[發(fā)明專利]一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)中心能效優(yōu)化控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011360740.8
• 申請日: 2020-11-27
• 公開（公告）號: CN112616292B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 方遒;周佳康;王智宇
• 申請（專利權(quán)）人: 湖南大學(xué)
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;H05K7/20;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 長沙麓創(chuàng)時代專利代理事務(wù)所(普通合伙) 43249
• 代理人: 賈慶

1.一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)中心能效優(yōu)化控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、以數(shù)據(jù)中心的終端節(jié)點作為數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵點，通過關(guān)鍵點溫度傳感與采集工作系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵點的溫度傳感與采集工作；終端節(jié)點即數(shù)據(jù)中心機柜和空調(diào)的進(jìn)出氣口；

步驟二、采集不同工況下數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵點的溫度數(shù)據(jù)并存儲到數(shù)據(jù)庫形成溫度數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫中的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理與數(shù)值分析；

步驟三、基于采集的溫度數(shù)據(jù)庫，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型學(xué)習(xí)不同氣流模式、功率狀態(tài)與數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵點溫度分布的關(guān)系，建立數(shù)據(jù)中心機房關(guān)鍵點溫度的非線性溫度預(yù)測模型；非線性溫度預(yù)測模型的建立方法包括如下步驟：

31)非線性溫度預(yù)測模型輸入輸出參數(shù)設(shè)定：設(shè)數(shù)據(jù)中心機房有N臺機柜和M臺空調(diào)，數(shù)據(jù)中心機房的關(guān)鍵點溫度為機柜進(jìn)口溫度T_ri，i、機柜出口溫度T_ro，i和空調(diào)的進(jìn)口溫度T_ci，j、空調(diào)的出口溫度T_co，j，并且各關(guān)鍵點溫度由三個因素決定，分別為機柜周圍空氣流速f_i、機柜功率P_r，i以及空調(diào)設(shè)定溫度T_ref，j，其中機柜周圍空氣流速f_i與機柜風(fēng)扇轉(zhuǎn)速成正比，機柜功率P_r，i與分配的工作量有關(guān)，其中1≤i≤N，1≤j≤M，因此溫度預(yù)測模型的輸入為N個機柜的空氣流速、N個機柜功率和M個空調(diào)設(shè)定溫度共2N+M個輸入，其中輸出為機房各關(guān)鍵點溫度共2N+2M個，即非線性溫度預(yù)測模型為2N+M輸入、2N+2M輸出的模型，其中T為數(shù)據(jù)中心機房的關(guān)鍵點溫度T_ri，i、T_ro，i、T_ci，j、T_co，j的集合，為對應(yīng)法則；

32)數(shù)據(jù)庫的建立：機柜周圍空氣流速f_i和空調(diào)設(shè)定溫度T_ref的上限分別為f_max、T_refmax，下限為0、T_refmin；機柜功率P_r，i的上下限分別為P_rmin、P_rmax，每次僅改變一個機柜的功率、周圍空氣流速以及空調(diào)設(shè)定溫度在范圍內(nèi)變化，保持其他機柜設(shè)置不變，采集在不同f_i和P_r，i以及不同T_ref，j下的關(guān)鍵點溫度數(shù)據(jù)，將采集的關(guān)鍵點溫度T和對應(yīng)的空氣流速f_i、機柜功率P_r，i以及空調(diào)設(shè)定溫度T_ref，j一起組成數(shù)據(jù)庫；

33)訓(xùn)練數(shù)據(jù)量選擇：訓(xùn)練的數(shù)據(jù)量為(N+M)*2000；

34)選擇模型訓(xùn)練方法：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，得到最終的非線性溫度預(yù)測模型；所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括多層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和ELM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)選擇方法包括經(jīng)驗公式法和試錯法；

步驟四、在建立非線性溫度預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，建立空調(diào)、風(fēng)扇制冷設(shè)備能耗模型并設(shè)計能耗優(yōu)化問題，對能耗優(yōu)化問題求解，從而對制冷系統(tǒng)能耗進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控；

