本發(fā)明屬于數(shù)據(jù)中心技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種集成新能源分布式發(fā)電單元和儲(chǔ)能單元的數(shù)據(jù)中心能量調(diào)度架構(gòu)。

背景技術(shù)：

綠色計(jì)算將成為二十一世紀(jì)人類面臨的重大技術(shù)變革之一。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)制造業(yè)和信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)正設(shè)法應(yīng)對(duì)兩項(xiàng)最為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：高能耗問題以及高污染困境。截至2010年，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能耗已占全球總電能消耗的3％。然而全球服務(wù)器市場(chǎng)才剛進(jìn)入全面擴(kuò)張階段。面對(duì)世界能源危機(jī)日益加劇的形勢(shì)，對(duì)傳統(tǒng)電能的過度依賴將極大制約計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)營。除去高能耗帶來的經(jīng)濟(jì)開銷，相關(guān)環(huán)境問題也成為近年來信息產(chǎn)業(yè)界飽受爭(zhēng)議的焦點(diǎn)。根據(jù)麥肯錫公司的調(diào)查，在未來十年內(nèi)，全球計(jì)算機(jī)間接造成的二氧化碳年排放量將達(dá)1.54億噸，成為世界最大污染源之一。因此，提高非化石能源比重，發(fā)展智能電網(wǎng)和分布式發(fā)電，鼓勵(lì)綠色低碳技術(shù)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)，提高應(yīng)對(duì)氣候變化的能力成為當(dāng)前綠色計(jì)算的重要議題。

與此同時(shí)，智能電網(wǎng)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用將對(duì)大型計(jì)算機(jī)集群的設(shè)計(jì)和運(yùn)營產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。一方面，盡管未來智能電網(wǎng)集成了多樣化的分布式新能源系統(tǒng)和靈活的電源負(fù)載通訊接口，但是目前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還無法主動(dòng)地參與到智能電網(wǎng)的功耗管理中來。這無疑阻礙了系統(tǒng)能源配置和利用。另一方面，隨著信息時(shí)代數(shù)據(jù)量的不斷累積和增長，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須采取有效的負(fù)載檢測(cè)和創(chuàng)新的協(xié)同管理來滿足各類新涌現(xiàn)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用對(duì)計(jì)算速度、可用性、安全性的不同需求。

目前針對(duì)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排技術(shù)研究和創(chuàng)新均著重于降低數(shù)據(jù)中心本身的能源消耗。關(guān)于引入新能源驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)中心雖然已有初步的設(shè)計(jì)，例如申請(qǐng)公布號(hào)為CN103208852A的中國專利文獻(xiàn)，公開了一種使用綠色能源發(fā)電驅(qū)動(dòng)IT負(fù)載的數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)。但是可以明顯看出，該設(shè)計(jì)僅僅是提出一種粗放的綠色能源作為數(shù)據(jù)中心能源的方案，并未提出新能源數(shù)據(jù)中心中的復(fù)雜能量流的具體管理方案，也缺乏對(duì)數(shù)據(jù)中心中軟件工作負(fù)載的感知，無法實(shí)現(xiàn)精確和多樣的數(shù)據(jù)中心能量管理操作。在當(dāng)前數(shù)據(jù)中心工作負(fù)載日益復(fù)雜化的背景下，高效的數(shù)據(jù)中心管理架構(gòu)必須整體地考慮工作負(fù)載和能源(包括外部交流市電和自生產(chǎn))的相互影響，以滿足用戶各方面的使用需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提出一種集成新能源分布式發(fā)電單元和儲(chǔ)能單元的數(shù)據(jù)中心中的跨層次能量流調(diào)度架構(gòu)，通過軟硬件結(jié)合手段實(shí)現(xiàn)從新能源數(shù)據(jù)中心的能量生產(chǎn)端到能量消耗端的協(xié)同能量管理，從而提高新能源數(shù)據(jù)中心能量管理的效率和粒度，使用戶能夠結(jié)合不同的自定義優(yōu)化目標(biāo)通過本架構(gòu)實(shí)現(xiàn)軟件定義的新能源數(shù)據(jù)中心能量管理。

