一种面向协调数据中心与电网的计算转移需求响应系统技术方案

本申请公开了一种面向协调数据中心与电网的计算转移需求响应系统，包括：可参与电力市场需求响应的数据中心A、不可参与电力市场需求响应的数据中心群集B、申报计算模块、调度中心、电力交易中心、智能定价模块和执行计算模块。本系统协调电网和通信网络的运行，提出了不同节点的数据中心的通信网络与电网两方面的约束和特点，利用计算任务转移的方法将负荷转移到有分布式发电或储能的节点中，实现数据中心参与电网需求响应方案。进一步地，考虑到数据中心转移计算任务时需采取优化算法获取最优转移数据量，因此本发明专利技术提出了一种优化算法重构模型，在保持最优解的精度同时，还大大缩短了计算时间，从而起到为数据中心降低能耗的作用。耗的作用。耗的作用。

【技术实现步骤摘要】
一种面向协调数据中心与电网的计算转移需求响应系统


[0001]本申请涉及电力
，尤其涉及一种面向协调数据中心与电网的计算转移需求响应系统。

技术介绍

[0002]5G通信是最新一代移动网络中的应用。它使一种新型的网络成为可能，这种网络被设计用来将几乎所有人和所有事物连接在一起，包括机器、生物和设备。5G无线技术式海量数据处理加快、同时可靠性及可用性得到巨大的提高，对用户体验质量明显上升。同时，5G通信性能越高，处理的数据越快，其所需功耗越高。研究表明，在5G通信网络中，一个数据中心的能耗大约是4G通信网络中的数据中心的3
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4倍。因此，随着数据时代的发展，数据将越来越多，5G通信可能会导致数据中心所需要处理的计算任务显指数式上升，从而导致低压配电网出现显著的电力负荷增加现象。
[0003]为了提高5G数据中心的能源效率，目前研究人员主要关注点集中在能耗降低和电能利用两个方面。在降低能耗方面的研究主要集中在数据中心内部的细节运营和管理；在电能利用方面，主要集中在如何利用需求响应中的备用电池，而没有考虑数据中心的内部操作细节。实际上，除了备用电池外，数据中心内部的操作细节是具有参与需求响应的潜力。例如，在高峰或电力缺口时期，电网中某节点下的数据中心需要降低负荷，则该节点的数据中心的计算任务可部分转移至其他节点的数据中心或基站中处理，为该节点的数据中心参与电力市场提供新的方向。
[0004]综上，在计算资源有限和用电紧张的情况下，一种能有效发掘潜在资源的解决方案是非常重要的，既在保证用户体验质量的同时，又能充分合理的优化资源配置和利用潜在资源。

