風能所產(chǎn)生的電能，這也避免了不必要的能源消耗。

從表2中，我們可以看出，Cp為 40%～50%，變化較平緩。這就說明風能轉(zhuǎn)化為電能容易預測，在這部分區(qū)域可以通過測試風能速度來確定選址。圖3是對表2的圖例，通過10次測量可能看出，Cp的平均值為44%，Cp的最大轉(zhuǎn)化率為59%，測得的Cp為44%，浮動較小，更為直觀地表現(xiàn)出風能轉(zhuǎn)化為電能的穩(wěn)定性。最后，把所測得的運營商所能運用的風能，風能轉(zhuǎn)化率Cp導入數(shù)據(jù)中心。為區(qū)域選址提供了額外幫助，極大地節(jié)省了測量電能的成本，能方便快捷地擴大選址規(guī)劃，也節(jié)約了成本。

圖3 測試次數(shù)和所得的風能轉(zhuǎn)化率Cp

表2 測試次數(shù)和得到的風能轉(zhuǎn)化率Cp

3 結(jié)語

該文提出了電力和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)中心的協(xié)調(diào)擴展規(guī)劃框架。羅列了擴展規(guī)劃公式和解決方案，該方案涵蓋了電力網(wǎng)絡中發(fā)電和輸電的不確定性以及在運營中其他能源應用的可能性。并且該文設計出了在滿足用戶用電量的情況下，盡可能地減少公司能源消耗的方案，目標是最大限度地降低電力和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)路徑的安裝和運營成本。