面向柔性变电站接入的数据中心园区配电网经济运行方法与流程

[0001]
本发明涉及一种数据中心园区节能降损方法。特别是涉及一种面向柔性变电站接入的数据中心园区配电网经济运行方法。


背景技术：

[0002]
随着互联网技术的快速发展，数据中心(internet data center,idc)的规模和数量正在迅速扩大，逐渐成为有源配电网中的重要电力用户，大大增加了用电负荷量。据统计，数据中心的功耗已占全球总供电量的1.3％以上，在中国则占2.35％以上，如何有效实现数据中心的节能降损运行已成为亟待解决的问题。
[0003]
由于数据中心中it服务器通常为直流供电设备，采用直流供电方式将有效提高数据中心的运行效率。柔性变电站是基于电力电子装置的新型柔性配电设备，通过多种交直流变换环节可以实现多电压等级、交直流多电能形态配电网的柔性互联。基于与柔性变电站相连的直流环节，进行数据中心的高效集成与供电，柔性变电站通过改善中低压交直流配电网的潮流分布，以降低数据中心的运行损耗。而且，数据中心在时间尺度上可以灵活转移具有较长容忍服务延迟的数据负载，在空间维度上可以调节数据中心负荷从而达到平衡地区负荷的效果，因此，考虑数据中心的时间和空间负载调节潜力，可将数据中心作为一种需求侧响应资源，通过源-网-荷-储协调配合，进一步提高数据中心园区的运行经济性。
[0004]
国内外已经开展了数据中心用电特性和灵活调度的研究，主要集中在基于价格的数据中心需求响应上，通过电价信号引导数据中心负载的时间分布，以平衡区域负载。但在基于柔性变电站实现数据中心节能降损方面仍然存在挑战。需要考虑数据中心的时空负荷调节潜力，并与柔性变电站协调配合，减少数据中心园区配电网的运行成本。因此，急需一种面向柔性变电站接入的数据中心园区配电网经济运行方法，通过在时空尺度上灵活调度数据负载，进行源-网-荷-储协调配合，实现数据中心园区的节能降损运行。


技术实现要素：

[0005]
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够减小数据中心园区配电网的运行成本、实现系统灵活运行的面向柔性变电站接入的数据中心园区配电网经济运行方法。
[0006]
本发明所采用的技术方案是：一种面向柔性变电站接入的数据中心园区配电网经济运行方法，包括如下步骤：
[0007]
1)根据选定的由柔性变电站供电的数据中心园区配电网，输入配电网基本参数信息，包括：柔性变电站的接入位置和容量、数据中心园区交直流配电网络拓扑及参数信息、各数据中心的接入位置及数据负载变化曲线、储能接入位置及容量、负荷接入位置及功率变化曲线、光伏电站接入位置及出力曲线、系统基准电压和基准功率；
[0008]
2)依据步骤1)提供的数据中心园区配电网基本参数信息，建立数据中心灵活运行调度策略，包括：基于动态电压频率调节的数据中心功耗建模、延迟敏感型数据负载处理约束、延迟容忍型数据负载时空调度约束；
[0009]
3)建立基于柔性变电站的数据中心园区节能降损模型，包括：设定数据中心园区配电网运行费用最小为目标函数，分别考虑柔性变电站运行约束、数据中心灵活调度策略、储能系统运行约束、光伏电站运行约束、交直流配电网络运行约束；
[0010]
4)将步骤3)得到的基于柔性变电站的数据中心园区节能降损模型进行求解，输出求解结果，包括：数据中心园区配电网的运行成本、柔性变电站的传输功率和各数据中心的数据负载调度策略。
[0011]
本发明的面向柔性变电站接入的数据中心园区配电网经济运行方法，立足解决数据中心园区配电网的运行经济性提升问题，充分考虑柔性变电站的灵活功率控制和数据中心的负荷调节潜力，建立基于柔性变电站的数据中心园区节能降损模型，得到面向数据中心园区配电网经济运行的柔性变电站和数据中心负载灵活调度策略，减小数据中心园区配电网的运行成本，实现系统灵活运行。
附图说明
[0012]
图1是本发明面向柔性变电站接入的数据中心园区配电网经济运行方法的流程图；
[0013]
图2是基于柔性变电站供电的数据中心园区配电网结构图；
[0014]
图3是光伏及负荷运行曲线；
[0015]
图4是系统分时电价曲线；
[0016]
图5是数据工作负载波动曲线；
[0017]
图6a是方案2中数据中心i类服务器工作频率变化曲线；
[0018]
图6b是方案2中数据中心ii类服务器工作频率变化曲线；
[0019]
图7是方案2中数据中心工作负载存储量；
[0020]
