NaCompute 面向 AIDC 的储能容量评估与算力负载协同分析

一、项目概况

　　NaCompute 面向人工智能数据中心的用电波动问题，将计算任务调度与储能配置放在一起评估。项目通过真实负载采集、双卡调度对照和储能仿真，研究在完成相同计算任务的前提下，怎样降低供电峰值，以及这一过程需要多少储能容量、充放电功率和等待时间。 　　围绕“钠电在 AIDC 中的新角色”，我们把钠电作为日常负载调节的候选资源。任务调度先减少可以避免的负载叠加，储能再承接剩余波动。项目希望为算力参与者与储能参与者提供共同的讨论依据，让配置选择能够追溯到具体任务和数据。 　　项目由算力侧与储能侧两个模块组成。队友负责负载采集、任务执行与调度，我负责储能需求分析、配置筛查和能量核算。两个模块共享原始数据，分别保留程序与分析结果。

1.1 项目要回答的问题

　　储能配置不能只看负载的最高点。同样的峰值，持续时间、出现频率以及两次高负载之间的补电空间不同，对电池功率和容量的要求也不同。我们将问题拆成两步：先判断任务能否在期限内错开执行，再判断剩余波动能否由给定储能配置承接。 　　本项目的核心产出是一套从真实计算任务到储能配置的评估流程。它同时呈现削峰幅度、任务等待、板卡用电、储能损耗和期末电量，使不同方案的收益与代价可以放在同一组记录上比较。

二、数据基础与真实双卡验证

2.1 从单卡标定到真实双卡运行

　　前期完成了四类随机 Transformer 负载各三次、共 12 次单卡功耗实测，用于负载标定和模拟场景构建。在此基础上，项目新增真实双卡调度对照，将同一批计算任务分别交给先到先执行和功率预算调度两种策略运行。 　　双卡正式协议计划进行三对实验。本次回传完成前两对，共四次完整运行；第三对在开始测量前因设备空闲检查未通过而停止。分析保留这一中断记录，仅纳入两对完整数据。另有一对短时工程检查用于确认采集链路，不计入正式性能结果。 　　第一对按先到先执行、预算调度的顺序运行，第二对交换策略顺序，并交换设备映射。每次运行均完成相同的 8 个任务、242148 个计算步骤，使用 720 秒共同观察窗口。任务均按期完成，未触发期限豁免。

2.2 原始记录与复核方式

　　本次复核通过了回传包内 671 个文件的哈希检查，并核对任务起止记录、固定工作量、初始化指纹、设备标识、功耗采样与进程检查记录。完整运行通过原始日志校验，第三对的不完整运行被明确排除。 　　功耗来自两张 GPU 板卡的合计测量，按采样区间积分并转换为逐秒均值。比较采用相同的 720 秒窗口，不扣除空闲功耗，也不删除任务完成后的剩余观测时间。这里的峰值指一秒均值峰值，不代表所有瞬时电气尖峰。

2.3 统一的评价口径

　　记第 $t$ 个时间区间内两张板卡的平均功率为 $P_{1,t}$ 和 $P_{2,t}$，合计负载为 $P_{\mathrm{load},t}=P_{1,t}+P_{2,t}$。本文公式统一使用瓦和瓦时，逐秒回放的时间步长为 $\Delta t=1/3600$ 小时，共包含 $T=720$ 个区间。 　　板卡用电按 $E_{\mathrm{load}}=\sum_{t=0}^{T-1}P_{\mathrm{load},t}\Delta t$ 计算，负载峰值为 $P_{\mathrm{peak}}=\max_t P_{\mathrm{load},t}$。这两项分别衡量整个观察窗口的用电量和一秒尺度上的最大供电压力，降低其中一项不意味着另一项也一定降低。 　　任务评价保持相同工作量和相同任务期限。等待时间记录任务从到达到开始执行的间隔，按期完成要求任务实际结束时间不晚于其期限。只有结合这些指标，才能判断削峰是否以业务延误为代价。

