5G基站和數(shù)據(jù)中心的中長期負荷預(yù)測研究

馬玉草，高鵬飛，張鐵峰,3，梁海峰

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.內(nèi)蒙古超高壓供電局 內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特 010080；3.河北省電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重點實驗室（華北電力大學(xué)），河北 保定 071003）

0 引言

以5G 基站、數(shù)據(jù)中心為代表的新一代通信基礎(chǔ)設(shè)施運行所帶來的新增負荷將遠遠超過當(dāng)前通信設(shè)施的配電容量，這給電網(wǎng)規(guī)劃和運行帶來了挑戰(zhàn)[1]。

為了使電網(wǎng)規(guī)劃能夠適應(yīng)和滿足信息基礎(chǔ)設(shè)施運行所帶來的負荷增長，需對其進行預(yù)測研究[2]。伴隨著國家新基建不斷推進，未來信息基礎(chǔ)設(shè)施將成為我國用電需求增長的新動能，進行負荷預(yù)測研究可為其能耗效率的優(yōu)化提供重要依據(jù)。文獻[3]在建立負荷預(yù)測模型時引入實時電價作為影響因素，并結(jié)合混沌時間序列相空間重構(gòu)理論和最小二乘支持向量機建立了負荷預(yù)測模型。文獻[4]運用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中的長短期記憶網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測了數(shù)據(jù)中心能耗的關(guān)鍵性指標性能系數(shù)和電源使用效率。文獻[5]提出一種基于混沌精英優(yōu)化的哈里斯鷹算法，并結(jié)合核極限學(xué)習(xí)機算法進行了電力負荷回歸預(yù)測。有關(guān)學(xué)者分析了5G 和數(shù)據(jù)中心的發(fā)展前景，其中文獻[6]基于產(chǎn)業(yè)生命周期理論，研究預(yù)測了高、中、低3 個場景下的5G 綜合能源服務(wù)的市場規(guī)模；文獻[7]從能源和電力的角度全面分析了數(shù)據(jù)中心的能耗，并結(jié)合數(shù)據(jù)中心未來發(fā)展趨勢進行了預(yù)測?，F(xiàn)有關(guān)于信息基礎(chǔ)設(shè)施負荷預(yù)測的相關(guān)研究主要集中于預(yù)測方法和預(yù)測模型，缺乏針對新基建規(guī)劃策略的定量化預(yù)測分析，且短期預(yù)測較多，不足以為電網(wǎng)的規(guī)劃提供參考。

由于以5G 基站、數(shù)據(jù)中心為代表的新一代信息通信技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施能耗與技術(shù)進步密切相關(guān)，傳統(tǒng)負荷預(yù)測方法難以適用，因此研究5G 和數(shù)據(jù)中心的負荷預(yù)測方法并進行中長期負荷預(yù)測對于未來電網(wǎng)規(guī)劃具有重要理論和實際意義。

為此，在對5G 基站和數(shù)據(jù)中心機架建成數(shù)量分析的基礎(chǔ)上，考慮到技術(shù)進步對能耗的影響以及未來發(fā)展的飽和趨勢和部署規(guī)劃，本文采用可變增長率的趨勢預(yù)測方法，并結(jié)合線性回歸分析法，完成了5G 基站和數(shù)據(jù)中心未來5～10 年的電量預(yù)測。

1 信息基礎(chǔ)設(shè)施的負荷預(yù)測方法

負荷預(yù)測包括電力預(yù)測和電量預(yù)測。由于信息基礎(chǔ)設(shè)施的電力預(yù)測受多種因素影響，例如不同用戶負荷特性、不同地域類型導(dǎo)致的區(qū)域負荷特性以及氣候環(huán)境造成的季節(jié)負荷特性等，所以精確預(yù)測其日負荷曲線難度較大。由于信息基礎(chǔ)設(shè)施部署范圍廣、數(shù)量多，其日負荷變化存在一定的互補性，集中后的電力預(yù)測量不會在某個時段過低或過高且對電網(wǎng)的影響相對較低，因此本文主要對信息基礎(chǔ)設(shè)施進行電量預(yù)測研究。