技术实现思路

[0005]本申请提供了一种面向协调数据中心与电网的计算转移需求响应系统，用于充分合理的优化资源配置和利用潜在资源。
[0006]有鉴于此，本申请第一方面提供了一种面向协调数据中心与电网的计算转移需求响应系统，所述系统包括：可参与电力市场需求响应的数据中心A、不可参与电力市场需求响应的数据中心群集B、申报计算模块、调度中心、电力交易中心、智能定价模块和执行计算模块；所述申报计算模块，用于接收所述数据中心A的CPU计算任务以及所需电能，以及接收所述数据中心群集B的CPU计算任务所需的电能、分布式发电数据、储能电池数据；以申报时段内所述数据中心A处理计算任务产生的用电量最低为目标建立第一目标函数和申报约束的数学模型，并对数学模型进行重构，采用改进后高效的拉格朗日重构乘子法对重构模型求解处理，得到所述数据中心A的时序虚拟出力边界、所述数据中心群集B中处理所述数据中心A转移的计算任务产生的用电量；
所述智能定价模块，用于接收所述时序虚拟出力边界、历史市场出清结果、历史执行结果，同时采用Q学习算法根据所述历史市场出清结果、所述历史执行结果和所述时序虚拟出力边界确定所述数据中心A参与当前电力市场需求响应最优的申报电价，从而输出当前参与电力市场需求响应的最优时序上报电价；所述调度中心，用于提供运行日的能源需求信息，能源需求信息包括：时序需求容量和时序需求价格；所述电力交易中心，用于接收所述最优时序上报电价、所述时序需求容量和所述时序需求价格，计算并输出市场出清结果，所述市场出清结果包括：各虚拟电厂的时序中标容量；所述执行计算模块，用于接收所述时序中标容量，以及接收所述数据中心群集B的CPU计算任务所需的电能、分布式发电数据、储能电池数据；以满足所述数据中心A在现货市场中虚拟出力的中标量的成本最低建立第二目标函数和执行时间内的执行约束的数学模型，并采用改进后高效的拉格朗日重构乘子法求解出最优的目标成本函数值后，求解执行阶段内数据中心群集B的执行资源组合和时序出力容量。
[0007]可选地，所述申报计算模块，具体包括：目标函数模块，用于接收所述数据中心A的CPU计算任务以及所需电能，以申报时段内所述数据中心A处理计算任务产生的用电量最低为目标建立所述第一目标函数，并作为数据模型输入到优化算法重构模块；申报约束模块，用于接收所述数据中心A的CPU计算任务以及所需电能，以及接收所述数据中心群集B的CPU计算任务所需的电能、分布式发电数据、储能电池数据；并建立申报时段内所述数据中心群集B的用电约束、所述数据中心群集B中的第i个数据中心在单位时间内的储能电池的充放电量上下限约束、所述数据中心群集B中的第i个数据中心的储能电池容量约束、计算任务处理时延约束和数据间的传输时延约束，并作为数据模型输入到优化算法重构模块；优化算法重构模块，用于接收所述目标函数模块和所述申报约束模块的数学模型，同时进行数学模型重构，将含有不等式约束和等式约束的数学模型重构为只含有等式约束的数学模型，得到重构模型，并采用改进后高效的拉格朗日重构乘子法求解出最优的所述数据中心A迁移到所述数据中心群集B中的第i个数据中心的数据量和所述第一目标函数的自变量后，求解所述数据中心A的时序虚拟出力边界和所述数据中心群集B中的各数据中心的CPU因处理所述数据中心A转移的计算任务而产生的用电量；其中，所述改进后高效的拉格朗日重构乘子法将指标约束函数中的不等式约束以罚项的形式重构到所述第一目标函数中。
[0008]可选地，所述用电约束包括：申报时段内所述数据中心群集B中的第i个数据中心的CPU因处理计算任务而产生的用电量；申报时段内所述数据中心群集B中的第i个数据中心的分布式发电产生的电力；申报时段内所述数据中心群集B中的第i个数据中心的储能电池的充放电量。
[0009]可选地，所述智能定价模块，具体包括：初始化模块，用于设置初始化Q表，所述初始化Q表为一个M行2+N列的二维表格，其中M代表所述数据中心A历史参与需求响应的次数，N代表数据中心的动作行为选择，所述初
始化Q表的第一列为所述数据中心A的历史时序上报电价，所述初始化Q表的第二列为所述数据中心A历史参与需求响应的时间，所述初始化Q表的第三列至2+N列为所述数据中心A在对于时间内所作出的不同动作所获得的未来奖励期望值；行为决策模块，用于接收所述时序虚拟出力边界、所述历史市场出清结果和所述历史执行结果，同时为智能体选取动作Q，根据所述初始化Q表获取对应的状态，从而通过策略确定最优时序上报电价，并输出所述最优时序上报电价，其中，历史市场出清结果为时序中标量，历史执行结果为时序出力容量和执行资源组合；更新模块，用于接收所述最优时序上报电价，使用Bellman方程更新所述初始化Q表。
