面向數據中心的柔性直流配電系統多目標綜合評估

　　摘要：基于柔性直流配電系統(FlexibleDCDistributionSystem，FDCDS)技術構建數據中心應用場景，從多個層面對數據中心FDCDS進行量化評價，對于提高數據中心供電的可靠性和經濟性具有重要的理論與現實意義。為此，本文提出了一種面向數據中心應用場景的FDCDS多目標綜合評估方法。首先從供電可靠性需求、投資建設運行成本角度、數據中心場景需求和節能需求等方面建立了數據中心FDCDS的綜合評估指標體系;其次，為了使所確定的指標權重能夠同時體現專家經驗和指標本身的客觀差異性，利用序關系法和離差最大化法相結合的方法來確定指標權重，進而提出了基于類高斯分布型模糊隸屬度函數的數據中心FDCDS多目標綜合評估方法。最后通過對不同配電系統算例進行多目標綜合評估，驗證了所提評估指標體系和方法的有效性。

　　關鍵詞：數據中心;柔性直流配電系統;指標體系;模糊隸屬度函數;綜合評估

　　0引言

　　當前，隨著物聯網技術的發展和生產企業數字化轉型步伐的加快，各行各業對于數據處理的需求和可靠性要求越來越高，數據中心也逐漸向著高速集中和規�；�的方向發展[12]。數據中心的不斷發展對配電網的供電水平和能力提出了更高的要求，采用合理的配電系統設計方案才能保障集中度高且需長時間不斷電運行的數據中心系統的高效可靠運行。

　　當前的數據中心大多采用交流供電的形式，但存在可靠供電效率低、電能轉換環節多等問題[3]，而采用直流供電形式是一種新型的高效供電方案。為此，為驗證高壓直流供電系統的安全性、可靠性等，國家電網公司搭建了數據中心直流供電平臺，并進行了帶載試驗測試，結果表明，直流形式的供電系統在可靠性、穩定性等方面優于傳統交流供電形式，可在數據中心場景中推廣應用[4]。而國內外數據行業的相關著名企業也均已開展了數據中心配用電直流化的實踐[5]。

　　隨著電力電子技術的發展，基于全控型器件和脈寬調制控制的柔性直流配電技術憑借其高可控性和高效的用能效率等優勢，逐漸成為中低壓配電方式的優選模式[68]。國家工信部2019年出臺的《關于加強綠色數據中心建設的指導意見》中也對今后建設數據中心供配電系統提出了發展多種能源接入時柔性轉供電管理技術等需求。因此，基于柔性直流配電技術構建數據中心應用場景，從系統可靠性、投資建設成本、節能指標、供電質量提升等多個層面研究數據中心FDCDS的量化評價方法，可因地制宜為實際數據中心場景提供最合理規劃配置方案，對于提高數據中心供電的可靠性和經濟性具有重要的理論與現實意義。目前已有國內外的研究文獻對數據中心供用電系統的狀態評估指標和方法進行了相關研究。

　　在數據中心系統的可靠性評估方面，文獻[9]對數據中心分布式能源系統的供電系統、空調系統的可靠度進行了分析;文獻[10]提出了一種針對樹型數據中心網絡可靠性和可用性的分層評估框架，旨在根據評估結果進行合理的組網優化數據中心網絡內的節點分布。在數據中心系統的經濟性評估方面，文獻[11]提出了一種基于經濟性的數據中心光伏和儲能電池協同優化配置模型，文獻[12]建立了含風光水的發電端與負荷端數據中心的優化調度模型，提高了系統的綜合經濟效益。

　　此外，針對數據中心配電系統的電能質量問題，文獻[13]根據系統的實際結構特征進行了分析并提出了相應的治理方法�？傮w來說，相關評估研究均只針對影響系統運行的某一個方面展開的，而結合數據中心系統的場景需求，從可靠性與供電質量、投資建設成本、節能指標等多個方面進行綜合分析與評估的研究較少。

　　本文首先根據數據中心FDCDS的特征，從供電可靠性需求、投資建設運行成本角度、數據中心場景需求和節能需求四個方面建立了其綜合評估指標體系;其次，通過引入類高斯分布型隸屬度函數，提出了基于模糊隸屬度函數的系統多目標綜合評估方法，且在求取各指標權重時將序關系法和離差最大化法結合，使得所確定的指標權重能夠同時體現專家經驗和指標本身的客觀差異性;最后通過實例分析表明了所提方法的有效性。

　　1評估指標體系

　　為了對面向數據中心應用場景的FDCDS進行評估，本文綜合考慮了數據中心配電系統的供電可靠性需求、投資建設與運行成本、場景需求、節能需求等因素，建立了數據中心FDCDS多目標評估指標體系。通過建立該指標體系并進行綜合評估，可以給數據中心FDCDS的規劃建設提供指導建議，從而最大限度地發揮FDCDS在數據中心場景中的應用優勢。

　　1.1供電可靠性需求

　　提高數據中心FDCDS的供電可靠性是推進數據中心場景應用的首要目標。在本文，數據中心FDCDS的供電可靠性主要由兩個指標來衡量：①FDCDS可靠性指標數據中FDCDS的可靠性指標Y1可由系統關鍵元器件的可靠性評估模型經過解析或模擬等方法處理后得到，主要可以用來衡量為數據中心負荷持續可靠供電的能力，同時還應考慮數據中心備用電源情況。本文采用最小割集法[14]進行數據中FDCDS的可靠性分析，最小割集法通過模擬從電源到負荷點的一條或多條供電路徑，形成各負載點的最小割集，從而將系統網絡轉化為元件的串并聯關系以求得系統的可靠性指標。

