نمذجة المشاركة في البنى التحتية للطاقة الكهربائية الذكية

أصبحت مراكز البيانات جزءاً كبيراً من نظام الطاقة وهي واحدة من أكبر مستهلكي شبكة الطاقة الكهربائية، حيث إن ما يسمى ب “مركز البيانات الأخضر” قادر ليس فقط على استهلاك الطاقة ولكن أيضاً على إنتاجها، وبالتالي يصبح نوعاً مهماً من مستهلكي المنتجات في الشبكة الكهربائية.

الغرض من نمذجة المشاركة في البنى التحتية للطاقة الكهربائية الذكية

أصبحت مراكز البيانات بسرعة جزءاً كبيراً من استهلاك الطاقة في المجتمع بسبب التوسع المتزايد في تكنولوجيا المعلومات والاتصالات بحيث تستهلك مراكز البيانات أكثر من (3٪) (أو ما يقرب من 370 تيراواط) من الطاقة الكهربائية المولدة حالياً بواسطة مراكز البيانات، ولوضع هذا في المنظور الصحيح؛ فإن البصمة الكربونية لمراكز البيانات تتساوى مع تلك الخاصة بصناعة الطيران ومن المتوقع أن يزداد معدل النمو هذا فقط.

لذلك ما يسمى “مركز البيانات الخضراء” هو نوع جديد من مراكز البيانات التي يتم تطويرها بهدف بناء مستقبل مستدام من خلال استخدام موارد الطاقة المتجددة للحد من انبعاثات الكربون، كما أن هناك اهتمام متزايد بتشغيل مراكز البيانات في بلدان الشمال الأوروبي بسبب درجات الحرارة المنخفضة، والتي يمكن أن توفر وفورات كبيرة في تكلفة التبريد والبصمة الكربونية.

ووفقاً لـ (NORUT)؛ فإن البلدان الاسكندنافية مناسبة بشكل مدهش للطاقة الشمسية، ومع ذلك ونظراً للظروف المحلية شديدة التقلب والتي لا يمكن التنبؤ بها، على سبيل المثال مع الاختلافات المتكررة في الغيوم والاختلافات الرئيسية بين الصيف والشتاء؛ فإنها تتطلب وسائل أخرى من الموارد المتجددة لتلعب أيضاً دورًا نشطًا في إنتاج الكهرباء، على سبيل المثال، الطاقة المائية.

فصل مراكز البيانات عن عملية استهلاك الطاقة الكهربائية

تعمل مراكز البيانات التقليدية كمستهلك لشبكة الطاقة مع مصادر الطاقة الاحتياطية مثل مولدات الديزل وإمدادات الطاقة غير المنقطعة (UPS)، ومع ذلك ومع ظهور مراكز البيانات الخضراء وتكامل موارد الطاقة المتجددة، على سبيل المثال، الخلايا الكهروضوئية في شبكة البيانات الصغرى، بحيث يمكن أن تصبح مراكز البيانات مستهلكين (أي كيان قادر على إنتاج واستهلاك الطاقة) ويستغرق المزيد دور فعال في مجتمع الطاقة للأسباب التالية:

• أولاً: غالباً ما يتم وضع مراكز البيانات بالقرب من المناطق السكنية، والتي يمكن أن توفر فرصاً وتحديات في تحقيق كفاءة أعلى للطاقة في المجتمع، بحيث يمكن تحقيق التفاعل بين مراكز البيانات ومستخدمي الطاقة السكنية والتجارية عن طريق إعادة استخدام الحرارة المتبقية لتدفئة المناطق.

• ثانياً: تعمل الموارد المتجددة حالياً في نهج “الملاءمة والنسيان”، حيث تضاف مصادر الطاقة المتجددة إلى البنية التحتية الحالية بدلاً من التكامل، وعادة لا يلعبون دوراً نشطاً في عملية توزيع الطاقة، بحيث يشارك التوليد المركزي الحالي في التحكم في توزيع الطاقة، لكن مصادر الطاقة المتجددة لا تفعل ذلك.

• ثالثاً: تعد مراكز البيانات مناسبة للاستجابة للطلب، وذلك نظراً لأنها يمكن أن تكون ذات أحمال مرنة للغاية، على سبيل المثال يمكن التخلص من (5٪) من الحمل الكهربائي في (5) دقائق، كما ويمكن التخلص من (10٪) في (15) دقيقة دون تغييرات في كيفية التعامل مع عبء العمل الخاص بتكنولوجيا المعلومات.

الأعمال ذات الصلة بنمذجة البنى التحتية الكهربائية

هناك أعمال بحثية قائمة تهدف إلى نمذجة جوانب مختلفة من مراكز البيانات، على سبيل المثال؛ فقد طوروا أداة محاكاة تسمى (Datacentre Workload Energy Simulation Tool)، والتي تقدر استهلاك الطاقة لتكنولوجيا المعلومات ونظام التبريد، ومع ذلك؛ فمن غير الواضح مدى قابلية نموذج المحاكاة للتوسع.