為此，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：

首先提出一套集成分布式發(fā)電設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備的，具有階段化供電架構(gòu)的，具有軟件編程控制接口的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施，命名為能量平面，其特征在于：所述能量平面包括能量流從產(chǎn)生到使用所經(jīng)歷的所有階段，能量平面中各組成設(shè)備根據(jù)所處階段不同被劃分為能源生產(chǎn)級(jí)(包括外部市電電網(wǎng)，新能源分布式發(fā)電設(shè)備，傳統(tǒng)備用發(fā)電設(shè)備，儲(chǔ)能元件設(shè)備，能源調(diào)度單元)，能量分配級(jí)(包括智能能量分配單元)和能量消耗級(jí)(包括IT負(fù)載，軟件工作負(fù)載)，每個(gè)階段分別具有不同粒度的能量調(diào)控手段。

其次，在能量平面之上是控制平面。其特征在于，包括：中央控制處理單元，包括有信息采集模塊，決策模塊和配置模塊；位于所述能量平面中的子采集模塊和子配置模塊，包括各能量平面組成單元配備的狀態(tài)傳感器、可編程狀態(tài)控制模塊、IT負(fù)載及軟件負(fù)載的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫和配置接口。中央控制處理單元實(shí)時(shí)監(jiān)控三個(gè)能量流階段的各組成單元的狀態(tài)，結(jié)合用戶預(yù)定義的優(yōu)化策略對(duì)能量平面中的各組成設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)能量流的跨層次聯(lián)合優(yōu)化管理。

所述能量平面的能源生產(chǎn)級(jí)由外部市電電網(wǎng)，新能源分布式發(fā)電設(shè)備，傳統(tǒng)備用發(fā)電設(shè)備，儲(chǔ)能元件設(shè)備，能源調(diào)度單元和相應(yīng)的狀態(tài)傳感器及可編程狀態(tài)控制模塊構(gòu)成。所述新能源分布式發(fā)電設(shè)備包括太陽能發(fā)電設(shè)備(直流輸出)、風(fēng)能發(fā)電設(shè)備(交流輸出)、燃料電池發(fā)電設(shè)備(直流輸出)、微型燃?xì)鉁u輪發(fā)電設(shè)備(交流輸出)或生物能發(fā)電設(shè)備(直流輸出)中的任一種或多種。所述傳統(tǒng)備用發(fā)電設(shè)備包括柴油、天然氣、液化石油氣、汽油發(fā)電機(jī)(交流輸出)中的一種或多種。所述儲(chǔ)能元件設(shè)備包括蓄電池組、超級(jí)電容、飛輪UPS(均為直流輸入/輸出)中的一種或多種。

所述能量平面的能源生產(chǎn)級(jí)中能量流的物理管理操作由能源調(diào)度單元執(zhí)行。所述能源調(diào)度單元連接所述能源生產(chǎn)級(jí)中的所有外部市電電網(wǎng)，發(fā)電設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備，并連接后端的能量分配級(jí)，用于集中管理能量在能源生產(chǎn)級(jí)中各組成部分之間的流動(dòng)行為(包括必要的整流和逆變)及向能量分配級(jí)的供應(yīng)(交流輸出)。能量流動(dòng)行為包括：①外部市電電網(wǎng)對(duì)后端能量分配級(jí)的供電；②新能源分布式發(fā)電設(shè)備對(duì)后端能量分配級(jí)的供電；③傳統(tǒng)備用發(fā)電設(shè)備對(duì)后端能量分配級(jí)的供電；④儲(chǔ)能元件設(shè)備對(duì)后端能量分配級(jí)的供電；⑤外部市電電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能元件設(shè)備充電；⑥新能源分布式發(fā)電設(shè)備對(duì)儲(chǔ)能元件設(shè)備充電；⑦新能源分布式發(fā)電設(shè)備對(duì)外部市電電網(wǎng)輸電。根據(jù)數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載的動(dòng)態(tài)功耗和各發(fā)電設(shè)備的能量生產(chǎn)情況變化，結(jié)合用戶給定的不同數(shù)據(jù)中心管理策略，能源生產(chǎn)級(jí)中可能出現(xiàn)上述七中能量流的一種或多種，能源生產(chǎn)級(jí)中各輸入輸出能量流之間的關(guān)系滿足如下等式：

E_util+E_store+E_dis+E_bk＝E_load (1)