制冷系統(tǒng)能耗優(yōu)化調(diào)控的方法包括以下步驟：

41)得到制冷系統(tǒng)功率，數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)功率包括M臺空調(diào)的功率，以及N臺機柜的風(fēng)扇功率，空調(diào)功率P_c，j由如下公式?jīng)Q定：

其中ρ為空氣密度、C_p為空氣比熱容，f_j為空調(diào)周圍空氣流速，由空調(diào)自身決定，T_co，j為空調(diào)出口溫度、T_ci，j為空調(diào)進(jìn)口溫度，COP(T_co，j)為空調(diào)節(jié)點的制冷效率，由T_co，j決定，公式如下，

COP(T_co，j)＝0.0068·T_co，j²+0.0008·T_co，j+0.458

機柜風(fēng)扇功率P_f，i由如下公式?jīng)Q定：

P_f，i＝a₀f_i³+a₂f_i²+a₃f_i

P_f，i只與機柜周圍空氣流速f_i有關(guān)，a₀、a₂、a₃皆為常數(shù)，通過數(shù)據(jù)擬合得到，溫度單位均為℃，功率單位均為W，數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)功率最終定義為空調(diào)功率P_c，j與機柜風(fēng)扇功率P_f，i之和，制冷系統(tǒng)總功率P_cooling的計算公式如下：

42)建立能耗優(yōu)化問題，由各功率的決定公式可知，制冷系統(tǒng)總功率P_cooling與機柜周圍空氣流速f_i和空調(diào)進(jìn)出口溫度T_ci，j、T_co，j有關(guān)，又結(jié)合非線性溫度預(yù)測模型，空調(diào)進(jìn)出口溫度T_ci，j、T_co，j由機柜周圍空氣流速f_i、機柜功率P_r，i和空調(diào)設(shè)定溫度T_ref，j預(yù)測得到，制冷系統(tǒng)總功率P_cooling通過優(yōu)化機柜周圍空氣流速f_i和空調(diào)設(shè)定溫度T_ref，j來降低，即能耗優(yōu)化問題定義為：

已知數(shù)據(jù)中心機房有N臺機柜和M臺空調(diào)、各個機柜功率P＝[P_r，1，P_r，2，…，P_r，N]^T的分布已經(jīng)確定，在給定的約束條件中找到機柜周圍空氣流速F＝[f₁，f₂，…，f_N]^T和空調(diào)設(shè)定溫度T_ref＝[T_ref，1，T_ref，2，…，T_ref，M]^T的最優(yōu)值來最小化制冷系統(tǒng)總功率P_cooling；

給定的約束條件為：

51)機柜安全運行的條件為進(jìn)口溫度不超過于27℃、出口溫度不超過35℃，即T_ri，i≤27℃、T_ro，i≤35℃；

52)機柜周圍空氣流速f_i的約束范圍為0≤f_i≤f_max；

53)空調(diào)設(shè)定溫度T_ref，j的約束范圍為T_refmin≤T_ref，j≤T_refmax

43)能耗優(yōu)化問題求解：使用粒子群優(yōu)化算法求解，算法中由位置和速度來描述粒子的運動，位置表示機柜周圍空氣流速F和空調(diào)設(shè)定溫度T_ref，位置和速度是隨機初始化的，能耗優(yōu)化問題中的約束定義了位置的邊界，粒子的位置在每一步中都是由它的速度改變，隨著速度和位置的不斷更新，粒子向最好的位置移動，當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到指定的限制或當(dāng)前粒子群滿足預(yù)先定義的收斂條件時，優(yōu)化停止得到最好的位置結(jié)果；

44)將求解得到的最優(yōu)解F與T_ref記錄下來，對應(yīng)調(diào)節(jié)機柜風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和空調(diào)設(shè)定溫度，可將制冷系統(tǒng)總功率降至最低，最終實現(xiàn)制冷設(shè)備能耗的優(yōu)化調(diào)控。