數據中心巴拿馬電源系統架構應用研究

張文利，徐 堅，王 麗

（中通服咨詢設計研究院有限公司，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”戰略等多重因素的影響下，數據中心行業的發展持續走高，迎來了新一輪爆發。阿里、騰訊、百度以及快手等互聯網企業紛紛加大數據中心建設投資，以萬國和世紀互聯為代表的第三方運營商也在加快機房資源儲備。隨著各地大型數據中心項目的紛紛落地，超大型數據中心越來越多。根據CDCC的最新統計數據，新增2 000架以上的數據中心項目有300個以上，新增機架約220多萬架，促使數據中心朝著高密、快速部署、模塊化、彈性、集約化以及智能化等方向發展。

作為數據中心基礎設施的核心子系統，數據中心供配電系統的主流架構在近幾年的變化不大，安全和可靠是其首要考慮的因素。雖然這些年也出現了一些新技術，如動態UPS、DPS分布式電源架構以及-48 V供電架構等，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。數據中心主流供電架構還是以傳統UPS電源系統和DC 240 V直流供電系統為主。在2019年度數據中心標準峰會上，阿里聯合相關廠家發布了巴拿馬電源系統。該系統架構是繼DC 240 V電源系統推廣以來的一次重大供電系統架構革新。

1 數據中心供電系統現狀

數據中心供電架構根據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（如動態UPS系統和巴拿馬電源系統）和分布式供電架構（如DPS供電系統和48 V分布式供電系統等）；按不間斷電源的供電制式，分為UPS供電架構和DC 240 V/336 V供電架構[1]。

目前，數據中心基本采用“10 kV配電-400 V變壓器-400 V配電-區域配電-不間斷電源-末端配電-機柜”的多級供電架構。此種供電架構存在設備數量多、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。隨著數據中心行業的爆發式增長，數據中心項目的快速部署和降低TCO成為當前項目建設的迫切需求。預制化、集約化、標準化以及產品化成為數據中心建設的發展方向，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。巴拿馬電源系統是在此背景下研發推廣的產品。

2 巴拿馬電源系統原理

巴拿馬電源系統主要由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 巴拿馬電源系統組成示意圖

圖1中，AC 10 kV市電引入至10 kV開關柜，10 kV開關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市電經過移相變壓器降壓至AC 400 V，經過整流模塊后輸出DC 240 V/336 V，再經過直流輸出配電柜為IT設備供電。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，從而提高系統的穩定性，降低諧波電流。利用移相變壓器可起到消除諧波的作用，省去了傳統整流模塊中同等作用的多個環節，整流模塊效率達98%以上，且提升了同等體積功率密度。巴拿馬電源系統工作原理如圖2所示。

圖2 巴拿馬電源系統原理圖

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的優勢與局限。統一的背景環境條件設置為IT負荷一致、供電系統容量一致、單路2 500 kVA供電容量、2N配置、物理隔離、表中數據為單N配置以及變壓器靠近負荷端位于樓層配電室。關鍵設備損耗如表1所示。

表1 關鍵設備損耗表

此外，前端以樓層10 kV開關柜輸入端為界，末端以不間斷電源輸出配電柜為界，默認邊界以外的相關設備、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配置及相關參數對比如表2所示。

通過對比分析3種技術方案的參數可知，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配置，配套空調部分相關的成本和占地面積區別不大。與UPS作為對比參照，單棟標準化機樓按12套巴拿馬電源系統計算時，單棟機樓可節約的面積約為1 100 m2，節約建設成本為1 200萬元左右，每年節約電費約1 100萬元。

4 巴拿馬電源系統的特點

巴拿馬電源系統與UPS電源、240 V直流電源各維度的對比結果如表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，所以數據略有差異。占地面積比、建設成本比、年運營耗電成本比以及設備數量比為其他方案與UPS電源系統方案的比值。占地面積和建設成本等對比維度，因設計方案不同、平面不同以及設備選型不同，對比參數必然存在差異。

