数据中心巴拿马电源技术应用探讨

丁 聪， 叶新平

(1. 上海邮电设计咨询研究院有限公司，上海 200092； 2. 中达电通股份有限公司，上海 201209)

0 引言

数据中心安全可靠、连续不间断运行离不开高可靠的供配电系统。在数据中心的规划设计中，需要根据数据中心使用性质、可靠性等级、技术经济性等方面，结合目标客户的业务需求来选择供配电方案和模式。常用的不间断供配电方案有UPS、HVDC以及BBU等，但这些方案在前期设计、项目建设和后期维护中，仍存在诸多难以克服的现场问题。巴拿马电源具有高可用性、高效率、低成本、模块化、维护方便、占地空间小等优势，为数据中心供配电带来一种具有革命性的创新不间断供配电解决方案。

2019年11月，巴拿马技术被分享到整个数据中心行业；2020年04月，ODCC(开放数据中心委员会)发布《巴拿马供电技术白皮书》ODCC-2020-02001；2020年05月，巴拿马电源国际标准在ITU(国际电信联盟)成功立项。截至2020年11月，巴拿马电源技术方案已经在阿里巴巴、浙江联通、浙江移动、江苏移动等多个数据中心项目中得到实际应用和在网运行。

1 巴拿马电源的原理

巴拿马电源借用巴拿马运河极大缩短大西洋和太平洋之间海上航程的战略意义，其在数据中心供配电系统设计中，可极大地缩短从传统供电中10kV到AC UPS或HVDC柜间的漫长链路，实现更加便捷高效地供电。系统变化原理框图如图1所示。

图1 巴拿马系统变化原理框图

传统IDC供电架构中，变压器无法取消的情况下，采用系统综合式设计，用移相变压器取代工频变压器，同时采用多脉冲设计，分为6绕组(36脉冲)、12绕组(72脉冲)、16绕组(96脉冲)，不仅可大大减少变压器副边绕组的短路电流，降低下游开关的短路电流容量，减少原来输入柜的开关容量，还可以通过脉冲数的增加，进一步改善电网功率因数和THDi，将传统供电架构里的无功补偿柜等取消，实现低THDi和高功率因数，从而减少整流电源模块内部PFC和滤波回路，将整流电源模块进行优化，模块效率从96%提升至98.5%，系统效率提升2%以上，从AC 10kV到输出DC 240/336V整个供电链路做到了优化集成。相比传统数据中心的供电方案，其设备和工程施工量可节省40%，占地面积减少50%。蓄电池单独安装，系统容量可以根据需求进行灵活配置。巴拿马电源的设计实现了供电架构的减法，颠覆了传统的供配电架构图。

巴拿马电源将传统供电系统进行实物变化的原理框图，如图2所示。

图3 从传统供电方案到巴拿马电源方案架构演变过程

图2 巴拿马实物变化原理框图

1.1 巴拿马电源演变过程

从传统供电方案到巴拿马电源方案架构演变过程如图3所示。

早期数据中心供配电方案采用UPS供电方案，为了解决可靠性问题，常用N+1、2N、DR、RR等供电架构，但冗余环节多、系统复杂、效率低，整体系统效率约92.7%。

随着数据中心以通信行业为主爆发的市场发展，2011年开始探讨HVDC的解决方案，具有模块化、效率高、可靠性高、成本更低等特点优势，整体系统效率约94.7%。

随着互联网公司数据中心的崛起，系统简化、减少辅助支持设备空间等成为IDC行业的发展大势，2016年开始研发巴拿马方案以实现更加简洁的系统架构。之后，研发成功的巴拿马电源使得整体系统效率增至97%～97.5%。巴拿马电源内部架构组成，如图4～5所示。

图4 巴拿马电源内部架构组成(1)

图5 巴拿马电源内部架构组成(2)

1.2 巴拿马移相变压器与传统变压器区别

移相变压器通常应用于电网侧与电力电子器件(例如整流器)之间，避免电网侧受到谐波的干扰污染，因此设计上移相变压器与常规普通的电力变压器有很大的不同。移相变压器的次级绕组(整流器端)由多个相互电隔离的绕组组成，相互间有60/n(n为次级绕组个数)电角度，也可以称作6Xn脉冲移相变压器。移相变压器的次级绕组承受了较大的低次谐波，相对于常规普通变压器来说会有较大的不同。首先，次级绕组发热方面需要考虑谐波电流的影响，因此次级绕组的发热和散热问题需要特别关注。其次，次级绕组需要考虑绝缘承受这些谐波的能力，因此绕组的匝绝缘和层间绝缘需要得到增强。移相变压器在中压电机驱动、地铁供电等领域中有长期应用案例，证明其可靠性满足使用要求。

