李明臻

（廣東電網(wǎng)有限責任公司廣州供電局，廣東 廣州 510000）

0 引言

電力需求響應是保障電力供需平衡、促進清潔能源消納、緩解能源危機的重要手段。因此，深度挖掘用戶側需求響應資源調節(jié)潛力，對保障電力供需平衡具有重要意義。當前，隨著云計算的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心能耗激增，深度挖掘數(shù)據(jù)中心的需求響應潛力，能夠進一步提升電力系統(tǒng)需求側運行的靈活性，豐富電網(wǎng)運行調節(jié)手段，對保障電力供需平衡，實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要意義［1］。

目前，國內外關于數(shù)據(jù)中心參與電力需求響應的研究主要集中在數(shù)據(jù)中心的需求響應策略。一是以數(shù)據(jù)中心電力成本最低為目標，制定數(shù)據(jù)中心運營商調度數(shù)據(jù)負荷的策略［2］。二是以電力系統(tǒng)運行成本最低為目標，制定數(shù)據(jù)中心配合電網(wǎng)削峰填谷的調度策略［3-5］。三是以電力網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡協(xié)同運行成本最低為目標，制定數(shù)據(jù)中心與電網(wǎng)協(xié)同調度策略［6-7］。目前關于數(shù)據(jù)中心需求響應潛力評估計算的研究較少。數(shù)據(jù)中心需求響應潛力的研究僅集中在一種或幾種負荷調節(jié)機制，仍未形成系統(tǒng)完備的數(shù)據(jù)中心需求響應潛力研究理論體系。本文深度挖掘數(shù)據(jù)中心需求響應潛力，分析數(shù)據(jù)中心各負荷調節(jié)機制參與需求響應的機理，建立數(shù)據(jù)中心需求響應潛力計算模型。最后，以某大型數(shù)據(jù)中心為例，分析其在不同負荷調節(jié)機制下、不同需求響應形式下的需求響應潛力。

1 數(shù)據(jù)中心調度框架及能耗模型

1.1 數(shù)據(jù)中心調度框架

數(shù)據(jù)中心參與需求響應的調度框架如圖1所示。數(shù)據(jù)中心參與需求響應共有3 種形式：直接參與、通過負荷聚合商參與、通過數(shù)據(jù)中心運營商參與。

圖1 數(shù)據(jù)中心參與需求響應的調度框架

1.1.1 直接參與

數(shù)據(jù)中心作為大工業(yè)用電用戶可以直接參與電力批發(fā)市場的投標競價，以獲取需求響應的目標量，同時獲得系統(tǒng)運營商給予的需求響應補貼。

1.1.2 通過負荷聚合商參與

由于眾多需求側用戶無法直接參與電力批發(fā)市場，因此負荷聚合商聚合數(shù)據(jù)中心、電動汽車、智能樓宇等需求側用戶后，作為一個獨立個體參與需求響應。負荷聚合商想要獲得需求響應補貼，要通過價格或激勵信號引導需求側用戶調整自身用電行為，完成需求響應目標量。

1.1.3 通過數(shù)據(jù)中心運營商參與

數(shù)據(jù)中心運營商擁有分布于多個地區(qū)的數(shù)據(jù)中心，可以擔當負荷聚合商的角色，且所聚合的需求側用戶均是數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心運營商參與電力批發(fā)市場的投標競價獲取需求響應目標量后，引導所管理的數(shù)據(jù)中心參與需求響應，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)中心需求響應的靈活性。

數(shù)據(jù)中心根據(jù)是否互聯(lián)可以分為獨立數(shù)據(jù)中心和互聯(lián)數(shù)據(jù)中心?；ヂ?lián)數(shù)據(jù)中心相較于獨立數(shù)據(jù)中心具備工作負載空間轉移能力和更完善的需求響應調節(jié)能力。為涵蓋數(shù)據(jù)中心各負荷調節(jié)機制，更利于分析數(shù)據(jù)中心需求響應潛力，本文選取互聯(lián)數(shù)據(jù)中心其中的一個數(shù)據(jù)中心作為研究對象，并通過數(shù)據(jù)中心運營商參與需求響應。

1.2 數(shù)據(jù)中心模型

數(shù)據(jù)中心的電能來源包括電網(wǎng)供電、可再生能源機組、儲能設備、常規(guī)發(fā)電機組等。數(shù)據(jù)中心的供能關系如式（1）所示。

數(shù)據(jù)中心總能耗功率主要由服務器設備能耗、制冷系統(tǒng)能耗、其他能耗等組成，如式（2）所示。

數(shù)據(jù)中心服務器能耗分為兩部分：處理延遲容忍型負載所產(chǎn)生的能耗和處理延遲敏感型負載所產(chǎn)生的能耗，如式（3）所示。

數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)能耗可以抽象為制冷系統(tǒng)制冷量的線性函數(shù)，如式（4）所示。