其中，E_util為能源調(diào)度單元從外部市電電網(wǎng)獲得(E_util取正值)或回饋(E_util取負(fù)值)的能量；

E_store為儲(chǔ)能元件設(shè)備輸出(E_store取正值)或輸入(E_store取負(fù)值)的能量；

E_dis為能源調(diào)度單元從新能源分布式發(fā)電設(shè)備獲得的能量；

E_bk為能源調(diào)度單元從傳統(tǒng)備用發(fā)電設(shè)備獲得的能量；

E_load為能源調(diào)度單元輸出至能量分配級(jí)的能量；

所述能量平面的能量分配級(jí)由多個(gè)智能能量分配單元組成。能量平面的能量分配級(jí)的能量流管理操作由智能能量分配單元執(zhí)行。所述智能能量分配單元可將一路輸入能量分配至連接在其多個(gè)輸出端口的多個(gè)IT負(fù)載，每個(gè)輸出端口均可由中央控制器遠(yuǎn)程通信控制通斷狀態(tài)。所述能量平面的能量分配級(jí)中的多個(gè)智能能量分配單元的輸入端除與前端能源生產(chǎn)級(jí)的能源調(diào)度單元相連之外，還可以與除能源生產(chǎn)級(jí)之外的第二路外部市電電網(wǎng)相連，結(jié)合IT負(fù)載的雙端口或多端口供電特性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)同一IT負(fù)載的混合能量調(diào)度，提高管理多樣性。

所述能量平面的能量消耗級(jí)由IT負(fù)載以及運(yùn)行于其上的軟件工作負(fù)載構(gòu)成。由能源生產(chǎn)級(jí)供應(yīng)的能量在物理上為IT負(fù)載所消耗，而軟件工作負(fù)載則為邏輯上的能量消耗者。結(jié)合IT負(fù)載上的軟件工作負(fù)載結(jié)構(gòu)分析，能量消耗級(jí)的能量流管理可在軟件層面上實(shí)現(xiàn)。在所述能量平面的能量消耗級(jí)，對(duì)使用虛擬化環(huán)境的IT負(fù)載集群來說，能量平面的能量消耗級(jí)的能量流管理操作可以基于服務(wù)器級(jí)，虛擬設(shè)備級(jí)(虛擬機(jī)，虛擬磁盤卷)和應(yīng)用程序級(jí)；對(duì)物理機(jī)運(yùn)行的IT負(fù)載集群來說，能量平面的能量消耗級(jí)的能量流管理操作可以基于服務(wù)器級(jí)和應(yīng)用程序級(jí)。

其中，服務(wù)器級(jí)的管理包括DVFS，處理器功耗狀態(tài)管理；虛擬設(shè)備級(jí)的管理包括虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)部署、掛起、遷移、快照，虛擬磁盤卷的動(dòng)態(tài)部署、掛起、遷移、快照等；應(yīng)用程序級(jí)的管理包括工作負(fù)載的動(dòng)態(tài)部署和調(diào)度。

所述能量調(diào)度架構(gòu)中的控制平面用于監(jiān)控和決策所述能量平面對(duì)能量流的管理操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)混合能源數(shù)據(jù)中心中的能量生產(chǎn)和消耗進(jìn)行協(xié)同式地跨層次(能源生產(chǎn)級(jí)，能量分配級(jí)，能量消耗級(jí))管理。

控制平面包括能量平面中各組成設(shè)備配備的狀態(tài)傳感器及可編程狀態(tài)控制模塊，用于獲取如下軟硬件狀態(tài)信息和工作負(fù)載信息：(a)基礎(chǔ)設(shè)施能源生產(chǎn)級(jí)各部分設(shè)備的能量生產(chǎn)狀態(tài)及歷史記錄；(b)基礎(chǔ)設(shè)施能量分配級(jí)中的混合能量流與IT負(fù)載的實(shí)時(shí)映射狀態(tài)及歷史記錄；(c)基礎(chǔ)設(shè)施能量消耗級(jí)中IT負(fù)載的能量消耗狀態(tài)，運(yùn)行在IT負(fù)載上的軟件工作負(fù)載的狀態(tài)。并返回如下狀態(tài)修改指令：(a)基礎(chǔ)設(shè)施能源生產(chǎn)級(jí)各部分設(shè)備的能量生產(chǎn)模式；(b)基礎(chǔ)設(shè)施能量分配級(jí)中的智能能量分配單元的端口狀態(tài)配置；(c)基礎(chǔ)設(shè)施能量消耗級(jí)中IT負(fù)載的耗能模式，運(yùn)行在IT負(fù)載上的軟件工作負(fù)載的配置。各子模塊具有不同的循環(huán)采集周期。

