王丹陽，張沈習，程浩忠，韓 豐，宋 毅，原 凱

（1. 電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室（上海交通大學）,上海市 200240；2. 國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司,北京市 102209）

0 引言

面對氣候變化,減排降碳、提升能效是世界各國的重要應對策略［1-2］,可實現(xiàn)多能互補、能源梯級利用的綜合能源系統(tǒng)成為研究熱點。此外,隨著數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展,數(shù)據(jù)中心能耗不斷提升。2021 年,中國數(shù)據(jù)中心總用電量超過200 GW·h,并以10%以上的年均增長率繼續(xù)增長［3-5］。顯著的時空可調(diào)特性和毫秒級的調(diào)節(jié)能力使數(shù)據(jù)中心用能成為一種龐大的新型需求響應資源。在中國大力推進需求側(cè)管理工作、促進資源優(yōu)化配置的背景下,需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心與綜合能源系統(tǒng)的聯(lián)合規(guī)劃。

現(xiàn)有研究中,在電力系統(tǒng)運行層面有不少文獻考慮了數(shù)據(jù)中心用能時空可調(diào)特性,但是在電力系統(tǒng)規(guī)劃層面的相關(guān)研究較少,在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃層面的相關(guān)研究更是處于起步階段。文獻［6］基于變電站建立了分布式數(shù)據(jù)中心優(yōu)化選址模型,但并未深入考慮數(shù)據(jù)中心用能在時間、空間尺度上的可調(diào)特性；文獻［7］同樣缺少對數(shù)據(jù)中心用能時空可調(diào)特性的深入研究,且所建模型為集成數(shù)據(jù)中心的配電網(wǎng)擴展規(guī)劃模型；文獻［8］和文獻［9］考慮了數(shù)據(jù)負載的靈活調(diào)度,但僅規(guī)劃某一數(shù)據(jù)中心園區(qū)供電系統(tǒng),未進行多區(qū)域協(xié)同規(guī)劃的相關(guān)研究。

在綜合能源系統(tǒng)能源站規(guī)劃方面,現(xiàn)有研究大多從單一能源站角度出發(fā),也有部分考慮了多個能源站之間的互聯(lián)互濟。在單一能源站規(guī)劃方面,文獻［10］利用?效率,建立了綜合能源系統(tǒng)能源站多目標規(guī)劃模型；文獻［11］考慮可再生能源出力不確定性,基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的思想建立了綜合能源系統(tǒng)能源站魯棒規(guī)劃模型；文獻［12］考慮綜合能源系統(tǒng)能源站集成燃料汽車加氫站,提出一種計及風光不確定性的電-熱-氫綜合能源系統(tǒng)設(shè)備容量配置方法；文獻［13］基于圖論的思想提出了一種綜合能源系統(tǒng)能源站智能建模的方法,通過將復雜的能源樞紐模型進行分層并智能搜索能源回路建立能源站規(guī)劃模型?？紤]多個能源站之間的互聯(lián)互濟時,文獻［14］以總成本最低為目標,在考慮供能可靠性的基礎(chǔ)上建立了能源站之間電氣聯(lián)絡(luò)線規(guī)劃模型；文獻［15］進行了能源站內(nèi)數(shù)據(jù)中心和電池容量協(xié)同規(guī)劃的研究,利用了數(shù)據(jù)中心用能的時空可調(diào)特性,但研究范圍局限于電力系統(tǒng)。

目前,如何在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃層面充分利用信息系統(tǒng)柔性資源,進行能源、信息設(shè)備協(xié)同優(yōu)化配置的研究仍處于起步階段。本文提出了一種考慮數(shù)據(jù)中心用能時空可調(diào)特性的綜合能源系統(tǒng)多區(qū)域能源站協(xié)同規(guī)劃模型。首先,對數(shù)據(jù)中心進行建模并分析數(shù)據(jù)中心用能時空可調(diào)特性。然后,構(gòu)建了集成數(shù)據(jù)中心的多區(qū)域能源站規(guī)劃模型。最后,設(shè)置不同場景進行對比分析,驗證了集成數(shù)據(jù)中心的多區(qū)域能源站規(guī)劃模型在優(yōu)化資源配置、降低投資成本等方面的積極作用。