本文的電量預(yù)測主要基于傳統(tǒng)電力負荷預(yù)測方法，在趨勢外推法和回歸分析法上進行了改進，具體如下：

1）5G 基站/數(shù)據(jù)中心機架數(shù)量的預(yù)測方法：可變增長率的趨勢預(yù)測方法。

趨勢外推法是常見的預(yù)測方法，可分為增長型、周期波動型、生命周期型3 類[8]。增長型趨勢預(yù)測法適用于中期預(yù)測，可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)通過計算得到其相鄰時間間隔的增長速度，并針對此速度序列進行預(yù)測，從而得到計算期末期的預(yù)測量，模型如式（1）所示。

式中：yn為計算期末期的預(yù)測量；y0為預(yù)測基準值；Δj,j+1為第j+1 年數(shù)量相對于第j年數(shù)量的增長率。

增長率Δj,j+1可根據(jù)已知年份數(shù)據(jù)得出。由于事物的發(fā)展要經(jīng)歷起始發(fā)展階段、過渡階段、飽和發(fā)展階段、飽和階段4 個階段[8]，因此考慮未來飽和趨勢，設(shè)定拐點m以對增長率進行修正。

當(dāng)前信息基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量發(fā)展處于過渡階段，建設(shè)數(shù)量近似呈線性增長，m年后其處于飽和發(fā)展階段，建設(shè)速度減緩，并在n年達到飽和階段。因此設(shè)從基礎(chǔ)年開始到第m年，增長趨勢為以α為固定增長率的增長；在第m+1 年到第n年則增長率遞減。建立增長率遞減模型，如式（2）所示。

式中：α為從基礎(chǔ)年開始到第m年的增長率；β為從第m+1 年到第n年每年遞減的數(shù)值。

當(dāng)j取n時，可以得到β的取值范圍，即。

2）單站/單機架功耗值預(yù)測方法：回歸分析法。

線性回歸分析法主要在自變量少、數(shù)據(jù)量不大的情況下通過分析影響因素與目標對象之間的關(guān)系來進行預(yù)測，分為一元線性回歸與多元線性回歸[9]。

本文進行功耗值預(yù)測時著重考慮技術(shù)進步產(chǎn)生的影響，因此運用一元線性回歸分析法，其模型構(gòu)建具體如式（3）所示。

式中：Y為預(yù)測值；X為影響因子；a和b為回歸系數(shù)，可用最小二乘法求解。

3）5G 基站/數(shù)據(jù)中心的電量預(yù)測方法。

利用對未來n年5G基站以及數(shù)據(jù)中心機架數(shù)量的預(yù)測結(jié)果，并結(jié)合其平均功耗預(yù)測值，采用線性函數(shù)模型分別計算其逐年耗電量。電量計算模型如式（4）所示。

式中：E為預(yù)測年度該基礎(chǔ)設(shè)施的總耗電量；P為預(yù)測年度5G 基站/數(shù)據(jù)中心機架的平均功耗；N為預(yù)測年度5G 基站/數(shù)據(jù)中心機架的數(shù)量；T為預(yù)測年度信息基礎(chǔ)設(shè)施的運行時長，默認值為8 760 h。

電力系統(tǒng)負荷可按時間劃分為長、中、短、超短期負荷。中期負荷預(yù)測是指預(yù)測期限為5～10 年并以年為單位的預(yù)測，主要用于電網(wǎng)的規(guī)劃、增容和改建。因此，本文在考慮技術(shù)進步對能耗的影響以及未來發(fā)展的飽和趨勢和部署規(guī)劃的情況下，采用可變增長率的趨勢預(yù)測方法與線性回歸分析法相結(jié)合的方式，對5G 和數(shù)據(jù)中心進行5～10 年的中期負荷預(yù)測，完成高、中、低3 種預(yù)測方案。

信息基礎(chǔ)設(shè)施電量預(yù)測流程如圖1 所示。

圖1 基于改進趨勢預(yù)測方法的電量預(yù)測流程Fig. 1 Flow chart of electricity consumption prediction based on improved trend prediction method

2 5G 基站的負荷預(yù)測

2.1 5G 基站的數(shù)量預(yù)測

近年來，信息通信技術(shù)快速發(fā)展帶動了移動通信需求，無線數(shù)據(jù)流量的比例不斷增加。5G 基站的載波頻率高、覆蓋范圍小，因此若要滿足5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求則需要建設(shè)數(shù)量更多、密度更高基站。據(jù)統(tǒng)計，全國5G 基站建成數(shù)量在2019 年底已超13 萬個。在2019—2022 年間，我國信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成效顯著，2022 年底5G 基站已建成231.2 萬個。我國5G 基站的建成情況如圖2 所示。