[0010]可选地，所述执行计算模块，具体包括：执行约束模块，用于接收所述时序中标容量，以及接收所述数据中心群集B的CPU计算任务所需的电能、分布式发电数据、储能电池数据；并建立执行时间内所述数据中心群集B的第i个数据中心的用电约束、所述数据中心群集B中的第i个数据中心的分布式发电功率约束、所述数据中心群集B中的第i个数据中心的储能电池充放电功率上下限约束、所述数据中心群集B中的第i个数据中心的储能电池容量约束和执行时段内所述数据中心群集B中的第i个数据中心在的CPU因处理计算任务而产生的用电量约束，并作为数据模型输入到优化算法模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向协调数据中心与电网的计算转移需求响应系统，其特征在于，包括：可参与电力市场需求响应的数据中心A、不可参与电力市场需求响应的数据中心群集B、申报计算模块、调度中心、电力交易中心、智能定价模块和执行计算模块；所述申报计算模块，用于接收所述数据中心A的CPU计算任务以及所需电能，以及接收所述数据中心群集B的CPU计算任务所需的电能、分布式发电数据、储能电池数据；以申报时段内所述数据中心A处理计算任务产生的用电量最低为目标建立第一目标函数和申报约束的数学模型，并对数学模型进行重构，采用改进后高效的拉格朗日重构乘子法对重构模型求解处理，得到所述数据中心A的时序虚拟出力边界、所述数据中心群集B中处理所述数据中心A转移的计算任务产生的用电量；所述智能定价模块，用于接收所述时序虚拟出力边界、历史市场出清结果、历史执行结果，同时采用Q学习算法根据所述历史市场出清结果、所述历史执行结果和所述时序虚拟出力边界确定所述数据中心A参与当前电力市场需求响应最优的申报电价，从而输出当前参与电力市场需求响应的最优时序上报电价；所述调度中心，用于提供运行日的能源需求信息，能源需求信息包括：时序需求容量和时序需求价格；所述电力交易中心，用于接收所述最优时序上报电价、所述时序需求容量和所述时序需求价格，计算并输出市场出清结果，所述市场出清结果包括：各虚拟电厂的时序中标容量；所述执行计算模块，用于接收所述时序中标容量，以及接收所述数据中心群集B的CPU计算任务所需的电能、分布式发电数据、储能电池数据；以满足所述数据中心A在现货市场中虚拟出力的中标量的成本最低建立第二目标函数和执行时间内的执行约束的数学模型，并采用改进后高效的拉格朗日重构乘子法求解出最优的目标成本函数值后，求解执行阶段内数据中心群集B的执行资源组合和时序出力容量。2.根据权利要求1所述的面向协调数据中心与电网的计算转移需求响应系统，其特征在于，所述申报计算模块，具体包括：目标函数模块，用于接收所述数据中心A的CPU计算任务以及所需电能，以申报时段内所述数据中心A处理计算任务产生的用电量最低为目标建立所述第一目标函数，并作为数据模型输入到优化算法重构模块；申报约束模块，用于接收所述数据中心A的CPU计算任务以及所需电能，以及接收所述数据中心群集B的CPU计算任务所需的电能、分布式发电数据、储能电池数据；并建立申报时段内所述数据中心群集B的用电约束、所述数据中心群集B中的第i个数据中心在单位时间内的储能电池的充放电量上下限约束、所述数据中心群集B中的第i个数据中心的储能电池容量约束、计算任务处理时延约束和数据间的传输时延约束，并作为数据模型输入到优化算法重构模块；优化算法重构模块，用于接收所述目标函数模块和所述申报约束模块的数学模型，同时进行数学模型重构，将含有不等式约束和等式约束的数学模型重构为只含有等式约束的数学模型，得到重构模型，并采用改进后高效的拉格朗日重构乘子法求解出最优的所述数据中心A迁移到所述数据中心群集B中的第i个数据中心的数据量和所述第一目标函数的自变量后，求解所述数据中心A的时序虚拟出力边界和所述数据中心群集B中的各数据中心的
