論巴拿馬電源

齊曙光

（中國(guó)信息通信研究院泰爾實(shí)驗(yàn)室）

1 引言

近年來(lái)，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的興起，全球數(shù)據(jù)中心及通信機(jī)房的數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，并呈現(xiàn)出高功率密度和高能耗的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)一方面超大型、大型數(shù)據(jù)中心及通信機(jī)房的建設(shè)速度也逐漸加快，部署機(jī)架數(shù)量大幅增長(zhǎng)。而另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)數(shù)據(jù)中心及通信機(jī)房變配電系統(tǒng)建設(shè)模式又存在效率低、損耗大、占地面積大、建設(shè)運(yùn)維復(fù)雜和初期投資成本高等痛點(diǎn)。因此，相關(guān)技術(shù)亟待革新，向更可靠、更高效、更易部署的方向發(fā)展，并急需一種高效、占地面積小、維護(hù)難度低的供電系統(tǒng)。

2 什么是巴拿馬電源

在上述背景下，巴拿馬電源誕生了。什么是巴拿馬電源？它是把數(shù)據(jù)中心和通信機(jī)房?jī)?nèi)把交流10kV輸入直接變換到直流240V/336V的電源，它替代了原有的10kV交流配電、變壓器、低壓配電、240V/336V直流供電系統(tǒng)和輸出配電單元等設(shè)備及相關(guān)配套設(shè)施，具備高效率、安全、可靠、節(jié)省空間、低成本、易安裝和易維護(hù)等顯著優(yōu)勢(shì)，完全匹配大型、超大型數(shù)據(jù)中心和通信機(jī)房配電及不間斷電源系統(tǒng)的需求。那么為什么叫巴拿馬電源呢？其名稱的思考來(lái)源于巴拿馬運(yùn)河。巴拿馬運(yùn)河位于巴拿馬中部，全長(zhǎng)約65km。從1881年開鑿，到1914年完工。運(yùn)河開通后，從太平洋到大西洋的航程縮短一萬(wàn)多km。在信息通信能源領(lǐng)域輸入為交流10kV輸出為直流240V/336V的電源即整合了中壓配電，變壓器、低壓配電、整流模塊和輸出直流配電等部分，最終把輸入10kV交流轉(zhuǎn)換為240V直流或者336V直流的電源。其一體化、集成化和縮短中間變換環(huán)節(jié)的理念，與巴拿馬運(yùn)河的大大縮短運(yùn)輸環(huán)節(jié)的理念十分相似，因此業(yè)界把此電源稱之為巴拿馬電源。數(shù)據(jù)中心和通信機(jī)房傳統(tǒng)供電架構(gòu)示意如圖1所示，巴拿馬電源架構(gòu)示意如圖2所示。由圖可清晰看出巴拿馬電源四合一整合能力。

3 巴拿馬電源與傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)對(duì)比分析

3.1 輸入特性差異分析

圖1 傳統(tǒng)供電系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 巴拿馬電源架構(gòu)

由于巴拿馬電源是10kV輸入系統(tǒng)，依據(jù)GB/T 12325-2008《電能質(zhì)量供電電壓偏差》標(biāo)準(zhǔn)要求[1]，20kV及以下三相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的±7%，對(duì)220V單相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的-7%，10%。即對(duì)于10kV市電輸入，其電壓波動(dòng)范圍為（9.3～10.7）kV，因此巴拿馬電源應(yīng)在此電壓范圍之內(nèi)能夠正常工作，即其輸入電壓范圍應(yīng)寬于該范圍。為了更好的適應(yīng)低壓輸入電壓波動(dòng)，對(duì)于低壓輸入的各類通信電源一般標(biāo)準(zhǔn)要求在輸入電壓為額定電壓的-15%～10%的范圍內(nèi)應(yīng)能夠正常工作。

3.2 輸出特性差異分析

巴拿馬電源輸出為240V/336V直流電壓，其輸出電壓范圍、輸出直流配電部分壓降和峰-峰值雜音等參數(shù)與低壓輸入的240V/336V直流供電系統(tǒng)無(wú)明顯的差異。另外，系統(tǒng)的懸浮供電方式和輸出電纜顏色標(biāo)志等均與傳統(tǒng)240V/336V系統(tǒng)保持一致。

3.3 整體特性差異分析

由于巴拿馬電源把傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)的輸入電壓升高至10kV，對(duì)效率、輸入電流諧波成分和功率因數(shù)等性能參數(shù)方面產(chǎn)生了重要的影響，具體解析如下。

1）效率

系統(tǒng)效率是指一定時(shí)段內(nèi)系統(tǒng)輸出能量與輸入能量之比，是反映整個(gè)系統(tǒng)節(jié)能性的關(guān)鍵指標(biāo)。國(guó)內(nèi)某供應(yīng)商生產(chǎn)的輸出為240V直流的巴拿馬電源和傳統(tǒng)的240V直流供電系統(tǒng)均在（10%～100%）額定負(fù)載率下的效率曲線對(duì)比分析如圖3所示。由圖可知，巴拿馬電源可提升系統(tǒng)效率3%-5%。

