碳足迹：“电算协同”五大理念及新范式

电力与算力作为支撑经济社会高质量发展的关键基础设施，具有紧密的关联性和融合性。随着新型能源体系建设提质提速，算力产业绿色低碳转型不仅是推动能源绿色低碳发展的重要力量，还将为新型电力系统的灵活互动提供强大支持。在实现碳达峰和碳中和目标的背景下，电算协同发展成为了必由之路。
算力与电力变化趋势相互交织
近年来，我国算力基础设施建设取得显著成效，全国在用数据中心标准机架数量大幅增加，算力总规模位居全球前列，过去几年年均增速保持较高水平，智算规模也占据了显著份额。值得注意的是，算力是高耗能产业，随之而来的是电力需求激增。据统计，2023年全球算力规模已达到1369EFlops(每秒浮点运算次数)，预计保持年均15%以上的增速。数据中心能耗问题日益突出，各方高度关注电力供应问题，构建更加绿色、高效的算力体系迫在眉睫。
与此同时，新型电力系统建设深入推进，风、光等新能源逐步成为发电主体，各种新型负荷和储能装置日益广泛，电网柔性灵活程度更高，多能协同互补、源网荷储互动、多网融合互联的新型电力系统“三大形态”逐渐显现。
可以看到，算力与电力变化趋势相互交织。一方面，算力规模发展迅猛，加上智算具有柔性可调的特性，算力将成为未来新型电力系统重要的负荷构成和重要的调节能力来源。另一方面，电力领域绿色低碳转型推动了新型电力系统“双高”(高比例可再生能源、高比例电力电子设备)特征变化，也将影响算力的充裕供给、高效运营及绿色发展。
同时，全球各国都力图通过抢占算力领域的主导权来提升国家综合实力，算力作为一种新型基础设施，已经成为国家未来核心竞争力的影响因素之一。电力与算力两类基础设施协同发展，将充分发挥我国资源禀赋和体制机制的优势，实现更大范围的资源优化配置，将目前的电力优势进一步转化为算力发展优势，为智能产业和数字经济发展提供坚强支撑。
为加快推进新型电力系统和全国一体化算力网建设，国家有关部门出台了一系列实施意见与行动方案，明确提出统筹推动算力与绿色电力融合、创新电力与算力协同运行机制、促进节能降耗、提升算力能效等相关要求。南方电网公司积极响应国家决策部署，在2024年4月首次提出“电算协同”发展理念，明确了以“充裕瓦特”支撑“规模比特”、以“高效瓦特”助力“能效比特”、以“清洁瓦特”催生“绿色比特”三大发展方向。
构建“电算协同”五大理念
以电力规划牵引算力布局。从公开数据、实际工况、演进方向等多维度分析预测，到2030年，我国算力所产生的能耗规模将占全社会用电量的4%—9.4%，在南方五省区预计达到800—1900亿千瓦时的能耗规模。为了从源头保障算力发展所需电力，有必要将算力规划与电力规划进行深度协同，确保基于资源禀赋、供电能力科学合理安排算力布局与实施。
以电力建设提升算力能效。南方电网公司在全面推进新型电力系统建设，攻关技术创新、产品装备等五大谱系过程中，形成了柔性配网、多能互补、节能降耗、设备集约等成果，可助力单体和集群数据中心提高保障水平、降低运营成本，并提升绿电消纳水平。就运营成本而言，目前电力成本在算力运营中心总成本中占比为60%左右，据初步研究，未来通过新型电力系统一系列技术装备，有望把运营中心成本降低10%到20%。
以电力通信助力算力互联。为充分发挥智算柔性可调特性，实现算力大范围灵活调配，算力中心之间需要高带宽、长距离、高稳定性的互联网络，而电力通信光纤网便可作为现有算力主干网的有力补充。截至目前，南方电网公司建成了总长度超31万公里，覆盖全网超11000个35千伏及以上厂站的电力通信光纤网，实现“有电就有网”，以电力通信助力广泛的算力互联。
以电力调度引导算力转移。在新型电力系统环境下，为应对新能源“三性”带来的挑战，确保算力中心在各种运行工况下安全可靠绿色高效的电力供应，需要发挥电力调度的统筹调控作用，以电网的调度合理引导算力转移，以算力的灵活调度助力源网荷储动态平衡，实现电力网和算力网最优运行工况。
以电力交易聚合算力运营。目前南方电网公司在建设统一电力市场方面取得了一些经验成效，为了充分发挥市场在资源配置中的作用，更大范围地优化全国算力运营成本，可依托成熟的电力市场机制，以电价信号聚合算力运营，面向社会提供全局最优性价比的算力资源。
打造“电算协同”新范式
2024年8月，南方电网公司发布《电算协同行动计划》，加速构建电力与算力协同规划、建设、调度、交易的新基建模式。为进一步打造“电算协同”新范式，政府、行业、科研、产业和社会各界应广泛参与、携手合作，为融入和服务全国一体化算力网，构建面向未来的国家新型基础设施作出新贡献。
