中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：傳統(tǒng)認(rèn)知中，負(fù)荷被視為是被動(dòng)響應(yīng)電力系統(tǒng)的“乘客”——其行為受制于氣溫、時(shí)間等因素。然而，人工智能（AI）技術(shù)發(fā)展的“血液”數(shù)據(jù)中心等新興大型負(fù)荷正在顛覆這一基本假設(shè)。
在一個(gè)模擬的高慣量、系統(tǒng)強(qiáng)度充裕的電網(wǎng)中，沒(méi)有發(fā)生線路故障，也沒(méi)有發(fā)電機(jī)組跳閘，僅因一個(gè)數(shù)據(jù)中心啟動(dòng)了模型訓(xùn)練，負(fù)荷便在幾秒內(nèi)從50兆瓦激增至175兆瓦，隨后數(shù)次波動(dòng)。這些負(fù)荷變化完全由算法自動(dòng)決策。這并非系統(tǒng)異常，而是新常態(tài)的“前奏”。
AI訓(xùn)練負(fù)荷的邏輯自主性、動(dòng)態(tài)突發(fā)性和表后不可見(jiàn)性，使其對(duì)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)呈現(xiàn)出“看不見(jiàn)、預(yù)測(cè)不到、無(wú)法干預(yù)”的特征。當(dāng)AI的這些行為成為系統(tǒng)擾動(dòng)的源頭時(shí)，傳統(tǒng)的電網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)度、平衡管理乃至電力市場(chǎng)的資源配置效用將被削弱。
在未來(lái)低慣量、高比例可再生能源滲透的背景下，類似擾動(dòng)可能成為頻率崩潰乃至系統(tǒng)解列的“導(dǎo)火索”。電力行業(yè)需要重新理解“誰(shuí)在駕馭系統(tǒng)節(jié)奏”，并反思現(xiàn)有機(jī)制是否還能操控新興大型負(fù)荷這輛正在加速的列車(chē)。
AI模型訓(xùn)練的影響
2025年7月，北美電力可靠性公司（NERC）發(fā)布了其大型負(fù)荷工作組首份白皮書(shū)[1]，該白皮書(shū)提到，加拿大電力設(shè)備供應(yīng)商Edge Tune Power公司通過(guò)高速記錄儀采集了AI模型訓(xùn)練與推理應(yīng)用的電力需求（圖1）。數(shù)據(jù)顯示，在快速爬坡階段，負(fù)荷以每秒1.9標(biāo)幺值（p.u.）的速率持續(xù)變化約250毫秒。訓(xùn)練過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)高頻抖動(dòng)型尖峰（圖1中360-660秒?yún)^(qū)間）。此類劇變既出現(xiàn)在“空閑與峰值利用率”狀態(tài)切換時(shí)，也發(fā)生于“工作負(fù)荷正常運(yùn)行期間”，主要?dú)w因于訓(xùn)練步驟中計(jì)算密集型與網(wǎng)絡(luò)密集型階段的交替出現(xiàn)[2]。
圖1：某人工智能訓(xùn)練數(shù)據(jù)中心啟動(dòng)訓(xùn)練任務(wù)
（來(lái)源：EdgeTunePower）
英國(guó)特許電力系統(tǒng)工程師Dlzar Al Kez嘗試建模復(fù)現(xiàn)了NERC白皮書(shū)中負(fù)荷對(duì)某一系統(tǒng)強(qiáng)度充裕電網(wǎng)系統(tǒng)的影響（圖2）。模擬結(jié)果顯示系統(tǒng)出現(xiàn)了明顯的頻率變化率（RoCoF）脈沖。脈沖幅度雖小，但在低慣量電網(wǎng)中，這樣的脈沖可能被進(jìn)一步放大，并模擬出發(fā)電機(jī)組跳閘的效果。系統(tǒng)中的其他同步發(fā)電機(jī)組將對(duì)這一變化做出響應(yīng)。所有這一切并非由系統(tǒng)異?；蛘{(diào)度指令引發(fā)，而是數(shù)據(jù)中心自身業(yè)務(wù)邏輯觸發(fā)的正常運(yùn)行結(jié)果。
圖2：系統(tǒng)強(qiáng)度充裕電網(wǎng)中AI負(fù)荷行為模擬[3]
AI數(shù)據(jù)中心類大型負(fù)荷的正常行為導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)負(fù)荷的快速變化，影響了現(xiàn)有系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)資源的使用模式。當(dāng)前系統(tǒng)安全穩(wěn)定機(jī)制是否充分考慮了此類潛在的穩(wěn)定性影響因素？
2023年8月，得克薩斯州電力可靠性委員會(huì)（ERCOT）的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)為行業(yè)提供了警示案例[3]。大型柔性負(fù)荷（Large Flexible Load,LFL）在深夜時(shí)段的上調(diào)爬坡最大需求超出了當(dāng)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商采購(gòu)的上調(diào)資源數(shù)量。其中，22時(shí)觀測(cè)到的實(shí)際爬坡最大值達(dá)到當(dāng)前上調(diào)采購(gòu)數(shù)量的4倍之多。在正午至傍晚時(shí)段（12時(shí)-17時(shí)），下調(diào)爬坡需求也多次超出采購(gòu)的下調(diào)數(shù)量。