三、真实调度效果与运行代价

3.1 峰值与任务完成情况

　　第一对实验中，先到先执行的峰值为 604.20 瓦，预算调度为 404.00 瓦，下降 33.13%。第二对中，峰值从 622.75 瓦降至 406.15 瓦，下降 34.78%。四次运行均完成全部任务，并保持 8 个任务按期完成。 　　预算调度降低了高负载叠加，但没有把真实板卡功率始终限制在 390 瓦以内。第一对的超目标时长从 188 秒减少到 45 秒，第二对从 178 秒减少到 52 秒。残余超限说明调度仍需要储能或其他供电措施配合，不能把功率预算视为硬件功率上限。

3.2 等待时间与板卡能耗

　　第一对的平均任务等待由 45.79 秒增加到 75.24 秒，增加 29.45 秒；第二对由 44.11 秒增加到 73.26 秒，增加 29.14 秒。降低峰值的同时，任务执行过程被拉长，需要根据业务的时效要求判断是否接受。 　　第一对的板卡用电由 54.4438 瓦时增加到 55.1710 瓦时，增加 1.34%；第二对由 53.9374 瓦时增加到 54.0418 瓦时，增加 0.19%。这两对实测支持的是降低峰值，同时保留任务期限，而不是板卡节能。 　　当前只有两对完整实验，报告逐对展示结果，不据此作统计显著性判断，也不将这一削峰比例推广到所有任务或设备。

四、真实负载驱动的储能评估

4.1 配置筛查方法

　　储能模块接入四条真实双卡负载曲线，保持每条曲线的任务结果和完整观察窗口不变，进行逐秒充放电回放。供电目标为 390 瓦，初始电量为容量的百分之六十，最低保留百分之十。补电只恢复至初始水平，同一时间步不会同时充放电。 　　本轮设置八档容量、七档功率和三档往返效率，对四条实测曲线分别计算，共得到 672 组储能仿真结果。容量范围为 0.5 至 80 瓦时，功率范围为 10 至 400 瓦，效率分别为百分之八十、九十和九十五。 　　配置通过需要同时满足供电不超目标、窗口结束时恢复初始电量、任务全部按期完成。程序保存所有通过与未通过组合，并核对能量收支。672 组是参数计算结果，不是新增硬件实验次数。前期基于单卡曲线构建的 1008 组模拟保留为历史场景分析，与本轮分开呈现。

4.2 功率平衡与电量变化

　　记充电功率为 $P_{\mathrm{ch},t}$，放电功率为 $P_{\mathrm{dis},t}$，储能接入后的等效上游供电功率为 $P_{\mathrm{sup},t}$，则功率平衡为 $P_{\mathrm{sup},t}=P_{\mathrm{load},t}+P_{\mathrm{ch},t}-P_{\mathrm{dis},t}$。这里的上游供电仅对应所测双卡负载及模拟储能组成的计算边界，不代表实测机房总功率。 　　记区间开始时的储能电量为 $E_t$，充电和放电效率分别为 $\eta_{\mathrm{ch}}$、$\eta_{\mathrm{dis}}$，电量更新为 $E_{t+1}=E_t+\eta_{\mathrm{ch}}P_{\mathrm{ch},t}\Delta t-P_{\mathrm{dis},t}\Delta t/\eta_{\mathrm{dis}}$。模型将往返效率对称分配到充放电两端，即 $\eta_{\mathrm{ch}}=\eta_{\mathrm{dis}}=\sqrt{\eta_{\mathrm{rt}}}$。这是本轮计算假设，不是实测电芯效率曲线。 　　容量记为 $E_{\mathrm{cap}}$，荷电状态定义为 $\mathrm{SOC}_t=E_t/E_{\mathrm{cap}}$。本轮初始电量为 $E_0=0.60E_{\mathrm{cap}}$，最低保留电量为 $E_{\min}=0.10E_{\mathrm{cap}}$，补电上限取初始电量。因此实际回放中始终保持 $0.10\leq\mathrm{SOC}_t\leq0.60$。