2 數(shù)據(jù)中心需求響應潛力模型

2.1 目標函數(shù)

本文針對數(shù)據(jù)中心參與需求響應的理論潛力、參與價格型需求響應的潛力及參與激勵型需求響應的潛力分別建立目標函數(shù)。

2.1.1 數(shù)據(jù)中心參與需求響應的理論潛力計算

數(shù)據(jù)中心參與需求響應的理論潛力計算的目標函數(shù)是在不考慮數(shù)據(jù)中心負荷調節(jié)經(jīng)濟成本的情況下，以整個調度周期T內數(shù)據(jù)中心調節(jié)的負荷最大為最優(yōu)目標，包括上調和下調兩個調節(jié)方向。目標函數(shù)如式（5）所示。

2.1.2 數(shù)據(jù)中心參與價格型需求響應潛力計算

數(shù)據(jù)中心參與價格型需求響應潛力計算的目標函數(shù)是在計及負荷調節(jié)經(jīng)濟成本的情況下，以整個調度期內數(shù)據(jù)中心經(jīng)濟成本最低為最優(yōu)目標，目標函數(shù)如式（6）所示。

式中：γt為數(shù)據(jù)中心所在的電力市場實時電價；Cload為負荷調節(jié)成本，包括延遲敏感型負載空間調度成本、儲能系統(tǒng)運行成本、自備常規(guī)發(fā)電機組運行成本等，計算公式如式（7）所示。

式中：Cts為延遲敏感型負載空間調度成本；Cb為儲能系統(tǒng)運行成本；Cg為自備常規(guī)發(fā)電機組運行成本。其中，延遲敏感型負載在空間上進行調度時，會產(chǎn)生額外的調度成本，該成本包括光纖接口損耗、數(shù)據(jù)調度費用等，如式（8）所示。

儲能系統(tǒng)的運行成本為使用電池而造成的電池老化成本，可以根據(jù)式（9）和式（10）計算。

式中：γb為儲能系統(tǒng)單位充放電功率所產(chǎn)生的經(jīng)濟成本；Call為儲能系統(tǒng)的總投資成本；Tall為儲能系統(tǒng)的總充放電時長；Lmax為儲能系統(tǒng)的最大容量。

數(shù)據(jù)中心常規(guī)發(fā)電機組運行成本包括能源生產(chǎn)成本和狀態(tài)轉換成本，如（11）所示。

式中：γg為單位發(fā)電功率所產(chǎn)生的燃料費用；為發(fā)電機啟動狀態(tài)字；為發(fā)電機停機狀態(tài)字；γstart、γshut分別為發(fā)電機的啟動和停機成本。

2.1.3 數(shù)據(jù)中心參與激勵型需求響應潛力計算

數(shù)據(jù)中心參與激勵型需求響應潛力計算的目標函數(shù)同價格型需求響應目標函數(shù)，不同的是總成本要減去所獲得需求響應收益，其目標函數(shù)如式（12）所示。

式中：Cincome為激勵型需求響應收益。激勵型需求響應收益計算公式如式（13）所示。

2.2 約束條件

2.2.1 空間調度機制約束條件

延遲敏感型負載在多個數(shù)據(jù)中心之間調度時要滿足負載均衡的條件，同時延遲敏感型負載從前端服務器調度至數(shù)據(jù)中心時要滿足數(shù)據(jù)中心容量限制，其約束條件分別如式（14）、式（15）所示：

2.2.2 時間調度約束條件

延遲容忍型負載從前端服務器調度至數(shù)據(jù)中心時要滿足數(shù)據(jù)中心容量限制，同時延遲容忍型負載在時間尺度上進行調度時，必須在規(guī)定的延遲時間內處理完成，其約束條件分別如式（16）、式（17）和式（18）所示。

2.2.3 制冷系統(tǒng)約束條件

數(shù)據(jù)中心內部溫度處于規(guī)定的溫度區(qū)間內，其約束條件如式（19）所示。

數(shù)據(jù)中心內部溫度的變化過程采用基于熱力學第一定律的等值熱參數(shù)模型來表示，如式（20）所示。

式中：b1、b2分別為數(shù)據(jù)中心內部建筑傳熱系數(shù)；為數(shù)據(jù)中心內部散熱量；為數(shù)據(jù)中心室外溫度。

2.2.4 儲能系統(tǒng)約束條件

儲能系統(tǒng)要滿足充放電功率及容量要求，其約束條件分別如式（21）、式（22）、式（23）所示。

儲能系統(tǒng)充放電容量變化過程分別如式（24）、式（25）所示。

2.2.5 常規(guī)發(fā)電機組約束條件

常規(guī)發(fā)電機組要滿足功率約束、最小啟停時間約束、最小運行時間約束等條件，其約束條件分別如式（26）、式（27）、式（28）、式（29）所示。

3 算例分析

3.1 算例參數(shù)設置

選取某大型數(shù)據(jù)中心運營商作為研究對象，該運營商擁有分布在不同地區(qū)的3 個大型數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心服務器相關參數(shù)如表1 所示。數(shù)據(jù)中心負載到達情況如圖2 所示。數(shù)據(jù)中心可再生能源出力如圖3所示。