進(jìn)一步地，控制平面包括中央控制器，由信息采集模塊，決策模塊和配置模塊構(gòu)成。中央控制器持續(xù)循環(huán)運(yùn)行，一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的行為如下：信息采集模塊處理由狀態(tài)傳感器及可編程狀態(tài)控制模塊返回的系統(tǒng)狀態(tài)信息，將信息流發(fā)送至決策模塊；決策模塊根據(jù)用戶預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)中心運(yùn)行策略，做出系統(tǒng)配置信息的調(diào)度決策，并由配置模塊向各可編程狀態(tài)模塊返回狀態(tài)修改指令，至此一個(gè)運(yùn)行周期結(jié)束。不同的用戶預(yù)設(shè)運(yùn)行策略的運(yùn)行周期長短不同。

在所述能量平面的能源生產(chǎn)級(jí)，信息采集模塊監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)的信息包括：外部市電電網(wǎng)的電壓，電流及歷史發(fā)電度數(shù)統(tǒng)計(jì)；新能源發(fā)電設(shè)備的輸出電壓，電流，工作模式及歷史發(fā) 電度數(shù)統(tǒng)計(jì)，投資回報(bào)計(jì)算；傳統(tǒng)備用發(fā)電設(shè)備的電壓，電流，傳統(tǒng)能源存量及歷史發(fā)電度數(shù)統(tǒng)計(jì)；儲(chǔ)能設(shè)備的電壓，電流，放電深度，壽命預(yù)測(cè)及溫度。配置模塊可控制的狀態(tài)及模式包括：外部市電電網(wǎng)的接入狀態(tài)；新能源發(fā)電設(shè)備的工作模式(是否MPPT)及接入狀態(tài)；傳統(tǒng)備用發(fā)電設(shè)備的接入狀態(tài)；儲(chǔ)能設(shè)備的接入配置信息(電池陣列的配置，超級(jí)電容和飛輪UPS的搭配組合)。

在所述控制平面的能量分配級(jí)，信息采集模塊監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)的信息包括：智能能量分配單元的每個(gè)端口的電壓，電流和溫度。配置模塊可控制的狀態(tài)及模式包括：智能能量分配單元的每個(gè)端口的開閉狀態(tài)。

在所述控制平面的能量消耗級(jí)，信息采集模塊監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)的信息包括：IT負(fù)載的工作電壓，電流和溫度；IT負(fù)載的處理器頻率和功耗模式；IT負(fù)載之上運(yùn)行的虛擬設(shè)備的部署、掛起、遷移、快照狀態(tài)；虛擬設(shè)備上運(yùn)行的軟件工作負(fù)載信息。配置模塊可控制的狀態(tài)及模式包括：IT負(fù)載的處理器頻率和功耗模式；IT負(fù)載之上運(yùn)行的虛擬設(shè)備的部署、掛起、遷移、快照狀態(tài)；虛擬設(shè)備上運(yùn)行的軟件工作負(fù)載的部署和調(diào)度。

軟件工作負(fù)載的能量消耗狀態(tài)根據(jù)工作負(fù)載的性質(zhì)可結(jié)合不同的能量模型計(jì)算得到，包括無虛擬化的裸機(jī)直接運(yùn)行工作負(fù)載，基于虛擬化技術(shù)的虛擬機(jī)中運(yùn)行的工作負(fù)載，基于容器技術(shù)的工作負(fù)載。

附圖說明

圖1是新能源數(shù)據(jù)中心能量調(diào)度架構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是能源調(diào)度單元中的能量流示意圖；

圖3是新能源數(shù)據(jù)中心能量調(diào)度架構(gòu)的一種實(shí)現(xiàn)方式；

圖4是中央控制處理單元的運(yùn)行流程。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

一種如附圖3所示的集成新能源分布式發(fā)電單元和儲(chǔ)能單元的數(shù)據(jù)中心中的跨層次能量流調(diào)度架構(gòu)。所述能量流調(diào)度架構(gòu)包含能量平面和控制平面。所述能量平面的能源生產(chǎn)級(jí)由外部市電電網(wǎng)接入301，柴油發(fā)電設(shè)備302，太陽能光伏發(fā)電設(shè)備303，自動(dòng)切換開關(guān)304，混合儲(chǔ)能元件設(shè)備305，雙向逆變系統(tǒng)306組成。所述能量平面的能量分配級(jí)由多個(gè)智能能量分配單元307組成。所述能量平面的能量消耗級(jí)由IT負(fù)載設(shè)備308，虛擬負(fù)載設(shè)備309，軟件工作負(fù)載310組成。