圖3 輸出為240V系統(tǒng)效率對(duì)比圖

同樣（10%～100%）額定負(fù)載率下，輸出為直流336V的巴拿馬電源與傳統(tǒng)336V直流供電系統(tǒng)效率曲線對(duì)比如圖4所示。由圖也可明顯看出巴拿馬電源的效率優(yōu)勢(shì)。

綜上，由于巴拿馬電源提升了輸入電壓，降低了損耗，與傳統(tǒng)240V/336V直流供配電整體系統(tǒng)（含10kV配電、變壓器、低壓配電、240V/336V直流供電系統(tǒng)）的效率相比，能效提升明顯。

2）輸入電流諧波成分

圖4 輸出為336V系統(tǒng)效率對(duì)比圖

諧波是由于基波的正弦波形畸變引起的，頻率為基波頻率整數(shù)倍的正弦波。電力諧波產(chǎn)生和傳播的機(jī)理不同于基波，因此它對(duì)電力網(wǎng)中各類設(shè)備和組件也起到不同于基波的作用。一般來(lái)說(shuō)諧波有三種分類方法：一是按諧波次數(shù)的奇偶性來(lái)分，有奇次諧波（3、5、7……次諧波）與偶次諧波（2、4、6……次諧波）；二是按諧波的頻率大小來(lái)分，如頻率為基波頻率的2倍稱為二次諧波，頻率為基波頻率的3倍稱為3次諧波……；三是按諧波的序列來(lái)分，有正序諧波、零序諧波與負(fù)序諧波。常見的諧波源主要有換流設(shè)備、電弧爐、鐵芯設(shè)備和照明設(shè)備等非線性電氣設(shè)備。這些非線性負(fù)荷在工作時(shí)向電網(wǎng)反饋高次諧波，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變，供電質(zhì)量降低。同時(shí)，諧波電流會(huì)引起電力設(shè)備附加損耗和發(fā)熱，變壓器溫度升高，效率降低，絕緣加速老化，縮短使用壽命甚至損害等。同時(shí)諧波注入電網(wǎng)后會(huì)使無(wú)功功率增加，功率因數(shù)降低，甚至有可能引發(fā)并聯(lián)或串聯(lián)諧波，損壞電氣設(shè)備以及干擾通信電路的正常工作，因此非常有必要驗(yàn)證各類電源輸入電流諧波成分。國(guó)內(nèi)某供應(yīng)商生產(chǎn)的巴拿馬電源和傳統(tǒng)240V/336V直流供電系統(tǒng)在（10%～100%）額定負(fù)載率下輸入電流諧波成分如表1所示。

其中需要說(shuō)明的是巴拿馬電源輸入電流諧波成分是在10kV輸入側(cè)進(jìn)行測(cè)試的，而傳統(tǒng)240V/336V系統(tǒng)是在低壓輸入側(cè)進(jìn)行測(cè)試的。由表格中的詳細(xì)數(shù)據(jù)可看出，傳統(tǒng)供電系統(tǒng)和巴拿馬電源均能夠達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[2,3]，如100%額定負(fù)載率下輸入電流諧波成分小于等于5%；對(duì)240V直流供電系統(tǒng)50%負(fù)載率下輸入電流諧波成分小于等于10%；對(duì)336V直流供電系統(tǒng)50%負(fù)載率下輸入電流諧波成分小于等于8%和30%負(fù)載率下輸入電流諧波成分小于等于10%。巴拿馬電源與傳統(tǒng)240V/336V對(duì)比分析看來(lái)，該指標(biāo)無(wú)明顯差異。

3）功率因數(shù)

輸入功率因數(shù)cosφ是反映總電功率中有功功率所占的比例大小的參數(shù)。有功功率表達(dá)式為P=U×I×cosφ，其中cosφ（φ為功率因數(shù)角）為功率因數(shù)，功率因數(shù)小于或等于1。雖然巴拿馬電源是在10kV側(cè)進(jìn)行功率因數(shù)校正的，與低壓端功率因數(shù)校正從技術(shù)實(shí)現(xiàn)上有較大的差，但從測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果來(lái)看不管是傳統(tǒng)的輸出為240V/336V直流供電系統(tǒng)還是巴拿馬電源，均能夠做到功率因數(shù)為0.990～0.999，指標(biāo)數(shù)值無(wú)明顯差異。

4）穩(wěn)壓精度

穩(wěn)壓精度是指在不同的輸入電壓和負(fù)載電流條件下，測(cè)量被測(cè)系統(tǒng)輸出電壓變化情況的參數(shù)。該指標(biāo)主要考察的是當(dāng)輸入電壓和輸出負(fù)載條件均發(fā)生變化時(shí)被測(cè)系統(tǒng)的輸出電壓幅值是否受到很大的影響。具體測(cè)試方法為調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸入電壓至下限值，輸出接額定負(fù)載，用電力諧波分析儀或電壓表測(cè)量系統(tǒng)輸出電壓Ua。調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸入電壓至上限值，輸出空載，用儀表測(cè)量被測(cè)系統(tǒng)輸出電壓Ub?；谏鲜鰷y(cè)量值，輸出穩(wěn)壓精度可用公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

