利用可再生能源減少數(shù)據(jù)中心排放 | 前沿探索

如今，人工智能 (AI) 和其他高耗電計(jì)算和數(shù)據(jù)處理應(yīng)用的快速增長(zhǎng)，推動(dòng)了全球大型數(shù)據(jù)中心設(shè)施部署的爆炸性擴(kuò)展。數(shù)據(jù)中心行業(yè)面臨著越來(lái)越大的壓力，需要減少其對(duì)全球排放的貢獻(xiàn)，同時(shí)滿足提供更多處理能力的需求。而同時(shí)滿足增加處理量和減少碳排放的需求的一種解決方案，是在可再生能源生產(chǎn)地點(diǎn)或附近增加數(shù)據(jù)中心的選址。

未來(lái)，大量可再生能源的可用性可以打破大規(guī)模計(jì)算的成本曲線。對(duì)于大型計(jì)算中心，能源占運(yùn)營(yíng)成本的很大一部分，在設(shè)備的整個(gè)生命周期中，能源成本可以達(dá)到與資本投資大致相同的水平。

風(fēng)能和太陽(yáng)能的利用越來(lái)越多，但與以前的可再生能源（例如水力發(fā)電廠）不同，每種能源在一天中的可用性和成本都存在明顯變化（有時(shí)甚至為負(fù)）。為了充分利用這些能源，數(shù)據(jù)中心需要高度自動(dòng)化，并且最好位于這些能源附近的偏遠(yuǎn)地區(qū)，以降低傳輸成本。

例如，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì) (NSF) 云與自主計(jì)算 (CAC) 產(chǎn)學(xué)合作研究中心在數(shù)據(jù)中心自動(dòng)化、分析和控制標(biāo)準(zhǔn)方面的工作將在這些流程和方法方面擁有數(shù)十年經(jīng)驗(yàn)的領(lǐng)導(dǎo)層的專業(yè)知識(shí)應(yīng)用于解決這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)與全球領(lǐng)先的標(biāo)準(zhǔn)制定組織，例如分布式管理任務(wù)組 (DMTF)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)行業(yè)協(xié)會(huì) (SNIA) 和開(kāi)放網(wǎng)格論壇 (OGF)）合作，并與他們合作開(kāi)發(fā)、測(cè)試和實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。

CAC最近的項(xiàng)目越來(lái)越關(guān)注在遠(yuǎn)程和可再生能源供電環(huán)境中實(shí)際采用數(shù)據(jù)中心自動(dòng)化、分析和控制所需的標(biāo)準(zhǔn)。CAC 與 DMTF、SNIA 和 OGF 合作，對(duì) Redfish 和 Swordfish 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了廣泛的測(cè)試，這些標(biāo)準(zhǔn)用于數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施為計(jì)算和存儲(chǔ)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸和操作以及越來(lái)越多的范圍的電氣管理和自動(dòng)化提供此類功能。在風(fēng)能和太陽(yáng)能使用中隱含的可變能源可用性條件下，這種自動(dòng)化和控制對(duì)于數(shù)據(jù)中心的成功部署和運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要，并且同樣可以為其他環(huán)境帶來(lái)成本效益。

全球領(lǐng)先的設(shè)施

CAC 與德克薩斯理工大學(xué) (TTU) 全球能源資產(chǎn)管理和制造實(shí)驗(yàn)室 (GLEAMM) 密切合作，該實(shí)驗(yàn)室的核心使命是與美國(guó)聯(lián)邦機(jī)構(gòu)、州機(jī)構(gòu)、私營(yíng)機(jī)構(gòu)合作，吸引并開(kāi)展能源領(lǐng)域部門和其他大學(xué)的多學(xué)科研究。GLEAMM 的使命是驗(yàn)證、證實(shí)和表征能源領(lǐng)域使用的現(xiàn)有技術(shù)，以及開(kāi)發(fā)新的尖端技術(shù)并通過(guò)研究商業(yè)化和科學(xué)出版物向公眾提供這些技術(shù)。

GLEAMM 擁有專門針對(duì)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化和可再生能源研究而定制的廣泛功能。GLEAMM 資源包括 150 kW 太陽(yáng)能電池陣列、與通用電氣 (GE) 和桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作的多個(gè)數(shù)百 kVA 規(guī)模的風(fēng)力渦輪機(jī)、一系列分布式相量測(cè)量單元 (PMU)，用于監(jiān)控電網(wǎng)、1MW可編程電阻負(fù)載、187kVAR可編程負(fù)載、30kW四象限逆變器、500kW柴油發(fā)電機(jī)、81.6kWh儲(chǔ)能系統(tǒng)以及配備電壓和電流傳感器的控制樓用于數(shù)據(jù)采集和當(dāng)?shù)貧庀笳?。因此，這些能源生成和存儲(chǔ)能力涵蓋了新數(shù)據(jù)中心部署中可能遇到的各種能源。

