數據中心巴拿馬電源技術應用探討

丁 聰， 葉新平

(1. 上海郵電設計咨詢研究院有限公司，上海 200092； 2. 中達電通股份有限公司，上海 201209)

0 引言

數據中心安全可靠、連續不間斷運行離不開高可靠的供配電系統。在數據中心的規劃設計中，需要根據數據中心使用性質、可靠性等級、技術經濟性等方面，結合目標客戶的業務需求來選擇供配電方案和模式。常用的不間斷供配電方案有UPS、HVDC以及BBU等，但這些方案在前期設計、項目建設和后期維護中，仍存在諸多難以克服的現場問題。巴拿馬電源具有高可用性、高效率、低成本、模塊化、維護方便、占地空間小等優勢，為數據中心供配電帶來一種具有革命性的創新不間斷供配電解決方案。

2019年11月，巴拿馬技術被分享到整個數據中心行業；2020年04月，ODCC(開放數據中心委員會)發布《巴拿馬供電技術白皮書》ODCC-2020-02001；2020年05月，巴拿馬電源國際標準在ITU(國際電信聯盟)成功立項。截至2020年11月，巴拿馬電源技術方案已經在阿里巴巴、浙江聯通、浙江移動、江蘇移動等多個數據中心項目中得到實際應用和在網運行。

1 巴拿馬電源的原理

巴拿馬電源借用巴拿馬運河極大縮短大西洋和太平洋之間海上航程的戰略意義，其在數據中心供配電系統設計中，可極大地縮短從傳統供電中10kV到AC UPS或HVDC柜間的漫長鏈路，實現更加便捷高效地供電。系統變化原理框圖如圖1所示。

圖1 巴拿馬系統變化原理框圖

傳統IDC供電架構中，變壓器無法取消的情況下，采用系統綜合式設計，用移相變壓器取代工頻變壓器，同時采用多脈沖設計，分為6繞組(36脈沖)、12繞組(72脈沖)、16繞組(96脈沖)，不僅可大大減少變壓器副邊繞組的短路電流，降低下游開關的短路電流容量，減少原來輸入柜的開關容量，還可以通過脈沖數的增加，進一步改善電網功率因數和THDi，將傳統供電架構里的無功補償柜等取消，實現低THDi和高功率因數，從而減少整流電源模塊內部PFC和濾波回路，將整流電源模塊進行優化，模塊效率從96%提升至98.5%，系統效率提升2%以上，從AC 10kV到輸出DC 240/336V整個供電鏈路做到了優化集成。相比傳統數據中心的供電方案，其設備和工程施工量可節省40%，占地面積減少50%。蓄電池單獨安裝，系統容量可以根據需求進行靈活配置。巴拿馬電源的設計實現了供電架構的減法，顛覆了傳統的供配電架構圖。

巴拿馬電源將傳統供電系統進行實物變化的原理框圖，如圖2所示。

圖3 從傳統供電方案到巴拿馬電源方案架構演變過程

圖2 巴拿馬實物變化原理框圖

1.1 巴拿馬電源演變過程

從傳統供電方案到巴拿馬電源方案架構演變過程如圖3所示。

早期數據中心供配電方案采用UPS供電方案，為了解決可靠性問題，常用N+1、2N、DR、RR等供電架構，但冗余環節多、系統復雜、效率低，整體系統效率約92.7%。

隨著數據中心以通信行業為主爆發的市場發展，2011年開始探討HVDC的解決方案，具有模塊化、效率高、可靠性高、成本更低等特點優勢，整體系統效率約94.7%。

隨著互聯網公司數據中心的崛起，系統簡化、減少輔助支持設備空間等成為IDC行業的發展大勢，2016年開始研發巴拿馬方案以實現更加簡潔的系統架構。之后，研發成功的巴拿馬電源使得整體系統效率增至97%～97.5%。巴拿馬電源內部架構組成，如圖4～5所示。

圖4 巴拿馬電源內部架構組成(1)

圖5 巴拿馬電源內部架構組成(2)

1.2 巴拿馬移相變壓器與傳統變壓器區別

移相變壓器通常應用于電網側與電力電子器件(例如整流器)之間，避免電網側受到諧波的干擾污染，因此設計上移相變壓器與常規普通的電力變壓器有很大的不同。移相變壓器的次級繞組(整流器端)由多個相互電隔離的繞組組成，相互間有60/n(n為次級繞組個數)電角度，也可以稱作6Xn脈沖移相變壓器。移相變壓器的次級繞組承受了較大的低次諧波，相對于常規普通變壓器來說會有較大的不同。首先，次級繞組發熱方面需要考慮諧波電流的影響，因此次級繞組的發熱和散熱問題需要特別關注。其次，次級繞組需要考慮絕緣承受這些諧波的能力，因此繞組的匝絕緣和層間絕緣需要得到增強。移相變壓器在中壓電機驅動、地鐵供電等領域中有長期應用案例，證明其可靠性滿足使用要求。