图8是方案1和2的柔性变电站中压交流侧端口传输的有功功率；
[0021]
图9是方案2中储能系统充放电功率图；
[0022]
图10是方案1和2的数据中心运行费用对比图；
[0023]
图11是方案1和2的数据中心功耗对比图。
具体实施方式
[0024]
下面结合实施例和附图对本发明的面向柔性变电站接入的数据中心园区配电网经济运行方法做出详细说明。
[0025]
本发明的面向柔性变电站接入的数据中心园区配电网经济运行方法，针对数据中心园区配电网的节能降损问题，建立了基于柔性变电站的数据中心园区节能降损模型，综合考虑考虑柔性变电站运行约束、数据中心灵活调度约束、储能运行约束、分布式电源运行约束、交直流配电网络运行约束，最终确定面向数据中心园区配电网经济运行的柔性变电站和数据中心负载灵活调度策略。
[0026]
如图1所示，本发明的面向柔性变电站接入的数据中心园区配电网经济运行方法，包括如下步骤：
[0027]
1)根据选定的由柔性变电站供电的数据中心园区配电网，输入配电网基本参数信息，包括：柔性变电站的接入位置和容量、数据中心园区交直流配电网络拓扑及参数信息、
各数据中心的接入位置及数据负载变化曲线、储能接入位置及容量、负荷接入位置及功率变化曲线、光伏电站接入位置及出力曲线、系统基准电压和基准功率；
[0028]
对于本发明的实施例，基于柔性变电站的数据中心园区配电网结构如图2所示，包含了柔性变电站、直流网络以及光伏电站、储能和数据中心，首先输入数据中心园区配电网负荷参数、线路参数及网络拓扑连接关系，详细参数见表1～表3。柔性变电站中ac/dc换流器、dc/dc换流器和dc/ac换流器的容量分别为10mva、10mw和5mva，各换流器损耗系数为0.01；柔性变电站的10kv中压交流侧接入某110kv变电站10kv母线；光伏发电经过光伏直流升压站和直流线路接入柔性变电站的10kv中压直流侧，接入容量为2.5mw，可以通过数据中心就地消纳，也可通过交流10kv配电网上网消纳；柔性变电站的380v低压交流输出为数据中心的交流负荷供电，两个柔性变电站的750v低压直流互联为数据中心的直流负荷供电。为满足供电可靠性，设置储能系统接入750v低压直流侧备用，储能容量为5000kwh，荷电状态上下限为1000kwh和4500kwh，储能充放电功率上下限
±
1000kw。设定由两台门户服务器向数据中心传输数据，3个数据中心分别接入柔性变电站的低压直流侧，每处子数据中心装有两类服务器，相同类型服务器同质(性能、用电功率参数均相同)，详细数据中心参数见表4；最后设置系统基准功率为1mva。
[0029]
表1负荷参数
[0030][0031]
表2交流网络参数
[0032][0033]
表3直流网络参数
[0034][0035]
表4数据中心运行参数
[0036]
[0037][0038]
2)依据步骤1)提供的数据中心园区配电网基本参数信息，建立数据中心灵活运行调度策略，包括：基于动态电压频率调节的数据中心功耗建模、延迟敏感型数据负载处理约束、延迟容忍型数据负载时空调度约束；其中，
[0039]
(2.1)所述的基于动态电压频率调节的数据中心功耗建模表示为：
[0040][0041]
式中，表示t时段节点i处数据中心消耗的有功功率；表示t时段节点i处数据中心内服务器消耗的有功功率；表示t时段节点i处数据中心内冷却设备消耗的有功功率；表示t时段节点i处数据中心内辅助供电设备消耗的有功功率；pue
i
为数据中心节点i的电能利用效率；m
i,k
表示节点i处数据中心运行的k型服务器总数；n
k
表示数据中心内服务器类型总数；表示t时段节点i处数据中心每台k型服务器消耗的有功功率；表示节点i处数据中心每台k型服务器消耗的固定功率；表示t时段节点i处数据中心每台k型服务器cpu消耗的有功功率；c1表示服务器cpu功耗系数；表示t时段节点i处数据中心k型服务器cpu的工作频率；表示t时段节点i处数据中心k型服务器cpu的工作电压；u
i,k,t
表示t时段节点i处数据中心k型服务器cpu的利用率；n
ρ
表示数据负载类型总数；d
i,k,ρ,t
表示t时段节点i处数据中心中k型服务器处理的ρ类型数据负载量；μ
i,k,t
表示t时段节点i处数据中心k型服务器的服务效率；
[0042]
服务器cpu都有离散可调的工作电压及工作频率，实际运行中，cpu可以在给定的几个频率中进行选择和调节，相同类型的服务器的cpu工作电压和服务效率μ
i,k,t