　　在數據中心FDCDS中，都會配置有備用電源以保證供電的可靠性。備用電源可以是另一路市電、小型發電機組、或者是不間斷電源(UninterruptedPowerSupply,UPS)。因此在獲取數據中心FDCDS的供電可靠性指標時，還需要考慮備用電源的影響。當系統中主供電區發生失電情況時，可由聯接開關轉換至備用供電區，這樣就形成了備用割集，備用電源本身的可靠性水平將由該備用割集反映。因此，備用割集的存在會對系統可靠性指標中的年平均停電時間產生影響，需要根據負荷點轉移到備用電源的成功概率更新系統的年平均停電時間指標值[15]。

　　1.2配電系統投資建設與運行成本指標

　　數據中心柔性直流配電網的投資與運行成本指標是衡量數據中心建設推廣的市場潛力和經濟價值的重要方面。

　　1.3數據中心場景需求

　　在數據中心FDCDS的建設評估時，考慮直流配電系統與數據中心場景需求之間的匹配程度[18]。本文從系統的“數據中心源荷特性”和“數據中心柔性直流配電網絡特性”兩個方面，提出了評估數據中心需求的配電系統場景指標。①數據中心系統的源荷特性在數據中心源荷特性方面設置了可再生電源綜合占比和敏感數據負荷占比兩個指標[18]，用以描述數據中心系統的源荷需求匹配特性�；�于柔性直流技術的數據中心配電系統對分布式風光等可再生電源提供了靈活的接入方式，也促進了數據中心系統的綠色清潔和可持續性。

　　因此，本文設置了可再生電源綜合占比指標Y5來描述數據中心場景對清潔可再生電源的需求。另一方面，數據中心內大量的敏感數據負荷對系統的規劃要求有著很大的影響，數據中心服務器對配電系統的電壓非常敏感，一旦發生供電問題將會引起非常大的經濟損失。

　　1.4配電系統節能需求

　　隨著各行各業數字化進程的加快，數據中心負荷的功率密度越來越高，隨之帶來的能源消耗也越來越大，因此，在對數據中心配電系統進行評估時，需要合理并有效地評估數據中心負荷的資源消耗水平以符合節能需求。數據中心配電系統的節能評估指標可根據TheGreenGrid組織提出的能源使用效率(Powerusageeffectiveness,PUE)、水使用效率(Waterusageeffectiveness,WUE)和碳使用效率(Carbonusageeffectiveness,CUE)進行定義[20]。其中，能源使用效率PUE用來衡量數據中心系統中的基礎設施總能耗和IT設備能耗之間的關系，從而為數據中心系統架構設計和關鍵設備部署運行提供的能耗方面的判斷指導。

　　PUE的準確測量較為復雜，還包括數據中心IT設備內部的散熱組件等，可通過基本級測量法獲取。水使用效率WUE用來評估數據中心配電系統中包括日常用水、冷卻用水、加濕用水等水資源消耗情況。碳使用效率CUE可以用來衡量數據中心基礎設施的溫室氣體排放情況，理想情況下其值為0，表示系統無碳排放或實現了碳排放的中和。

　　2基于模糊隸屬度函數的綜合評估方法

　　根據上一節設計的評價指標體系，本文設計了一種基于模糊隸屬度函數的多目標綜合評估方法，對數據中心FDCDS進行評價選優。

　　3算例分析

　　為了驗證本文所提綜合評估方法的有效性，本算例選擇不同配電系統作為被評估對象(對象1~對象5)進行多目標綜合評估。由于現階段數據中心FDCDS工程尚處于探索階段，缺乏必要的系統運行狀態的歷史統計數據，因此本算例結合了FDCDS相關文獻[18]中的資料作為數據來源。

　　由于各指標值量綱不一致，因此對數據進行了無量綱處理。根據被評估對象的各指標原始數據，利用類高斯分布型隸屬度函數計算各指標數據的隸屬度值，計算出各指標數據的改進隸屬度值。由于不同隸屬度函數不會明顯影響評價結果的可信度，因此本算例并未對不同參數的類高斯分布型隸屬度函數進行驗證。進而，考慮不同的評估優先度，利用序關系法和離差最大化法組合而成的主客觀結合賦權法得出各指標權重，最后得到關于多目標綜合評價結果�？芍�評價結果相差在千分位，其主要原因在于被評估對象的各指標原始數據相差不是很大，這也符合數據中心系統建設的高可靠性等一般原則。盡管如此，根據評價結果之間的橫向比較，仍然可以得到不同對象的綜合評估結論。

　　4結論

　　1)本文首先從供電可靠性需求、投資建設運行成本角度、數據中心場景需求和節能需求等方面建立了數據中心柔性直流配電系統的綜合評估指標體系。

　　2)提出了基于類高斯分布型模糊隸屬度函數的多目標綜合評估方法，并結合序關系法和離差最大化法提出了指標權重的確定方法，使得所確定的指標權重能同時體現專家經驗和指標本身的客觀差異性。

　　3)提出了數據中心柔性直流配電系統的綜合評估步驟，并通過實例表明了所提評估指標體系和方法的有效性。

　　參考文獻References

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　　[3]杜先波,陳國琳,唐一銘,等.多站融合型數據中心交直流供電模式對比分析[J].電力需求側管理,2021,23(1):8489.

　　作者：陳冰1,2，倫振堅1，張學昶1，陸子凱1，鄧文揚2，張勇軍2

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