圖2 2019—2022 年全國5G 建成基站累計Fig. 2 The total number of 5G base stations built in China from 2019 to 2022

由圖2 可知，近3 年5G 基站建設(shè)數(shù)量年增長率呈下降趨勢，并且下降速度減緩；預(yù)計在未來幾年，5G 基站數(shù)量仍將繼續(xù)增長，但年增長率趨于平穩(wěn)。根據(jù)《5G 應(yīng)用“揚帆”行動計劃（2021—2023 年）》和《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，預(yù)計2025 年我國5G 基站數(shù)量將達到360 萬站以上，以2022 年基站數(shù)量231 萬為基礎(chǔ)，可得基站數(shù)量的中位數(shù)增長率為16%。從我國三大運營商在5G 業(yè)務(wù)的投資規(guī)劃看，工信部對上述基站數(shù)量的預(yù)測相對保守。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)計到2025 年5G 基站累計建成數(shù)量約500 萬站，按此可計算基站數(shù)量的高增長率為29%。雖然2021 年我國的5G 建設(shè)進度因芯片短缺已經(jīng)被拖慢，但未來我國5G 基站建設(shè)數(shù)量將呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的節(jié)奏，且其增長率不會過低。對照中增長率16%和高增長率29%的差值，取其差值的二分之一為低增長率與中增長率的差值，約7%，因此設(shè)低增長率為9%，再進一步尋找增長率變化拐點，對增長率進行修正。

目前我國已建成全球規(guī)模最大、技術(shù)領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，5G 網(wǎng)絡(luò)已覆蓋所有地級市城區(qū)、超過98%的縣城城區(qū)和80%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)。未來基站建設(shè)將主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號增強。因此將5G 基站建設(shè)數(shù)量作為基站發(fā)展飽和的重要指標。當(dāng)區(qū)域經(jīng)濟社會水平發(fā)展到一定階段后，基站建設(shè)數(shù)量增長趨緩，總體上保持相對穩(wěn)定（連續(xù)5 年建設(shè)數(shù)量年增速小于1%）時的數(shù)量，此時5G 基站建設(shè)呈現(xiàn)飽和狀態(tài)?？紤]到未來5G 基站飽和以及6G 的興起，新增基站數(shù)量將會逐年減少，因此5G基站數(shù)量保持線性增長一段時間后增速線性遞減，設(shè)定拐點為2025 年。預(yù)估2030 年5G 基站數(shù)量將趨于飽和狀態(tài)，因此設(shè)定年增速為1%。根據(jù)增長率修正模型獲得5G 基站數(shù)量5～10 年的高、中、低3 種增速預(yù)測值見表1。利用可變增長率趨勢預(yù)測方法對基站的逐年數(shù)量進行預(yù)測，得到3種方案下5G基站逐年數(shù)量預(yù)測結(jié)果，如圖3所示。

表1 5G 基站數(shù)量高、中、低3 種增速預(yù)測Tab. 1 Predicted values for high, medium, and low growth rates %

圖3 5G 基站數(shù)量逐年預(yù)測Fig. 3 Annual prediction of the quantity of 5G base stations

2.2 5G 基站的單站功耗值預(yù)測

“十四五”時期，我國數(shù)字經(jīng)濟轉(zhuǎn)向高質(zhì)量平穩(wěn)發(fā)展新階段，因此5G 基站的單站功耗隨著技術(shù)及設(shè)備的更新會有所降低?，F(xiàn)有5G 基站主設(shè)備功耗為3～4 kW。

對“十四五”期間5G 基站功耗發(fā)展趨勢進行預(yù)測。預(yù)計到2025 年，單個5G 基站平均功耗將下降至3 kW；到2030 年，單個5G 基站平均功耗將進一步降至2.5 kW[10]。

利用一元線性回歸預(yù)測方法得到5G 基站近10 年的功耗預(yù)測結(jié)果如圖4 所示。

圖4 5G 基站近10 年功耗預(yù)測Fig. 4 Power consumption prediction of 5G base stations in the near 10 years

