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) 和其他高耗電計算和數(shù)據(jù)處理應(yīng)用的快速增長，推動了全球大型數(shù)據(jù)中心設(shè)施部署的爆炸性擴展。數(shù)據(jù)中心行業(yè)面臨著越來越大的壓力，需要減少其對全球排放的貢獻，同時滿足提供更多處理能力的需求。而同時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)地點或附近增加數(shù)據(jù)中心的選址。

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

風(fēng)能和太陽能的利用越來越多，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)中心需要高度自動化，并且最好位于這些能源附近的偏遠地區(qū)，以降低傳輸成本。

例如，美國國家科學(xué)基金會 (NSF) 云與自主計算 (CAC) 產(chǎn)學(xué)合作研究中心在數(shù)據(jù)中心自動化、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)驗的領(lǐng)導(dǎo)層的專業(yè)知識應(yīng)用于解決這個問題。通過與全球領(lǐng)先的標(biāo)準(zhǔn)制定組織，例如分布式管理任務(wù)組 (DMTF)、存儲網(wǎng)絡(luò)行業(yè)協(xié)會 (SNIA) 和開放網(wǎng)格論壇 (OGF)）合作，并與他們合作開發(fā)、測試和實施標(biāo)準(zhǔn)。

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

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)管理和制造實驗室 (GLEAMM) 密切合作，該實驗室的核心使命是與美國聯(lián)邦機構(gòu)、州機構(gòu)、私營機構(gòu)合作，吸引并開展能源領(lǐng)域部門和其他大學(xué)的多學(xué)科研究。GLEAMM 的使命是驗證、證實和表征能源領(lǐng)域使用的現(xiàn)有技術(shù)，以及開發(fā)新的尖端技術(shù)并通過研究商業(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 太陽能電池陣列、與通用電氣 (GE) 和桑迪亞國家實驗室合作的多個數(shù)百 kVA 規(guī)模的風(fēng)力渦輪機、一系列分布式相量測量單元 (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、81.6kWh儲能系統(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)貧庀笳尽Ｒ虼?，這些能源生成和存儲能力涵蓋了新數(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)知識與下一代行業(yè)技術(shù)相結(jié)合，用于保護、增強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、控制和運營）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，用于將基于計算機的模型與硬件設(shè)備合并，以研究兩者之間的相互作用。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 的模擬和計算資源可用于補充現(xiàn)實世界的設(shè)備，使用這些資源來建模和理解更大設(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。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（每個在風(fēng)速 11 m/s 時發(fā)電約 200 kW）以及位于里斯中心的 150 kVA 峰值容量太陽能電池陣獲取電力。這些風(fēng)塔由桑迪亞國家實驗室運營，直接連接到控制設(shè)備所在的 GLEAMM 微電網(wǎng)大樓的開關(guān)設(shè)備。

對于任何給定的負(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)、管理訪問和可用性以及維護基本功能）可以通過外部商用電源或我們的現(xiàn)場柴油發(fā)電機作為需要的備用電源來保持運行。GLEAMM 設(shè)施廣泛配備了實驗室級傳感器和自動化設(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，對實用方法進行研究，以平滑、調(diào)節(jié)、操作和平衡工作負(fù)載。

通過自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATS），微電網(wǎng)可以根據(jù)其運行模式連接到主電網(wǎng)或備用柴油發(fā)電機。ATS 在兩種可能的場景之間切換微電網(wǎng)運行模式。在最常見的“并網(wǎng)模式”場景中，微電網(wǎng)連接到設(shè)施電源，柴油發(fā)電機關(guān)閉。在極少數(shù)情況下，當(dāng)微電網(wǎng)與設(shè)施電源斷開并且電池存儲的能量和柴油發(fā)電機成為系統(tǒng)的主要來源時，會出現(xiàn)稱為“孤島模式”的第二種運行模式。

并網(wǎng)模式到孤島模式之間的過渡可以是有計劃的，也可以是無計劃的。當(dāng)運營商有意做出改變時，首先啟動發(fā)電機，然后降低綠色發(fā)電水平，就會發(fā)生計劃中的過渡。一旦綠色發(fā)電量減少且柴油發(fā)電機達到穩(wěn)定狀態(tài)，則與電網(wǎng)同步，然后ATS從電網(wǎng)切換到發(fā)電機連接。發(fā)生這種情況時，重要的是使可再生能源發(fā)電量低于負(fù)載水平，因為柴油發(fā)電機無法消耗任何多余的電力。

