数据中心巴拿马电源系统架构应用研究

2020-10-26张文利

通信电源技术 2020年13期

张文利，徐坚，王丽

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏南京 210019）

0 引言

2020年上半年，在5G加速应用和国家“新基建”战略等多重因素的影响下，数据中心行业的发展持续走高，迎来了新一轮爆发。阿里、腾讯、百度以及快手等互联网企业纷纷加大数据中心建设投资，以万国和世纪互联为代表的第三方运营商也在加快机房资源储备。随着各地大型数据中心项目的纷纷落地，超大型数据中心越来越多。根据CDCC的最新统计数据，新增2 000架以上的数据中心项目有300个以上，新增机架约220多万架，促使数据中心朝着高密、快速部署、模块化、弹性、集约化以及智能化等方向发展。

作为数据中心基础设施的核心子系统，数据中心供配电系统的主流架构在近几年的变化不大，安全和可靠是其首要考虑的因素。虽然这些年也出现了一些新技术，如动态UPS、DPS分布式电源架构以及-48 V供电架构等，但是由于各自的特点和应用场景存在局限性，均未成为主流供电架构。数据中心主流供电架构还是以传统UPS电源系统和DC 240 V直流供电系统为主。在2019年度数据中心标准峰会上，阿里联合相关厂家发布了巴拿马电源系统。该系统架构是继DC 240 V电源系统推广以来的一次重大供电系统架构革新。

1 数据中心供电系统现状

数据中心供电架构根据维度不同具有不同的划分形式。按冗余链路，可分为N、N+1以及2N；按备用电源位置，分为集中式供电架构（如动态UPS系统和巴拿马电源系统）和分布式供电架构（如DPS供电系统和48 V分布式供电系统等）；按不间断电源的供电制式，分为UPS供电架构和DC 240 V/336 V供电架构[1]。

目前，数据中心基本采用“10 kV配电-400 V变压器-400 V配电-区域配电-不间断电源-末端配电-机柜”的多级供电架构。此种供电架构存在设备数量多、种类繁杂、配套机房占地面积大、采购周期长以及施工周期长等问题。随着数据中心行业的爆发式增长，数据中心项目的快速部署和降低TCO成为当前项目建设的迫切需求。预制化、集约化、标准化以及产品化成为数据中心建设的发展方向，各方提出了不同的解决思路，如腾讯的T-BLOCK方案、末端配电智能母线、微模块机房以及一体化机柜等。巴拿马电源系统是在此背景下研发推广的产品。

2 巴拿马电源系统原理

巴拿马电源系统主要由10 V进线柜、移项变压器、整流柜以及直流配电柜组成，如图1所示。

图1 巴拿马电源系统组成示意图

图1中，AC 10 kV市电引入至10 kV开关柜，10 kV开关柜起到隔离保护的作用。如果与上级10 kV配电柜同室安装，可取消该柜。将AC 10 kV市电经过移相变压器降压至AC 400 V，经过整流模块后输出DC 240 V/336 V，再经过直流输出配电柜为IT设备供电。移相变压器基于相位交错叠加消去原理和移相交错并联拓扑，通过电路叠加复用减小输出电流的波动，从而提高系统的稳定性，降低谐波电流。利用移相变压器可起到消除谐波的作用，省去了传统整流模块中同等作用的多个环节，整流模块效率达98%以上，且提升了同等体积功率密度。巴拿马电源系统工作原理如图2所示。

图2 巴拿马电源系统原理图

3 案例分析

下面以2 500 kVA的供电模块为例，分析巴拿马电源与其他供电架构的优势与局限。统一的背景环境条件设置为IT负荷一致、供电系统容量一致、单路2 500 kVA供电容量、2N配置、物理隔离、表中数据为单N配置以及变压器靠近负荷端位于楼层配电室。关键设备损耗如表1所示。

表1 关键设备损耗表

此外，前端以楼层10 kV开关柜输入端为界，末端以不间断电源输出配电柜为界，默认边界以外的相关设备、材料一致。

UPS供电方案、240 V直流电源供电方案以及巴拿马电源供电方案的系统配置及相关参数对比如表2所示。

通过对比分析3种技术方案的参数可知，巴拿马电源方案与UPS电源方案、240 V直流电源方案相比，节省了空间，降低了成本，且因提升效率、降低损耗而减少的空调配置，配套空调部分相关的成本和占地面积区别不大。与UPS作为对比参照，单栋标准化机楼按12套巴拿马电源系统计算时，单栋机楼可节约的面积约为1 100 m2，节约建设成本为1 200万元左右，每年节约电费约1 100万元。