均与工作频率成正比，则数据中心服务器cpu能耗进一步表示为：
[0043][0044][0045][0046][0047]
式中，c2表示cpu功耗系数；n
s
表示服务器cpu工作频率档位数；a
i,k,t,s
表示t时段节点i处数据中心k型服务器cpu的s档工作频率标志位；表示节点i处数据中心k型服务器cpu的s档工作频率，d
′
i,k,t
表示t时段节点i处数据中心每台k型服务器处理的数据负载量；
[0048]
引入辅助变量b
i,k,t,s
＝a
i,k,t,s
d
′
i,k,t
对服务器cpu功耗模型进行线性化处理，进一步表示为：
[0049][0050]
式中，b
i,k,t,s
表示与t时段节点i处数据中心内k型服务器处理的数据负载量关联的辅助变量；m是表示任意一个数值大于服务器数据计算效率的常数。
[0051]
(2.2)所述的延迟敏感型数据负载处理约束表示为
[0052][0053]
式中，n
δ
表示前端服务器个数；n
k
表示数据中心内服务器类型总数；d
i,ρ,t
表示t时段节点i处数据中心处理的ρ类型数据负载量；λ
i,δ,ρ,t
表示t时段前端服务器δ向节点i处数据中心传输的ρ类型数据负载量；μ
i,k,t
表示t时段节点i处数据中心每台k型服务器数据计算效率；表示t时段节点i处数据中心k型服务器的cpu工作频率；d
i,k,ρ,t
表示t时段节点i处数据中心中k型服务器处理的ρ类型数据负载量；m
i,k
表示节点i处数据中心运行的k型服
务器总数；d
ρ
表示ρ类延迟敏感型数据负载的延迟容忍时间；c3表示服务器计算性能系数。
[0054]
(2.3)所述的延迟容忍型数据负载时空调度约束表示为
[0055]
(2.3.1)数据负载时间转移策略：
[0056][0057][0058][0059][0060][0061][0062][0063]
式中，n
δ
表示前端服务器个数；n
n
表示网络节点总数；n
ρ
表示数据负载类型总数；δλ
i,ρ,t
表示t时段节点i处数据中心内ρ类型数据负载变化量；λ
i,δ,ρ,t
表示t时段前端服务器δ向节点i处数据中心传输的ρ类型数据负载量；λ
i,j,ρ,t
表示t时段节点j处数据中心向节点i处数据中心传输的ρ类型数据负载量；表示t时段节点i处数据中心向其它数据中心转移的ρ类型数据负载总量；d
i,ρ,t
表示t时段节点i处数据中心处理的ρ类型数据负载量；e
i,ρ,t
表示t时段节点i处数据中心存储的ρ类型数据负载总量；e
i,ρ,t
和表示计算服务结束和开始时刻节点i处数据中心存储的ρ类型数据负载总量；δt表示每个时段的时长；e
i,max
表示节点i处数据中心数据负载存储上限；表示t
′
时段结束时刻应处理完成的ρ类型数据负载总量；l
δ,ρ,t
表示t时段前端服务器δ传输的ρ类型数据负载总量；t0表示数据中心运行初始时段；t
ρ
表示ρ类延迟容忍型数据负载的延迟容忍时间；
[0064]
(2.3.2)数据负载空间分配策略：
[0065][0066]
式中，l
δ,ρ,t
表示t时段前端服务器δ传输的ρ类型数据负载总量；l
i,ρ,t
表示t时段节点i处数据中心接受来自其他数据中心的ρ类型数据负载总量；λ
j,i,ρ,t
表示t时段节点i处数据中心向节点j处数据中心传输的ρ类型数据负载量；和分别表示t时段节点i处数据中心接受及传输数据负载状态标志位，当为1时，表示t时段节点i处数据中心接受来自其他数据中心传输的数据负载，当为1时，表示t时段节点i处数据中心向其他数据中心传输数据负载。
[0067]
3)建立基于柔性变电站的数据中心园区节能降损模型，包括：设定数据中心园区配电网运行费用最小为目标函数，分别考虑柔性变电站运行约束、数据中心灵活运行调度策略、储能系统运行约束、光伏电站运行约束、交直流配电网络运行约束；其中，
[0068]
(3.1)所述的数据中心园区配电网运行费用最小为目标函数表示为：
[0069][0070]
式中，f表示目标函数，f
idc
表示数据中心的用电费用；f
ess
表示储能调度费用；n
t
表示总时间段数；n
n
表示网络节点总数；表示t时段中压交流节点i处柔性变电站注入的有功功率；表示t时段数据中心园区内节点i处储能注入的有功功率；c
t
表示t时段系统电价；表示t时段储能的单位调度成本。
[0071]
(3.2)所述的柔性变电站运行约束表示为：
[0072][0073]
