深度 | “电力+算力”赋能新型电力系统建设

文摘 2024-11-04 17:14 北京

2024年7月23日，国家发展改革委、工信部、国家能源局、国家数据局联合印发《数据中心绿色低碳发展专项行动计划》，强化“东数西算”规划布局的刚性约束，鼓励各地区采取高端替换、增减挂钩、重组整合等方式，促进小规模、低效率存量分散数据中心向集约化、高效率转变。计划到 2025年底，全国数据中心布局更加合理，整体上架率不低于60%，平均电能利用效率PUE降至1.5以下，可再生能源利用率年均增长10%，平均单位算力能效和碳效显著提高。

2024年8月6日，国家发展改革委、国家能源局和国家数据局联合印发《加快构建新型电力系统行动方案（2024～2027年）》，明确加快推进新型电力系统建设部署，实施一批算力与电力协同项目，进一步完善算力体系建设，统筹数据中心发展需求和新能源资源禀赋，开展算力和电力基础设施协同规划布局。

随着全球人工智能应用需求爆发式增长，算力需求呈指数级增长。国家发展改革委、国家能源局、国家数据局提出一系列措施，通过在规划、建设、生产、传输、调度、市场等环节有序统筹，获得更加充裕稳定、绿色低碳、经济可靠的算力和电力。算力和电力作为现代社会的两大基础设施，正逐渐走向深度协作和融合。算力自身的高耗能属性，迫切需要电力的重点保障。同时，算力的高速发展对新型电力系统高质量发展、电力行业智能化转型、“双碳”目标的实现提供了重要支撑。

电力与算力协同为什么会引起普遍关注？

全球数据中心产业在近20年步入蓬勃发展期。全球数据中心产业形态从计算中心、信息中心、云中心加快向算力中心演变，由发达国家引领，在全球各大核心地区集群化发展，并不断向外辐射。2022年，全球数据中心产业规模达到1308亿美元，2019～2022年复合增长率约为20%，数据中心领域电力消费增速远超GDP增速（见图1）。

2023年，全球数据中心产业装机容量为46吉瓦，预计到2027年装机容量可达87吉瓦。Open AI联合创始人埃隆·马斯克表示，AI算力过去每半年约增长10倍，预计2025年算力将引发电力局部短缺。到2026年，全球算力消耗电力620～1050太瓦时，与2022年相比，相当于增加35%～228%的需求。

国内数据中心产业发展与全球基本一致，目前处于云中心深化阶段。未来10年，我国互联网数据中心（IDC）产业仍有较大发展空间，预计“十四五” 时期内复合增速保持在25%左右。进入2023年，伴随着投资泡沫带来的低价竞争，“东数西算”对PUE、上架率等指标约束趋严，在AI新业态利好等因素交叉作用下，未来短期增速或有放缓趋势，但预计“十四五”末期会迎来新一轮上扬（见图2）。

电力与算力协同之所以引起广泛关注，一是作为新质生产力的重要因素，算力与国家核心竞争力密切相关。随着人工智能、视频生产消费等应用市场的快速发展，算力需求出现全球性的爆发式快速增长，同时也对电力供应带来了新的机遇与挑战，呈现出追赶四大高耗能产业的态势。算力能耗以每年超过15%的速度增加，特别是区域性算力激增，为局部区域时段的电网运行安全带来了不确定因素。

二是对推动电力转型、实现数字经济绿色发展具有重要意义。电力侧为数据中心提供电力供给保障，算力侧为新型电力系统智能化发展提供算力支持，利用规模化、高耗能、可调度的特性为电网提供需求侧响应服务，在节点、市场及网络调度三个层面有机协同，实现电力网与算力网的调度融合。

算力用电供给的主要特征与挑战

算力用电指用于支持计算设备的电力消耗，是数据中心的动力支柱和最大支出项。今年，中国电力企业联合会在国家数据局的指导下，与相关单位配合，启动全国范围的数据中心用能研究工作。数据中心和超级计算设施具有四个非常突出的特性，即区域集聚性、空调负荷特性、任务可调度性和用电高可靠性。

区域集聚性

算力用电往往集中在特定地理区域，初期多在经济发达、互联网服务需求旺盛的地区，后期会因为政策支持、能源成本低廉、气候条件适宜等因素，形成新的集聚地。算力资源的区域集聚性，既有利于形成产业集群、提升服务效率，也可能导致电力供给出现缺口、电网稳定性出现风险、用电成本非线性上升。