在所述能量平面的能源生產(chǎn)級(jí)，外部市電電網(wǎng)301和柴油發(fā)電設(shè)備302首先接入自動(dòng)切換開關(guān)304，再接入雙向逆變系統(tǒng)306的交流輸入端I301。太陽能發(fā)電設(shè)備303分別接入儲(chǔ)能設(shè)備305和雙向逆變系統(tǒng)306的直流輸入端I302。雙向逆變系統(tǒng)306的交流輸出端I303與能量分配級(jí)的智能能量分配單元307的輸入端I304相連。在本實(shí)施例中，雙向逆變系統(tǒng)306為發(fā)明內(nèi)容中所述能源調(diào)度單元的一種工程實(shí)現(xiàn)方式。雙向逆變系統(tǒng)306具有交流旁路 直傳功能(I301至I303)，直流逆變輸出功能(I302至I303)，交流整流充電功能(I301至I302)和交流并接功能(I303至I301)。

在所述能量平面的能源分配級(jí)，智能能量分配單元307可將輸入其輸入端的電能分發(fā)至每個(gè)輸出端口。智能能量分配單元307具有輸入端I304和I305，分別連接能源生產(chǎn)級(jí)的O303輸出端和外部市電電網(wǎng)301。IT負(fù)載使用雙端口供電，將其雙端口分別接入具有I304輸入端和I305輸入端的智能能量分配單元307，可實(shí)現(xiàn)能量的混合分配。

在所述能量平面的能量消耗級(jí)，IT負(fù)載308包括服務(wù)器，存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。虛擬設(shè)備309可采用數(shù)據(jù)中心常用計(jì)算及存儲(chǔ)虛擬化方案，如Xen、KVM或VMware ESX等計(jì)算虛擬化平臺(tái)以及常用存儲(chǔ)虛擬化解決方案。工作負(fù)載310為數(shù)據(jù)中心常用工作負(fù)載，如Hadoop計(jì)算集群，Web服務(wù)，Web搜索等。

所述控制平面首先包括能量平面中各組成設(shè)備配備的信息采集/狀態(tài)配置子模塊。在所述能量平面的能源生產(chǎn)級(jí)，信息采集/狀態(tài)配置子模塊312以嵌入式微處理器的形式內(nèi)置于雙向逆變系統(tǒng)306中，通過常用工控通信協(xié)議(PROFIBUS、CAN、MODBUS)與能源生產(chǎn)級(jí)中各單元的分控制器通信；在所述能量分配級(jí)，信息采集/狀態(tài)配置子模塊313使用SNMP通信協(xié)議與智能能量分配單元307通信；在能量消耗級(jí)，信息采集/狀態(tài)配置子模塊314通過IPMI接口采集IT負(fù)載的物理運(yùn)行信息，通過底層操作系統(tǒng)內(nèi)置接口采集處理器功耗狀態(tài)，通過數(shù)據(jù)中心管理中間件提供的接口采集虛擬設(shè)備的運(yùn)行信息，通過客戶操作系統(tǒng)的進(jìn)程信息采集軟件負(fù)載信息。

所述控制平面的中央控制處理單元315以軟件方式部署在一臺(tái)控制節(jié)點(diǎn)服務(wù)器上，該控制節(jié)點(diǎn)通過以太網(wǎng)或RS232、RS422、RS485等其他通信總線接口與能量平面中各信息采集/狀態(tài)配置子模塊連接。中央控制處理單元中的信息采集模塊316，決策模塊317和配置模塊318分別為軟件功能模塊。中央控制器進(jìn)程啟動(dòng)后，如附圖4所示，控制平面的一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的系統(tǒng)運(yùn)行流程如下：

步驟S1：在每個(gè)周期的起始時(shí)刻，中央控制器的信息采集模塊316從能量平面中各組成設(shè)備的信息采集子模塊(312，313,314)獲取當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行配置信息。

步驟S2：中央控制器的決策模塊317讀取用戶預(yù)置的系統(tǒng)運(yùn)行策略，分析信息采集模塊中的系統(tǒng)運(yùn)行配置信息，做出下一運(yùn)行周期的系統(tǒng)配置決策。

步驟S3：配置模塊318根據(jù)接收的系統(tǒng)配置決策，向決策中配置狀態(tài)需要修改的相應(yīng)組成設(shè)備對(duì)應(yīng)的狀態(tài)配置子模塊(312,313,314)發(fā)送狀態(tài)修改指令。

步驟S4：能量平面中各組成設(shè)備的可編程狀態(tài)控制模塊和軟件負(fù)載在相應(yīng)狀態(tài)配置子模塊(312,313,314)接收到狀態(tài)修改指令后，執(zhí)行相應(yīng)的狀態(tài)修改操作。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也應(yīng)該視為本發(fā)明的保護(hù)。