數(shù)據(jù)中心巴拿馬電源系統(tǒng)架構(gòu)應用研究

張文利，徐 堅，王 麗

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

2020年上半年，在5G加速應用和國家“新基建”戰(zhàn)略等多重因素的影響下，數(shù)據(jù)中心行業(yè)的發(fā)展持續(xù)走高，迎來了新一輪爆發(fā)。阿里、騰訊、百度以及快手等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)紛紛加大數(shù)據(jù)中心建設(shè)投資，以萬國和世紀互聯(lián)為代表的第三方運營商也在加快機房資源儲備。隨著各地大型數(shù)據(jù)中心項目的紛紛落地，超大型數(shù)據(jù)中心越來越多。根據(jù)CDCC的最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)，新增2 000架以上的數(shù)據(jù)中心項目有300個以上，新增機架約220多萬架，促使數(shù)據(jù)中心朝著高密、快速部署、模塊化、彈性、集約化以及智能化等方向發(fā)展。

作為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的核心子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的主流架構(gòu)在近幾年的變化不大，安全和可靠是其首要考慮的因素。雖然這些年也出現(xiàn)了一些新技術(shù)，如動態(tài)UPS、DPS分布式電源架構(gòu)以及-48 V供電架構(gòu)等，但是由于各自的特點和應用場景存在局限性，均未成為主流供電架構(gòu)。數(shù)據(jù)中心主流供電架構(gòu)還是以傳統(tǒng)UPS電源系統(tǒng)和DC 240 V直流供電系統(tǒng)為主。在2019年度數(shù)據(jù)中心標準峰會上，阿里聯(lián)合相關(guān)廠家發(fā)布了巴拿馬電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)架構(gòu)是繼DC 240 V電源系統(tǒng)推廣以來的一次重大供電系統(tǒng)架構(gòu)革新。

1 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)根據(jù)維度不同具有不同的劃分形式。按冗余鏈路，可分為N、N+1以及2N；按備用電源位置，分為集中式供電架構(gòu)（如動態(tài)UPS系統(tǒng)和巴拿馬電源系統(tǒng)）和分布式供電架構(gòu)（如DPS供電系統(tǒng)和48 V分布式供電系統(tǒng)等）；按不間斷電源的供電制式，分為UPS供電架構(gòu)和DC 240 V/336 V供電架構(gòu)[1]。

目前，數(shù)據(jù)中心基本采用“10 kV配電-400 V變壓器-400 V配電-區(qū)域配電-不間斷電源-末端配電-機柜”的多級供電架構(gòu)。此種供電架構(gòu)存在設(shè)備數(shù)量多、種類繁雜、配套機房占地面積大、采購周期長以及施工周期長等問題。隨著數(shù)據(jù)中心行業(yè)的爆發(fā)式增長，數(shù)據(jù)中心項目的快速部署和降低TCO成為當前項目建設(shè)的迫切需求。預制化、集約化、標準化以及產(chǎn)品化成為數(shù)據(jù)中心建設(shè)的發(fā)展方向，各方提出了不同的解決思路，如騰訊的T-BLOCK方案、末端配電智能母線、微模塊機房以及一體化機柜等。巴拿馬電源系統(tǒng)是在此背景下研發(fā)推廣的產(chǎn)品。

2 巴拿馬電源系統(tǒng)原理

巴拿馬電源系統(tǒng)主要由10 V進線柜、移項變壓器、整流柜以及直流配電柜組成，如圖1所示。

圖1 巴拿馬電源系統(tǒng)組成示意圖

圖1中，AC 10 kV市電引入至10 kV開關(guān)柜，10 kV開關(guān)柜起到隔離保護的作用。如果與上級10 kV配電柜同室安裝，可取消該柜。將AC 10 kV市電經(jīng)過移相變壓器降壓至AC 400 V，經(jīng)過整流模塊后輸出DC 240 V/336 V，再經(jīng)過直流輸出配電柜為IT設(shè)備供電。移相變壓器基于相位交錯疊加消去原理和移相交錯并聯(lián)拓撲，通過電路疊加復用減小輸出電流的波動，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低諧波電流。利用移相變壓器可起到消除諧波的作用，省去了傳統(tǒng)整流模塊中同等作用的多個環(huán)節(jié)，整流模塊效率達98%以上，且提升了同等體積功率密度。巴拿馬電源系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 巴拿馬電源系統(tǒng)原理圖

3 案例分析

下面以2 500 kVA的供電模塊為例，分析巴拿馬電源與其他供電架構(gòu)的優(yōu)勢與局限。統(tǒng)一的背景環(huán)境條件設(shè)置為IT負荷一致、供電系統(tǒng)容量一致、單路2 500 kVA供電容量、2N配置、物理隔離、表中數(shù)據(jù)為單N配置以及變壓器靠近負荷端位于樓層配電室。關(guān)鍵設(shè)備損耗如表1所示。

