Voltage Regulation in Distribution Systems with Data Center Loads
作者: Yize Chen, Baosen Zhang
分类: eess.SY
发布日期: 2025-07-08
备注: Code available at https://github.com/chennnnnyize/voltage-regulation-with-data-centers
💡 一句话要点
提出基于数据中心负载调节的动态电压控制方案，解决配电系统中的电压稳定问题
🎯 匹配领域: 支柱九：具身大模型 (Embodied Foundation Models)
关键词: 数据中心 电压控制 配电系统 动态电压频率调整 DVFS 负载调节 人工智能负载
📋 核心要点
- 大规模数据中心电力需求波动导致配电系统电压不稳定，现有方法难以有效应对这种快速变化。
- 利用数据中心自身的负载调节能力，通过动态电压和频率调整（DVFS）实现分布式电压控制。
- 使用真实LLM推理负载进行仿真，验证了所提方案在维持电压稳定和支持高计算负载方面的有效性。
📝 摘要（中文）
随着基础模型和人工智能计算的蓬勃发展，大规模数据中心的电力和能源消耗日益受到关注。本文着重研究数据中心电力需求波动和强度变化引起的电压问题，这与电力网络中更频繁的电压扰动现象相符。为了应对这些数据中心集成带来的挑战，我们提出了一种动态电压控制方案，利用数据中心的负载调节能力。通过本地电压测量，并利用动态电压和频率调整（DVFS）方案调整每个数据中心母线的功率注入，我们能够以分布式的方式维持安全的电压幅值，同时支持更高的数据中心计算负载。使用真实的大型语言模型（LLM）推理负载进行的仿真验证了我们提出的机制的有效性。LLM的功率数据和提出的控制方案均已开源。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决数据中心高波动性负载对配电系统电压稳定性的影响。传统配电系统电压控制方法难以快速响应数据中心负载的剧烈变化，导致电压越限风险增加。现有方法通常依赖于集中式控制或传统的无功功率补偿，无法充分利用数据中心自身的调节能力。
核心思路：核心思路是利用数据中心自身的负载调节能力，通过动态调整其功率消耗来稳定配电系统电压。具体而言，通过动态电压和频率调整（DVFS）技术，数据中心可以根据本地电压测量结果，在一定范围内调整其计算负载的功率需求，从而实现对配电系统电压的支撑。这种分布式控制方式能够快速响应局部电压变化，提高系统的鲁棒性。
技术框架：整体框架是一个分布式控制系统，每个数据中心节点配备本地电压测量单元和DVFS控制器。每个数据中心节点周期性地测量本地电压，并将测量值输入到DVFS控制器中。DVFS控制器根据电压偏差计算出所需的功率调整量，并通过调整服务器的电压和频率来实现功率注入的调整。整个系统无需中央控制器，各个数据中心节点独立运行，协同维持配电系统的电压稳定。
关键创新：关键创新在于将数据中心的负载视为一种可控资源，并将其纳入配电系统的电压控制体系中。与传统的无功功率补偿或集中式控制相比，该方法具有响应速度快、成本低、鲁棒性强等优点。此外，该方法充分利用了数据中心自身的计算资源，无需额外的硬件投资。
关键设计：DVFS控制器的设计是关键。控制器需要根据电压偏差计算出合适的功率调整量，同时需要考虑数据中心的计算任务需求，避免过度调整功率导致计算性能下降。一种可能的设计是采用比例积分（PI）控制器，根据电压偏差和偏差变化率来调整功率注入。此外，还需要设置功率调整的上下限，以保证数据中心的正常运行。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
使用真实LLM推理负载的仿真结果表明，所提出的动态电压控制方案能够有效维持配电系统的电压稳定，即使在数据中心负载剧烈波动的情况下，也能将电压维持在安全范围内。与没有采用控制策略的情况相比，电压偏差显著降低，电压越限的概率也大大降低。具体性能数据（例如电压偏差降低百分比）未知，但摘要强调了方案的有效性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于含大规模数据中心的新型配电系统，提高电网对波动性负载的适应能力，保障供电质量。通过数据中心与电网的协同控制，可有效降低电压越限风险，减少电网扩容需求，促进能源高效利用。未来可进一步拓展至其他类型可控负载，构建更加灵活可靠的智能配电系统。
📄 摘要（原文）
Recent boom in foundation models and AI computing have raised growing concerns on the power and energy trajectories of large-scale data centers. This paper focuses on the voltage issues caused by volatile and intensity of data center power demand, which also aligns with recent observations of more frequent voltage disturbances in power grids. To address these data center integration challenges, we propose a dynamic voltage control scheme by harnessing data center's load regulation capabilities. By taking local voltage measurements and adjusting power injections at each data center buses through the dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) scheme, we are able to maintain safe voltage magnitude in a distributed fashion with higher data center computing load. Simulations using real large language model (LLM) inference load validate the effectiveness of our proposed mechanism. Both the LLM power data and proposed control scheme are open sourced.