中國儲能網(wǎng)訊：2024年7月23日，國家發(fā)展改革委、工信部、國家能源局、國家數(shù)據(jù)局聯(lián)合印發(fā)《數(shù)據(jù)中心綠色低碳發(fā)展專項行動計劃》，強化“東數(shù)西算”規(guī)劃布局的剛性約束，鼓勵各地區(qū)采取高端替換、增減掛鉤、重組整合等方式，促進小規(guī)模、低效率存量分散數(shù)據(jù)中心向集約化、高效率轉變。計劃到 2025年底，全國數(shù)據(jù)中心布局更加合理，整體上架率不低于60%，平均電能利用效率PUE降至1.5以下，可再生能源利用率年均增長10%，平均單位算力能效和碳效顯著提高。
2024年8月6日，國家發(fā)展改革委、國家能源局和國家數(shù)據(jù)局聯(lián)合印發(fā)《加快構建新型電力系統(tǒng)行動方案（2024～2027年）》，明確加快推進新型電力系統(tǒng)建設部署，實施一批算力與電力協(xié)同項目，進一步完善算力體系建設，統(tǒng)籌數(shù)據(jù)中心發(fā)展需求和新能源資源稟賦，開展算力和電力基礎設施協(xié)同規(guī)劃布局。
隨著全球人工智能應用需求爆發(fā)式增長，算力需求呈指數(shù)級增長。國家發(fā)展改革委、國家能源局、國家數(shù)據(jù)局提出一系列措施，通過在規(guī)劃、建設、生產、傳輸、調度、市場等環(huán)節(jié)有序統(tǒng)籌，獲得更加充裕穩(wěn)定、綠色低碳、經(jīng)濟可靠的算力和電力。算力和電力作為現(xiàn)代社會的兩大基礎設施，正逐漸走向深度協(xié)作和融合。算力自身的高耗能屬性，迫切需要電力的重點保障。同時，算力的高速發(fā)展對新型電力系統(tǒng)高質量發(fā)展、電力行業(yè)智能化轉型、“雙碳”目標的實現(xiàn)提供了重要支撐。
電力與算力協(xié)同為什么會引起普遍關注？
全球數(shù)據(jù)中心產業(yè)在近20年步入蓬勃發(fā)展期。全球數(shù)據(jù)中心產業(yè)形態(tài)從計算中心、信息中心、云中心加快向算力中心演變，由發(fā)達國家引領，在全球各大核心地區(qū)集群化發(fā)展，并不斷向外輻射。2022年，全球數(shù)據(jù)中心產業(yè)規(guī)模達到1308億美元，2019～2022年復合增長率約為20%，數(shù)據(jù)中心領域電力消費增速遠超GDP增速（見圖1）。
2023年，全球數(shù)據(jù)中心產業(yè)裝機容量為46吉瓦，預計到2027年裝機容量可達87吉瓦。Open AI聯(lián)合創(chuàng)始人埃隆·馬斯克表示，AI算力過去每半年約增長10倍，預計2025年算力將引發(fā)電力局部短缺。到2026年，全球算力消耗電力620～1050太瓦時，與2022年相比，相當于增加35%～228%的需求。
國內數(shù)據(jù)中心產業(yè)發(fā)展與全球基本一致，目前處于云中心深化階段。未來10年，我國互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（IDC）產業(yè)仍有較大發(fā)展空間，預計“十四五” 時期內復合增速保持在25%左右。進入2023年，伴隨著投資泡沫帶來的低價競爭，“東數(shù)西算”對PUE、上架率等指標約束趨嚴，在AI新業(yè)態(tài)利好等因素交叉作用下，未來短期增速或有放緩趨勢，但預計“十四五”末期會迎來新一輪上揚（見圖2）。
電力與算力協(xié)同之所以引起廣泛關注，一是作為新質生產力的重要因素，算力與國家核心競爭力密切相關。隨著人工智能、視頻生產消費等應用市場的快速發(fā)展，算力需求出現(xiàn)全球性的爆發(fā)式快速增長，同時也對電力供應帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)，呈現(xiàn)出追趕四大高耗能產業(yè)的態(tài)勢。算力能耗以每年超過15%的速度增加，特別是區(qū)域性算力激增，為局部區(qū)域時段的電網(wǎng)運行安全帶來了不確定因素。