如果設(shè)施電網(wǎng)缺乏能源，可能會發(fā)生計劃外的轉(zhuǎn)換。當(dāng)整個微電網(wǎng)因設(shè)施停電而關(guān)閉時，太陽能發(fā)電廠和風(fēng)力渦輪機被隔離，柴油發(fā)電機自動啟動。然而，發(fā)電機需要幾分鐘才能達到穩(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)中心和計算資源。該負(fù)載通過與 1600Ah 鋰離子電池并聯(lián)運行的 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保持可靠性。一旦檢測到 Outback 設(shè)備的輸入斷電，其逆變器就會自動將系統(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)施配備了多個斷路器、保險絲和命令面板，以確保系統(tǒng)的保護和安全。微電網(wǎng)的操作和控制是通過 SEL-3530 實時自動化控制器 (RTAC) 進行的，該控制器具有雙向通信和人機界面 (HMI)，允許操作員可視化系統(tǒng)的測量結(jié)果并將命令發(fā)回到每個設(shè)備。此外，位于不同設(shè)備中的 Egauge 儀表的測量允許微電網(wǎng)的可觀察性、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。

該設(shè)施還提供兩個相量測量單元 (PMU)，用于實時收集電壓的幅度、頻率和角度。其中一臺設(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，所有這些測量結(jié)果都會發(fā)送到用于數(shù)據(jù)可視化的遠程交互平臺和記錄此信息以進行事后分析的數(shù)據(jù)庫。除了與所有微電網(wǎng)元件建立雙向通信外，RTAC 還包含先前研究項目開發(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)和定制測試。部署的算法之一負(fù)責(zé)控制五個太陽能逆變器，發(fā)送發(fā)電設(shè)定點。這些設(shè)定點來自最大功率點跟蹤器 (MPPT)，它旨在最大化可再生能源或定義值的可用能量。在太陽能發(fā)電需要小于負(fù)載的情況下，用戶界面設(shè)定點是孤島模式操作的關(guān)鍵命令，因此發(fā)電機不會消耗剩余電力。最終，如果太陽能發(fā)電量高于孤島模式下的負(fù)載，則自動觸發(fā)柴油發(fā)電機的保護，避免該設(shè)備消耗任何電力。

RTAC 中的另一個控制裝置是 Outback 電池管理器。根據(jù) RTAC 中收集的測量數(shù)據(jù)，進行計算以跟蹤微電網(wǎng)產(chǎn)生和消耗的總電量。每當(dāng)發(fā)電量高于消耗量時，算法就會向內(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 就會指示 Outback 斷開微電網(wǎng)并使用電池來維持對關(guān)鍵負(fù)載的供電。通過這種控制，我們可以儲存產(chǎn)生的多余能源，并在我們沒有足夠的可再生能源生產(chǎn)時使用它。電池會放電至預(yù)定水平，因此它可以安全存儲以應(yīng)對進一步的能量不足，并保護設(shè)備免遭深度放電。

作為對物理基礎(chǔ)設(shè)施的補充，GLEAMM 設(shè)施采用了 OPAL-RT 公司的實時數(shù)字模擬器，其中整個微電網(wǎng)及其設(shè)備被建模為一個完全模擬的系統(tǒng)。該模擬器可用于對真實電氣系統(tǒng)進行高可靠性建模，并通過實時仿真跟蹤真實電氣設(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)境中進行測試和驗證，而無需擔(dān)心在各種預(yù)計運行條件下對真實電氣系統(tǒng)的影響，并用于對可能會出現(xiàn)的工業(yè)數(shù)據(jù)中心更大設(shè)施的行為進行建模。

數(shù)據(jù)中心儀表和可視化

除了上述能源生成、存儲和儀器儀表資源之外，CAC 還帶來了數(shù)十年來在數(shù)據(jù)中心計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)和分布式運營方面積累的豐富經(jīng)驗。CAC 在這些領(lǐng)域擁有先進的能力。

CAC 開發(fā)了 DAVinci? 儀器和自動化工具套件，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、自動化和可視化工具不同，它采用了整體端到端設(shè)計，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)施包括單獨的基于 IPMI 的服務(wù)器無人值守硬件管理、對這些工具的基于 Redfish 的改進、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)在可以通過為此目的設(shè)計的定制模式收集到通用 Redfish 數(shù)據(jù)中心自動化和管理協(xié)議中。

DAVinci 利用 CAC 開發(fā)和測試的 Redfish 協(xié)議和工具來收集資源狀態(tài)。該系統(tǒng)充分利用Redfish的遙測指標(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)勢感知和監(jiān)控提供交互式視覺表示?？梢暬枨髷U展到以下維度：HPC空間布局（系統(tǒng)中資源的物理位置）、時域（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、機架和其他設(shè)施的空間和時間視圖，并允許 DAVinci 用戶按時間序列特征進行過濾，例如用于系統(tǒng)故障排除的溫度突然變化。它還允許通過多維分析關(guān)聯(lián)作業(yè)和資源指標(biāo)，并與自動化組件集成，以便使用機器學(xué)習(xí)技術(shù)實現(xiàn) HPC 系統(tǒng)的表征和預(yù)測分析結(jié)果。

通過與世界各地的國際標(biāo)準(zhǔn)組織、行業(yè)成員和政府機構(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實現(xiàn)實際減排，同時部署更大規(guī)模的計算業(yè)務(wù)能力來滿足不斷增長的需求?，F(xiàn)代世界中人工智能、數(shù)據(jù)中心運營和數(shù)據(jù)處理的挑戰(zhàn)。

資料來源：CAC

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