提升电力算力协同规划。根据贵安新区、粤港澳大湾区等国家级一体化算力枢纽建设布局，结合南方区域清洁能源发展趋势及系统网架结构带来的供电能力变化，开展区域算力网与电力网协同规划研究，实现“西电东送”与“东数西算”统筹优化。
强化电力算力协同建设。联合生态合作伙伴，共同研发高效能算力装备，探索新型配网、直流供电、集约应急装备等新型算力中心或算力集群供电模式，打造源网荷储互动、风光多能互补的绿色低碳数据中心，实现算力能效的有效提升。
推动电力算力协同调度。开展基于电力通信网的算力互联网络研究，进行多类型算力资源可调节能力测试，探索构建常态化电力算力协同调度机制。
探索电力算力协同交易。开展算力负荷特性研究和特征识别，实现算力计量、定价与电力市场的紧密关联，构建算力市场与电力市场的协同运营机制。
打造电力算力协同示范。在上述四个方面重点工作的基础上，打造一系列电力算力协同示范建设试点工程。单体数据中心方面，在生态合作伙伴支持下，开展多能互补示范工程建设，推广高效能算力装备，打造绿色低碳算力。数据中心集群方面，在政府支持与指导下，探索柔性配网、直流供电等新型配供电方式，降低算力运营成本。算力跨域调节方面，构建基于电力算力协同调度、协同运营的应用场景，实现跨主体、跨区域更大范围的灵活调控和资源优化配置。

阅读延伸：

　　党的二十大报告提出，加快发展方式绿色转型，发展绿色低碳产业，倡导绿色消费，推动形成绿色低碳的生产方式和生活方式，同时强调要大力发展数字经济，建设数字中国。绿色电力和算力作为经济社会全面绿色化、数字化转型的关键生产力，正逐步向“融合共生”发展，通过电力带动算力绿色化升级、算力赋能电力数字化转型，形成螺旋上升的良性循环，推动能源数字经济高质量发展。
　　电力带动多元化算力绿色可持续发展
　　电力是多元化算力发展不可或缺的基础支撑，不仅能够满足多元化算力用电需求，推动绿色算力发展，而且能够提供丰富的智能应用场景和海量的高质量数据，对算力绿色可持续发展起到重要作用。
　　一是满足多元化算力大规模发展的用电需求。以AIGC（生成式人工智能）为代表的人工智能应用、大模型训练快速崛起，带动智能算力需求爆发式增加。同时，在我国数据中心快速发展的推动下，基础算力规模仍将持续增长。基础算力、智能算力、超算算力相互融合渗透，以满足多样化智能场景对多元化算力的需求，而大规模算力发展需要消耗大量能源。根据工信部数据，2022年我国基础设施算力规模达到180EFlops（每秒百亿亿次浮点运算次数），数据中心耗电量达到2700亿千瓦时。预计到2025年，我国算力规模将超过300EFlops，智能算力占比达到35%，数据中心耗电量达到3500亿千瓦时。根据《绿色算力白皮书（2023）》预测，到2030年我国数据中心耗电量将达到5900亿千瓦时。
　　二是支撑算力产业绿色低碳转型。算力的大规模部署和应用不仅消耗大量能源，同时也带来碳排放问题。以数据中心碳排放为例，数据中心碳排放主要来源于IT设备、空调系统、电源系统、照明系统等电力消费产生的间接排放，根据生态环境部环境规划院发布的《中国区域电网二氧化碳排放因子研究（2023）》，目前我国各省平均电网排放因子约0.61千克/千瓦时，若2025年、2030年各省平均电网排放因子保持目前的水平不变，则2025年、2030年我国数据中心间接碳排放量将分别达到2.1亿吨、3.5亿吨。随着新型电力系统建设加快，新能源大规模开发，电源结构持续优化，绿色电力占比不断提高，各省平均电网排放因子将稳步下降，带动数据中心间接碳排放减少，预计2025年、2030年减排潜力分别约为0.3亿吨、0.8亿吨，推动算力产业绿色可持续发展。
　　三是提供丰富多样的智能应用场景。电力作为实现“双碳”目标的主力军，在发、输、变、配、用各环节均拥有丰富的应用场景。发电环节有新能源高精度功率预测和快速控制、清洁智慧电厂建设等应用场景。输电环节有智能巡视、智能感知、智能识别等输电数字生产运维场景。变电环节有数字变电站建设、变电设备状态感知和智能操作、数字化移交等应用场景。配电环节有配电自动化、智能配电站（房）建设、分布式智能电网构建等应用场景。用电环节有需求侧自动响应、虚拟电厂、车网互动、碳排放监测控制、智慧能源服务等应用场景。此外，电网智能辅助决策和调控、电力市场和碳市场交互耦合等方面也需要算力赋能。在电力行业巨大应用需求驱动和资金支持下，算力设施部署和技术迭代将加快，实现算力产业发展升级。