例如，河北张家口作为“东数西算”十大国家数据中心集群之一，已投运标准机柜33万架、服务器超150万台，智能算力占比38%。当地数据中心用电占全社会用电量的比例已经从2019年的6.8%，上升到2023年的20.1%。

空调负荷特性

数据中心需要大量电力来维持设备运行，特别是空调系统能耗可占数据中心总能耗的30%～40%。同时，全国夏季降温用电负荷占比约为30%，部分地区可达40%，夏季高温导致用电需求大幅增加，电力设备长时间高负荷运行容易引发过载故障，电力线路负荷随着用电量的增加而增大，容易导致线路过热、短路等，成为影响电网稳定的主要因素。因此，数据中心用电高峰与全国电网夏季空调负荷的高峰出现重合，进一步增加了夏季电网尖峰保供的压力。

任务可调度性

算力本身是一个由计算资源组成的互联网，复杂的计算任务可被分割成多个子任务，根据任务的需求和算力特性，合理分配任务到相应的数据中心节点上。可将算力为核心的电气系统与设施作为天然的高柔性负荷，以“虚拟电厂”等形式，通过对算力的时空调节来实现对电力调度的支撑与补充，根据电力供应情况、成本或其他因素，调整计算任务的执行时间和地点。

例如，在电力成本较低的时段运行更多的计算任务，或者在不同地理位置的数据中心之间分配任务，以优化资源使用和成本效益。算力任务可调度性带来了有序用电的可计划性，具有利用需求侧响应空间、挖掘电力辅助服务市场化价值的潜力。据统计，截至2023年底，我国提供算力服务的在用机架数达到810万标准机架，算力总规模居全球第二位，这表明我国在算力资源集聚方面已经形成了显著的规模效应。

用电高可靠性

数据中心和计算设施对电力供应的稳定性和可靠性有非常高的要求，任何突发性停电事故都可能导致数据丢失或服务中断，带来巨额损失。据公开报道，截至2022年3月，美国有1600个站点将近30000台设备，每次停电带来的损失约为25万美元，一年合计700万美元。

长时间的高可靠用电必须依托于新型电力系统大电网。但新能源发电作为数据中心绿色用电的来源，通常存在波动性和间歇性。例如，在河北、甘肃、宁夏等“东数西算”数据中心聚集区域，新能源装机占比已超过50%，普遍存在夏季“极热无风”、晚峰“日落无光”的天气状况，容易导致新能源发电出力严重受阻，难以匹配算力用电高可靠性的要求。

“东数西算”对新型电力系统建设的影响

全国一体化算力网是以信息网络技术为载体，促进全国范围内各类算力资源高比例、大规模一体化调度运营的数字基础设施，具有集约化、一体化、协同化、价值化四大特征。2022年2月，国家发改委、中央网信办、工信部、国家能源局联合印发文件，同意在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝、内蒙古、贵州、甘肃、宁夏启动建设国家算力枢纽节点，并规划张家口集群等10个国家数据中心集群建设，“东数西算”工程正式全面启动。

“东数西算”是继“南水北调”“西气东输”“西电东送”后又一项国家级特大工程。“东数西算”工程作为解决算力与电力供需矛盾、推动绿色算力发展的国家级战略项目，为新型电力系统的构建提供了重要支撑。八个国家算力枢纽节点中，成渝枢纽、内蒙古枢纽、贵州枢纽、甘肃枢纽、宁夏枢纽均位于西部地区，从整体上改变了以往数字基础设施较多集中在东部经济发达地区的格局，对于平衡电力供给基础设施布局、促进数字经济发展具有长远的战略意义。

随着“东数西算”工程的深入实施和新型电力系统建设的不断推进，预计我国电力系统将实现更加清洁、高效、智能的发展，能够更好地适应经济社会发展的新需求。主要体现在以下六个方面：

优化资源配置

数据中心作为高耗能产业，其能耗优化对推动能源结构转型具有重要意义。通过引导数据中心向西部地区集聚，实现部分电力负荷从东部向中西部的空间转移。数据中心通过建设配套可再生能源电站、与可再生能源发电企业直接开展电力交易等方式，降低运营成本，实现能源消费结构优化及东、西部电力资源互补和优化配置。

推动绿色发展

西部地区资源丰富，数据中心向西部地区集聚，有利于就近消纳西部地区的绿色电力，持续优化电力使用效率，减少对传统电网的依赖，推动新型电力系统的构建。同时，数据中心的绿色运营可以降低碳排放，这些减排量可以在碳交易市场中进行交易，为数据中心带来经济效益，也为实现碳中和提供了坚实的基础。