GLEAMM 微電網(wǎng)將德克薩斯理工大學(xué)的研究和商業(yè)化專業(yè)知識(shí)與下一代行業(yè)技術(shù)相結(jié)合，用于保護(hù)、增強(qiáng)和管理電力傳輸和分配。GLEAMM 的主要目標(biāo)是為與可再生能源和微電網(wǎng)相關(guān)的不同領(lǐng)域（例如現(xiàn)代化、能源管理、電能質(zhì)量、控制和運(yùn)營(yíng)）的創(chuàng)新研究提供功能完整的基礎(chǔ)設(shè)施。

除了這些硬件能力之外，GLEAMM還擁有OPAL-RT“硬件在環(huán)”（HIL）仿真設(shè)備，用于將基于計(jì)算機(jī)的模型與硬件設(shè)備合并，以研究?jī)烧咧g的相互作用。在軟件仿真能力方面，GLEAMM擁有PSSE、PSCAD、PowerWorld、Exata CPS、VOLTRON等多種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具的授權(quán)。CAC 的模擬和計(jì)算資源可用于補(bǔ)充現(xiàn)實(shí)世界的設(shè)備，使用這些資源來(lái)建模和理解更大設(shè)施的行為。

這些資源和設(shè)施位于德克薩斯州拉伯克以西里斯中心的 GLEAMM 站點(diǎn)。該中心前身是空軍基地，現(xiàn)在設(shè)有一系列學(xué)術(shù)教學(xué)和研究設(shè)施以及幾個(gè)工業(yè)租戶，距離德克薩斯理工大學(xué)主校區(qū)約 20 分鐘車程。GLEAMM 可以直接從三座 300 kVA 峰值容量研究風(fēng)塔（每個(gè)在風(fēng)速 11 m/s 時(shí)發(fā)電約 200 kW）以及位于里斯中心的 150 kVA 峰值容量太陽(yáng)能電池陣獲取電力。這些風(fēng)塔由桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營(yíng)，直接連接到控制設(shè)備所在的 GLEAMM 微電網(wǎng)大樓的開(kāi)關(guān)設(shè)備。

對(duì)于任何給定的負(fù)載，需要持續(xù)供電的資源（例如，為了保持系統(tǒng)準(zhǔn)備狀態(tài)、管理訪問(wèn)和可用性以及維護(hù)基本功能）可以通過(guò)外部商用電源或我們的現(xiàn)場(chǎng)柴油發(fā)電機(jī)作為需要的備用電源來(lái)保持運(yùn)行。GLEAMM 設(shè)施廣泛配備了實(shí)驗(yàn)室級(jí)傳感器和自動(dòng)化設(shè)備，以便在高度儀器化的研究環(huán)境中根據(jù)本地和分布式電源可用性，對(duì)實(shí)用方法進(jìn)行研究，以平滑、調(diào)節(jié)、操作和平衡工作負(fù)載。

通過(guò)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（ATS），微電網(wǎng)可以根據(jù)其運(yùn)行模式連接到主電網(wǎng)或備用柴油發(fā)電機(jī)。ATS 在兩種可能的場(chǎng)景之間切換微電網(wǎng)運(yùn)行模式。在最常見(jiàn)的“并網(wǎng)模式”場(chǎng)景中，微電網(wǎng)連接到設(shè)施電源，柴油發(fā)電機(jī)關(guān)閉。在極少數(shù)情況下，當(dāng)微電網(wǎng)與設(shè)施電源斷開(kāi)并且電池存儲(chǔ)的能量和柴油發(fā)電機(jī)成為系統(tǒng)的主要來(lái)源時(shí)，會(huì)出現(xiàn)稱為“孤島模式”的第二種運(yùn)行模式。

并網(wǎng)模式到孤島模式之間的過(guò)渡可以是有計(jì)劃的，也可以是無(wú)計(jì)劃的。當(dāng)運(yùn)營(yíng)商有意做出改變時(shí)，首先啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，然后降低綠色發(fā)電水平，就會(huì)發(fā)生計(jì)劃中的過(guò)渡。一旦綠色發(fā)電量減少且柴油發(fā)電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，則與電網(wǎng)同步，然后ATS從電網(wǎng)切換到發(fā)電機(jī)連接。發(fā)生這種情況時(shí)，重要的是使可再生能源發(fā)電量低于負(fù)載水平，因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)無(wú)法消耗任何多余的電力。