1 數(shù)據(jù)中心建模

1.1 數(shù)據(jù)負載模型

根據(jù)實時性需求的不同,數(shù)據(jù)負載可分為對延遲容忍度較低的交互型數(shù)據(jù)負載和對延遲容忍度較高的批處理型數(shù)據(jù)負載。其中,交互型數(shù)據(jù)負載的典型應用場景包括視頻直播、數(shù)據(jù)查詢等；批處理型數(shù)據(jù)負載的典型應用場景包括科學計算、大規(guī)模數(shù)據(jù)分析等。

1.1.1 交互型數(shù)據(jù)負載

交互型數(shù)據(jù)負載的響應時間主要包括傳輸延遲和平均等待時間。區(qū)域級綜合能源系統(tǒng)覆蓋地理范圍有限,其范圍內(nèi)交互的數(shù)據(jù)中心間的傳輸延遲時間可利用某一具體常數(shù)代替［16］；而平均等待時間可基于M/M/1 排隊模型通過式（1）計算［17］。

式中:tque,t為t時段交互型數(shù)據(jù)負載平均等待時間；S為服務(wù)器種類集合；i為集合S內(nèi)某一具體服務(wù)器類型；K為服務(wù)器工作狀態(tài)集合；j為集合K內(nèi)某一具體工作狀態(tài)；μitri,j,t為在t時段數(shù)據(jù)中心第i類服務(wù)器且處于工作狀態(tài)j的處理批處理型數(shù)據(jù)負載的服務(wù)率；λitrt為t時段服務(wù)器接收交互型數(shù)據(jù)的負載到達率。

1.1.2 批處理型數(shù)據(jù)負載

批處理型數(shù)據(jù)負載延遲容忍度較高,服務(wù)器在一定時段內(nèi)將數(shù)據(jù)負載處理完成即可,該時段根據(jù)數(shù)據(jù)負載的不同可達幾分鐘至幾天。此外,科學計算等批處理型數(shù)據(jù)負載往往可以將數(shù)據(jù)處理任務(wù)分為多個子任務(wù)。因此,本文考慮的批處理型數(shù)據(jù)處理負載可以在中斷之后重新開始,并不要求服務(wù)器在一段連續(xù)的時間內(nèi)處理完成。本文中,批處理型數(shù)據(jù)負載處理時間建模為:

1.2 數(shù)據(jù)中心能耗模型

數(shù)據(jù)中心能耗主要包括服務(wù)器能耗和制冷系統(tǒng)能耗,通?？赏ㄟ^數(shù)據(jù)中心能源使用效率和信息技術(shù)（information technology,IT）設(shè)備進行能耗計算。在綜合能源系統(tǒng)背景下,類比數(shù)據(jù)中心電能使用效率（power usage effectiveness,PUE）,可將數(shù)據(jù)中心能源使用效率δPUE定義為:

式中:Edc,IT為數(shù)據(jù)中心全年耗電量；Edc,ce為數(shù)據(jù)中心全年消耗的冷能。在綜合能源系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心供冷的前提下,數(shù)據(jù)中心全年耗電量即數(shù)據(jù)中心IT 設(shè)備耗電量。

由于數(shù)據(jù)中心IT 設(shè)備耗電量以服務(wù)器耗電量為主,本文用服務(wù)器耗電量代表數(shù)據(jù)中心內(nèi)IT 設(shè)備耗電量。 基于動態(tài)電壓/頻率調(diào)節(jié)（dynamic voltage/frequency scaling,DVFS）技術(shù),通過利用率模型對服務(wù)器耗電量進行建模［17-19］,具體表達式為:

式中:Pe,dc,t為t時段數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器能耗；Pc,dc,t為t時段數(shù)據(jù)中心消耗的冷功率；Pst,t為t時段數(shù)據(jù)中心服務(wù)器靜態(tài)能耗之和,與數(shù)據(jù)中心內(nèi)服務(wù)器開機數(shù)量有關(guān)；Xi,on,t為t時段服務(wù)器開機狀態(tài)標志位；Pdy,t為t時段數(shù)據(jù)中心服務(wù)器動態(tài)能耗之和,根據(jù)服務(wù)器工作狀態(tài)的不同而不同；Ci,j為第i類處于工作狀態(tài)j的服務(wù)器動態(tài)能耗計算系數(shù)；fi,j為第i類處于工作狀態(tài)j的服務(wù)器工作頻率；Mi,j,t為t時段數(shù)據(jù)中心內(nèi)第i類處于工作狀態(tài)j的服務(wù)器數(shù)量。

1.3 數(shù)據(jù)中心用能時空可調(diào)特性分析

數(shù)據(jù)中心用能具有一定的時空可調(diào)特性。批處理型數(shù)據(jù)負載的最大響應時間較長,在時間、空間尺度上均具有較高的調(diào)節(jié)靈活性；交互型數(shù)據(jù)負載雖然在時間尺度上靈活性有限,但是數(shù)據(jù)負載極快的傳輸速度為交互型數(shù)據(jù)負載在空間尺度上的靈活調(diào)節(jié)提供了可能［20］。在滿足數(shù)據(jù)負載最大響應時間的前提下,根據(jù)不同的目標可重塑數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)負載曲線,進而實現(xiàn)各數(shù)據(jù)中心IT 設(shè)備時序用能曲線的調(diào)整,具體如附錄A 圖A1 所示。

目前,數(shù)據(jù)中心生產(chǎn)環(huán)境已經(jīng)具備了對數(shù)據(jù)負載進行時空調(diào)度的能力,即基于混合部署技術(shù),具有不同延遲敏感度的數(shù)據(jù)負載可部署在同一臺服務(wù)器上,可以在各數(shù)據(jù)負載最大響應時間之內(nèi)對不同延遲敏感度的數(shù)據(jù)負載具體處理時間進行優(yōu)化調(diào)度?；贒VFS 技術(shù),服務(wù)器可根據(jù)各時刻實時處理的數(shù)據(jù)負載量動態(tài)調(diào)節(jié)芯片工作頻率,改變工作電壓,在對數(shù)據(jù)負載進行時間平移的同時完成對服務(wù)器耗能的時間平移。此外,數(shù)據(jù)中心實時管理系統(tǒng)也是即時調(diào)度數(shù)據(jù)負載、實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心用能時空轉(zhuǎn)移的重要技術(shù)基礎(chǔ)。在數(shù)據(jù)負載到達前端服務(wù)器后,數(shù)據(jù)中心實時管理系統(tǒng)可對各數(shù)據(jù)中心實時處理的數(shù)據(jù)負載進行分配,在滿足數(shù)據(jù)負載最大響應時間約束的前提下,對數(shù)據(jù)中心用能進行優(yōu)化。

通過對數(shù)據(jù)中心用能進行時空調(diào)度,有助于充分挖掘數(shù)據(jù)中心用能作為需求響應資源的潛力,從而促進清潔能源消納、平抑綜合能源系統(tǒng)的多能負荷峰谷差、提高綜合能源系統(tǒng)可靠性等。目前,中國多個“多站合一”示范項目均對能源系統(tǒng)參與數(shù)據(jù)中心相關(guān)業(yè)務(wù)進行探索,如中國江蘇同里能源互聯(lián)網(wǎng)示范區(qū)、廣東深圳寶安中心區(qū)多站合一示范項目等。

2 集成數(shù)據(jù)中心的多區(qū)域能源站規(guī)劃模型

相較于對某個能源站進行單獨規(guī)劃,多區(qū)域能源站協(xié)同規(guī)劃能夠充分發(fā)揮綜合能源系統(tǒng)多能互補的特性。通過不同區(qū)域能源站之間的互聯(lián)互濟,提高整體的設(shè)備利用效率、降低資產(chǎn)投入、促進資源優(yōu)化配置。對于集成數(shù)據(jù)中心的能源站而言,多區(qū)域能源站間不僅存在能量流的互聯(lián),還存在信息流的溝通。在此基礎(chǔ)上,數(shù)據(jù)負載不僅具有時間可調(diào)特性,也可進行空間轉(zhuǎn)移。通過數(shù)據(jù)鏈路將數(shù)據(jù)負載在多個數(shù)據(jù)中心之間進行調(diào)度,可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心用能負荷的時空轉(zhuǎn)移。