كما أن نمذجة استهلاك رفوف مركز البيانات والمضخات والمبردات المقدمة، بحيث يركز مربع أدوات مركز البيانات المقدم في المقالة الأخيرة على نمطية النموذج، والتي يمكن استخدامها لبناء نموذج لمركز بيانات من أي حجم، بحيث يتيح صندوق الأدوات إنشاء نماذج خادم قابلة للتطوير والتي تحسب استهلاك وحدة المعالجة المركزية وتبريد مروحة الخادم.

كما أنه يتم توفير وظائف مماثلة ولكن طريقة أخرى لنمذجة نظام تبريد مركز البيانات، كذلك تم تصميم النظام الديناميكي الحراري بطريقتين مختلفتي،. الأول تقليدي (باستخدام قوانين وقوانين الديناميكا الحرارية)، حيث أن الطريقة الثانية هي استخدام قدرات الشبكة العصبية لحساب النتائج الحالية والتنبؤ بالقيم المستقبلية.

أيضاً تم اقتراح نهج مختلف تماماً لحساب الكمية المثلى لتدفق الطاقة بين الشبكة الرئيسية وموارد الطاقة الخضراء بواسطة، وفي هذا العمل اقترح الباحثون نموذجاًَ جديداً، وذلك للتحسين يعتمد على خوارزمية تحسين الحركة الشعاعية، حيث كانت المفاضلة بين انبعاثات غازات الاحتباس الحراري والتكلفة عاملاً ذا أولوية للبحث.

نظرة عامة على نموذج Edge Datacentre Microgrid

يعتمد نموذج الشبكة المصغرة على مركز بيانات الحافة الذي يعمل في مركز أبحاث (RISE SICS ICE) لمراكز البيانات في (Luleå) بالسويد ويظهر هيكلها في الشكل التالي (1).

كما تم تنظيم مركز بيانات الحافة بالطريقة التالية:

• توجد خوادم مركز البيانات في مربع الوحدة النمطية، بحيث يتكون من وحدات معالجة مركزية (CPUs)، وهي منظمة في رفوف بالإضافة الى مراوح الخادم التي تقوم بتبريد وحدات المعالجة المركزية.

• فيما يتعلق بإمدادات الطاقة، بحيث يتم تشغيل مركز بيانات الحافة بواسطة الشبكة المركزية والطاقة الكهروضوئية بقوة ذروة تبلغ حوالي (10) كيلو واط ، وهي (الألواح الشمسية متعددة البلورات، 40 قطعة ، 250 واط @ 24 فولت)،

• يتم تبريد الخوادم بشكل أساسي من خلال وحدات معالج هواء غرفة الكمبيوتر (CRAH)، وذلك مع التخزين الحراري كمصدر تبريد احتياطي.

• وحدة تحكم مركزية تنسق تشغيل جميع مكونات مركز البيانات المعيارية هذه.

لذلك يقتصر نطاق “مركز بيانات الحافة النموذجي” على (UPS) والطاقة الكهروضوئية والشبكة الكهربائية واستهلاك حمل تكنولوجيا المعلومات كما هو موضح في الشكل التالي (2)، بحيث لاحظ أن إجمالي استهلاك الطاقة لمركز البيانات يتكون من كل من استهلاك تكنولوجيا المعلومات والطاقة استهلاك نظام التبريد، وفي هذه الدراسة؛ فإنه يتم تقديم نموذج حمل تكنولوجيا المعلومات فقط وستكون نمذجة استهلاك الطاقة لنظام التبريد جزءاً من العمل المستقبلي.

خصائص الشبكة المصغرة لمراكز البيانات هي كما يلي:

• تعمل الشبكة المصغرة وفقاً للمعيار الأوروبي البالغ (50) هرتز.

• السعة القصوى لمحطة (PV_plant) هي (10) كيلو واط.

• السعة القصوى لـ (Battery_plant) هي (30) كيلو واط.

• يبلغ الحد الأقصى لاستهلاك الطاقة للتيار المستمر حوالي (13.5) كيلو واط.

كما تم تطوير النموذج في خطوتين، أولاً تم إنشاء النموذج باستخدام مجموعة من العناصر القياسية المتوفرة في (Matlab / Simulink)، وبعد ذلك تم تحسين النموذج لتتبع البيانات الحقيقية.

• كما أن المعلمات الرئيسية للنموذج المصمم هي:

• مقدار استهلاك الطاقة لمركز بيانات الحافة (يتناسب مع حمل الحوسبة).

• كمية شحن البطارية أو تفريغ الطاقة.

• كمية الطاقة التي تنتجها (PV).

• كمية إنتاج طاقة المرافق.

وأخيراً يقدم هذا البحث نموذجاً جديداً لشبكة البيانات الدقيقة تم تطويره في (MATLAB Simulink)، وذلك بغرض تقييم والتحقق من التحكم الذكي الموزع لمراكز بيانات الحافة، كما يستهدف النموذج تحديدًا النوع الناشئ لمراكز البيانات الطرفية، بحيث تم اختبار نموذج مركز بيانات الحافة والتحقق من صحته مقابل البيانات الحقيقية التي تم جمعها من مركز بيانات الحافة التجريبية من مركز بيانات (RISE SICS ICE).