二是對推動電力轉型、實現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟綠色發(fā)展具有重要意義。電力側為數(shù)據(jù)中心提供電力供給保障，算力側為新型電力系統(tǒng)智能化發(fā)展提供算力支持，利用規(guī)?；⒏吆哪?、可調度的特性為電網(wǎng)提供需求側響應服務，在節(jié)點、市場及網(wǎng)絡調度三個層面有機協(xié)同，實現(xiàn)電力網(wǎng)與算力網(wǎng)的調度融合。
算力用電供給的主要特征與挑戰(zhàn)
算力用電指用于支持計算設備的電力消耗，是數(shù)據(jù)中心的動力支柱和最大支出項。今年，中國電力企業(yè)聯(lián)合會在國家數(shù)據(jù)局的指導下，與相關單位配合，啟動全國范圍的數(shù)據(jù)中心用能研究工作。數(shù)據(jù)中心和超級計算設施具有四個非常突出的特性，即區(qū)域集聚性、空調負荷特性、任務可調度性和用電高可靠性。
區(qū)域集聚性
算力用電往往集中在特定地理區(qū)域，初期多在經(jīng)濟發(fā)達、互聯(lián)網(wǎng)服務需求旺盛的地區(qū)，后期會因為政策支持、能源成本低廉、氣候條件適宜等因素，形成新的集聚地。算力資源的區(qū)域集聚性，既有利于形成產業(yè)集群、提升服務效率，也可能導致電力供給出現(xiàn)缺口、電網(wǎng)穩(wěn)定性出現(xiàn)風險、用電成本非線性上升。
例如，河北張家口作為“東數(shù)西算”十大國家數(shù)據(jù)中心集群之一，已投運標準機柜33萬架、服務器超150萬臺，智能算力占比38%。當?shù)財?shù)據(jù)中心用電占全社會用電量的比例已經(jīng)從2019年的6.8%，上升到2023年的20.1%。
空調負荷特性
數(shù)據(jù)中心需要大量電力來維持設備運行，特別是空調系統(tǒng)能耗可占數(shù)據(jù)中心總能耗的30%～40%。同時，全國夏季降溫用電負荷占比約為30%，部分地區(qū)可達40%，夏季高溫導致用電需求大幅增加，電力設備長時間高負荷運行容易引發(fā)過載故障，電力線路負荷隨著用電量的增加而增大，容易導致線路過熱、短路等，成為影響電網(wǎng)穩(wěn)定的主要因素。因此，數(shù)據(jù)中心用電高峰與全國電網(wǎng)夏季空調負荷的高峰出現(xiàn)重合，進一步增加了夏季電網(wǎng)尖峰保供的壓力。
任務可調度性
算力本身是一個由計算資源組成的互聯(lián)網(wǎng)，復雜的計算任務可被分割成多個子任務，根據(jù)任務的需求和算力特性，合理分配任務到相應的數(shù)據(jù)中心節(jié)點上。可將算力為核心的電氣系統(tǒng)與設施作為天然的高柔性負荷，以“虛擬電廠”等形式，通過對算力的時空調節(jié)來實現(xiàn)對電力調度的支撐與補充，根據(jù)電力供應情況、成本或其他因素，調整計算任務的執(zhí)行時間和地點。
例如，在電力成本較低的時段運行更多的計算任務，或者在不同地理位置的數(shù)據(jù)中心之間分配任務，以優(yōu)化資源使用和成本效益。算力任務可調度性帶來了有序用電的可計劃性，具有利用需求側響應空間、挖掘電力輔助服務市場化價值的潛力。據(jù)統(tǒng)計，截至2023年底，我國提供算力服務的在用機架數(shù)達到810萬標準機架，算力總規(guī)模居全球第二位，這表明我國在算力資源集聚方面已經(jīng)形成了顯著的規(guī)模效應。
用電高可靠性