2.3 5G 基站的電量預(yù)測

根據(jù)5G 基站數(shù)量的高、中、低3 種方案的預(yù)測結(jié)果，再結(jié)合其逐年功耗的預(yù)測值，利用電量計算模型可得到3 種方案下5G 基站的年耗電量預(yù)測值，其逐年耗電量預(yù)測趨勢如圖5 所示，并得到5G基站中增速方案下的逐年耗電量預(yù)測表（見表2）。

圖5 5G 基站耗電量逐年預(yù)測Fig. 5 Annual power consumption prediction of 5G base stations

表2 5G 基站中增速逐年耗電量預(yù)測Tab. 2 Annual power consumption prediction for growth rate in 5G base stations

以增長率16%為中位數(shù)進行預(yù)測，可得2025年5G 基站數(shù)量達361 萬站，到2030 年可達504萬站；同時根據(jù)式（4）計算得到2025 年5G 基站耗電量達1.116×1011kW·h，到2030 年耗電量達1.463×1011kW·h。

綜上可知，5G 基站建成數(shù)量的不斷增加將產(chǎn)生大量新增負荷，在“十四五”期間其用電需求發(fā)展呈上升趨勢。由于5G 基站建設(shè)數(shù)量終將趨于飽和且其單站功耗隨著技術(shù)發(fā)展會有所降低，未來5G 基站年耗電量的增長速度會逐年減緩。

3 數(shù)據(jù)中心的負荷預(yù)測

3.1 數(shù)據(jù)中心的機架數(shù)量預(yù)測

隨著現(xiàn)代社會的智能化發(fā)展，互聯(lián)設(shè)備急劇增多，這也大大增加了計算、存儲和數(shù)據(jù)處理的需求，因此數(shù)據(jù)中心的建設(shè)也在逐步加快[11]。中國信息通信研究院數(shù)據(jù)顯示，2017—2021 年間我國數(shù)據(jù)中心機架數(shù)量從166 萬架增至520 萬架。全國數(shù)據(jù)中心機架數(shù)量累計建設(shè)情況如圖6所示。

在“十四五”、“十五五”期間，全國數(shù)據(jù)中心機架規(guī)模繼續(xù)保持增長的趨勢。根據(jù)工業(yè)和信息化部《全國數(shù)據(jù)中心應(yīng)用發(fā)展指引》《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動計劃（2021—2023 年）》，預(yù)計2025 年我國數(shù)據(jù)中心機架數(shù)量將達759萬架。

圖6 2017—2021 年數(shù)據(jù)中心機架數(shù)量累計建設(shè)情況Fig. 6 Accumulated construction of data center racks from 2017 to 2021

本文以2021 年數(shù)據(jù)中心機架數(shù)量520 萬為基數(shù)，假設(shè)到2025 年線性增長到759 萬，得中位數(shù)增長率為10%，以該值上下5%作為高增長率和低增長率。同樣考慮數(shù)據(jù)中心發(fā)展飽和的情況，設(shè)定2025 年為增長率修正拐點，預(yù)計數(shù)據(jù)中心機架數(shù)量保持線性增長一段時間后，增長率開始呈線性遞減。利用增長率修正模型得到數(shù)據(jù)中心機架數(shù)量的高、中、低3 種增速預(yù)測值（見表3）。通過改進的增長趨勢預(yù)測方法可得到數(shù)據(jù)中心機架數(shù)量逐年預(yù)測結(jié)果，如圖7 所示。

表3 數(shù)據(jù)中心機架數(shù)量高、中、低3 種增速預(yù)測Tab. 3 Predicted for high, medium, and low growth rates of numbers of data center racks %

圖7 數(shù)據(jù)中心機架逐年數(shù)量預(yù)測結(jié)果Fig. 7 Prediction of the yearly quantity of data center racks

3.2 數(shù)據(jù)中心的單機架功耗值預(yù)測

目前，全國數(shù)據(jù)中心單機架的平均功耗為5～6 kW?；ヂ?lián)網(wǎng)大型企業(yè)新建的數(shù)據(jù)中心趨于大型化、規(guī)?；?，其單機架平均功耗在8 kW 左右。近些年，由于服務(wù)器設(shè)備的更新，以及大型規(guī)模及以上數(shù)據(jù)中心建設(shè)數(shù)量增多，因此單機架平均功耗將持續(xù)提升。預(yù)計未來十年全國數(shù)據(jù)中心平均單機架功耗將達到7 kW 及以上。