本文建立集成數(shù)據(jù)中心的多區(qū)域能源站規(guī)劃模型,對多區(qū)域能源站站內(nèi)能源設(shè)備、服務(wù)器數(shù)量及站間能源聯(lián)絡(luò)線進行協(xié)同規(guī)劃。在對能量流和數(shù)據(jù)流的協(xié)同機理進行分析建模的基礎(chǔ)上,充分利用信息系統(tǒng)的柔性資源,提升各區(qū)域多能負荷和供能的匹配程度。通過能源站直接為數(shù)據(jù)中心供電供冷、利用熱泵進行數(shù)據(jù)中心余熱回收,提升系統(tǒng)整體能源利用效率。相較于單獨規(guī)劃綜合能源系統(tǒng)進一步優(yōu)化規(guī)劃方案,實現(xiàn)能源站站內(nèi)能源設(shè)備及信息設(shè)備規(guī)劃方案的協(xié)同優(yōu)化能達到更好的效果。

各能源站站內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。本文考慮的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)能源站待選設(shè)備集包括光伏、變壓器、燃氣輪機、燃氣鍋爐、吸收式制冷機、電制冷機、電儲能、蓄熱罐和用于數(shù)據(jù)中心余熱回收的熱泵。能源站站內(nèi)數(shù)據(jù)中心和站外數(shù)據(jù)中心通過數(shù)據(jù)鏈路在云端進行信息交互,數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器對數(shù)據(jù)負載進行處理。

圖1 集成數(shù)據(jù)中心的能源站能流示意圖Fig.1 Power flow diagram of energy station with data center

2.1 目標函數(shù)

本節(jié)以規(guī)劃期內(nèi)總成本最低為目標,建立集成數(shù)據(jù)中心的多區(qū)域能源站規(guī)劃模型。其中,總成本包括投資成本和運行成本,如式（8）所示。

minCtot=Cinv+Cop（8）

式中:Ctot為規(guī)劃期內(nèi)總成本；Cinv、Cop分別為投資成本和運行成本。

2.1.1 投資成本

投資成本主要包括能源站站內(nèi)能源設(shè)備、服務(wù)器及站間能源傳輸線投資成本,表達式為:

式中:φy為等年值折算系數(shù)；Nes為不同能源站集合；R為能源站各能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和儲能設(shè)備的集合；W為某一類設(shè)備可選類型的集合；c0,ω為設(shè)備ω的投資成 本；Mω,m為 能 源 站m內(nèi) 該 能 源 設(shè) 備ω的 安 裝 數(shù)量；c0,i為第i類服務(wù)器每臺投資成本；Mi,m為能源站m內(nèi)第i類服務(wù)器的投建數(shù)量；Le、Lh、Lg分別為待建電力傳輸線、熱力傳輸線和天然氣傳輸線集合；Xyle為是否投建電力聯(lián)絡(luò)線le的狀態(tài)變量；cle為電力聯(lián)絡(luò)線le的投資成本；Xylh為是否投建熱力聯(lián)絡(luò)線lh的狀態(tài)變量；clh為熱力聯(lián)絡(luò)線lh的投資成本；Xy lg為是否投建天然氣聯(lián)絡(luò)線lg的狀態(tài)變量；clg為天然氣聯(lián)絡(luò)線lg的投資成本。

2.1.2 運行成本

運行成本主要為購能成本,具體包括各能源站向上級電網(wǎng)購電成本和各能源站向上級天然氣網(wǎng)絡(luò)購氣成本,表達式為:

式中:D為典型日集合；d為集合D內(nèi)某一典型日；T為典型日內(nèi)各時段集合；θd為一年中各典型日數(shù)量；Pd,m,e,pur,t為 能 源 站m在t時 段 的 購 電 量；ce,pur,t為t時段的電價；Δt為仿真時間步長；Fd,m,g,pur,t為能源站m在t時段的購氣量；cg,pur,t為t時段的天然氣價格。

2.2 約束條件

1）能源設(shè)備數(shù)量約束

受各能源站占地面積等因素影響,站內(nèi)待規(guī)劃能源設(shè)備存在數(shù)量上限,表達式為:

式中；nw為各能源站站內(nèi)能源設(shè)備的規(guī)劃數(shù)量；w為能源設(shè)備類型；nmaxw為各能源站站內(nèi)能源設(shè)備類型為w的規(guī)劃數(shù)量上限。

2）服務(wù)器數(shù)量約束

3）數(shù)據(jù)負載總和約束

本文考慮數(shù)據(jù)中心承擔交互型和批處理型2 類數(shù)據(jù)負載。數(shù)據(jù)負載到達率為單位時間內(nèi)分配給數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)負載量。在t時段,各數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)負載到達率總和為λt,則應滿足:

4）服務(wù)率總和約束

服務(wù)率表示數(shù)據(jù)中心處理數(shù)據(jù)負載的能力。各數(shù)據(jù)中心在t時段能提供的服務(wù)率總和為:

式中:μt為各個數(shù)據(jù)中心內(nèi)不同種類處于不同工作狀態(tài)服務(wù)器所能提供的服務(wù)率之和；μi,j m,t為t時 段 在能源站m第i類處于工作狀態(tài)j的服務(wù)器服務(wù)率之和；μitrt為在單位時段t各數(shù)據(jù)中心用于處理交互型數(shù)據(jù)負載的服務(wù)率之和；μbatcht為各數(shù)據(jù)中心用于處理批處理型數(shù)據(jù)負載的服務(wù)率之和。

5）最大響應時間約束

集成數(shù)據(jù)中心的多區(qū)域能源站規(guī)劃模型中,數(shù)據(jù)負載最大響應時間約束為:

式中:Tbatch為批處理型數(shù)據(jù)負載最大允許處理時間；Ditr為交互型數(shù)據(jù)負載最大響應時間；ditr為數(shù)據(jù)負載傳輸延遲時間,可假設(shè)為某一具體常數(shù)［13］。

6）系統(tǒng)功率平衡約束

電母線功率平衡約束為:

式中:Ple,e,t為t時段經(jīng)電力傳輸線le向能源站m傳輸?shù)碾姽β?；xle為狀態(tài)變量,xle∈{0,1,-1}；Pm,e,TF,t為t時段上級電網(wǎng)經(jīng)變壓器降壓后輸入能源站m的電功率；Pm,e,GT,t為t時段能源站m內(nèi)燃氣輪機發(fā)出的電功率；Pm,e,PV,t為t時段能源站m內(nèi)光伏發(fā)電功率；Pm,e,EC,t、Pm,e,HP,t和Pm,e,dc,t分別為t時段能源 站m內(nèi)電制冷機、熱泵和數(shù)據(jù)中心消耗的電功率；Lm,e,t為t時 段 能 源 站m的 電 負 荷；Pm,e,ch,t、Pm,e,dis,t分 別 為能源站m內(nèi)電儲能設(shè)備充、放電功率。

氣母線功率平衡約束為:

式中:Flg,g,t為t時段經(jīng)天然氣傳輸管線lg向能源站m傳輸?shù)奶烊粴饬浚粁lg為狀態(tài)變量,xlg∈{0,1,-1}；Fm,g,pur,t為t時 段 能 源 站m外 購 天 然 氣 量；Fm,g,GB,t和Fm,g,GT,t分別為t時段能源站m內(nèi)燃氣鍋爐和燃氣輪機的耗氣量；Fm,g,t為t時段能源站m的天然氣負荷。

熱母線功率平衡約束為:

式中:Plh,h,t為t時段經(jīng)熱力傳輸線lh向能源站m傳輸 的 熱 功 率；xlh為 狀 態(tài) 變 量,xlh∈{0,1,-1}；Pm,h,GT,t和Pm,h,GB,t分別為t時段能源站m內(nèi)燃氣輪機和燃氣鍋爐的產(chǎn)熱功率；Lm,h,t為t時段能源站m的熱負荷；Pm,h,AC,t為t時段能源站m內(nèi)吸收式制冷機消耗的熱功率；Pm,h,ch,t和Pm,h,dis,t分別為能源站m內(nèi)蓄熱裝置的充、放熱能功率。

冷母線功率平衡約束為:

式中:Pm,c,EC,t、Pm,c,AC,t分別為t時段能源站m內(nèi)電制冷機、吸收式制冷機的制冷功率；Lm,c,t、Pm,c,dc,t分別為t時段能源站m需要外供的冷負荷及站內(nèi)數(shù)據(jù)中心消耗的冷負荷。

7）聯(lián)絡(luò)線容量約束

8）能源站購能約束

由于能源站內(nèi)配氣站、配電站容量限制,能源站外購電以及外購氣存在容量上限約束:

式中:ηTF、ηGT、ηGB、ηEC、ηAC、ηHP分別為變壓器、燃氣輪機、燃氣鍋爐、電制冷機、吸收式制冷機和熱泵的能源轉(zhuǎn)換效率；Rhe為燃氣輪機的熱電比；Pe,pur,t為能源 站 在t時 段 的 購 電 量；Pe,TF,t、Pe,GT,t、Pe,EC,t、Pe,HP,t分別為t時段能源站內(nèi)變壓器、燃氣輪機、電制冷機、熱泵的電功率；Pg,GT,t和Pg,GB,t分別為t時段能源站內(nèi)燃氣輪機和燃氣鍋爐的耗氣量；Pc,EC,t和Pc,AC,t分別為t時段能源站內(nèi)電制冷機、吸收式制冷機的冷 功 率；Ph,GB,t、Ph,AC,t、Ph,HP,t、Ph,GT,t分 別 為t時 段 能源站內(nèi)燃氣鍋爐、吸收式制冷機、熱泵和燃氣輪機的熱功率。

10）儲能設(shè)備運行約束

針對電儲能和蓄熱罐,建立通用模型［21-22］為:

3 算例分析

3.1 算例設(shè)置

為驗證本文所提能源站規(guī)劃模型的有效性,本節(jié)基于中國天津某實際算例（區(qū)域內(nèi)實際多能負荷及光伏出力系數(shù)曲線）進行算例分析,對如附錄A圖A2 所示的4 個區(qū)域能源站站內(nèi)能源設(shè)備、服務(wù)器數(shù)量及站間能源聯(lián)絡(luò)線進行聯(lián)合規(guī)劃。能源站內(nèi)待選設(shè)備信息和待選站間能源傳輸線信息見附錄B,各區(qū)域多能負荷典型時序場景、光伏出力系數(shù)曲線及數(shù)據(jù)中心原始數(shù)據(jù)負載曲線見附錄C。

數(shù)據(jù)中心PUE 值設(shè)置為1.35,待規(guī)劃服務(wù)器數(shù)量上限為12 000 臺。服務(wù)器CPU 類型包括Intel Pentium 950、Intel Pentium 4630 和AMD Athlon,3 類CPU 均有5 種可選工作頻率［18］。本文假設(shè)各時段數(shù)據(jù)負載中交互型數(shù)據(jù)負載和批處理型數(shù)據(jù)負載到達率占比均為50%,交互型數(shù)據(jù)負載最大響應時間設(shè)置為100 ms,批處理型數(shù)據(jù)負載響應時間上限設(shè)置為24 h。

本文設(shè)置了3 個場景分析數(shù)據(jù)中心用能時空可調(diào)特性對規(guī)劃結(jié)果的影響。其中,場景1 不考慮數(shù)據(jù)中心用能時空可調(diào)特性；場景2 僅考慮數(shù)據(jù)中心用能空間可調(diào)特性,即各時段4 個數(shù)據(jù)中心處理的數(shù)據(jù)負載總量不變,但數(shù)據(jù)負載可在空間范圍內(nèi)進行調(diào)度；場景3 同時考慮數(shù)據(jù)中心用能時間、空間可調(diào)特性。算例利用Gurobi 進行優(yōu)化求解。