圖3：2023年8月ERCOT的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)
大型柔性負(fù)荷的市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)與可靠性的協(xié)同
大型柔性負(fù)荷參與電力輔助服務(wù)責(zé)任共擔(dān)的市場(chǎng)設(shè)計(jì)，本意在于緩解系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)資源短缺。然而，在市場(chǎng)激勵(lì)機(jī)制與可靠性運(yùn)行要求的雙重約束下，市場(chǎng)主體行為的自主響應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)復(fù)雜性進(jìn)一步提升。
2023年9月6日傍晚，得州ERCOT電網(wǎng)進(jìn)入緊急能源警報(bào)（EEA）狀態(tài)（圖4）。其核心原因之一是：大型柔性負(fù)荷為履行其輔助服務(wù)義務(wù)，在系統(tǒng)物理響應(yīng)能力（PRC）不足時(shí)段反而快速拉升“出力”。負(fù)荷拉升與太陽(yáng)能出力下降相疊加，導(dǎo)致系統(tǒng)可調(diào)容量PRC驟降并接近警戒水平。最終，ERCOT被迫緊急調(diào)用響應(yīng)式備用服務(wù)（RRS）才挽回PRC下降趨勢(shì)。
圖4：2023年9月6日ERCOT緊急能量警報(bào)（EEA）事件
表1：關(guān)鍵時(shí)間線（18:00–20:00）
新興大型負(fù)荷的故障穿越能力及其影響
新興大型負(fù)荷不僅重塑了系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)資源的使用，其故障穿越能力的新特征更與標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)電側(cè)故障穿越要求形成鮮明對(duì)比，給系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。
2024年7月10日約19:00（美東時(shí)間），東部互聯(lián)電網(wǎng)一條230千伏輸電線路因避雷器故障發(fā)生永久性接地，引發(fā)線路閉鎖，并在82秒內(nèi)經(jīng)歷六次重合閘故障擾動(dòng)（圖5）。同期，區(qū)域電壓波動(dòng)劇烈（0.25--0.4標(biāo)幺值），約1500兆瓦數(shù)據(jù)中心負(fù)荷因用戶側(cè)保護(hù)動(dòng)作脫網(wǎng)（圖6），系統(tǒng)頻率升至60.053Hz。事件中大型負(fù)荷脫網(wǎng)顯著影響了大型電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。可以預(yù)見(jiàn)，這類負(fù)荷脫網(wǎng)事件給低慣量和平衡調(diào)節(jié)能力較弱的電網(wǎng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)更高。
圖5：網(wǎng)側(cè)負(fù)荷曲線
圖6：2024年7月10日東部互聯(lián)電網(wǎng)1500兆瓦大型負(fù)荷損失/轉(zhuǎn)移事件頻率響應(yīng)曲線
（數(shù)據(jù)來(lái)源：田納西大學(xué)諾克斯維爾分校研究團(tuán)隊(duì)）
大型負(fù)荷日常運(yùn)行與自我保護(hù)機(jī)制，正在引發(fā)新的系統(tǒng)可靠性風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)這些可靠性風(fēng)險(xiǎn)疊加大型負(fù)荷對(duì)電價(jià)激勵(lì)的差異（圖7），系統(tǒng)運(yùn)行人員在負(fù)荷管理與預(yù)測(cè)方面面臨著更大的不確定性。
圖7：不同電價(jià)觸發(fā)的大型負(fù)荷削減占比（2023年9月到2024年2月）。不同的大型靈活負(fù)荷（LFL）在價(jià)格響應(yīng)性方面差異顯著[4]
在可再生能源高滲透率背景下，市場(chǎng)激勵(lì)機(jī)制若與系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行需求脫節(jié)，將可能誘發(fā)本可避免的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。未來(lái)市場(chǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)慎重考量大型柔性負(fù)荷的運(yùn)行模式，使其在系統(tǒng)最脆弱的時(shí)刻發(fā)揮支撐作用。
新興大型負(fù)荷超出現(xiàn)有市場(chǎng)機(jī)制和可靠性框架的特性，已對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性構(gòu)成威脅，并降低了市場(chǎng)的資源配置效率。如今，驅(qū)動(dòng)電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的因素，已不僅限于可再生能源滲透率的提升。面對(duì)不斷增長(zhǎng)的新興大型負(fù)荷，系統(tǒng)亟需思考和推進(jìn)有效適應(yīng)與應(yīng)對(duì)的改革措施。