表1 關(guān)鍵設(shè)備損耗表

此外，前端以樓層10 kV開關(guān)柜輸入端為界，末端以不間斷電源輸出配電柜為界，默認邊界以外的相關(guān)設(shè)備、材料一致。

UPS供電方案、240 V直流電源供電方案以及巴拿馬電源供電方案的系統(tǒng)配置及相關(guān)參數(shù)對比如表2所示。

通過對比分析3種技術(shù)方案的參數(shù)可知，巴拿馬電源方案與UPS電源方案、240 V直流電源方案相比，節(jié)省了空間，降低了成本，且因提升效率、降低損耗而減少的空調(diào)配置，配套空調(diào)部分相關(guān)的成本和占地面積區(qū)別不大。與UPS作為對比參照，單棟標準化機樓按12套巴拿馬電源系統(tǒng)計算時，單棟機樓可節(jié)約的面積約為1 100 m2，節(jié)約建設(shè)成本為1 200萬元左右，每年節(jié)約電費約1 100萬元。

4 巴拿馬電源系統(tǒng)的特點

巴拿馬電源系統(tǒng)與UPS電源、240 V直流電源各維度的對比結(jié)果如表3所示。

表3中，因為對比維度及范圍與巴拿馬電源白皮書不同，所以數(shù)據(jù)略有差異。占地面積比、建設(shè)成本比、年運營耗電成本比以及設(shè)備數(shù)量比為其他方案與UPS電源系統(tǒng)方案的比值。占地面積和建設(shè)成本等對比維度，因設(shè)計方案不同、平面不同以及設(shè)備選型不同，對比參數(shù)必然存在差異。

巴拿馬電源系統(tǒng)主要具有以下特點。

4.1 可靠性高

巴拿馬電源系統(tǒng)的可靠性高主要體現(xiàn)在兩個方面。一方面，減少了供電系統(tǒng)中串聯(lián)組件的數(shù)量，增加了并聯(lián)冗余組件的數(shù)量。另一方面，取消了供電系統(tǒng)中定制化設(shè)計的設(shè)備組件，集成為預制化和產(chǎn)品化的設(shè)備組件，降低了建設(shè)過程中人為因素對系統(tǒng)可靠性的影響。此外，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)發(fā)展方向中的集約化、產(chǎn)品化、預制化以及標準化，均會對供電系統(tǒng)的可靠性起到正面影響。

4.2 系統(tǒng)效率高，綠色節(jié)能，降低TCO

巴拿馬電源系統(tǒng)在控制諧波分量與傳統(tǒng)UPS方案在同一水平的情況下，移相變壓器的濾波作用替代了傳統(tǒng)整流模塊中的PFC環(huán)節(jié)，整流模塊效率達98%以上，系統(tǒng)效率高、損耗小且綠色節(jié)能。從數(shù)據(jù)中心整體的供電方案來看，采用巴拿馬電源系統(tǒng)方案相當于將變壓器靠近負荷側(cè)布置。從建筑底層的10 kV中壓柜引10 kV電纜至樓層配電室，節(jié)約了大量的低壓配電柜、低壓母線及上線管井的空間。

表2 供電方案系統(tǒng)配置及參數(shù)對比表

表3 巴拿馬電源系統(tǒng)與UPS電源、240 V直流電源各維度的對比

4.3 設(shè)計、采購、施工周期短

目前，數(shù)據(jù)中心工程建設(shè)還是以定制化為主。建設(shè)過程中，許多供電鏈路和組件需要定制化設(shè)計與定制化現(xiàn)場施工，各個子系統(tǒng)存在強關(guān)聯(lián)性。例如，UPS容量及廠家選擇不同，對于前端配電部分的配電分路和電池配置等都有影響，電源方案的不同會對平面布局、空調(diào)末端方案以及智能化的動環(huán)子系統(tǒng)等產(chǎn)生影響。由于它為標準化產(chǎn)品，因此采用巴拿馬電源方案的定制化設(shè)計因素少。從項目管理的角度來看，巴拿馬電源系統(tǒng)的產(chǎn)品化和預制化能夠?qū)㈨椖恐芷谥嘘P(guān)鍵路徑上的串行任務變?yōu)椴⑿?，縮短了設(shè)計周期、采購周期以及施工周期。

4.4 供電架構(gòu)極簡，關(guān)鍵設(shè)備組件容量利用率高

電源系統(tǒng)的設(shè)計理念是簡單，簡單即可靠，簡單即高效。傳統(tǒng)UPS供電架構(gòu)從10 kV進線至IT設(shè)備需要經(jīng)過7～8級的配電及變換，HVDC供電架構(gòu)從10 kV進線柜供電至IT設(shè)備需要5～6級配電及變換，而巴拿馬電源供電架構(gòu)將中間的環(huán)節(jié)集成為一個標準化產(chǎn)品，因此從10 kV進線至IT設(shè)備僅需要3級。