4.3 充放电规则与配置判定

　　模型采用逐秒削峰和空余功率补电规则。负载超过目标时，储能尽可能补足差额，实际放电受功率上限和剩余电量共同限制；负载低于目标时，利用目标以内的供电余量补电，最多恢复到初始电量。规则不需要提前知道未来负载。 　　记储能功率上限为 $P_{\max}$，两种功率分别满足 $0\leq P_{\mathrm{ch},t}\leq P_{\max}$ 和 $0\leq P_{\mathrm{dis},t}\leq P_{\max}$，同时满足 $P_{\mathrm{ch},t}P_{\mathrm{dis},t}=0$。当容量或功率不足时，程序如实记录供电超限，不删除任务，也不将负载强行截断到目标值。 　　配置通过要求所有区间满足 $P_{\mathrm{sup},t}\leq P_{\mathrm{target}}$，其中 $P_{\mathrm{target}}=390$ 瓦；同时要求期末电量恢复，即 $E_T=E_0$，并保留原始运行中全部任务按期完成的条件。程序在比较时使用数值容差。要求补回初始电量，是为了避免把消耗预存电量误认为可以持续获得的收益。 　　这一筛查判定针对固定负载和上述充放电规则。某个组合未通过，表示它在本轮规则下未满足条件，并不等于证明所有其他控制方法都无法实现；通过的组合也仍需接受实际电池倍率、温度和寿命等约束检验。

4.4 相同储能配置下的对照

　　在容量 10 瓦时、功率 250 瓦、往返效率百分之九十的相同配置下，第一对的两种策略均可在储能仿真中将供电峰值控制到 390 瓦，并恢复初始电量。 　　第二对中，先到先执行加储能的模拟峰值仍为 549.86 瓦，有 4 秒超出目标；预算调度加储能则将模拟峰值控制到 390 瓦，没有超目标时段。两种策略均恢复初始电量。因此，预算调度加储能在两对记录上均满足条件，先到先执行加储能在其中一对没有满足供电目标。 　　这一差异说明，同一储能配置对不同负载波动的承接能力存在边界。项目保留第一对对照方案同样达标的结果，也保留第二对未达标的结果，避免只挑选有利场景。

4.5 可行配置与储能损耗

　　在百分之九十往返效率下，每条曲线对应 56 个容量与功率组合。第一对先到先执行有 8 个组合通过，预算调度有 48 个；第二对分别为 6 个和 48 个。这里的数量表示固定参数网格中的可行组合数，不是实验成功率，也不是实际电池产品数量。 　　默认配置下，先到先执行的模拟储能损耗分别约为 1.0127 和 1.0541 瓦时，预算调度分别约为 0.0074 和 0.0108 瓦时。调度减少了电池需要吞吐的能量，因此在这两条预算调度负载上，模型计算的储能损耗较小。 　　储能损耗降低与板卡用电变化需要分开解释。实际调度的板卡用电略有增加，储能充放电损耗则来自仿真。两者不能混合成未经测量的整机或机房节能结论。

4.6 能量核算与结果解释

　　等效供电能量按 $E_{\mathrm{sup}}=\sum_{t=0}^{T-1}P_{\mathrm{sup},t}\Delta t$ 计算。储能损耗包含充电损耗与放电损耗，计算式为 $E_{\mathrm{loss}}=\sum_{t=0}^{T-1}[(1-\eta_{\mathrm{ch}})P_{\mathrm{ch},t}+(1/\eta_{\mathrm{dis}}-1)P_{\mathrm{dis},t}]\Delta t$。 　　所有配置均核对能量收支关系 $E_{\mathrm{sup}}=E_{\mathrm{load}}+E_{\mathrm{loss}}+(E_T-E_0)$。当期末电量恢复时，供电能量等于板卡用电与模拟储能损耗之和。这一核算将任务调度引起的用电变化与电池充放电损耗分开，防止重复计算收益。 　　本轮结果表明，任务安排会改变储能需要承接的波动。在相同参数网格和控制规则下，预算调度对应的可行配置更多，储能吞吐与损耗更小。但板卡用电略有增加，任务等待也有所增加。因此项目提供的是可核对的配置比较依据，不将削峰直接解释成节能，也不将网格中的较小容量直接视为可采购的电池方案。