數(shù)據(jù)中心和計算設施對電力供應的穩(wěn)定性和可靠性有非常高的要求，任何突發(fā)性停電事故都可能導致數(shù)據(jù)丟失或服務中斷，帶來巨額損失。據(jù)公開報道，截至2022年3月，美國有1600個站點將近30000臺設備，每次停電帶來的損失約為25萬美元，一年合計700萬美元。
長時間的高可靠用電必須依托于新型電力系統(tǒng)大電網(wǎng)。但新能源發(fā)電作為數(shù)據(jù)中心綠色用電的來源，通常存在波動性和間歇性。例如，在河北、甘肅、寧夏等“東數(shù)西算”數(shù)據(jù)中心聚集區(qū)域，新能源裝機占比已超過50%，普遍存在夏季“極熱無風”、晚峰“日落無光”的天氣狀況，容易導致新能源發(fā)電出力嚴重受阻，難以匹配算力用電高可靠性的要求。
“東數(shù)西算”對新型電力系統(tǒng)建設的影響
全國一體化算力網(wǎng)是以信息網(wǎng)絡技術為載體，促進全國范圍內各類算力資源高比例、大規(guī)模一體化調度運營的數(shù)字基礎設施，具有集約化、一體化、協(xié)同化、價值化四大特征。2022年2月，國家發(fā)改委、中央網(wǎng)信辦、工信部、國家能源局聯(lián)合印發(fā)文件，同意在京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝、內蒙古、貴州、甘肅、寧夏啟動建設國家算力樞紐節(jié)點，并規(guī)劃張家口集群等10個國家數(shù)據(jù)中心集群建設，“東數(shù)西算”工程正式全面啟動。
“東數(shù)西算”是繼“南水北調”“西氣東輸”“西電東送”后又一項國家級特大工程?！皷|數(shù)西算”工程作為解決算力與電力供需矛盾、推動綠色算力發(fā)展的國家級戰(zhàn)略項目，為新型電力系統(tǒng)的構建提供了重要支撐。八個國家算力樞紐節(jié)點中，成渝樞紐、內蒙古樞紐、貴州樞紐、甘肅樞紐、寧夏樞紐均位于西部地區(qū)，從整體上改變了以往數(shù)字基礎設施較多集中在東部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的格局，對于平衡電力供給基礎設施布局、促進數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展具有長遠的戰(zhàn)略意義。
隨著“東數(shù)西算”工程的深入實施和新型電力系統(tǒng)建設的不斷推進，預計我國電力系統(tǒng)將實現(xiàn)更加清潔、高效、智能的發(fā)展，能夠更好地適應經(jīng)濟社會發(fā)展的新需求。主要體現(xiàn)在以下六個方面：
優(yōu)化資源配置
數(shù)據(jù)中心作為高耗能產業(yè)，其能耗優(yōu)化對推動能源結構轉型具有重要意義。通過引導數(shù)據(jù)中心向西部地區(qū)集聚，實現(xiàn)部分電力負荷從東部向中西部的空間轉移。數(shù)據(jù)中心通過建設配套可再生能源電站、與可再生能源發(fā)電企業(yè)直接開展電力交易等方式，降低運營成本，實現(xiàn)能源消費結構優(yōu)化及東、西部電力資源互補和優(yōu)化配置。
推動綠色發(fā)展
西部地區(qū)資源豐富，數(shù)據(jù)中心向西部地區(qū)集聚，有利于就近消納西部地區(qū)的綠色電力，持續(xù)優(yōu)化電力使用效率，減少對傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴，推動新型電力系統(tǒng)的構建。同時，數(shù)據(jù)中心的綠色運營可以降低碳排放，這些減排量可以在碳交易市場中進行交易，為數(shù)據(jù)中心帶來經(jīng)濟效益，也為實現(xiàn)碳中和提供了堅實的基礎。
推動電力系統(tǒng)智能化升級