巴拿馬電源系統主要具有以下特點。

4.1 可靠性高

巴拿馬電源系統的可靠性高主要體現在兩個方面。一方面，減少了供電系統中串聯組件的數量，增加了并聯冗余組件的數量。另一方面，取消了供電系統中定制化設計的設備組件，集成為預制化和產品化的設備組件，降低了建設過程中人為因素對系統可靠性的影響。此外，數據中心供配電系統發展方向中的集約化、產品化、預制化以及標準化，均會對供電系統的可靠性起到正面影響。

4.2 系統效率高，綠色節能，降低TCO

巴拿馬電源系統在控制諧波分量與傳統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整流模塊中的PFC環節，整流模塊效率達98%以上，系統效率高、損耗小且綠色節能。從數據中心整體的供電方案來看，采用巴拿馬電源系統方案相當于將變壓器靠近負荷側布置。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 供電方案系統配置及參數對比表

表3 巴拿馬電源系統與UPS電源、240 V直流電源各維度的對比

4.3 設計、采購、施工周期短

目前，數據中心工程建設還是以定制化為主。建設過程中，許多供電鏈路和組件需要定制化設計與定制化現場施工，各個子系統存在強關聯性。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、空調末端方案以及智能化的動環子系統等產生影響。由于它為標準化產品，因此采用巴拿馬電源方案的定制化設計因素少。從項目管理的角度來看，巴拿馬電源系統的產品化和預制化能夠將項目周期中關鍵路徑上的串行任務變為并行，縮短了設計周期、采購周期以及施工周期。

4.4 供電架構極簡，關鍵設備組件容量利用率高

電源系統的設計理念是簡單，簡單即可靠，簡單即高效。傳統UPS供電架構從10 kV進線至IT設備需要經過7～8級的配電及變換，HVDC供電架構從10 kV進線柜供電至IT設備需要5～6級配電及變換，而巴拿馬電源供電架構將中間的環節集成為一個標準化產品，因此從10 kV進線至IT設備僅需要3級。

傳統供電架構中，當上下級設備容量的數量級相近時需要仔細考慮上下級容量匹配，提高設備容量的利用率，系統容量匹配示意如圖3所示。

圖3 系統容量匹配示意圖

當瓶子中內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）將內部瓶子的體積縮小至足夠小；（2）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在數據中心供電系統中的代表方案是DPS方案，將不間斷電源集成在機柜內部。方法2對應的方案為巴拿馬電源方案，將變壓器等中間環節集成為一個產品。方法3對應的方案的是目前供電系統發展的一個方向，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設備的類型和DC 240 V一樣，不如傳統UPS的適用性廣。

4.6 其他需注意的問題

由于該技術應用時間不長，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據中心項目是將既有廠房改造為數據中心，應重點考慮現有樓層荷載是否滿足巴拿馬電源的承重要求。對于現有數據中心供電系統改造項目，巴拿馬電源系統方案限制條件較多，如無法替換在網運行的部分不間斷電源。此外，采用低壓柴油發電機系統時，巴拿馬電源系統的局限性較大，需對低壓柴油發電機系統進行改造。

5 巴拿馬電源系統應用場景分析

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

對于新技術來說，互聯網客戶和運營商的接受度均較高。目前，多數金融客戶還是以傳統成熟技術為主，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，因此采用新技術的幾率不大，除非是整租型互聯網客戶。巴拿馬電源對于不同建設類型的數據中心推薦適用場景如表5所示。

表5 巴拿馬電源數據中心類型推薦表

新建數據中心對巴拿馬電源系統兼容性最好，現有建筑改建數據中心應注意核算樓層荷載。對于現有數據中心原有不間斷電源的更新換代，巴拿馬電源系統不適用，因為影響整體的供電架構，很難做到在網運行帶業務替換。

從數據中心的規模維度分析，巴拿馬電源系統的推薦適用場景如表6所示。

表6 巴拿馬電源數據中心規模推薦表

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

6 結 論

通過各個維度的分析，巴拿馬電源系統更適合應用于新建的大型互聯網數據中心、運營商數據中心或企業EDC。