2 巴拿馬電源的組成

從整體架構來看，整個巴拿馬電源由10kV進線柜、隔離柜、整流輸出柜、交流分配柜組成。

3 各專業在設計中需要重點考慮的問題

規劃設計中需重點考慮布局、承重、選型計算、配套要求、方案組合。

3.1 典型配置規格尺寸

根據目前數據中心項目的需求，巴拿馬電源有幾種不同容量的配置，例如600kW、1.2MW、1.6MW、1.8MW、2.2MW、2.4MW等，其規格尺寸如表1所示。

不同容量配置的規格尺寸 表1

3.2 規格選型與配置

巴拿馬電源方案的配置總容量根據數據中心的IT負荷容量、充電容量、功率模塊冗余容量進行計算，變壓器容量等于IT負荷容量與充電容量之和。

3.2.1 整流模塊配置

(1)整流模塊選擇：單體模塊功率應根據系統設計容量大小合理選擇，模塊數量不宜多于90個。

(2)整流模塊數量配置按負載電流加上0.1C10的充電電流計算，采用N+1配置。其中N個主用，N≤10時，1個備用；N>10時，每10個備用一個。

(3)系統宜具備模塊休眠功能。

3.2.2 蓄電池配置

(1)單組電池個數如表2所示。

蓄電池個數 表2

(2)蓄電池型號選擇：宜選用鉛酸蓄電池。

(3)蓄電池單體電壓和組數確定：根據系統容量大小，蓄電池單體電壓可選2V、6V、12V，每個系統蓄電池組數不得少于2組，最多不宜超過4組。

3.3 對建筑的要求

3.3.1 對低配室尺寸的要求

巴拿馬電源設備安裝在低壓配電室內，低壓配電室內各種通道寬度、巴拿馬電源設備正面和背面操作通道的凈距要求等，參考《工業與民用配電設計手冊》(第四版)(上冊)“表3.2-6 低壓配電室內各種通道最小寬度(凈距)”中“抽屜式屏”的布置要求，如表3所示。

低壓配電室內各種通道最小寬度(凈距) 表3

在數據中心建筑平面規劃初期，低壓配電室的平面形狀、內徑長寬高尺寸等需參考表1和表3，并結合巴拿馬電源設備及其他低壓配電設備的布置數量、規格尺寸等進行規劃，使得低壓配電室內的設備布置便于安裝、操作、搬運、檢修、試驗和監測。

3.3.2 對低配室承重加固的要求

在數據中心建筑結構規劃初期，需參考表1，使得低壓配電室的結構設計荷載，既滿足《數據中心設計規范》GB 50174-2017“附錄1 建筑與結構”的要求，又滿足巴拿馬電源設備布置安裝的需求。

在項目實踐中，為實現抗震加固和分攤均衡設備承重需求，往往為巴拿馬電源設備采用槽鋼定制框架式底座。底座采用單聯、雙聯、多聯的方式，底座與地面緊密接觸并采用螺栓進行固定。巴拿馬電源設備底腳采用螺栓固定在底座上。底座應滿足巴拿馬電源設備以及走線架(承載于設備柜體頂部時)的承重要求，并滿足《電信設備安裝抗震設計規范》YD 5059-2005抗震要求。

3.4 對電力入網的要求

3.4.1 一般原則

通信用交流供電宜使用市電作為主用電源，應根據供電情況配置直流供電后備電池和油機設備。市電和自備油機組成的交流供電系統宜采用集中供電方式供電，交流供電系統采用3相5線制，N線不接。

交流電力線宜采用銅芯線，電力線截面積應與負荷相適應。室外電力線敷設建議采用直埋或套管埋設，電力線敷設走線盡量與信號線分開。

3.4.2 配電系統適應性要求

本電源系統能夠適應的配電系統電網形式有：TN-C、TN-S、TN-C-S、TT三相五線制的電網形式(N線不需要引入)。如需要配套TI電網形式的配電系統，需要按照用戶需求的具體情況進行單獨定做。