2 巴拿马电源的组成

从整体架构来看，整个巴拿马电源由10kV进线柜、隔离柜、整流输出柜、交流分配柜组成。

3 各专业在设计中需要重点考虑的问题

规划设计中需重点考虑布局、承重、选型计算、配套要求、方案组合。

3.1 典型配置规格尺寸

根据目前数据中心项目的需求，巴拿马电源有几种不同容量的配置，例如600kW、1.2MW、1.6MW、1.8MW、2.2MW、2.4MW等，其规格尺寸如表1所示。

不同容量配置的规格尺寸 表1

3.2 规格选型与配置

巴拿马电源方案的配置总容量根据数据中心的IT负荷容量、充电容量、功率模块冗余容量进行计算，变压器容量等于IT负荷容量与充电容量之和。

3.2.1 整流模块配置

(1)整流模块选择：单体模块功率应根据系统设计容量大小合理选择，模块数量不宜多于90个。

(2)整流模块数量配置按负载电流加上0.1C10的充电电流计算，采用N+1配置。其中N个主用，N≤10时，1个备用；N>10时，每10个备用一个。

(3)系统宜具备模块休眠功能。

3.2.2 蓄电池配置

(1)单组电池个数如表2所示。

蓄电池个数 表2

(2)蓄电池型号选择：宜选用铅酸蓄电池。

(3)蓄电池单体电压和组数确定：根据系统容量大小，蓄电池单体电压可选2V、6V、12V，每个系统蓄电池组数不得少于2组，最多不宜超过4组。

3.3 对建筑的要求

3.3.1 对低配室尺寸的要求

巴拿马电源设备安装在低压配电室内，低压配电室内各种通道宽度、巴拿马电源设备正面和背面操作通道的净距要求等，参考《工业与民用配电设计手册》(第四版)(上册)“表3.2-6 低压配电室内各种通道最小宽度(净距)”中“抽屉式屏”的布置要求，如表3所示。

低压配电室内各种通道最小宽度(净距) 表3

在数据中心建筑平面规划初期，低压配电室的平面形状、内径长宽高尺寸等需参考表1和表3，并结合巴拿马电源设备及其他低压配电设备的布置数量、规格尺寸等进行规划，使得低压配电室内的设备布置便于安装、操作、搬运、检修、试验和监测。

3.3.2 对低配室承重加固的要求

在数据中心建筑结构规划初期，需参考表1，使得低压配电室的结构设计荷载，既满足《数据中心设计规范》GB 50174-2017“附录1 建筑与结构”的要求，又满足巴拿马电源设备布置安装的需求。

在项目实践中，为实现抗震加固和分摊均衡设备承重需求，往往为巴拿马电源设备采用槽钢定制框架式底座。底座采用单联、双联、多联的方式，底座与地面紧密接触并采用螺栓进行固定。巴拿马电源设备底脚采用螺栓固定在底座上。底座应满足巴拿马电源设备以及走线架(承载于设备柜体顶部时)的承重要求，并满足《电信设备安装抗震设计规范》YD 5059-2005抗震要求。

3.4 对电力入网的要求

3.4.1 一般原则

通信用交流供电宜使用市电作为主用电源，应根据供电情况配置直流供电后备电池和油机设备。市电和自备油机组成的交流供电系统宜采用集中供电方式供电，交流供电系统采用3相5线制，N线不接。

交流电力线宜采用铜芯线，电力线截面积应与负荷相适应。室外电力线敷设建议采用直埋或套管埋设，电力线敷设走线尽量与信号线分开。

3.4.2 配电系统适应性要求

本电源系统能够适应的配电系统电网形式有：TN-C、TN-S、TN-C-S、TT三相五线制的电网形式(N线不需要引入)。如需要配套TI电网形式的配电系统，需要按照用户需求的具体情况进行单独定做。