推动电力系统智能化升级

数据中心的大规模建设对电网的智能化管理提出了更高要求。一方面，数据中心需要稳定可靠的电力供应，而智能化技术可实现数据中心电力需求与电力供应间的精准匹配，提高电力系统的运行效率，以及电网的稳定性和可靠性。另一方面，算力结合数字化技术，可实现对电网设备的实时精准监测，提升电力系统仿真计算的实时性和精准性，支撑大规模电力电子设备与传统电气设备的联合控制，确保系统安全稳定运行。

促进技术创新和融合

“东数西算”工程鼓励数据中心节能降碳、可再生能源供电、异构算力融合等技术创新和模式创新，应加强对关键技术产品的研发支持和规模化应用。算力支撑电力智能生产调度体系，实现源网荷互动、多能协同互补及用能需求智能调控，在提高可再生能源应用比例、降低用能成本、增强电网安全性等方面具有重要意义。数据中心产业采用新型机房精密空调、液冷、机柜式模块化、余热综合利用等新技术新方式，通过加强自动化、智能化能耗管理，提升了节能水平。

实现区域协调发展

通过算力设施由东向西布局，“东数西算”将带动相关产业有效转移，促进东西部数据流通、价值传递，延展东部发展空间，推进西部大开发形成新格局。数据中心由环渤海、长三角和珠三角地区，转向新疆、青海、内蒙古、贵州等地，合理引导算力资源空间再配置，与电力供给格局更加适配，并带动当地IT设备制造、信息通信、基础软件、绿色能源等产业链发展，推动区域协调发展。数字经济发展速度之快、辐射范围之广、影响程度之深，正深刻改变着经济社会的发展进程。

提升电力系统调节能力

数据中心规模的不断扩大和算力需求的持续增长导致电力需求急剧增加，加大了电力系统的供电压力。数据中心可通过算力网的任务可调度性，在各地合理分配计算任务。数据中心通过建设共享储能电站、探索新型储能技术，不仅可以作为应急电源，还可以在电力供应过剩时储存能量，在需求高峰时释放能量，加快实现新型储能规模化应用，开展高比例需求侧响应，利用源荷储资源建设虚拟电厂，提升电力保供和新能源就地消纳能力。

电力与算力协同融合的方向与途径

新型电力系统是在传统电力系统的基础上，引入先进的信息通信技术、控制技术和能源技术，可控对象从以源为主扩展到源网荷储各环节，控制规模呈指数级增长。调控方式从传统“源随荷动”转向“源网荷储融合互动”，支撑新型储能、多元化负荷大规模友好并网，实现电力系统的智能化、清洁化、高效化和可持续发展。

算力是对数据的处理能力，存在于数据中心、超算中心和各类智能终端设施中，其核心是CPU、GPU等芯片，由计算机、服务器、高性能计算集群承载。算力将是未来很长一段时间经济社会发展最重要的战略资源之一，随着生成式人工智能不断发展，带动智算需求呈指数级增长。

算力作为数字经济的核心资源，其产业的高速发展必将带动电力需求不断增长，两者协同发展已成必然趋势，亦将带动液冷、热泵、储能、微电网、综合能源等相关产业发展。这些产业不仅为智算中心提供技术支持和解决方案，还可在更广泛的领域发挥重要作用，推动经济社会高质量发展。新型电力系统建设也亟需大规模算力支撑，助力调控技术手段和智能化水平的跨越式升级（见图3）。

自2018年以来，应用服务侧的全国信息传输、软件和信息技术服务业用电量年均增长率高达14.6%，这一增速在国民经济行业用电活动划分的11个门类中排名第一（见图4）。2023年的用电量达1473亿千瓦时，凸显了信息技术服务行业对于能源的巨大需求以及行业自身的快速发展；同期，制造产业侧的全国计算机、通信和其他电子设备制造业用电量年均增长14.1%，达2548亿千瓦时，不仅满足了日益增长的算力需求，还促进了上下游产业链的协同发展（见图5）。

在出现颠覆性的节能降耗革命前，用电量增长速度与产业产能的规模存在明显的正相关。在全国信息传输、软件和信息技术产业领域，制造产业侧的用电增长速度稍低于应用服务侧，考虑部分先进算力的进口设备因素，两者总体上基本保持一致。