傳統(tǒng)供電架構(gòu)中，當上下級設(shè)備容量的數(shù)量級相近時需要仔細考慮上下級容量匹配，提高設(shè)備容量的利用率，系統(tǒng)容量匹配示意如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)容量匹配示意圖

當瓶子中內(nèi)外相鄰的瓶子體積相差不大時，一個瓶子可能最多裝一個或者兩個小一號的瓶子，兩個瓶子之間的空間即浪費的容量空間。如果需要提高最外層瓶子的空間利用率，理論上有4種方法：（1）將內(nèi)部瓶子的體積縮小至足夠?。唬?）擴大小瓶子的體積直至充滿大瓶子；（3）將瓶子換成氣球；（4）按照最大瓶子的容量空間定制完全匹配的瓶子組合。方法1在數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中的代表方案是DPS方案，將不間斷電源集成在機柜內(nèi)部。方法2對應的方案為巴拿馬電源方案，將變壓器等中間環(huán)節(jié)集成為一個產(chǎn)品。方法3對應的方案的是目前供電系統(tǒng)發(fā)展的一個方向，即彈性。方法4通過精確計算，合理配置下級電源容量，使下級電源容量之和與上級電源完全一致，是目前主要采用的方案。供電層級越多，各層級電源容量的選擇局限性越大，充分利用電源系統(tǒng)容量的難度越高。

4.5 適用性問題

巴拿馬電源在適用性方面有優(yōu)勢也存在局限性。例如，在對高功率機柜的適用性方面，巴拿馬電源系統(tǒng)能夠保證所帶IT機柜容量有足夠的彈性，供電容量利用率也較高。局限性在于所帶IT設(shè)備的類型和DC 240 V一樣，不如傳統(tǒng)UPS的適用性廣。

4.6 其他需注意的問題

由于該技術(shù)應用時間不長，客戶接受度不如其他兩種方案高。個別整流模塊故障或者低負載率時，10 kV側(cè)諧波電流較大。為保證移相變壓器的濾波效果，后端整流模塊和IT負載分配時，12個繞組應盡量均勻帶載。目前，第三方運營商大量的數(shù)據(jù)中心項目是將既有廠房改造為數(shù)據(jù)中心，應重點考慮現(xiàn)有樓層荷載是否滿足巴拿馬電源的承重要求。對于現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)改造項目，巴拿馬電源系統(tǒng)方案限制條件較多，如無法替換在網(wǎng)運行的部分不間斷電源。此外，采用低壓柴油發(fā)電機系統(tǒng)時，巴拿馬電源系統(tǒng)的局限性較大，需對低壓柴油發(fā)電機系統(tǒng)進行改造。

5 巴拿馬電源系統(tǒng)應用場景分析

分析巴拿馬電源的原理和特點，從以下幾個維度分析其適用場景。巴拿馬電源針對不同客戶類型的推薦適用場景如表4所示。

表4 巴拿馬電源客戶類型推薦表

對于新技術(shù)來說，互聯(lián)網(wǎng)客戶和運營商的接受度均較高。目前，多數(shù)金融客戶還是以傳統(tǒng)成熟技術(shù)為主，第三方運營商如果以出租物理空間為主，則受限于客戶的要求，因此采用新技術(shù)的幾率不大，除非是整租型互聯(lián)網(wǎng)客戶。巴拿馬電源對于不同建設(shè)類型的數(shù)據(jù)中心推薦適用場景如表5所示。

表5 巴拿馬電源數(shù)據(jù)中心類型推薦表

新建數(shù)據(jù)中心對巴拿馬電源系統(tǒng)兼容性最好，現(xiàn)有建筑改建數(shù)據(jù)中心應注意核算樓層荷載。對于現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心原有不間斷電源的更新?lián)Q代，巴拿馬電源系統(tǒng)不適用，因為影響整體的供電架構(gòu)，很難做到在網(wǎng)運行帶業(yè)務替換。

從數(shù)據(jù)中心的規(guī)模維度分析，巴拿馬電源系統(tǒng)的推薦適用場景如表6所示。

表6 巴拿馬電源數(shù)據(jù)中心規(guī)模推薦表

巴拿馬電源是集中供電架構(gòu)的一種代表方案，更適用于大型數(shù)據(jù)中心，能夠充分利用電源系統(tǒng)的容量，降低電源系統(tǒng)的TCO。小型數(shù)據(jù)中心由于供電容量較小，一般采用低壓柴油發(fā)電機組，不適用巴拿馬電源系統(tǒng)。

6 結(jié) 論

通過各個維度的分析，巴拿馬電源系統(tǒng)更適合應用于新建的大型互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心、運營商數(shù)據(jù)中心或企業(yè)EDC。