在園區型或基地型數據中心中，大部分都自建了110kV變電站，一般無需向電力公司提供報裝資料，對于直接從電力公司引入10kV線路的數據中心，需要在初期建設或中期增容時在《高壓報裝客戶用電需求表》的“主要用電設備”中填寫“中壓直流不間斷電源”，部分要求嚴格的電力公司還需要提供《中壓環網柜檢驗報告》《變壓器出廠合格書》《變壓器試驗報告》等文件，才可完成電網審查和備案。

3.5 對其他配套的要求

巴拿馬電源設備的布置和安裝，對相關配套的要求(例如消防、給排水、走線架配置等)，與傳統供配電系統的設備安裝，沒有太大的差異。

在通信方面，巴拿馬中壓綜合保護電源需要連接外部空調的UPS電源、巴拿馬中壓保護跳脫信號線與巴拿馬電源進行連接、蓄電池狀態觸點需要連接到巴拿馬電源進行蓄電池的采集與告警。

在動環監控方面，通過MODBUS或TCP采集巴拿馬電源相關信息。

在走線橋架方面，內外部電源通路減少了原來柜間走線橋架，走線橋架主要考慮輸入進線、輸出線纜、電池線纜的橋架布局。

在接地系統方面，巴拿馬電源系統設計為整體電源，通信機房的接地方式通常按共享接地原則設計，即直流電源系統地、防雷接地和保護接地，共同合用一組接地體，其接地電阻應符合國家相關規定。

3.6 典型架構設計方案

數據中心應用巴拿馬電源系統的架構方案主要有兩種：2N巴拿馬供電方案、2N(巴拿馬+市電)方案。

(1)2N巴拿馬供電方案：A路巴拿馬+B路巴拿馬，兩路互相在IT側互為冗余備份關系，負載設計按照50%設計，考慮一定余量，一般實際運行40%負載左右，系統圖示意如圖6所示。

圖6 巴拿馬電源2N系統方案

(2)2N(巴拿馬+市電)方案：A路巴拿馬+市電或B路巴拿馬+市電，將巴拿馬電源移相變壓器功率分成兩部分輸出，一部分給整流模塊，一部分給IT設備，實現一路巴拿馬+一路市電的模式，提高系統效率，預計整體效率提升0.5%，系統圖示意如圖7所示。

圖7 巴拿馬電源2N(巴拿馬+市電)系統方案

4 設計案例

以某數據中心機房為例，大功率高壓直流系統直接10kV輸入，輸出336V/240V直流電源，配置200kW交流電源，用于照明等設施空調末端，IT UPS系統改用直流供電，每個電力室內設置2套，組成2N系統，供數據中心設備供電。每個機房250個機柜，單機柜5kW合計用電量約1 200kW。

根據IT容量規劃，巴拿馬設備容量=IT容量+冗余容量+充電容量。這里IT容量=1 200kW，單模塊容量=30kW，IT配置模塊數量=1200/30=40個。根據選型原則，10個模塊冗余1個模塊，需要額外配置4個模塊，充電容量為IT容量10%，需要配置4個充電模塊。所以整套巴拿馬電源容量=1 200kW+4×30kW+4×30kW=1 440kW進行設計，總共模塊數量48個，可以滿足單個機房單套系統的容量設計。

本案例中通過采用大功率高壓直流系統，變壓器上樓層，壓縮了系統設備層級，省去了母線及低壓配電設備，節省出了一層約800m2的變配電室空間，這800m2可改造為數據中心機房，從而增加可布置的機柜數量，產生更多的經濟效益。

根據以上項目數據中心規劃為例，對供配電系統采用不同的設計方案，其各類技術經濟性指標對比如表4所示。

本案例在實際實施以后，對比傳統供配電系統建設方案有如下不同：(1)建設速度更快，提前了3個月完成；(2)解決了建設空間不足的問題，配電面積節省33%；(3)不增加成本情況下，提升了方案可靠性。

與“HVDC+市電”模式相比，該案例方案實現負載雙直流供電，提供了更可靠的供電解決方案，且投資成本下降10%。通過該案例實踐，再次證明巴拿馬電源方案是值得在數據中心業內大力推廣的創新供配電解決方案。

不同供配電系統設計方案技術經濟性比較 表4

5 結束語

巴拿馬電源從產品推出到案例使用已走過三年多的時間，其創新顛覆的供電架構實現了全球最高的模塊效率98.5%，并具有極致優化供電鏈路、更快的建設周期、更小占地面積、更節省投資成本等貼合客戶需求的明顯優勢，但其原理結構是否客觀科學，產品架構、設計理念是否代表技術先進，產品性能、實際應用是否足夠安全可靠，應用場景是否廣泛普適值得推廣，還需要相當長時間的實踐檢驗。