数字基础设施如何参与电力系统需求响应？——访中国电子信息产业发展研究院（赛迪研究院）节能与环保研究所绿色制造研究室副主任谭力

本刊记者 余璇/ 编辑 曲艺

随着“数字中国”和“网络强国”建设深入推进，数据中心和5G基站的建设增量将数倍于存量，能耗水平或将呈指数级上升。数据中心和5G基站的高能耗特性面临巨额能源成本压力，如何探寻其降本方式？中国电子信息产业发展研究院（赛迪研究院）节能与环保研究所绿色制造研究室副主任谭力在接受本刊记者专访时表示：“数据中心和5G基站具备负荷智能可调节、快速响应能力，是一种庞大的新型响应资源。随着可再生能源电力在电网中的比例不断提高，电源侧波动性加剧，进一步挖掘需求侧灵活性响应资源以增强电力系统的调节能力成为当务之急。分析数据中心与5G基站参与电力系统需求响应的必要性与可行性，展望其参与需求响应的前景、面临的问题，是深入挖掘数据中心与5G 基站调节潜力、参与需求响应所需完成的初步工作。”

构建新型电力系统，需进一步挖掘需求侧灵活性响应资源

《中国电业与能源》：在可再生能源渗透率不断提高的背景下，新型电力系统对调峰要求有何变化？

谭力：“双碳”目标下，可再生能源装机比例将保持高速增长。2022年风电光伏发电量突破1万亿千瓦时，占全社会用电量的13.8%，为实现2030 年占比25%的目标，2030 年风电与光伏总装机容量还将增长至12 亿千瓦。然而，可再生能源具有较强的随机性和波动性，出力与用电负荷不相匹配，影响电网安全稳定运行。传统的增强需求侧响应能力主要靠增加火电机组的出力或建设大量的储能电站实现，碳排放量大，响应速度慢，成本高。“双碳”目标下，亟须调动智能化程度高、更具经济性、响应速度快、环保低碳的需求侧灵活性资源来应对挑战。

《中国电业与能源》：您如何定义负荷侧资源？目前我国学术界对需求侧灵活性响应资源有何认识？是否有行业形成常态业务？

谭力：负荷侧存在大量具备调节潜力的灵活性资源，具有点多量大、容量较小、电压等级低、主体多样等特征，包括电动汽车、分布式储能及智能楼宇空调、工业园区等各类负荷。通过负荷聚合商聚合用户侧的储能、分布式电源、不间断电源等多元化可调节负荷资源参与需求响应，成为电力系统新的研究热点。我国学者已认识到电动汽车充电对电力系统将产生举足轻重的影响，并在电动汽车及虚拟电厂等负荷参与电力系统需求响应方面做了大量的策略研究和技术储备，如将电动汽车用电增长作为重要因素之一并进行负荷预测，以适应电动汽车高速发展的需要。但受电力市场建设成熟度、关键技术等因素所限，未能在实践层面开展大规模、大范围的业务，负荷侧柔性资源未得到充分挖掘。

数据中心和5G基站具备典型的电力系统负荷侧灵活性响应特性

《中国电业与能源》：数据中心和5G 基站是否具备参与需求响应的基础？

谭力：对于新型电力系统而言，总数量庞大的数据中心和5G 基站属于典型的分布式灵活性资源。国家网信办《数字中国发展报告（2022年）》显示，我国数据中心机架总规模超过650万架，近5 年年均增速超过30%，在用数据中心算力总规模位居世界第二。截至2023 年5 月，我国已累计开通5G基站273.3 万座。据中国电子信息产业发展研究院（赛迪研究院）《5G 产业发展白皮书》估算，到2030年，我国建成5G基站数量将突破千万座。一是数据中心和5G基站用电设备普遍具有智能功耗管理功能，可提供一定的功耗调节空间。二是数据中心和5G基站在建设时普遍装设储能电池作为备用电源，在不同工况（忙时/闲时）下，可以动态地将储能电池分为两部分：一部分用于备电，另一部分作为灵活调度资源。在服务器忙时，其所需备用电源容量大，余下可调度部分相对减少，反之则增加。因此，数据中心和5G 基站的储能电池可作为一种容量时变的储能参与电力系统需求响应。

《中国电业与能源》：数据中心和5G 基站可参与何种电力系统需求响应应用场景？

谭力：在我国当前的电价机制下，数据中心和5G 基站参与需求响应潜在的应用场景较多。在参与电力调峰方面，未来我国算力网络和5G网络基本建成后，数据中心集群和5G基站群的能耗在电力负荷中的比例会大幅提高，具有很强的调峰潜力。在不影响用户通信质量的情况下，可实现在用电低谷时段充电，用电高峰时段放电，通过峰谷价差实现套利，以降低数据中心和5G 基站用电成本。在参与电力调频方面，数据中心和5G基站采用退役锂离子动力电池，具有很好的动态特性，在接到系统的调频信号后，能够灵活进行充放电响应系统的调频需求，获取调频收入。在参与电力综合应用方面，目前已有文献研究了储能电池同时参与调峰和调频的协同方法，数据中心和5G 基站同样具有参与多种需求响应应用场景的潜力，在电网需求侧扮演多种角色。

《中国电业与能源》：数据中心与5G 基站参与电力系统需求响应对通信系统及电力系统有何意义？

谭力：这种互动对双方而言是互利的。对电力系统而言，面对愈发严峻的电力调峰调频问题，不断扩建发电厂、储能电站对电网公司而言是沉重的负担，也会造成重复投资浪费。将数据中心和5G 基站纳入常态化的电力系统调度运行，既能提高系统运行效率，又能实现轻资产运营。对通信系统而言，数据中心与5G基站参与需求响应是降低用电成本的潜在途径。充分挖掘数据中心和5G 基站的需求响应潜力，降低其用电价格或获取相应的需求响应补贴，进而有效缓解5G 基站用电成本过高的问题（数据中心和5G 基站参与需求响应市场设计运行模式见图1），有利于数据中心和5G 基站完成从高耗能基础设施向供能基础设施的身份转变。