　　四是分享海量能源电力大数据。以深度学习为代表的人工智能大模型发展快速，模型参数数量、训练数据规模大幅增长，文本、图像、语音等多模态数据需求涌现。同时，随着人工智能与千行百业的加快融合，面对的问题不断具体化和深入，数据需求走向精细化和定制化。电力数据资源丰富、覆盖范围广、类型多样，包括发电出力、电网运行、用户用电、电力市场交易等文本、图像、语音数据。电力数据价值密度高、真实性高，能够全面反映宏观经济运行情况、各行业发展状况、居民生活消费情况等。此外，电力数据资源管理和运营相对成熟，具有相对完善的数据资产管理体系和流通运营体系，且有丰富的应用实践。能源电力大数据的使用将有利于提升算力模型分析、预测和决策的准确率和效率，激活和释放能源电力数据要素价值。
　　算力赋能新型电力系统高质量建设
　　算力是电力数字化转型的关键支撑，算力结合数字化技术，将在促进清洁能源消纳、增强电网运行安全、提高电能供应经济性等方面发挥重要作用。
　　一是支撑电力平稳可靠供应。新能源随机性、间歇性、波动性特征显著，难以稳定可靠供电，极端天气可能停摆。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。算力通过对气象、电网历史运行数据、历史用电数据等进行分析，可最大限度地实现对新能源发电和用电负荷的精准预测，配合对海量调节资源精准调度，实现多时空的实时供需平衡。
　　二是保障系统安全稳定运行。新能源发电设备抗扰性低、支撑性弱，大规模接入电网后，电力系统转动惯量和无功电压支撑能力显著降低，加之新能源发电设备分布广泛、数量巨大和分布式新能源及电动汽车等新型负荷快速发展，导致控制对象海量激增，给电网安全运行带来巨大挑战。算力通过其超大规模信息连接和数据处理能力，实现对各类发输变配设备运行状态、关键控制参数和控制模型的实时精准监测，推动新型电力系统仿真计算从离线到在线、从慢速到实时转变，支撑大规模电力电子设备与传统电气设备联合控制，确保系统安全稳定运行。
　　三是推动电能经济高效供应。新能源能量密度小，发电年利用小时数低。为应对新能源随机性、波动性、间歇性对安全可靠供电的影响，系统还需配置大规模储能、灵活调节和支撑保障电源，造成整体冗余、成本上升、效率下降。算力结合数字化技术和自动化机器，推动海量设备高效智能运维、协同运行优化，促进节能诊断、节能改造设计、能源托管、负荷聚合等新业态、新模式发展，引导用户主动参与需求侧响应，减少储能、抽水蓄能、天然气发电等调节性电源的配置需求，从而提高系统整体运营效率，降低系统运行成本和管理成本。同时，算力中心本身具有良好的负荷调节特性，通过切换空载服务器功耗状态、平移和伸缩实时性不敏感任务等，改变负荷大小和时间分布，增加系统灵活性，提高运行效率。
　　多措并举推动绿色电力与算力协同发展
　　一是加强绿色电力与算力协同发展顶层设计。围绕经济社会全面绿色化、数字化转型需求，系统研究绿色电力与算力协同发展路径，明确绿色电力与算力协同推进方向、技术路线和任务要求。加强跨部门联动和政策统筹，研究适应绿色电力与算力协同发展的体制机制和标准规范，积极引导资金、人才等资源投入，加快形成政府主导、多方参与的发展局面。
　　二是统筹绿色电力与算力输送格局。综合考虑电力输送和算力输送，在绿电资源丰富、低电价或者不能有效输送电力的地方优先布局算力中心，通过信息网络将东部沿海的算力需求转移到西部的算力中心，以输送算力的方式替代一部分电力输送，降低整体经济成本。具体而言，结合国家东数西算工程的实施，引导算力资源向贵州、甘肃等西部省区转移，满足一些网络延时要求较低业务的算力需求；对于网络延时要求较高业务的算力需求，可结合海上风电的开发和沿海核电的建设，在沿海地区合理布局算力中心，以满足长三角、粤港澳大湾区等数字经济发达地区低延时算力要求。
　　三是推进绿色电力与算力联合调度。为充分发挥算力中心灵活调节特性，推动算力中心向新型电力系统主动支撑者转变，需加强电力与算力联合调度，使算力负荷特性与可再生能源出力特性相匹配，从而促进可再生能源消纳，保障电网运行安全。具体而言，算力中心可调负荷可通过直接参与、负荷聚合商参与等形式参加不同时间尺度的电力需求响应，从中获得价格补偿。同时，算力中心可参加绿电、绿证交易，支撑自身绿色低碳转型。
　　四是推动绿色电力与算力支撑体系建设。加快智能终端、电力大模型、人工智能、大数据等关键技术和装备的研发，推动电力数据分类分级管理与共享应用，加强多元化清洁能源供应体系、智能调控体系、网络安全综合防护体系建设，培育绿色电力与算力产业生态，开展绿色智慧算力中心近零碳示范区建设，打造绿色电力与算力协同标杆，服务能源数字经济高质量发展。
　　（作者均供职于南方电网能源发展研究院有限责任公司）

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