數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模建設對電網(wǎng)的智能化管理提出了更高要求。一方面，數(shù)據(jù)中心需要穩(wěn)定可靠的電力供應，而智能化技術可實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心電力需求與電力供應間的精準匹配，提高電力系統(tǒng)的運行效率，以及電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。另一方面，算力結合數(shù)字化技術，可實現(xiàn)對電網(wǎng)設備的實時精準監(jiān)測，提升電力系統(tǒng)仿真計算的實時性和精準性，支撐大規(guī)模電力電子設備與傳統(tǒng)電氣設備的聯(lián)合控制，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。
促進技術創(chuàng)新和融合
“東數(shù)西算”工程鼓勵數(shù)據(jù)中心節(jié)能降碳、可再生能源供電、異構算力融合等技術創(chuàng)新和模式創(chuàng)新，應加強對關鍵技術產品的研發(fā)支持和規(guī)?；瘧?。算力支撐電力智能生產調度體系，實現(xiàn)源網(wǎng)荷互動、多能協(xié)同互補及用能需求智能調控，在提高可再生能源應用比例、降低用能成本、增強電網(wǎng)安全性等方面具有重要意義。數(shù)據(jù)中心產業(yè)采用新型機房精密空調、液冷、機柜式模塊化、余熱綜合利用等新技術新方式，通過加強自動化、智能化能耗管理，提升了節(jié)能水平。
實現(xiàn)區(qū)域協(xié)調發(fā)展
通過算力設施由東向西布局，“東數(shù)西算”將帶動相關產業(yè)有效轉移，促進東西部數(shù)據(jù)流通、價值傳遞，延展東部發(fā)展空間，推進西部大開發(fā)形成新格局。數(shù)據(jù)中心由環(huán)渤海、長三角和珠三角地區(qū)，轉向新疆、青海、內蒙古、貴州等地，合理引導算力資源空間再配置，與電力供給格局更加適配，并帶動當?shù)豂T設備制造、信息通信、基礎軟件、綠色能源等產業(yè)鏈發(fā)展，推動區(qū)域協(xié)調發(fā)展。數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展速度之快、輻射范圍之廣、影響程度之深，正深刻改變著經(jīng)濟社會的發(fā)展進程。
提升電力系統(tǒng)調節(jié)能力
數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷擴大和算力需求的持續(xù)增長導致電力需求急劇增加，加大了電力系統(tǒng)的供電壓力。數(shù)據(jù)中心可通過算力網(wǎng)的任務可調度性，在各地合理分配計算任務。數(shù)據(jù)中心通過建設共享儲能電站、探索新型儲能技術，不僅可以作為應急電源，還可以在電力供應過剩時儲存能量，在需求高峰時釋放能量，加快實現(xiàn)新型儲能規(guī)?；瘧?，開展高比例需求側響應，利用源荷儲資源建設虛擬電廠，提升電力保供和新能源就地消納能力。
電力與算力協(xié)同融合的方向與途徑
新型電力系統(tǒng)是在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的基礎上，引入先進的信息通信技術、控制技術和能源技術，可控對象從以源為主擴展到源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)，控制規(guī)模呈指數(shù)級增長。調控方式從傳統(tǒng)“源隨荷動”轉向“源網(wǎng)荷儲融合互動”，支撐新型儲能、多元化負荷大規(guī)模友好并網(wǎng)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能化、清潔化、高效化和可持續(xù)發(fā)展。