图1 数据中心和5G 基站参与需求响应市场设计运行模式

数据中心和5G基站规模化参与需求响应需要解决的问题

《中国电业与能源》：数字经济背景下，数据中心和5G基站绿色低碳发展面临什么问题？

谭力：随着数字化浪潮来临，以数据中心和5G 基站为代表的数字基础设施规模化建设加速，能耗成本或将成行业发展制约因素。当前主要采取的节能手段有高效冷却、智能关闭部分设备与功能、动态调整设备功耗等。虽然这些手段已取得一定效果，但电费仍让运营商“不堪重负”。参与需求侧响应，不仅助力“双碳”目标，还能弥补高昂的用电成本，对数据中心和5G 通讯的进一步发展具有显著意义。

《中国电业与能源》：在技术方面，数据中心与5G基站规模化参与需求响应仍需哪些突破？

谭力：数据中心和5G 基站参与需求响应需要开展的技术研究主要包括设备功耗管理、储能电池能量管理、储能电池可调度容量的刻画与预测、数据中心和5G基站聚合与协同调度等。

智能设备功耗管理是数据中心和5G 基站参与需求响应的前提之一。需进一步研究如何根据实时负载，结合不同时间尺度和空间尺度的功耗管理技术，实现数据中心和5G基站功耗的最优管理。数据中心和5G 基站参与需求响应需要通过储能电池能量管理频繁调度电池进行充放电，在信息通信行业大量使用二次利用的退役动力电池作为备用电源的情况下，电池不一致性问题必须得以解决。此外，还需关注储能电池可调度容量的刻画与预测用于评估在保障设备供电可靠性前提下，储能电池的调度可行域；聚合与协同调度技术用于实现海量数据中心和5G基站的协同。

《中国电业与能源》：我国数据中心与5G基站规模化参与需求响应的市场机制与盈利模式现状是怎样的？有何建议？

谭力：我国现阶段还处于电力市场发展探索阶段，需求侧灵活性资源参与需求响应的定价机制较为粗放。一方面，现有的电力辅助服务价格无法体现出数据中心和5G 基站响应速度快、可实时精准调节负荷的优势。数据中心和5G 基站通过聚合储能参与需求响应，相比于火电机组具有更短的响应时间，而当前电力交易市场中的性能指标设置不利于数据中心和5G基站与其他主体竞争。另一方面，针对运营商参与需求响应的补偿机制的研究仍欠缺。未能准确评估及量化参与需求响应对电池衰减的影响，不利于制定合理补偿机制、提高后续参与度。

对此，建议共商合作机制，建立符合数据中心和5G 基站用电特性的市场机制与盈利模式。一是总结试点项目成就、局限性。以提高运营商满意度和参与度为目标，核算各方成本与效益，帮助市场了解需求响应的运行机制，明确各利益相关方参与市场互动时扮演的角色，探索适用于电力系统调度的数据中心和5G 基站需求响应实施模式。二是推动出台数字基础设施储能资源聚合参与电网调峰调频、辅助服务的市场交易政策，进一步细化聚合商的责任、参与形式、参与门槛和补偿标准。

《中国电业与能源》：目前我国是否有相关试点项目？您如何评价试点取得的成就与局限性？

谭力：现阶段我国已开展小规模的5G 基站参与需求响应的技术验证。例如，中国铁塔公司与国家电网有限公司合作，组织299 座5G 基站参与迎峰度冬电力保供准实时需求响应演练。在演练时间段内通过智能控制设备实施基站自备电池供电，最大压降功率1079千瓦，最小压降功率857千瓦，响应效果较好。现阶段的试点项目主要成就在于积累经验，为今后大规模参与电力调峰做准备。

局限性就在于试点规模较小，且以技术验证为主，缺乏对参与需求响应收益分配，以及参与各方能否获得足够回报的分析。如运营商开展需求响应需要进行技术改造、新增设备，频繁调度储能电池将加速电池老化，这些额外成本未能计入试点项目的经济性测算。又如数据中心和5G 基站大规模并网放电给电网带来的安全风险和防御策略等问题尚无定论。如何建立既能为电力系统提供稳定支撑又能兼顾运营商和电网公司利益的详细商业模式仍需进一步探索研究。

《中国电业与能源》：数据中心和5G 基站参与新型电力系统互动，目前还需要做什么准备？

谭力：开展关键技术研究攻关，深挖数字基础设施的储荷资源需求响应潜力。一是进一步研究实时控制策略。由于数字基础设施的负荷具有时变特点，需研究如何动态结合不同时间尺度的功耗管理技术，实现数字基础设施功耗的最优管理。二是开展数据中心和5G基站负载的精准预测，并在此基础上计算储能电池可调度容量。三是设计数据中心和5G 基站聚合框架、协同机制、调度算法。基于数字基础设施运行模式和电力系统运行模式，综合考虑运营商、电网公司和负荷聚合商三方利益，建立信息通信基站网络与电力网络联合运行模型。

加快数字基础设施数字化绿色化改造，为参与电网互动打好基础。一是加速推进磷酸铁锂电池在数字基础设施的全面应用。鼓励将退役动力蓄电池梯次利用于数据中心和基站备电领域。充分考虑与电网互动场景下的可靠性要求、机房类型和环境条件等因素，引导通信运营商对储能电池科学合理选型。二是加强数字基础设施智能装置改造和动态节能等新技术的推广应用，发展智能化能源管理系统，以数字化赋能数字基础设施进一步降低能耗。