考虑多时段设备耦合的数据中心能效优化方法技术

本发明专利技术公开考虑多时段设备耦合的数据中心能效优化方法，包括以下步骤：1)建立数据中心设备能耗模型；2)建立基于多时段设备耦合的数据中心能效优化模型；3)对数据中心设备能耗模型和基于多时段设备耦合的数据中心能效优化模型进行解算，得到数据中心IT设备的算力分配与启停方案，以及空调的送风温度。本发明专利技术建立了基于多时段设备耦合的数据中心能效优化模型，在IT和空调设备各自能耗模型基础上，综合考虑数据中心IT和空调设备的设备间耦合关系以及时段间耦合关系，以数据中心总成本为目标函数建立了基于多时段设备耦合的数据中心能效优化模型。能效优化模型。能效优化模型。

【技术实现步骤摘要】
考虑多时段设备耦合的数据中心能效优化方法


[0001]本专利技术涉及数据中心能效优化领域，具体是考虑多时段设备耦合的数据中心能效优化方法。

技术介绍

[0002]数据中心指的是用来在因特网络基础设施上传递、加速、展示、计算、存储数据信息的特定网络设备。当前，物联网、云计算及人工智能等技术的在全社会得到了广泛应用，数据中心已经成为当今大数据时代全球经济发展的基石，但同时也带来了严重的高能耗问题。以我国为例，2020年我国数据中心总耗电量2045亿千瓦时，约占社会总耗电的2.7％，而2020年三峡大坝的年发电量也仅为1118亿千瓦时；预计到2025年，全国数据中心总耗电量将达到3952亿千瓦时，约占社会总耗电量的4.1％。电能使用效率值(Power Usage Effectiveness,PUE)是衡量数据中心能耗效率的核心指标，其定义为数据中心总设备能耗与IT设备总能耗的比值，PUE值越小电能使用效率越高。目前国内数据中心PUE普遍为1.5～2.0，较国际先进水平的1.0～1.5仍有较大差距，仍有很大节能空间。数据中心巨大的能源消耗，严重阻碍了节能型社会的创建和“双碳”目标的实现，急需对数据中心提高能源使用效率，实现绿色可持续发展。
[0003]目前，对于数据中心能效优化方法的共同思路是分析IT和空调设备的运行特性，建立数据中心单时段能耗模型，进而将数据中心的能效优化问题转换为带有若干约束的优化问题，利用各种优化算法，求解得到在满足总算力需求和设备正常运行条件下，数据中心的PUE值达到最优时的IT设备算力分配与启停方案，以及空调设备的送风温度，最终实现了IT设备的算力与启停、空调设备的送风温度的分配优化，降低了数据中心的总能耗。然而，现有模型仅考虑单时段能效优化模型，忽略了IT和空调设备的时段间耦合关系，实质上是将模型视为多个单时段优化独立进行求解。这类优化方式给出的最优策略在实际的实施过程中可能出现设备损耗过大，或算力需求无法满足等问题。因此在数据中心能效优化建模时必须考虑其能效的时段耦合性，通过数据中心的多时段高效运营管理动态调整IT设备的运行状态，关掉或者休眠效率低的IT设备，提升整体的能效，实现数据中心的绿色可持续发展。综上所述，有必要综合考虑数据中心IT和空调设备的能耗特性与换热耦合关系，以及IT设备的时段间启停和爬坡约束关系，提出基于设备耦合的数据中心多时段能效优化方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供考虑多时段设备耦合的数据中心能效优化方法，包括以下步骤：
[0005]1)建立数据中心设备能耗模型；
[0006]所述数据中心设备能耗模型包括IT设备能耗模型、空调设备能耗模型和对流换热模型。
[0007]IT设备能耗模型分别如下所示：
[0008]P
计算
＝(P
max
‑
P
idle
)u+P
idle
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0009]f(T
IT
)＝b1+b2T
IT
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0010]P
IT
＝[(P
max
‑
P
idle
)u+P
idle
](b1+b2T
IT
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0011]式中,max和idle分别表示IT设备满载和空闲状态；(P
max
－P
idle
)u表示动态功耗；P
idle
表示静态功率；P
max
表示满载功率；u∈[0,1]表示IT设备的资源利用率；P
计算
表示IT设备的计算功耗；f(T
IT
)表示IT设备的漏电功耗；b1和b2是常数；T
IT
是IT设备的芯片温度；P
IT
表示IT设备能耗。
[0012]空调设备能耗模型如下所示：
[0013][0014]式中，k
T
为环境温度系数；S
dc
表示IT设备的投影面积之和；P
aircon
为空调设备的能耗；P
IT
表示IT设备能耗；
[0015]其中，空调冷负荷总量Q
aircon
如下所示：
[0016]Q
aircon
＝Q1+Q2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0017]IT设备产生的热量Q1和空调设备产生的热量Q2分别如下所示：
[0018]Q1＝97％P
IT
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0019]Q2＝k
T
S
dc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0020]空调性能系数COP如下所示：
[0021][0022]式中，T
out
为空调设备送风温度。