表1 傳統(tǒng)供電系統(tǒng)與巴拿馬電源不同負(fù)載率下輸入電流諧波成分對(duì)比

式中，U0指巴拿馬電源輸出額定電壓，單位為伏（V）。

以輸出為直流240V的巴拿馬電源樣品為例，其系統(tǒng)穩(wěn)壓精度為-0.08%～0.10%。而傳統(tǒng)的低壓輸入的240V直流供電系統(tǒng)，目前行業(yè)內(nèi)普遍水平可達(dá)（-0.50%～0.5%）范圍內(nèi)，因此在穩(wěn)壓精度這個(gè)指標(biāo)上也沒(méi)有明顯的差異。

5）電池管理功能

對(duì)于巴拿馬電源而言實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)240V/336V直流供電系統(tǒng)對(duì)電池管理功能即具備接入2組蓄電池的裝置、對(duì)蓄電池均充及浮充狀態(tài)進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)轉(zhuǎn)換、在對(duì)蓄電池進(jìn)行均充時(shí)限流充電功能和依據(jù)蓄電池工作環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)的輸出電壓進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)认鄬?duì)容易。唯一具有挑戰(zhàn)性的是，由于巴拿馬電源容量要比傳統(tǒng)240V/336V直流供電系統(tǒng)大，例如一套巴拿馬電源最大容量可高達(dá)2.0MW，其后備電池容量也隨之增大，因此所包含的電池組的數(shù)量以及單體電池的數(shù)量較多，管理電池難度也大幅提升。

3.4 可維護(hù)性

由于巴拿馬電源采用了產(chǎn)品化的設(shè)計(jì)，從10kV交流輸入至直流240V/336V輸出均包含在一個(gè)產(chǎn)品中，大幅減少了傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)中的多級(jí)配電設(shè)備維護(hù)等問(wèn)題。通過(guò)產(chǎn)品化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部上下級(jí)緊耦合從而保障整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性。同時(shí)與傳統(tǒng)供電系統(tǒng)相比也能大幅降低現(xiàn)場(chǎng)的施工工作量。且通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)又能夠靈活配置和擴(kuò)容，減少初期投資成本。

但應(yīng)值得注意的是，由于巴拿馬電源的輸入電壓為交流10kV，運(yùn)維人員的運(yùn)維界面從傳統(tǒng)的低壓側(cè)推到了10kV側(cè)。因此運(yùn)維人員應(yīng)清晰了解和熟練掌握10kV側(cè)的安全操作以及注意事項(xiàng)，必須具備相關(guān)資質(zhì)和操作技能才能夠勝任維護(hù)工作。

4 巴拿馬國(guó)內(nèi)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作概況

巴拿馬電源已在中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）通信電源與通信局站工作環(huán)境技術(shù)工作委員會(huì)（TC4）的2019年12月第35次全會(huì)提出立項(xiàng)并通過(guò)了與會(huì)專家的審查以及協(xié)會(huì)各技術(shù)工作委員會(huì)聯(lián)席會(huì)議，目前已遞交工業(yè)和信息化部完成相關(guān)流程中。關(guān)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化方面，中國(guó)信息通信研究院與阿里巴巴公司聯(lián)合編寫文稿，在國(guó)際電信聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化局（ITU-T）第五研究組本研究周期第6次大會(huì)上提出巴拿馬電源立項(xiàng)建議書，經(jīng)過(guò)與會(huì)專家的充分討論以及我方積極爭(zhēng)取下已成功立項(xiàng)，ITU-T L.10kVAC_ 400VDC 《數(shù)據(jù)中心和通信機(jī)房用交流10KV輸入高達(dá)400V直流輸出供電系統(tǒng)技術(shù)要求》。此高達(dá)400V直流正是我國(guó)目前各大運(yùn)營(yíng)商推廣應(yīng)用的240V/336V直流供電系統(tǒng)。因此，巴拿馬電源國(guó)內(nèi)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作目前正在同步推進(jìn)，從而有力推動(dòng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)范化發(fā)展的同時(shí)力爭(zhēng)我國(guó)在數(shù)據(jù)中心及信息通信能源領(lǐng)域國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)話語(yǔ)權(quán)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文重點(diǎn)解析數(shù)據(jù)中心和通信機(jī)房用巴拿馬電源的原理、輸入輸出特性、效率、輸入電流諧波成分、功率因數(shù)、及可維護(hù)性等，以對(duì)相關(guān)研發(fā)技術(shù)人員、標(biāo)準(zhǔn)化研究人員以及運(yùn)維技術(shù)人員提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論支撐為盼。