3.2 多場景對比分析

3.2.1 規(guī)劃結(jié)果分析

不同場景下規(guī)劃方案成本如表1 所示。各場景下站內(nèi)服務(wù)器及各類能源設(shè)備規(guī)劃數(shù)量、站間能源聯(lián)絡(luò)線具體規(guī)劃結(jié)果見附錄D。

由表1 可以發(fā)現(xiàn),在考慮數(shù)據(jù)中心用能空間可調(diào)特性時,多能源站協(xié)同規(guī)劃總成本較場景1 降低了1.6%；在同時考慮數(shù)據(jù)中心用能時空可調(diào)特性時,規(guī)劃總成本較場景1 降低了3.2%。其中,總成本的降低主要來自設(shè)備投資成本和購能成本的降低。在購能成本方面,場景3 較場景1 降低了2.6%；在能源設(shè)備投資成本方面,場景2 較場景1 降低了2.3%,場景3 較場景1 降低了3.1%；在服務(wù)器投資成本方面,場景2 較場景1 降低了10%,場景3 較場景1 降低了10.7%。在能源傳輸線投資成本方面,場景2 和場景3 較場景1 有所增加,但本算例中能源傳輸線投資成本整體規(guī)模較小,因此場景2 和場景3總成本較場景1 仍有所降低。

表1 不同場景下規(guī)劃方案成本對比Table 1 Cost comparison of planning schemes in different scenarios

在服務(wù)器規(guī)劃數(shù)量方面,考慮數(shù)據(jù)中心用能空間可調(diào)特性時服務(wù)器規(guī)劃總數(shù)較場景1 降低了9.6%。數(shù)據(jù)負載集中于能源站2 和能源站3 內(nèi)處理；在同時考慮數(shù)據(jù)中心用能時間、空間可調(diào)特性時,服務(wù)器規(guī)劃總量較場景2 進一步減少了200 臺?？紤]數(shù)據(jù)中心用能時空可調(diào)特性,有益于提高服務(wù)器利用率,減少服務(wù)器規(guī)劃數(shù)量,降低投資成本。

在能源站站內(nèi)能源設(shè)備配置方面,考慮數(shù)據(jù)中心用能時空可調(diào)特性的場景下變壓器、燃氣鍋爐、熱泵的配置容量均有所降低。其中,場景3 較場景1 變壓器配置容量減少3.3 MW,在各類能源設(shè)備中減配規(guī)模最大。此外,在制冷設(shè)備配置方面,雖然場景3 較場景1 吸收式制冷機的配置規(guī)模有所增加,但電制冷機減配0.2 MW,因此在整體上場景3制冷設(shè)備投資成本較場景1 仍有所降低。

3.2.2 數(shù)據(jù)中心用能分析

場景2 和場景3 下,系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)負載轉(zhuǎn)移至數(shù)據(jù)中心2 和數(shù)據(jù)中心3 進行處理,數(shù)據(jù)負載調(diào)度情況如圖2 所示。

圖2 場景2 和場景3 下數(shù)據(jù)負載調(diào)度情況Fig.2 Data load scheduling in scenario 2 and scenario 3

考慮數(shù)據(jù)中心用能空間可調(diào)特性,在整體上減少了服務(wù)器規(guī)劃數(shù)量,提高服務(wù)器利用率。在場景3 下,數(shù)據(jù)負載在空間轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)上進一步向電價較低的時段平移:如在電價較低的22:00—23:00,場景3 下能源站3 處理的數(shù)據(jù)負載較場景2 增加了57.8%。通過將數(shù)據(jù)負載平移至電價較低的時段處理,降低了系統(tǒng)整體購能成本。

