论巴拿马电源

2020-07-03齐曙光

智能建筑与智慧城市 2020年6期

齐曙光

（中国信息通信研究院泰尔实验室）

1 引言

近年来，随着移动互联网、大数据、云计算和物联网等新兴技术的兴起，全球数据中心及通信机房的数量持续增长，并呈现出高功率密度和高能耗的发展趋势。国内一方面超大型、大型数据中心及通信机房的建设速度也逐渐加快，部署机架数量大幅增长。而另一方面传统数据中心及通信机房变配电系统建设模式又存在效率低、损耗大、占地面积大、建设运维复杂和初期投资成本高等痛点。因此，相关技术亟待革新，向更可靠、更高效、更易部署的方向发展，并急需一种高效、占地面积小、维护难度低的供电系统。

2 什么是巴拿马电源

在上述背景下，巴拿马电源诞生了。什么是巴拿马电源？它是把数据中心和通信机房内把交流10kV输入直接变换到直流240V/336V的电源，它替代了原有的10kV交流配电、变压器、低压配电、240V/336V直流供电系统和输出配电单元等设备及相关配套设施，具备高效率、安全、可靠、节省空间、低成本、易安装和易维护等显著优势，完全匹配大型、超大型数据中心和通信机房配电及不间断电源系统的需求。那么为什么叫巴拿马电源呢？其名称的思考来源于巴拿马运河。巴拿马运河位于巴拿马中部，全长约65km。从1881年开凿，到1914年完工。运河开通后，从太平洋到大西洋的航程缩短一万多km。在信息通信能源领域输入为交流10kV输出为直流240V/336V的电源即整合了中压配电，变压器、低压配电、整流模块和输出直流配电等部分，最终把输入10kV交流转换为240V直流或者336V直流的电源。其一体化、集成化和缩短中间变换环节的理念，与巴拿马运河的大大缩短运输环节的理念十分相似，因此业界把此电源称之为巴拿马电源。数据中心和通信机房传统供电架构示意如图1所示，巴拿马电源架构示意如图2所示。由图可清晰看出巴拿马电源四合一整合能力。

3 巴拿马电源与传统的供电系统对比分析

3.1 输入特性差异分析

图1 传统供电系统架构

图2 巴拿马电源架构

由于巴拿马电源是10kV输入系统，依据GB/T 12325-2008《电能质量供电电压偏差》标准要求[1]，20kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7%，对220V单相供电电压偏差为标称电压的-7%，10%。即对于10kV市电输入，其电压波动范围为（9.3～10.7）kV，因此巴拿马电源应在此电压范围之内能够正常工作，即其输入电压范围应宽于该范围。为了更好的适应低压输入电压波动，对于低压输入的各类通信电源一般标准要求在输入电压为额定电压的-15%～10%的范围内应能够正常工作。

3.2 输出特性差异分析

巴拿马电源输出为240V/336V直流电压，其输出电压范围、输出直流配电部分压降和峰-峰值杂音等参数与低压输入的240V/336V直流供电系统无明显的差异。另外，系统的悬浮供电方式和输出电缆颜色标志等均与传统240V/336V系统保持一致。

3.3 整体特性差异分析

由于巴拿马电源把传统的供电系统的输入电压升高至10kV，对效率、输入电流谐波成分和功率因数等性能参数方面产生了重要的影响，具体解析如下。

1）效率

系统效率是指一定时段内系统输出能量与输入能量之比，是反映整个系统节能性的关键指标。国内某供应商生产的输出为240V直流的巴拿马电源和传统的240V直流供电系统均在（10%～100%）额定负载率下的效率曲线对比分析如图3所示。由图可知，巴拿马电源可提升系统效率3%-5%。

图3 输出为240V系统效率对比图

同样（10%～100%）额定负载率下，输出为直流336V的巴拿马电源与传统336V直流供电系统效率曲线对比如图4所示。由图也可明显看出巴拿马电源的效率优势。

综上，由于巴拿马电源提升了输入电压，降低了损耗，与传统240V/336V直流供配电整体系统（含10kV配电、变压器、低压配电、240V/336V直流供电系统）的效率相比，能效提升明显。

2）输入电流谐波成分

图4 输出为336V系统效率对比图

谐波是由于基波的正弦波形畸变引起的，频率为基波频率整数倍的正弦波。电力谐波产生和传播的机理不同于基波，因此它对电力网中各类设备和组件也起到不同于基波的作用。一般来说谐波有三种分类方法：一是按谐波次数的奇偶性来分，有奇次谐波（3、5、7……次谐波）与偶次谐波（2、4、6……次谐波）；二是按谐波的频率大小来分，如频率为基波频率的2倍称为二次谐波，频率为基波频率的3倍称为3次谐波……；三是按谐波的序列来分，有正序谐波、零序谐波与负序谐波。常见的谐波源主要有换流设备、电弧炉、铁芯设备和照明设备等非线性电气设备。这些非线性负荷在工作时向电网反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，供电质量降低。同时，谐波电流会引起电力设备附加损耗和发热，变压器温度升高，效率降低，绝缘加速老化，缩短使用寿命甚至损害等。同时谐波注入电网后会使无功功率增加，功率因数降低，甚至有可能引发并联或串联谐波，损坏电气设备以及干扰通信电路的正常工作，因此非常有必要验证各类电源输入电流谐波成分。国内某供应商生产的巴拿马电源和传统240V/336V直流供电系统在（10%～100%）额定负载率下输入电流谐波成分如表1所示。