利用一元線性回歸預(yù)測方法得到數(shù)據(jù)中心近10 年的單機架功耗預(yù)測值，如圖8 所示。

圖8 數(shù)據(jù)中心近10 年的單機架功耗預(yù)測Fig. 8 Prediction of single rack power consumption for data centers in the near 10 years

3.3 數(shù)據(jù)中心的電量預(yù)測

物聯(lián)設(shè)備的增多將導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心計算需求量的增大，其能耗也將持續(xù)增加。2020 年我國數(shù)據(jù)中心用電需求約為2.500×1014W·h[12]。根據(jù)“十四五”新基建的發(fā)展規(guī)劃，預(yù)計數(shù)據(jù)中心用電需求年均增速為10%，2025 年時其用電需求達4.026×1014W·h。隨著節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，數(shù)據(jù)中心用電需求年均增速或降至8%，2030 年時數(shù)據(jù)中心用電需求預(yù)計為5.916×1014W·h。數(shù)據(jù)中心10 年用電需求預(yù)測如圖9 所示。

圖9 數(shù)據(jù)中心近10 年用電需求發(fā)展趨勢Fig. 9 Development trend of electricity demand in data centers in the near 10 years

隨著我國數(shù)據(jù)中心建成數(shù)量的快速增長，能源需求也在快速攀升[12]。根據(jù)數(shù)據(jù)中心機架數(shù)量的高、中、低3 種方案的預(yù)測結(jié)果，再結(jié)合其逐年功耗的預(yù)測值，利用電量計算模型可得到3 種方案下數(shù)據(jù)中心的逐年耗電量預(yù)測結(jié)果，如圖10所示，并得到數(shù)據(jù)中心中增速預(yù)測逐年耗電量表（見表4）。

圖10 數(shù)據(jù)中心逐年耗電量預(yù)測Fig. 10 Prediction of annual power consumption of data centers

表4 數(shù)據(jù)中心中增速逐年耗電量預(yù)測Tab. 4 Annual electricity consumption prediction for growth rate in data centers

由于數(shù)據(jù)中心的新型基礎(chǔ)設(shè)施耗電量大，且需穩(wěn)定運行，所以其快速建設(shè)會給電網(wǎng)帶來穩(wěn)定的電力基礎(chǔ)負荷。

將數(shù)據(jù)中心用電需求預(yù)測結(jié)果與利用改進的趨勢預(yù)測方法得到的電量預(yù)測結(jié)果相互校核。由圖9和圖10 可得數(shù)據(jù)中心用電需求預(yù)測結(jié)果為：2025年時用電需求將達到4.026×1014W·h，2030 年時用電需求預(yù)計為5.916×1014W·h。本文改進的趨勢預(yù)測方法以增長率10%為中位數(shù)的預(yù)測方案結(jié)果為：2025 年年耗電量將達到4.002×1014W·h，2030 年時數(shù)據(jù)中心年耗電量預(yù)計為5.837×1014W·h。兩者預(yù)測結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

5G 基站和數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模建設(shè)帶來了巨大的電能需求。為了在電網(wǎng)規(guī)劃中加以考慮，本文對5G 和數(shù)據(jù)中心進行了負荷預(yù)測研究，得到結(jié)論如下：

1）利用提出的可變增長率的趨勢預(yù)測方法得到5G 基站數(shù)量。利用線性回歸分析計算5G 基站平均功耗，可進一步計算得到近10 年5G 基站的逐年耗電量。該數(shù)據(jù)可為電網(wǎng)規(guī)劃提供參考。

2）對數(shù)據(jù)中心的電量預(yù)測可采取類似5G 基站的方式。機架數(shù)量和機架功耗可以分別用可變增長率的趨勢預(yù)測方法和回歸分析法得到，進而獲得數(shù)據(jù)中心逐年預(yù)測電量。另一方面，也可通過數(shù)據(jù)中心逐年電量進行直接預(yù)測。兩種方法的相互印證可增加預(yù)測值的可信度。

3）由于5G 基站和數(shù)據(jù)中心在全國各地區(qū)發(fā)展具有不平衡性，因此在進行區(qū)域電網(wǎng)規(guī)劃時仍需按照當(dāng)?shù)氐?G 基站和數(shù)據(jù)中心發(fā)展情況，對當(dāng)?shù)氐?G 和數(shù)據(jù)中心做具體的電量預(yù)測。本文的方法仍然可用。