數(shù)據(jù)負載時空轉(zhuǎn)移直接改變了各數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的工作狀態(tài),從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心用能的時空調(diào)度。對于單個數(shù)據(jù)中心而言,數(shù)據(jù)中心內(nèi)各服務(wù)器工作狀態(tài)的變化是數(shù)據(jù)中心用能變化的直接原因。圖3 對比了不同場景下數(shù)據(jù)中心2 處于不同工作狀態(tài)的服務(wù)器數(shù)量。圖中,工作狀態(tài)0 表示服務(wù)器處于關(guān)機狀態(tài),工作狀態(tài)5 為服務(wù)器服務(wù)率及功耗最大狀態(tài)。通過場景1 和場景2 服務(wù)器工作狀態(tài)對比可以發(fā)現(xiàn),考慮數(shù)據(jù)中心用能空間可調(diào)特性有助于提高服務(wù)器利用率:場景1 中數(shù)據(jù)中心2 在00:00—07:00 和22:00—23:00 時段內(nèi)均存在500 臺以上服務(wù)器處于關(guān)機狀態(tài),在其他時段大多數(shù)服務(wù)器也處于服務(wù)率較低的工作狀態(tài)；在場景2 和場景3,數(shù)據(jù)中心2 內(nèi)的服務(wù)器均處于狀態(tài)3 及以上等服務(wù)率較高的工作狀態(tài)。

圖3 各場景下數(shù)據(jù)中心2 不同工作狀態(tài)服務(wù)器數(shù)量Fig.3 Numbers of servers in different working statuses of data center 2 in each scenario

基于服務(wù)器動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù),服務(wù)器工作狀態(tài)的改變實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)中心整體用能的調(diào)節(jié)。典型日內(nèi)各場景下4 個數(shù)據(jù)中心的能耗如圖4 所示。通過對比圖4 中3 個子圖可知,在僅考慮數(shù)據(jù)中心用能空間可調(diào)特性時,典型日內(nèi)場景2 各數(shù)據(jù)中心總能耗較場景1 降低了9.2%,通過節(jié)約能耗降低了購能成本。在同時考慮數(shù)據(jù)中心用能時間、空間可調(diào)特性的場景3,典型日內(nèi)各數(shù)據(jù)中心總能耗較場景1 降低了6.0%。雖然場景3 節(jié)約能耗低于場景2 節(jié)約能耗,但場景3 下部分數(shù)據(jù)負載時移至電價較低的時段處理。因此,場景3 下典型日內(nèi)的數(shù)據(jù)中心購能成本較場景2 仍然降低了10.4%。

圖4 各場景下數(shù)據(jù)中心能耗Fig.4 Power consumption of data centers in each scenario

4 結(jié)語

本文提出了一種考慮數(shù)據(jù)中心用能時空可調(diào)的多區(qū)域能源站規(guī)劃模型。在算例分析部分,通過設(shè)置不考慮數(shù)據(jù)中心用能時空可調(diào)特性、考慮數(shù)據(jù)中心用能空間可調(diào)特性、考慮數(shù)據(jù)中心用能時空可調(diào)特性3 個場景進行對比分析,并得出以下結(jié)論:在集成數(shù)據(jù)中心的多能源站協(xié)同規(guī)劃時考慮數(shù)據(jù)中心用能時空可調(diào)特性能夠節(jié)省總成本,特別是購能成本和設(shè)備投資成本；考慮數(shù)據(jù)中心用能空間可調(diào)特性有助于在整體上降低服務(wù)器投資成本,減少服務(wù)器配置總量,提高服務(wù)器設(shè)備利用率；同時考慮數(shù)據(jù)中心用能時間、空間可調(diào)特性,有利于充分利用分時電價,降低購能成本。

在后續(xù)研究中,針對數(shù)據(jù)中心運營商與綜合能源服務(wù)商為不同主體的場景,多主體間的交易機制與互動策略也將對多區(qū)域能源站規(guī)劃模型產(chǎn)生影響,值得進一步探討。此外,將數(shù)據(jù)中心通信通道及能源網(wǎng)絡(luò)納入規(guī)劃模型,考慮數(shù)據(jù)中心用能時空可調(diào)的綜合能源系統(tǒng)“站-網(wǎng)”協(xié)同規(guī)劃也是未來重要的研究方向之一。

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