其中需要说明的是巴拿马电源输入电流谐波成分是在10kV输入侧进行测试的，而传统240V/336V系统是在低压输入侧进行测试的。由表格中的详细数据可看出，传统供电系统和巴拿马电源均能够达到相关标准要求[2,3]，如100%额定负载率下输入电流谐波成分小于等于5%；对240V直流供电系统50%负载率下输入电流谐波成分小于等于10%；对336V直流供电系统50%负载率下输入电流谐波成分小于等于8%和30%负载率下输入电流谐波成分小于等于10%。巴拿马电源与传统240V/336V对比分析看来，该指标无明显差异。

3）功率因数

输入功率因数cosφ是反映总电功率中有功功率所占的比例大小的参数。有功功率表达式为P=U×I×cosφ，其中cosφ（φ为功率因数角）为功率因数，功率因数小于或等于1。虽然巴拿马电源是在10kV侧进行功率因数校正的，与低压端功率因数校正从技术实现上有较大的差，但从测试数据的对比结果来看不管是传统的输出为240V/336V直流供电系统还是巴拿马电源，均能够做到功率因数为0.990～0.999，指标数值无明显差异。

4）稳压精度

稳压精度是指在不同的输入电压和负载电流条件下，测量被测系统输出电压变化情况的参数。该指标主要考察的是当输入电压和输出负载条件均发生变化时被测系统的输出电压幅值是否受到很大的影响。具体测试方法为调节系统输入电压至下限值，输出接额定负载，用电力谐波分析仪或电压表测量系统输出电压Ua。调节系统输入电压至上限值，输出空载，用仪表测量被测系统输出电压Ub。基于上述测量值，输出稳压精度可用公式（1）进行计算。

表1 传统供电系统与巴拿马电源不同负载率下输入电流谐波成分对比

式中，U0指巴拿马电源输出额定电压，单位为伏（V）。

以输出为直流240V的巴拿马电源样品为例，其系统稳压精度为-0.08%～0.10%。而传统的低压输入的240V直流供电系统，目前行业内普遍水平可达（-0.50%～0.5%）范围内，因此在稳压精度这个指标上也没有明显的差异。

5）电池管理功能

对于巴拿马电源而言实现传统240V/336V直流供电系统对电池管理功能即具备接入2组蓄电池的装置、对蓄电池均充及浮充状态进行手动和自动转换、在对蓄电池进行均充时限流充电功能和依据蓄电池工作环境温度对系统的输出电压进行温度补偿等相对容易。唯一具有挑战性的是，由于巴拿马电源容量要比传统240V/336V直流供电系统大，例如一套巴拿马电源最大容量可高达2.0MW，其后备电池容量也随之增大，因此所包含的电池组的数量以及单体电池的数量较多，管理电池难度也大幅提升。

3.4 可维护性

由于巴拿马电源采用了产品化的设计，从10kV交流输入至直流240V/336V输出均包含在一个产品中，大幅减少了传统供配电系统中的多级配电设备维护等问题。通过产品化设计实现内部上下级紧耦合从而保障整个系统的安全性和可靠性。同时与传统供电系统相比也能大幅降低现场的施工工作量。且通过模块化设计又能够灵活配置和扩容，减少初期投资成本。

但应值得注意的是，由于巴拿马电源的输入电压为交流10kV，运维人员的运维界面从传统的低压侧推到了10kV侧。因此运维人员应清晰了解和熟练掌握10kV侧的安全操作以及注意事项，必须具备相关资质和操作技能才能够胜任维护工作。

4 巴拿马国内国际标准化工作概况

巴拿马电源已在中国通信标准化协会（CCSA）通信电源与通信局站工作环境技术工作委员会（TC4）的2019年12月第35次全会提出立项并通过了与会专家的审查以及协会各技术工作委员会联席会议，目前已递交工业和信息化部完成相关流程中。关于国际标准化方面，中国信息通信研究院与阿里巴巴公司联合编写文稿，在国际电信联盟标准化局（ITU-T）第五研究组本研究周期第6次大会上提出巴拿马电源立项建议书，经过与会专家的充分讨论以及我方积极争取下已成功立项，ITU-T L.10kVAC_ 400VDC 《数据中心和通信机房用交流10KV输入高达400V直流输出供电系统技术要求》。此高达400V直流正是我国目前各大运营商推广应用的240V/336V直流供电系统。因此，巴拿马电源国内国际标准化工作目前正在同步推进，从而有力推动国内市场规范化发展的同时力争我国在数据中心及信息通信能源领域国际标准话语权。