算力是對數(shù)據(jù)的處理能力，存在于數(shù)據(jù)中心、超算中心和各類智能終端設施中，其核心是CPU、GPU等芯片，由計算機、服務器、高性能計算集群承載。算力將是未來很長一段時間經(jīng)濟社會發(fā)展最重要的戰(zhàn)略資源之一，隨著生成式人工智能不斷發(fā)展，帶動智算需求呈指數(shù)級增長。
算力作為數(shù)字經(jīng)濟的核心資源，其產業(yè)的高速發(fā)展必將帶動電力需求不斷增長，兩者協(xié)同發(fā)展已成必然趨勢，亦將帶動液冷、熱泵、儲能、微電網(wǎng)、綜合能源等相關產業(yè)發(fā)展。這些產業(yè)不僅為智算中心提供技術支持和解決方案，還可在更廣泛的領域發(fā)揮重要作用，推動經(jīng)濟社會高質量發(fā)展。新型電力系統(tǒng)建設也亟需大規(guī)模算力支撐，助力調控技術手段和智能化水平的跨越式升級（見圖3）。
自2018年以來，應用服務側的全國信息傳輸、軟件和信息技術服務業(yè)用電量年均增長率高達14.6%，這一增速在國民經(jīng)濟行業(yè)用電活動劃分的11個門類中排名第一（見圖4）。2023年的用電量達1473億千瓦時，凸顯了信息技術服務行業(yè)對于能源的巨大需求以及行業(yè)自身的快速發(fā)展；同期，制造產業(yè)側的全國計算機、通信和其他電子設備制造業(yè)用電量年均增長14.1%，達2548億千瓦時，不僅滿足了日益增長的算力需求，還促進了上下游產業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展（見圖5）。
在出現(xiàn)顛覆性的節(jié)能降耗革命前，用電量增長速度與產業(yè)產能的規(guī)模存在明顯的正相關。在全國信息傳輸、軟件和信息技術產業(yè)領域，制造產業(yè)側的用電增長速度稍低于應用服務側，考慮部分先進算力的進口設備因素，兩者總體上基本保持一致。
但是，縱觀應用服務側的全國信息傳輸、軟件和信息技術服務業(yè)用電增長情況和制造產業(yè)側的全國計算機、通信和其他電子設備制造業(yè)用電增長情況，兩者與算力研究領域的算力規(guī)模、結構分布及增速情況有著比較明顯的差異，在一定程度上可以揭示算力應用進程階段狀況、潛在用電強需求爆發(fā)概率、數(shù)據(jù)中心上架實際利用率、電力算力錯位可能導致的相互制約等現(xiàn)象因素，需進一步開展深入調研和專題研究。以上數(shù)據(jù)分析進一步呈現(xiàn)出新時代電力與算力協(xié)同的必要性，近遠期電力與算力協(xié)同融合的方向和途徑主要有四個方面：
在統(tǒng)籌規(guī)劃方向
加強頂層設計，確保算力網(wǎng)絡建設與國家發(fā)展戰(zhàn)略相協(xié)調，新建大型和超大型數(shù)據(jù)中心按全國一體化算力規(guī)劃布局，有利于為經(jīng)濟社會發(fā)展提供穩(wěn)定、高效、清潔的電力支持。國家“十四五”規(guī)劃的九大清潔電力一體化大基地總規(guī)模超200吉瓦，其中七座位于中西部地區(qū)，每個大基地裝機容量均在千萬千瓦級以上，可以滿足數(shù)據(jù)中心用電增長需求，未來綠色數(shù)據(jù)中心將具備全部使用清潔電力的基礎條件。
在微觀選址上，開展電力與算力協(xié)同新基建建設，通過統(tǒng)籌能耗水平、網(wǎng)絡帶寬、產業(yè)特征、負荷特征、氣候資源、人才資源等因素，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心和新能源電源點在規(guī)劃設計上的多維布局匹配。采取數(shù)電聯(lián)營、綠電聚合、備用共享、多站合一、綜合能源模式等策略，提高能源供需利用效率，降低算力與電力建設成本。
在產業(yè)協(xié)同方向