表1 數(shù)據(jù)中心服務器相關參數(shù)

圖2 數(shù)據(jù)中心任務負載到達情況

圖3 數(shù)據(jù)中心可再生能源出力

3.2 算例分析

3.2.1 需求響應潛力理論計算結果

數(shù)據(jù)中心需求響應潛力理論計算結果如圖4 所示。在不考慮經(jīng)濟因素的影響下，數(shù)據(jù)中心具有很大的需求響應潛力，可降低約50%的原始負荷。但是空間調度機制及儲能系統(tǒng)并沒有參與需求響應，這是因為延遲容忍型負載只在時間尺度上做延遲處理，并不能減少總處理數(shù)量，而儲能系統(tǒng)初始容量和最終容量都為0，并不能減少總用電負荷。

圖4 數(shù)據(jù)中心需求響應潛力理論計算結果

3.2.2 價格型需求響應潛力計算結果

數(shù)據(jù)中心參與價格型需求響應的潛力計算結果如圖5所示。參與價格型需求響應時，數(shù)據(jù)中心根據(jù)實時電價進行負荷調節(jié)來優(yōu)化用電成本。在低電價時段數(shù)據(jù)中心通過時間調度機制、制冷系統(tǒng)調節(jié)機制、儲能系統(tǒng)充電3 種調節(jié)手段來增加用電負荷，為高電價時段釋放更多的需求響應潛力。在高電價時段，數(shù)據(jù)中心通過時間調度機制、空間調度機制、制冷系統(tǒng)調節(jié)等調節(jié)手段來釋放數(shù)據(jù)中心需求響應潛力。

圖5 數(shù)據(jù)中心參與價格型需求響應潛力計算結果

3.2.3 激勵型需求響應潛力計算結果

數(shù)據(jù)中心參與激勵型需求響應的潛力計算結果如圖6所示。參與激勵型需求響應時，數(shù)據(jù)中心會根據(jù)激勵信號的調節(jié)方向進行負荷調節(jié)，優(yōu)化用電成本的同時獲得更多的需求響應收益。當調節(jié)信號為上調時，數(shù)據(jù)中心利用時間調度機制、制冷系統(tǒng)調節(jié)、儲能系統(tǒng)增加用電量，雖然此時的用電成本增加，但獲得的需求響應收益大于用電成本。當調節(jié)信號為下調時，數(shù)據(jù)中心通過調節(jié)機制在降低自身用電成本的同時增加用電量的下調幅度，不僅能夠降低用電負荷，節(jié)省用電成本，又能獲得需求響應收益。當沒有調節(jié)信號時，數(shù)據(jù)中心仍然通過負荷調節(jié)機制來減少用電成本。

圖6 數(shù)據(jù)中心參與激勵型需求響應潛力值

3.2.4 經(jīng)濟效益分析

數(shù)據(jù)中心各類型需求響應經(jīng)濟效益對比結果如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)中心各類型需求響應經(jīng)濟效益對比結果

由表2 可見，數(shù)據(jù)中心需求響應理論潛力值最大，約占原始負荷的43%，但其參與需求響應的負荷調節(jié)成本最高，約占總成本的37%。價格型需求響應潛力值和激勵型需求響應潛力值基本相同，約占原始負荷的26%。價格型需求響應潛力值中的電費成本及負荷調節(jié)成本低，數(shù)據(jù)中心通過將高電價時段負荷轉移至低電價時段來優(yōu)化用電成本。激勵型需求響應潛力值總成本最低，說明數(shù)據(jù)中心通過參與激勵型需求響應，優(yōu)化用電成本的同時還能得到需求響應補貼，降低總成本。

4 結語

本文考慮數(shù)據(jù)中心多種負荷調節(jié)機制建立數(shù)據(jù)中心需求響應潛力計算模型。該模型可有效計算數(shù)據(jù)中心在不同負荷調節(jié)機制下、不同激勵信號下及不同持續(xù)時間下的需求響應潛力值。算例有效計算出數(shù)據(jù)中心在不同場景下參與需求響應的潛力值，驗證了該模型的有效性，為數(shù)據(jù)中心參與需求響應提供了理論依據(jù)。