4 巴拿马电源系统的特点

巴拿马电源系统与UPS电源、240 V直流电源各维度的对比结果如表3所示。

表3中，因为对比维度及范围与巴拿马电源白皮书不同，所以数据略有差异。占地面积比、建设成本比、年运营耗电成本比以及设备数量比为其他方案与UPS电源系统方案的比值。占地面积和建设成本等对比维度，因设计方案不同、平面不同以及设备选型不同，对比参数必然存在差异。

巴拿马电源系统主要具有以下特点。

4.1 可靠性高

巴拿马电源系统的可靠性高主要体现在两个方面。一方面，减少了供电系统中串联组件的数量，增加了并联冗余组件的数量。另一方面，取消了供电系统中定制化设计的设备组件，集成为预制化和产品化的设备组件，降低了建设过程中人为因素对系统可靠性的影响。此外，数据中心供配电系统发展方向中的集约化、产品化、预制化以及标准化，均会对供电系统的可靠性起到正面影响。

4.2 系统效率高，绿色节能，降低TCO

巴拿马电源系统在控制谐波分量与传统UPS方案在同一水平的情况下，移相变压器的滤波作用替代了传统整流模块中的PFC环节，整流模块效率达98%以上，系统效率高、损耗小且绿色节能。从数据中心整体的供电方案来看，采用巴拿马电源系统方案相当于将变压器靠近负荷侧布置。从建筑底层的10 kV中压柜引10 kV电缆至楼层配电室，节约了大量的低压配电柜、低压母线及上线管井的空间。

表2 供电方案系统配置及参数对比表

表3 巴拿马电源系统与UPS电源、240 V直流电源各维度的对比

4.3 设计、采购、施工周期短

目前，数据中心工程建设还是以定制化为主。建设过程中，许多供电链路和组件需要定制化设计与定制化现场施工，各个子系统存在强关联性。例如，UPS容量及厂家选择不同，对于前端配电部分的配电分路和电池配置等都有影响，电源方案的不同会对平面布局、空调末端方案以及智能化的动环子系统等产生影响。由于它为标准化产品，因此采用巴拿马电源方案的定制化设计因素少。从项目管理的角度来看，巴拿马电源系统的产品化和预制化能够将项目周期中关键路径上的串行任务变为并行，缩短了设计周期、采购周期以及施工周期。

4.4 供电架构极简，关键设备组件容量利用率高

电源系统的设计理念是简单，简单即可靠，简单即高效。传统UPS供电架构从10 kV进线至IT设备需要经过7～8级的配电及变换，HVDC供电架构从10 kV进线柜供电至IT设备需要5～6级配电及变换，而巴拿马电源供电架构将中间的环节集成为一个标准化产品，因此从10 kV进线至IT设备仅需要3级。

传统供电架构中，当上下级设备容量的数量级相近时需要仔细考虑上下级容量匹配，提高设备容量的利用率，系统容量匹配示意如图3所示。

图3 系统容量匹配示意图

当瓶子中内外相邻的瓶子体积相差不大时，一个瓶子可能最多装一个或者两个小一号的瓶子，两个瓶子之间的空间即浪费的容量空间。如果需要提高最外层瓶子的空间利用率，理论上有4种方法：（1）将内部瓶子的体积缩小至足够小；（2）扩大小瓶子的体积直至充满大瓶子；（3）将瓶子换成气球；（4）按照最大瓶子的容量空间定制完全匹配的瓶子组合。方法1在数据中心供电系统中的代表方案是DPS方案，将不间断电源集成在机柜内部。方法2对应的方案为巴拿马电源方案，将变压器等中间环节集成为一个产品。方法3对应的方案的是目前供电系统发展的一个方向，即弹性。方法4通过精确计算，合理配置下级电源容量，使下级电源容量之和与上级电源完全一致，是目前主要采用的方案。供电层级越多，各层级电源容量的选择局限性越大，充分利用电源系统容量的难度越高。

4.5 适用性问题

巴拿马电源在适用性方面有优势也存在局限性。例如，在对高功率机柜的适用性方面，巴拿马电源系统能够保证所带IT机柜容量有足够的弹性，供电容量利用率也较高。局限性在于所带IT设备的类型和DC 240 V一样，不如传统UPS的适用性广。

4.6 其他需注意的问题

由于该技术应用时间不长，客户接受度不如其他两种方案高。个别整流模块故障或者低负载率时，10 kV侧谐波电流较大。为保证移相变压器的滤波效果，后端整流模块和IT负载分配时，12个绕组应尽量均匀带载。目前，第三方运营商大量的数据中心项目是将既有厂房改造为数据中心，应重点考虑现有楼层荷载是否满足巴拿马电源的承重要求。对于现有数据中心供电系统改造项目，巴拿马电源系统方案限制条件较多，如无法替换在网运行的部分不间断电源。此外，采用低压柴油发电机系统时，巴拿马电源系统的局限性较大，需对低压柴油发电机系统进行改造。