جدولة وربط الطاقة المثلى لمركز البيانات مع الشبكات الكهربائية

أهمية جدولة وربط الطاقة المثلى لمركز البيانات مع الشبكات الكهربائية

تتطور الحوسبة السحابية بسرعة في العقد الماضي بسبب كمية كبيرة من البيانات في الأنشطة السكنية والتجارية اليومية، كما تتزايد حركة المرور على الإنترنت بشكل كبير ووصلت إلى زيتابايت في عام (2017) م، كما وقد ارتفعت خدمات تكنولوجيا المعلومات، والتي جاءت مع ظهور الحوسبة السحابية، كما وأصبحت البنية التحتية الحيوية في الوقت الحاضر.

وبالإضافة إلى ظهور خدمات تكنولوجيا المعلومات، تواجه مراكز الطاقة نمواً هائلاً من حيث الحجم والعدد، بحيث يمكن أن تستهلك بعض مراكز البيانات ما يصل إلى (50) ميغاواط أو أكثر من الطاقة الكهربائية، ويتزايد استهلاك الطاقة بسرعة بحوالي (10٪) كل عام، وذلك وفقاً “لتقرير نيتشر”، بحيث تستخدم مراكز بيانات الطاقة العالمية الحالية ما يقدر بـ (200) تيراواط ساعة كل عام، وهو ما يزيد حتى عن إجمالي استهلاك الطاقة في بعض البلدان.

ومن الخصائص المهمة الأخرى لمراكز البيانات مرونة التحميل، ووفقاً لدراسة تجريبية أجراها مختبر لورانس بيركلي الوطني؛ فإنه يمكن التخلص من (5٪) من أحمال مراكز البيانات في (5) دقائق، كما ويمكن التخلص من (10٪) من الحمل الكهربائي في (15) دقيقة دون تغيير عبء عمل تكنولوجيا المعلومات، وذلك مصحوباً باستهلاك كبير للطاقة ومرونة في الأحمال، كما تجعل الميزة التكافلية لمركز البيانات منه مرشحاً جيداً للمشاركة في برامج الاستجابة للطلب.

كما تم إجراء قدر كبير من الأبحاث حول إدارة الأحمال المرنة لمراكز البيانات، والتي يمكن تصنيفها إلى تحويل الأحمال وتدهور الجودة وموازنة الحمل الجغرافي، بحيث تحتوي مراكز البيانات على مزيج من عبء العمل، بما في ذلك عبء العمل المتقطع (أي تحمل التأخير) وعبء العمل غير المتقطع، ومن ثم اقترح بعض الباحثين تطبيق خوارزميات تحويل الحمل في مراكز البيانات لتقليل تكلفة الطاقة.

كذلك تم تقديم خوارزمية تنافسية عشوائية لتقليل تكلفة الكهرباء لأعباء العمل المتقطعة في خوادم مركز البيانات، بحيث يتم تنفيذ عبء العمل في فترات انخفاض أسعار الكهرباء نسبياً، بحيث تم اقتراح نهجاً شاملاً لجدولة عبء عمل تكنولوجيا المعلومات وتخصيص موارد تكنولوجيا المعلومات الخاصة بمركز البيانات بناءً على تباين إمداد الطاقة وتباين كفاءة التبريد.

وصف المعيقات الخاصة بربط الطاقة المثلى لمركز البيانات

في هذا القسم، يتم تقديم مكونات وتكوين إطار العمل المقترح، والتي تصف توصيل الأجهزة المختلفة وتدفقات التدفئة والتبريد والكهرباء، وفي السيناريوهات العملية عادة ما تكون مراكز البيانات ملحقة للمباني التجارية، وذلك حتى المباني السكنية، وفي هذا الطرح؛ فإنه لا يتم التحكم في مراكز بيانات الإنترنت فقط، وبدلاً من ذلك تم اقتراح شبكة الطاقة التي تحقق نتائج التحكم المثلى على مستوى النظام.

كما تشمل المكونات الأساسية لشبكة الطاقة المقترحة (CCHP) وموارد الطاقة المتجددة (أي الطاقة الشمسية الكهروضوئية) وأنظمة تخزين طاقة البطاريات والتبريد والتدفئة وكذلك الطلب على الكهرباء، كما يمكن أن توفر الطاقة الشمسية الكهروضوئية طاقة مستدامة ونظيفة، وخاصةً للأجهزة المتعطشة للطاقة الكهربائية التي تعمل أنظمة بطريقة تخزين طاقة البطارية كمخزن للطاقة.

كما يختار العمل في فترات الشحن عندما يكون سعر الكهرباء منخفضاً ويعمل في فترات التفريغ عندما يكون سعر الكهرباء مرتفعاً، بحيث تكون (CCHP) هو مورد لامركزي لتوليد الطاقة، والذي يتمتع بكفاءة أفضل للطاقة ويمكن أن يقلل من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.