CPU因处理所述数据中心A转移的计算任务而产生的用电量；其中，所述改进后高效的拉格朗日重构乘子法将指标约束函数中的不等式约束以罚项的形式重构到所述第一目标函数中。3.根据权利要求2所述的面向协调数据中心与电网的计算转移需求响应系统，其特征在于，所述用电约束包括：申报时段内所述数据中心群集B中的第i个数据中心的CPU因处理计算任务而产生的用电量；申报时段内所述数据中心群集B中的第i个数据中心的分布式发电产生的电力；申报时段内所述数据中心群集B中的第i个数据中心的储能电池的充放电量。4.根据权利要求1所述的面向协调数据中心与电网的计算转移需求响应系统，其特征在于，所述智能定价模块，具体包括：初始化模块，用于设置初始化Q表，所述初始化Q表为一个M行2+N列的二维表格，其中M代表所述数据中心A历史参与需求响应的次数，N代表数据中心的动作行为选择，所述初始化Q表的第一列为所述数据中心A的历史时序上报电价，所述初始化Q表的第二列为所述数据中心A历史参与需求响应的时间，所述初始化Q表的第三列至2+N列为所述数据中心A在对于时间内所作出的不同动作所获得的未来奖励期望值；行为决策模块，用于接收所述时序虚拟出力边界、所述历史市场出清结果和所述历史执行结果，同时为智能体选取动作Q，根据所述初始化Q表获取对应的状态，从而通过策略确定最优时序上报电价，并输出所述最优时序上报电价，其中，历史市场出清结果为时序中标量，历史执行结果为时序出力容量和执行资源组合；更新模块，用于接收所述最优时序上报电价，使用Bellman方程更新所述初始化Q表。5.根据权利要求1所述的面向协调数据中心与电网的计算转移需求响应系统，其特征在于，所述执行计算模块，具体包括：执行约束模块，用于接收所述时序中标容量，以及接收所述数据中心群集B的CPU计算任务所需的电能、分布式发电数据、储能电池数据；并建立执行时间内所述数据中心群集B的第i个数据中心的用电约束、所述数据中心群集B中的第i个数据中心的分布式发电功率约束、所述数据中心群集B中的第i个数据中心的储能电池充放电功率上下限约束、所述数据中心群集B中的第i个数据中心的储能电池容量约束和执行时段内所述数据中心群集B中的第i个数据中心在的CPU因处理计算任务而产生的用电量约束，并作为数据模型输入到优化算法模块；目标成本函数模块，用于接收所述数据中心群集B的CPU计算任务所需的电能、分布式发电数据、储能电池数据；以满足所述数据中心A在现货市场中虚拟出力的中标量的成本最低建立所述第二目标函数，作为数据模型输入到优化算法模块；优化算法模块，用于接收所述目标成本函数模块和所述执行约束模块的数学模型，并采用改进后高效的拉格朗日重构乘子法求解出最优的目标成本函数值后，求解执行阶段内数据中心群集B的执行资源组合和时序出力容量；其中，改进后高效的拉格朗日重构乘子法将指标约束函数中的不等式约束以罚项的形式重构到所述第二目标函数中。6.根据权利要求1所述的面向协调数据中心与电网的计算转移需求响应系统，其特征在于，所述重构模型的第一目标函数为：
；式中，代表重构模型中以申报时段内数据中心A的CPU因处理计算任务而产生的用电量以及各罚项的总和最低为目标；代表所述第一目标函数的自变量，为申报时段被数据中心A进行迁移到数据中心群集B的总数据量；为数据中心A未进行计算任务转移时的总数据量；为数据中心A计算单位数据量所需要的CPU周期；为数据中心A计算每个CPU周期的能耗；、分别为值大于1的惩罚系数；为放大系数，值为大于1的奇数；为数据中心群集B中的第i个数据中心的第j个不等式约束的上边界惩罚项；为数据中心群集B中的第i个数据中心的第j个不等式约束的下边界惩罚项；和分别为数据中心群集B中的第i个数据中心在单位时间内的分布式发电量约束的上下边界惩罚项；和分别为数据中心群集B中的第i个数据中心在单位时间内的储能电池的充放电量约束的上下边界惩罚项；和分别为数据中心群集B中的第i个数据中心的储能电池容量约束上下边界惩罚项；为申报时段内数据中心群集B中的第i个数据中心的数据容量约束的上边界惩罚项；为数据中心A与数据中心群集B中的第i个数据中心之间的信道传输时延约束上边界惩罚项；为数据中心群集B中的第i个数据中心单位时间的分布式发电量；为数据中心群集B中的第i个数据中心单位时间的分布式发电量最大值；为申报时段内数据中心群集B中的第i个数据中心的储能电池的充放电量，为数据中心群集B中的第i个数据中心的储能电池在单位时间内的充放电量；为数据中心群集B中的第i个数据中心的储能电池在单位时间内的最大充电量；为数据中心群集B中的第i个数据中心的储能电池在单位时间内的最大放电量；为数
据中心群集B中的第i个数据中心的储能电池最小容量；为申报时段前数据中心群集B中的第i个数据中心的储能电池初始容量；为数据中心群集B中的第i...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤瑞欣，陈忠颖，李俊华，黄佳允，梁志豪，欧韦宜，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司肇庆供电局，
类型：发明
国别省市：