式中，和分别表示t时段节点i、j、k和g处柔性变电站注入的有功功率；η1、η2和η3分别表示柔性变电站内ac/dc换流器、dc/dc换流器以及dc/ac换流器的损耗系数；表示t时段柔性变电站内ac/dc换流器直流侧输出的有功功率；和表示t时段柔性变电站内dc/dc换流器输入和输出的有功功率；表示t时段柔性变电站内dc/ac换流器直流侧输入的有功功率；和分别表示t时段节点i和g处柔性变电站注入的无功功率；和分别表示柔性变电站内ac/dc换流器交流侧输出的无功功率上下限；和分别表示柔性变电站内dc/ac换流器交流侧输出的无功功率上下限；分别表示柔性变电站内dc/ac换流器交流侧输出的无功功率上下限；和分别表示柔性变电站内ac/dc换流器、dc/dc换流器和dc/ac换流器容量；
[0074]
由于公式(8)中含有绝对值项，引入辅助变量和进行线性化，并增加约束：
[0075][0076][0077][0078][0079][0080]
式中，和分别表示t时段柔性变电站内ac/dc换流器、dc/dc换流器以及dc/ac换流器的有功功率损耗。
[0081]
(3.3)所述的储能系统运行约束表示为：
[0082][0083]
式中，表示t时段节点i处储能系统的充放电功率；表示t时段节点i处储能系统充放电功率的最大值；和分别表示t+1时段与t时段节点i处储能系统储存的电量；δt为两个时段时间差值；和分别表示节点i处储能系统的储存电量下限与上限；和分别表示运行初始时刻t0和结束时刻t节点i处储能系统的储存电量值。
[0084]
(3.4)所述的光伏电站运行约束表示为
[0085][0086]
式中，表示t时段节点i处光伏电站输出的有功功率；表示t时段节点i处光伏电站输出的有功功率预测值；表示t时段节点i处光伏电站的削减量。
[0087]
(3.5)所述的交直流配电网络运行约束表示为：
[0088]
(3.5.1)交流配电网潮流约束：
[0089][0090]
式中，表示交流线路集合；ω
ac
表示交流节点集合；p
ij,t
和p
jh,t
分别表示t时段线路ij和线路jh传输的有功功率；q
ij,t
和q
jh,t
表示t时段线路ij和线路jh传输的无功功率；p
j,t
和q
j,t
表示t时段节点j注入的有功和无功功率；l
ij,t
表示t时段线路ij电流幅值的平方；v
i,t
表示t时段节点i电压幅值的平方；r
ij
表示线路ij的电阻值；x
ij
表示线路ij的电抗值；和表示t时段节点j处有功和无功负荷；和表示t时段节点j处柔性变电站注入的有功功率和无功功率。
[0091]
(3.5.2)直流配电网潮流运行约束：
[0092][0093]
式中，表示直流线路集合；ω
dc
表示直流节点集合；和表示t时段直流节点j处柔性变电站、光伏电站和储能系统注入的有功功率；和表示t时段直流节点j处数据中心和负荷消耗的有功功率。
[0094]
(3.6)数据中心灵活运行调度策略，由步骤2)提供。
[0095]
4)将步骤3)得到的基于柔性变电站的数据中心园区节能降损模型进行求解，输出求解结果，包括：数据中心园区配电网的运行成本、柔性变电站的传输功率和各数据中心的数据负载调度策略。
[0096]
为充分验证本发明的面向柔性变电站接入的数据中心园区配电网经济运行方法的先进性，本实施例中，采取如下两种方案进行对比分析：
[0097]
方案1：不对柔性变电站、储能系统及数据中心负载进行灵活调度，得到有源配电网的初始运行状态；
[0098]
方案2：采用本发明方法中面向柔性变电站接入的数据中心园区配电网经济运行方法提升数据中心园区配电网的运行经济性。
[0099]
方案1和方案2的优化结果对比见表5，光伏及负荷运行波动曲线见图3，配电系统分时电价见图4，数据中心工作负载波动曲线见图5，方案2中数据中心服务器工作频率和工作负载存储量见图6和图7，方案1和2中柔性变电站中压交流侧端口发出的有功功率见图8，方案2中储能系统充放电功率见图9，两种方案中数据中心运行费用及功耗对比情况见图10和图11。
[0100]
执行优化计算的计算机硬件环境为intel(r)xeon(r)cpu e5-1620，主频为3.70ghz，内存为32gb；软件环境为windows 10操作系统。
[0101]
由方案1和2对比可以看出，通过从时间转移和空间分配角度充分发掘数据中心的负荷调节潜力，进行数据中心工作负载调度，以及柔性变电站传输功率的灵活调度，可以有效降低数据中心功耗，保证园区配电网的经济高效运行。
[0102]
表5有源配电系统运行对比结果
[0103]