在园区型或基地型数据中心中，大部分都自建了110kV变电站，一般无需向电力公司提供报装资料，对于直接从电力公司引入10kV线路的数据中心，需要在初期建设或中期增容时在《高压报装客户用电需求表》的“主要用电设备”中填写“中压直流不间断电源”，部分要求严格的电力公司还需要提供《中压环网柜检验报告》《变压器出厂合格书》《变压器试验报告》等文件，才可完成电网审查和备案。

3.5 对其他配套的要求

巴拿马电源设备的布置和安装，对相关配套的要求(例如消防、给排水、走线架配置等)，与传统供配电系统的设备安装，没有太大的差异。

在通信方面，巴拿马中压综合保护电源需要连接外部空调的UPS电源、巴拿马中压保护跳脱信号线与巴拿马电源进行连接、蓄电池状态触点需要连接到巴拿马电源进行蓄电池的采集与告警。

在动环监控方面，通过MODBUS或TCP采集巴拿马电源相关信息。

在走线桥架方面，内外部电源通路减少了原来柜间走线桥架，走线桥架主要考虑输入进线、输出线缆、电池线缆的桥架布局。

在接地系统方面，巴拿马电源系统设计为整体电源，通信机房的接地方式通常按共享接地原则设计，即直流电源系统地、防雷接地和保护接地，共同合用一组接地体，其接地电阻应符合国家相关规定。

3.6 典型架构设计方案

数据中心应用巴拿马电源系统的架构方案主要有两种：2N巴拿马供电方案、2N(巴拿马+市电)方案。

(1)2N巴拿马供电方案：A路巴拿马+B路巴拿马，两路互相在IT侧互为冗余备份关系，负载设计按照50%设计，考虑一定余量，一般实际运行40%负载左右，系统图示意如图6所示。

图6 巴拿马电源2N系统方案

(2)2N(巴拿马+市电)方案：A路巴拿马+市电或B路巴拿马+市电，将巴拿马电源移相变压器功率分成两部分输出，一部分给整流模块，一部分给IT设备，实现一路巴拿马+一路市电的模式，提高系统效率，预计整体效率提升0.5%，系统图示意如图7所示。

图7 巴拿马电源2N(巴拿马+市电)系统方案

4 设计案例

以某数据中心机房为例，大功率高压直流系统直接10kV输入，输出336V/240V直流电源，配置200kW交流电源，用于照明等设施空调末端，IT UPS系统改用直流供电，每个电力室内设置2套，组成2N系统，供数据中心设备供电。每个机房250个机柜，单机柜5kW合计用电量约1 200kW。

根据IT容量规划，巴拿马设备容量=IT容量+冗余容量+充电容量。这里IT容量=1 200kW，单模块容量=30kW，IT配置模块数量=1200/30=40个。根据选型原则，10个模块冗余1个模块，需要额外配置4个模块，充电容量为IT容量10%，需要配置4个充电模块。所以整套巴拿马电源容量=1 200kW+4×30kW+4×30kW=1 440kW进行设计，总共模块数量48个，可以满足单个机房单套系统的容量设计。

本案例中通过采用大功率高压直流系统，变压器上楼层，压缩了系统设备层级，省去了母线及低压配电设备，节省出了一层约800m2的变配电室空间，这800m2可改造为数据中心机房，从而增加可布置的机柜数量，产生更多的经济效益。

根据以上项目数据中心规划为例，对供配电系统采用不同的设计方案，其各类技术经济性指标对比如表4所示。

本案例在实际实施以后，对比传统供配电系统建设方案有如下不同：(1)建设速度更快，提前了3个月完成；(2)解决了建设空间不足的问题，配电面积节省33%；(3)不增加成本情况下，提升了方案可靠性。

与“HVDC+市电”模式相比，该案例方案实现负载双直流供电，提供了更可靠的供电解决方案，且投资成本下降10%。通过该案例实践，再次证明巴拿马电源方案是值得在数据中心业内大力推广的创新供配电解决方案。

不同供配电系统设计方案技术经济性比较 表4

5 结束语

巴拿马电源从产品推出到案例使用已走过三年多的时间，其创新颠覆的供电架构实现了全球最高的模块效率98.5%，并具有极致优化供电链路、更快的建设周期、更小占地面积、更节省投资成本等贴合客户需求的明显优势，但其原理结构是否客观科学，产品架构、设计理念是否代表技术先进，产品性能、实际应用是否足够安全可靠，应用场景是否广泛普适值得推广，还需要相当长时间的实践检验。