如果設(shè)施電網(wǎng)缺乏能源，可能會(huì)發(fā)生計(jì)劃外的轉(zhuǎn)換。當(dāng)整個(gè)微電網(wǎng)因設(shè)施停電而關(guān)閉時(shí)，太陽(yáng)能發(fā)電廠和風(fēng)力渦輪機(jī)被隔離，柴油發(fā)電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)。然而，發(fā)電機(jī)需要幾分鐘才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后連接到系統(tǒng)以孤島模式為微電網(wǎng)供電。在這段短暫的時(shí)間間隔內(nèi)，負(fù)載斷電，但關(guān)鍵負(fù)載和優(yōu)先負(fù)載也會(huì)切換到電池備用系統(tǒng)，以在停電期間維持供電。

GLEAMM 微電網(wǎng)配置為為其關(guān)鍵負(fù)載提供優(yōu)先服務(wù)，例如由可再生能源供電的數(shù)據(jù)中心和計(jì)算資源。該負(fù)載通過(guò)與 1600Ah 鋰離子電池并聯(lián)運(yùn)行的 Outback 逆變器連接到微電網(wǎng)，該逆變器非常類似于傳統(tǒng)的不間斷電源系統(tǒng) (UPS)，可在其他能源損失時(shí)保持可靠性。一旦檢測(cè)到 Outback 設(shè)備的輸入斷電，其逆變器就會(huì)自動(dòng)將系統(tǒng)與斷電隔離，并使用電池為關(guān)鍵負(fù)載供電，而不會(huì)出現(xiàn)明顯的延遲或瞬變。它與傳統(tǒng) UPS 的區(qū)別在于組合系統(tǒng)能夠處理多個(gè)輸入電源并適當(dāng)管理切換。

為了連接主微電網(wǎng)總線 (MCC) 中的所有這些設(shè)備，該設(shè)施配備了多個(gè)斷路器、保險(xiǎn)絲和命令面板，以確保系統(tǒng)的保護(hù)和安全。微電網(wǎng)的操作和控制是通過(guò) SEL-3530 實(shí)時(shí)自動(dòng)化控制器 (RTAC) 進(jìn)行的，該控制器具有雙向通信和人機(jī)界面 (HMI)，允許操作員可視化系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果并將命令發(fā)回到每個(gè)設(shè)備。此外，位于不同設(shè)備中的 Egauge 儀表的測(cè)量允許微電網(wǎng)的可觀察性、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。

該設(shè)施還提供兩個(gè)相量測(cè)量單元 (PMU)，用于實(shí)時(shí)收集電壓的幅度、頻率和角度。其中一臺(tái)設(shè)備專門用于監(jiān)控 Outback 逆變器的入口和輸出，確保關(guān)鍵負(fù)載始終處于可接受的電能質(zhì)量水平。除了 SEL-3530 之外，所有這些測(cè)量結(jié)果都會(huì)發(fā)送到用于數(shù)據(jù)可視化的遠(yuǎn)程交互平臺(tái)和記錄此信息以進(jìn)行事后分析的數(shù)據(jù)庫(kù)。除了與所有微電網(wǎng)元件建立雙向通信外，RTAC 還包含先前研究項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的內(nèi)部控制算法。

GLEAMM 微電網(wǎng)設(shè)備通信系統(tǒng)配置為支持廣泛的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和定制測(cè)試。部署的算法之一負(fù)責(zé)控制五個(gè)太陽(yáng)能逆變器，發(fā)送發(fā)電設(shè)定點(diǎn)。這些設(shè)定點(diǎn)來(lái)自最大功率點(diǎn)跟蹤器 (MPPT)，它旨在最大化可再生能源或定義值的可用能量。在太陽(yáng)能發(fā)電需要小于負(fù)載的情況下，用戶界面設(shè)定點(diǎn)是孤島模式操作的關(guān)鍵命令，因此發(fā)電機(jī)不會(huì)消耗剩余電力。最終，如果太陽(yáng)能發(fā)電量高于孤島模式下的負(fù)載，則自動(dòng)觸發(fā)柴油發(fā)電機(jī)的保護(hù)，避免該設(shè)備消耗任何電力。

RTAC 中的另一個(gè)控制裝置是 Outback 電池管理器。根據(jù) RTAC 中收集的測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算以跟蹤微電網(wǎng)產(chǎn)生和消耗的總電量。每當(dāng)發(fā)電量高于消耗量時(shí)，算法就會(huì)向內(nèi)陸逆變器發(fā)送命令，以連接到微電網(wǎng)，為關(guān)鍵負(fù)載供電并為電池充電。一旦發(fā)電量小于消耗量，RTAC 就會(huì)指示 Outback 斷開(kāi)微電網(wǎng)并使用電池來(lái)維持對(duì)關(guān)鍵負(fù)載的供電。通過(guò)這種控制，我們可以儲(chǔ)存產(chǎn)生的多余能源，并在我們沒(méi)有足夠的可再生能源生產(chǎn)時(shí)使用它。電池會(huì)放電至預(yù)定水平，因此它可以安全存儲(chǔ)以應(yīng)對(duì)進(jìn)一步的能量不足，并保護(hù)設(shè)備免遭深度放電。