但是，纵观应用服务侧的全国信息传输、软件和信息技术服务业用电增长情况和制造产业侧的全国计算机、通信和其他电子设备制造业用电增长情况，两者与算力研究领域的算力规模、结构分布及增速情况有着比较明显的差异，在一定程度上可以揭示算力应用进程阶段状况、潜在用电强需求爆发概率、数据中心上架实际利用率、电力算力错位可能导致的相互制约等现象因素，需进一步开展深入调研和专题研究。以上数据分析进一步呈现出新时代电力与算力协同的必要性，近远期电力与算力协同融合的方向和途径主要有四个方面：

在统筹规划方向

加强顶层设计，确保算力网络建设与国家发展战略相协调，新建大型和超大型数据中心按全国一体化算力规划布局，有利于为经济社会发展提供稳定、高效、清洁的电力支持。国家“十四五”规划的九大清洁电力一体化大基地总规模超200吉瓦，其中七座位于中西部地区，每个大基地装机容量均在千万千瓦级以上，可以满足数据中心用电增长需求，未来绿色数据中心将具备全部使用清洁电力的基础条件。

在微观选址上，开展电力与算力协同新基建建设，通过统筹能耗水平、网络带宽、产业特征、负荷特征、气候资源、人才资源等因素，实现数据中心和新能源电源点在规划设计上的多维布局匹配。采取数电联营、绿电聚合、备用共享、多站合一、综合能源模式等策略，提高能源供需利用效率，降低算力与电力建设成本。

在产业协同方向

算力是数字经济时代的新质生产力，不断为千行百业数字化转型注入新动能。据我国信通院测算，算力每投入1元将带动3～4元的经济产出。全国性算力枢纽和数据中心集群建设可带动相关产业投资，形成新的经济增长格局。

算力建设可带动设备高效智能运维和协同运行优化，在计算设备和服务器的设计与制造中，采用更先进的节能技术，降低设备用电损耗及算力成本，促进节能诊断、节能改造设计等新业态发展。同时，新型电力系统建设探索新型智能化的供配电方式，直接激励相关设备制造业、系统集成和技术研发产业的兴旺发展。

在安全保障方向

光伏和风电等绿色电源随机性、间歇性、波动性特征显著，严重受限于气象条件。大规模新能源并网后，不同时间尺度供需平衡调控难度大幅增加，对新能源资源评估与发电预测、电力电量平衡、大范围跨时空资源配置、长周期规模化储能等技术提出更高要求。

依托“东数西算”和“西电东送”战略布局，优化东西部电力与算力资源的时空调度，在保障电力与算力双重安全的前提下，推动算力和电力的双向互动。算力通过分析气象、电网运行数据，实现对发电和用电负荷的精准预测，配合对海量调节资源的精准调度，实现多时空的实时供需平衡。电力智能化调度可实现源网荷储的互动和多能协同互补，开展需求侧响应。通过多元化能源结构降低对单一能源的依赖，增强能源供应的稳定性。

在绿色发展方向

随着计算和存储需求的显著增长，算力能源消耗和温室气体排放问题日益受到重视。绿色算力与电力的协同发展已成为衡量信息时代创新能力的重要指标。绿色发展理念应始终贯穿算力网络建设的全过程，探索新能源电力就近供电、聚合交易、就地消纳等模式，减少远距离输电的需求和损耗。

完善技术路径与市场化机制，实现算力发展与节能减排的平衡。依据水风光发电特性预测、优化算力负载，根据实际算力需求调度电力多元灵活性资源，实现双方调度机制高效协同运转，推动绿色算力技术的研发和应用。鼓励数据中心通过绿电绿证交易等方式提高可再生能源的利用率，鼓励有关地区探索开展数据中心绿电直供。通过供配电系统、制冷散热系统、储能系统绿色化，实现算力的节能减排。加强数据中心余热资源回收利用，满足周边地区用热需求。

电力与算力，如车之两轮，共同驱动着信息时代的战车滚滚向前。随着全球人工智能应用的迅猛发展，算力需求急剧增长，对电力系统的稳定性和可持续性提出了更高要求。电力与算力的协同融合不仅是应对这一挑战的关键路径，更是推动新型电力系统建设和实现“双碳”目标的重要支撑。通过政策引导、技术创新和产业协同，我们正逐步构建起一个安全高效、清洁、智能的电力与算力协同体系。未来，随着技术的不断进步和政策的持续完善，电力与算力的协同融合将更加紧密，为推动经济社会的高质量发展注入新的活力。在这一进程中，我们需要不断探索和实践，以创新驱动发展，共同开创电力与算力协同融合的新篇章。

作者：中国电力企业联合会　刘兴国庄严张政

编辑：井然李天娇

审核：李丽萍

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