لذلك يوضح الشكل التالي (1) تدفق التبريد الداخلي وتدفق التدفئة وتدفق الكهرباء وتدفق الغاز الطبيعي لشبكات الطاقة المقترحة، بحيث يبدأ تدفق الكهرباء من شبكة الكهرباء وشبكة الغاز الطبيعي، كما ويمتد إلى الشبكة الكهربائية، بحيث يبدأ تدفق التدفئة وتدفق التبريد من التوربينات الغازية والمراجل الغازية في (CCHP)، ثم تصل إلى إمداد التدفئة وإمدادات التبريد.

وفي الشكل التالي (2)، بحيث يظهر الهيكل المبسط لشبكات الطاقة، وفي إطار التحكم المقترح؛ فإنه يمكن أن يكون المستخدمون النهائيون لشبكات الطاقة مراكز بيانات الإنترنت والمباني التجارية والمباني السكنية، وهناك أنواع مختلفة من المباني لها خصائص تحميل مختلفة، وعلى سبيل المثال يكون الطلب على الأحمال في مراكز البيانات مستقراً نسبياً على مدار اليوم.

وعادةً ما يصل حمل المباني التجارية إلى ذروته في النهار وعادةً ما يصل تحميل المباني السكنية إلى ذروته في وقت خارج العمل في حوالي الساعة (18:00 – 21:00)، كما يتم توفير الكهرباء في الإطار من خلال شبكة الكهرباء الخارجية وتوليد الطاقة (CCHP) وتوليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية، كما يتم توفير مصدر التبريد بواسطة مبرد كهربائي أو مبرد امتصاص.

نمذجة مكونات النظام الكهربائي

في هذا القسم، تم تقديم نمذجة المكونات المختلفة في الإطار المقترح، والتي تشمل نمذجة (CCHP)، وكذلك وتوليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية وتخزين طاقة البطارية ونموذج استجابة الطلب في مركز البيانات ونموذج استجابة الطلب التجاري أو السكني.

وبالنسبة الى (CCHP) توفر خاصية التوليد الثلاثي لنظام التوليد الكهربائي الخاص بـ (CCHP)، وهناك إمكانية للعديد من المعاهد مثل المستشفيات ومراكز البيانات لتلبية الكهرباء والتبريد والتدفئة من مصدر طاقة واحد، بحيث يمكن أن يكون الغاز الطبيعي أكثر جاذبية مقارنة بالفحم والنفط، وبسبب عوامل مثل التوافر والتكلفة المنخفضة والتأثير البيئي الأقل؛ فإنه يمكن صياغة النموذج المرتبط بنظام (CCHP) تباعاً.

كما هو مبين في الشكل السابق (1)؛ فإنه يتم تخصيص الغاز من شبكة الغاز الطبيعي لتوربينات الغاز وغلاية الغاز أدناه:

كما يتم توليد الطاقة الكهربائية والحرارة من خلال حرق الغاز الطبيعي في التوربينات الغازية، والتي يتم تقديمها في المعادلات التالية (2،3) علاوة على ذلك يتم توفير الحرارة إلى حافلة التدفئة بواسطة المبادل الحراري كما هو موضح في المعادلة (4).

وعندما تكون التدفئة الناتجة عن التوربينات الغازية غير كافية؛ فإنه يمكن لمرجل الغاز أن يوفر قدرة تسخين لتلبية إمداد التدفئة، كما يتم وصف النمذجة على النحو التالي:

توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية: يتأثر توليد الطاقة الكهروضوئية بشكل أساسي بالإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة المحيطة، كمايتم تقديم نمذجة توليد الطاقة الكهروضوئية على النحو التالي:

تخزين طاقة البطارية: يعمل نظام تخزين طاقة البطارية (BESS) كمخزن للطاقة في نظام الطاقة المقترح، وعندما يكون سعر الكهرباء منخفضاً؛ تعمل البطارية في وضع الشحن، وعندما يكون سعر الكهرباء مرتفعاُ، كما تعمل البطارية في وضع التفريغ لتقليل تكلفة الكهرباء، بحيث تم وصف نمذجة تخزين طاقة البطارية على النحو التالي:

نموذج الاستجابة لطلب مركز البيانات: في هذه المخطوطة، يتم توزيع مراكز البيانات جغرافياً، حيث يمكنها نقل طلب الحمل مع بعضها البعض عبر تقنية موازنة الحمل الجغرافي من خلال الشبكة المقترحة، كما تشير استجابة الطلب على الكهرباء إلى قدرة مراكز البيانات على نقل مهام الخدمة السحابية على النحو الأمثل بين مراكز بيانات الإنترنت الموزعة جغرافياً.

نموذج الاستجابة للطلب على المباني التجارية والسكنية: في المباني التجارية والسكنية، يتم استخدام برامج الاستجابة للطلب لتشجيع المستخدمين النهائيين على المشاركة في ذروة الحمل في النظام الكهربائي، تبحث هذه الدراسة بشكل أساسي في استراتيجية الاستجابة للطلب القائمة على الحوافز، مثل التحكم المباشر في الحمل والخدمات القابلة للانقطاع وبرامج الاستجابة لطلب الطوارئ.