[0023]对流换热模型如下所示：
[0024]T
IT
＝P
IT
R
in
+T
in
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0025]T
in
＝T
out
+97％DP
IT
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0026]式中，D为传热系数；T
out
为空调设备送风温度；T
in
为IT设备的入口气流温度；R
in
为入口对流换热等效热阻。
[0027]2)建立基于多时段设备耦合的数据中心能效优化模型；
[0028]所述基于多时段设备耦合的数据中心能效优化模型的目标函数如下所示：
[0029][0030]式中，FP
total
(t)Δt为数据中心的运行成本；P
total
(t)是t时段的数据中心总功率；F是运行成本系数；I
i
(t)[1
‑
I
i
(t
‑
1)]S
i
是IT设备的启停成本；t表示当前时段；T是总时段数；Δt是时段间隔；I
i
(t)是第i台IT设备在t时段的运行状态，0为停止，1为开机或待机；S
i
是启停成本系数。
[0031]所述基于多时段设备耦合的数据中心能效优化模型的约束条件包括算力需求约束、空调送风温度范围约束、芯片温度上限约束、入口气流温度范围约束、IT设备爬坡约束和IT设备停机时间约束；
[0032]其中，算力需求约束如下所示：
[0033][本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.考虑多时段设备耦合的数据中心能效优化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立所述数据中心设备能耗模型。2)建立基于多时段设备耦合的数据中心能效优化模型；3)对数据中心设备能耗模型和基于多时段设备耦合的数据中心能效优化模型进行解算，得到数据中心IT设备的算力分配与启停方案，以及空调的送风温度。2.根据权利要求1所述的考虑多时段设备耦合的数据中心能效优化方法，其特征在于，所述数据中心设备能耗模型包括IT设备能耗模型、空调设备能耗模型和对流换热模型。3.根据权利要求2所述的考虑多时段设备耦合的数据中心能效优化方法，其特征在于，IT设备能耗模型分别如下所示：P
计算
＝(P
max
‑
P
idle
)u+P
idle
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)f(T
IT
)＝b1+b2T
IT
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)P
IT
＝[(P
max
‑
P
idle
)u+P
idle
](b1+b2T
IT
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中,max和idle分别表示IT设备满载和空闲状态；(P
max
－P
idle
)u表示动态功耗；P
idle
表示静态功率；P
max
表示满载功率；u∈[0,1]表示IT设备的资源利用率；P
计算
表示IT设备的计算功耗；f(T
IT
)表示IT设备的漏电功耗；b1和b2是常数；T
IT
是IT设备的芯片温度；P
IT
表示IT设备能耗。4.根据权利要求2所述的考虑多时段设备耦合的数据中心能效优化方法，其特征在于，空调设备能耗模型如下所示：式中，k
T
为环境温度系数；S
dc
表示IT设备的投影面积之和；P
aircon
为空调设备的能耗；P
IT
表示IT设备能耗；其中，空调冷负荷总量Q
aircon
如下所示：Q
aircon
＝Q1+Q2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)IT设备产生的热量Q1和空调设备产生的热量Q2分别如下所示：Q1＝97％P
IT
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)Q2＝k
T
S
dc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)空调性能系数COP如下所示：式中，T
out
为空调设备送风温度。5.根据权利要求2所述的考虑多时段设备耦合的数据中心能效优化方法，其特征在于，对流换热模型如下所示：T
IT
＝P
IT
R
in
+T
in
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)T
in
＝T
out
+97％DP
IT
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)式中，D为传热系数；T
out
为空调设备送风温度；T
in
为IT设备的入口气流温度；R
in
为入口对流换热等效热阻。6.根据权利要求1所述的考虑多时段设备耦合的数据中心能效优化方法，其特征在于，所述基于多时段设备耦合的数据中心能效优化模型的目标函数如下所示：
式中，FP
total
(t)Δt为数据中心的运行成本；P
total
(t)是t时段的数据中心总功率；F是运行成本系数；I
i
(t)[1
‑
I
i
(t
‑
1)]S
i
是IT设备的启停成本；t表示当前时段；T是总时段数；Δt是时段间隔；I
i
...

【专利技术属性】
技术研发人员：余娟，杨知方，高晋坤，刘珏麟，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：