[发明专利]一种基于模型预测控制的数据中心节能控制方法

摘要

本发明涉及一种基于模型预测控制的数据中心节能控制方法，包括以下步骤1)基于数据中心的内部分布，采用计算流体动力学仿真实验，获得数据中心的快速温度估计模型；2)基于服务器及空调的功率模型，出口温度变化模型及快速温度估计模型，建立数据中心的状态空间模型；3)基于状态空间模型，提出适用于数据中心的模型预测控制方案；4)运用AR模型预测数据中心任务量，用于预测数据中心未来的计算负荷；结合预测的任务量，运用模型预测控制MPC方案对数据中心的各设备进行优化控制。与现有技术相比，本发明具有可以快速、准确的估算出数据中心关键组件出入口空气温度、易于验证和使用、实用性好等优点。

主权项

一种基于模型预测控制的数据中心节能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)基于数据中心的内部分布，采用计算流体动力学仿真实验，获得数据中心的快速温度估计模型；2)基于服务器及空调的功率模型，出口温度变化模型及快速温度估计模型，建立数据中心的状态空间模型；3)基于状态空间模型，提出适用于数据中心的模型预测控制方案；4)运用AR模型预测数据中心任务量，用于预测数据中心未来的计算负荷；结合预测的任务量，运用模型预测控制MPC方案对数据中心的各设备进行优化控制；所述的快速温度估计模型具体获取过程如下：11)根据数据中心的具体结构，对数据中心进行CFD建模；12)节点划分，将一个或多个相邻的服务器机柜当作一个服务器节点，数据中心每个柜式制冷空调作为一个空调节点；13)根据典型的数据中心运行状况，运行CFD计算，得到稳定状态下数据中心各节点出入口温度值；系统共有M个服务器节点，N个空调节点，设置第i个服务器节点的发热功率为Pref,i，通过该节点的空气流量为fi，其中1≤i≤M；设置第j个空调节点的冷风出口温度为Tout,j，通过该节点的空气流量为fj，其中1≤j≤N，则在CFD运算完成时，得到在稳定状态下，服务器节点i的空气入口和空气出口温度分别为Tin,i和Tout,i，空调节点j将室内空气排出的空气入口处温度Tin,j；14)改变各个节点功率或温度设置，重新进行多组CFD实验；具体的功率或温度设置方式为，每次实验中仅改变一个节点的功率或温度设置，保持其他节点设置与步骤13)不变，即在步骤13)实验的基础上，每次只改变一处服务器节点的功率，共进行M次CFD计算，每次只改变一处空调节点的冷风出口温度，进行N次计算；一共进行M+N次计算，记录每次实验结果；15)计算相关系数矩阵A，计算公式如下：A＝I‑(Pnew‑Pref)(Tout,new‑Tout,ref)‑1·K‑1式中，A为相关系数矩阵，是一个(M+N)×(M+N)的方阵，I为(M+N)维的单位矩阵，Pnew的每一列为步骤14)中一次实验中的各个节点功率设置值，Pref的每一列均为步骤13)中的各个节点功率设置，Tout,new的每一列为步骤14)中一次实验的各个节点空气出口的温度，Tout,ref每一列均为步骤13)中的各个节点空气出口温度，所述的各个节点空气出口包括服务器节点的排出热空气出口和空调节点的冷空气出口；空调的功率通过空调的空气流量f和空调空气出入口温度差计算：Pj＝ρ·Cp·fj·(Tout,j‑Tin,j)式中ρ为空气密度，Cp为空气比热，Tout,j为空调节点j的冷空气温度，Tin,j为摄入的室内热空气温度；16)获得数据中心快速温度估计模型，得到的温度模型为：Tin＝φ·Tout其中φ＝K‑1A′K，K为(M+N)维对角阵，其主对角线每个元素由Kj组成，Kj＝ρ·Cp·fj，该模型根据各节点出口温度分布，快速的估计各个节点入口温度分布，从而可用于在估计出口温度变化时对入口温度产生的影响。