算力是數(shù)字經(jīng)濟時代的新質生產力，不斷為千行百業(yè)數(shù)字化轉型注入新動能。據(jù)我國信通院測算，算力每投入1元將帶動3～4元的經(jīng)濟產出。全國性算力樞紐和數(shù)據(jù)中心集群建設可帶動相關產業(yè)投資，形成新的經(jīng)濟增長格局。
算力建設可帶動設備高效智能運維和協(xié)同運行優(yōu)化，在計算設備和服務器的設計與制造中，采用更先進的節(jié)能技術，降低設備用電損耗及算力成本，促進節(jié)能診斷、節(jié)能改造設計等新業(yè)態(tài)發(fā)展。同時，新型電力系統(tǒng)建設探索新型智能化的供配電方式，直接激勵相關設備制造業(yè)、系統(tǒng)集成和技術研發(fā)產業(yè)的興旺發(fā)展。
在安全保障方向
光伏和風電等綠色電源隨機性、間歇性、波動性特征顯著，嚴重受限于氣象條件。大規(guī)模新能源并網(wǎng)后，不同時間尺度供需平衡調控難度大幅增加，對新能源資源評估與發(fā)電預測、電力電量平衡、大范圍跨時空資源配置、長周期規(guī)?；瘍δ艿燃夹g提出更高要求。
依托“東數(shù)西算”和“西電東送”戰(zhàn)略布局，優(yōu)化東西部電力與算力資源的時空調度，在保障電力與算力雙重安全的前提下，推動算力和電力的雙向互動。算力通過分析氣象、電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對發(fā)電和用電負荷的精準預測，配合對海量調節(jié)資源的精準調度，實現(xiàn)多時空的實時供需平衡。電力智能化調度可實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲的互動和多能協(xié)同互補，開展需求側響應。通過多元化能源結構降低對單一能源的依賴，增強能源供應的穩(wěn)定性。
在綠色發(fā)展方向
隨著計算和存儲需求的顯著增長，算力能源消耗和溫室氣體排放問題日益受到重視。綠色算力與電力的協(xié)同發(fā)展已成為衡量信息時代創(chuàng)新能力的重要指標。綠色發(fā)展理念應始終貫穿算力網(wǎng)絡建設的全過程，探索新能源電力就近供電、聚合交易、就地消納等模式，減少遠距離輸電的需求和損耗。
完善技術路徑與市場化機制，實現(xiàn)算力發(fā)展與節(jié)能減排的平衡。依據(jù)水風光發(fā)電特性預測、優(yōu)化算力負載，根據(jù)實際算力需求調度電力多元靈活性資源，實現(xiàn)雙方調度機制高效協(xié)同運轉，推動綠色算力技術的研發(fā)和應用。鼓勵數(shù)據(jù)中心通過綠電綠證交易等方式提高可再生能源的利用率，鼓勵有關地區(qū)探索開展數(shù)據(jù)中心綠電直供。通過供配電系統(tǒng)、制冷散熱系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)綠色化，實現(xiàn)算力的節(jié)能減排。加強數(shù)據(jù)中心余熱資源回收利用，滿足周邊地區(qū)用熱需求。
電力與算力，如車之兩輪，共同驅動著信息時代的戰(zhàn)車滾滾向前。隨著全球人工智能應用的迅猛發(fā)展，算力需求急劇增長，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性提出了更高要求。電力與算力的協(xié)同融合不僅是應對這一挑戰(zhàn)的關鍵路徑，更是推動新型電力系統(tǒng)建設和實現(xiàn)“雙碳”目標的重要支撐。通過政策引導、技術創(chuàng)新和產業(yè)協(xié)同，我們正逐步構建起一個安全高效、清潔、智能的電力與算力協(xié)同體系。未來，隨著技術的不斷進步和政策的持續(xù)完善，電力與算力的協(xié)同融合將更加緊密，為推動經(jīng)濟社會的高質量發(fā)展注入新的活力。在這一進程中，我們需要不斷探索和實踐，以創(chuàng)新驅動發(fā)展，共同開創(chuàng)電力與算力協(xié)同融合的新篇章。