作為對(duì)物理基礎(chǔ)設(shè)施的補(bǔ)充，GLEAMM 設(shè)施采用了 OPAL-RT 公司的實(shí)時(shí)數(shù)字模擬器，其中整個(gè)微電網(wǎng)及其設(shè)備被建模為一個(gè)完全模擬的系統(tǒng)。該模擬器可用于對(duì)真實(shí)電氣系統(tǒng)進(jìn)行高可靠性建模，并通過(guò)實(shí)時(shí)仿真跟蹤真實(shí)電氣設(shè)備的行為。借助這些設(shè)施和完整的微電網(wǎng)模型，GLEAMM 控制可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，而無(wú)需擔(dān)心在各種預(yù)計(jì)運(yùn)行條件下對(duì)真實(shí)電氣系統(tǒng)的影響，并用于對(duì)可能會(huì)出現(xiàn)的工業(yè)數(shù)據(jù)中心更大設(shè)施的行為進(jìn)行建模。

數(shù)據(jù)中心儀表和可視化

除了上述能源生成、存儲(chǔ)和儀器儀表資源之外，CAC 還帶來(lái)了數(shù)十年來(lái)在數(shù)據(jù)中心計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和分布式運(yùn)營(yíng)方面積累的豐富經(jīng)驗(yàn)。CAC 在這些領(lǐng)域擁有先進(jìn)的能力。

CAC 開(kāi)發(fā)了 DAVinci? 儀器和自動(dòng)化工具套件，為數(shù)據(jù)中心環(huán)境中廣泛不同的分析需求提供集成方法。DAVinci 與以前的數(shù)據(jù)收集、自動(dòng)化和可視化工具不同，它采用了整體端到端設(shè)計(jì)，可優(yōu)化數(shù)據(jù)收集、流程和效率。雖然它與現(xiàn)有的監(jiān)控或可視化解決方案部分重疊，例如下面討論的那些，但以前的工具都沒(méi)有像 DAVinci 那樣提供集成框架和耦合的工具套件集。

以前的數(shù)據(jù)收集基礎(chǔ)設(shè)施包括單獨(dú)的基于 IPMI 的服務(wù)器無(wú)人值守硬件管理、對(duì)這些工具的基于 Redfish 的改進(jìn)、SNMP 工具以及用于檢索服務(wù)器系統(tǒng)事件日志 (SEL) 數(shù)據(jù)的工具。有多種特定于設(shè)備的協(xié)議用于管理和控制硬件設(shè)備，例如專用傳感器和控制系統(tǒng)、機(jī)架和房間配電單元 (PDU) 以及其他定制數(shù)據(jù)中心設(shè)備。其中許多現(xiàn)在可以通過(guò)為此目的設(shè)計(jì)的定制模式收集到通用 Redfish 數(shù)據(jù)中心自動(dòng)化和管理協(xié)議中。

DAVinci 利用 CAC 開(kāi)發(fā)和測(cè)試的 Redfish 協(xié)議和工具來(lái)收集資源狀態(tài)。該系統(tǒng)充分利用Redfish的遙測(cè)指標(biāo)定義和采集能力以及服務(wù)器端聚合推送數(shù)據(jù)傳輸特性來(lái)優(yōu)化和定制數(shù)據(jù)采集。

DAVinci 的可視化組件構(gòu)建在數(shù)據(jù)收集組件之上，為 HPC 系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)感知和監(jiān)控提供交互式視覺(jué)表示?？梢暬枨髷U(kuò)展到以下維度：HPC空間布局（系統(tǒng)中資源的物理位置）、時(shí)域（如指標(biāo)收集器中描述的）和資源指標(biāo)（如CPU溫度、風(fēng)扇速度、功耗等）。

可視化組件提供跨節(jié)點(diǎn)、機(jī)架和其他設(shè)施的空間和時(shí)間視圖，并允許 DAVinci 用戶按時(shí)間序列特征進(jìn)行過(guò)濾，例如用于系統(tǒng)故障排除的溫度突然變化。它還允許通過(guò)多維分析關(guān)聯(lián)作業(yè)和資源指標(biāo)，并與自動(dòng)化組件集成，以便使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn) HPC 系統(tǒng)的表征和預(yù)測(cè)分析結(jié)果。

通過(guò)與世界各地的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織、行業(yè)成員和政府機(jī)構(gòu)的合作伙伴關(guān)系，CAC 能夠幫助您的組織采取必要的步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)際減排，同時(shí)部署更大規(guī)模的計(jì)算業(yè)務(wù)能力來(lái)滿足不斷增長(zhǎng)的需求?，F(xiàn)代世界中人工智能、數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)和數(shù)據(jù)處理的挑戰(zhàn)。

資料來(lái)源：CAC

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