提到“数网协同”中的“网”,人们的第一反应一定是“通信网络”,但对于数据中心这样涉及到多种学科的大型基础设施来说,“网”的内涵更加丰富。数据中心的正常运转与电力保障息息相关,所以“数据中心”与“电力网络”的协同发展也非常重要,将是“数网协同”的重要保障。

电网

数据中心与电网的发展相辅相成。

一方面,数据中心在需求侧对电网具有调节潜力:多年来国家一直加强落实电力需求侧管理工作,落实国家节能减排战略,促进电力资源的优化合理分配,从而降低能源消费和用电负荷。与其他需求侧的资源相比,数据中心具备电力实时响应、可转移及调节能力,是一种庞大的需求响应资源,在缓解电网阻塞、消纳新能源等方面发挥独特的优势。目前,已有数百个数据中心参与紧急需求响应成功避免整个北美的大面积停电的案例【1】。

另一方面,电网是维持数据中心运转的最重要因素:数据中心是比较庞大的电力需求主体,所以在数据中心选址、布局时会充分考虑电网的分布。为了保障业务的可靠性,数据中心通常会设置冗余,在设计时会为数据中心规划充足的电力资源。同时数据中心的耗电规模也是业界重点关注的内容,2018年全世界数据中心的耗电规模为205TWh,占全世界耗电规模的1%【2】;根据测算,2019年中国数据中心的耗电规模在700多亿度,占全国耗电规模的近1%。

尽管数据中心与电网联系紧密,但目前两者的运行和规划基本是割裂的,主要存在着这样一些问题:

一是目前数据中心并未充分参与电网需求侧的调度,数据中心的研究主要聚焦其自身能耗,而没有将其作为一种需求响应资源纳入整体电网的大环境中。数据中心是有调节潜力的资源,若在电网规划中充分考虑数据中心的调节作用,则会充分提高电能利用效率。

二是数据中心为了保障高可靠性而设置的高冗余配置对电网资源造成了一定的闲置。通常引入的两路市电中,一路作为备用长期闲置,而无法纳入电网的规划或者运行工作中。电力部门被迫对数据中心运营者进行一些硬性消费指标的约束来弥补这种浪费,而数据中心运营者出于对用户方或者相关标准的考虑,对此也无能为力。

三是数据中心集群的概念正在逐步形成,很多地区呼吁通过发电厂的电力直送等形式来支撑数据中心的发展,但是目前存在着规划和实施层面的种种困难。

四是数据中心自身耗电量较大,同时为了保证业务的可靠性对电网的质量要求较高,这对于电力资源稀缺或电网质量不佳但又想发展数据中心的地区造成了一定的压力。

从长远来看,数据中心和电网之间会依靠“数网协同”来走向高质量发展之路。

首先,电网规划中充分考虑数据中心的调节作用,设计适用于数据中心的模式。数据中心是一种庞大的需求响应资源,应深度研究其在缓解电网阻塞、消纳新能源等方面的作用,使得“数据中心”与“电网”真正地协同发展起来。

其次,针对数据中心的高冗余特性带来的资源浪费问题,适当探索电网与数据中心的新合作模式。2019年全国城市地区用户平均停电时间4.50小时/户【3】,其中,上海、深圳、厦门的用户平均停电时间低于1小时/户,而2000年全国城市地区用户平均停电时间为9.767小时/户【4】。以上数据反映电力供应可靠性在不断提升,当前业内也逐渐响起一路市电的呼声,所以在一些电力条件优质的地方,数据中心与电网可根据实际情况适当采取一些的新合作模式,解决高冗余配置带来的资源闲置问题。

再次,可以考虑将发电厂的电力直送数据中心集群。作为稳定且大量消耗电力的数据中心集群来说,这种方式可以减轻电网的负载,也能降低一定的过网费用,实现数据中心和电厂利益的最大化。

最后,数据中心的绿色化发展,应进一步加强相关技术研究、测试评估、节能改造等工作。通过应用新技术、提高管理能力,不断降低数据中心的运行PUE,从而提高数据中心的能效和绿色等级,持续促进“数网协同”的健康发展。

参考文献

[1] Sun Q , Wu C , Li Z , et al. Colocation Demand Response: Joint Online Mechanisms for Individual Utility and Social Welfare Maximization[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2016, PP(12):1-1.

[2] Masanet E, Shehabi A, Lei N, et al. Recalibrating global data center energy-use estimates[J]. Science, 2020, 367(6481): 984-986.

[3] 2020年6月,国家能源局和中国电力企业联合会联合发布的《2019年度全国电力可靠性指标》

[4] 李玉生, 赵凯, 陈丽娟,等. 2000年全国电力可靠性统计分析[J]. 中国电力, 2001(06):1-9.

作者简介

吴美希,中国信息通信研究院云计算大数据研究所数据中心研究部高级业务主管。主要从事数据中心相关的政府支撑、技术研究和标准制定,以及绿色等级评估等相关工作。

郭亮,中国信息通信研究院云计算与大数据研究所副总工程师。

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