巴拿馬電源在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用研究與實(shí)踐

楊根發(fā)

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司，江蘇 南京 210029）

0 引 言

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，數(shù)據(jù)中心作為承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的新型基礎(chǔ)設(shè)施，重要程度不言而喻。但隨著互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，大型數(shù)據(jù)中心的能耗和碳排放也日益增加，打造綠色數(shù)據(jù)中心、降低數(shù)據(jù)中心碳排放勢(shì)在必行[1]。2021年，工業(yè)和信息化部印發(fā)的《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023年）》將綠色低碳列為基本原則，強(qiáng)調(diào)堅(jiān)持綠色發(fā)展理念，全面提高新型數(shù)據(jù)中心能源利用效率。為了加快綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)，中國移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司（以下簡(jiǎn)稱江蘇移動(dòng)）全面加強(qiáng)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能降耗能力，多舉措降低供電損耗、提升設(shè)備效能，為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。江蘇移動(dòng)在數(shù)據(jù)中心規(guī)劃之初就優(yōu)先考慮節(jié)能減排，從建筑工藝格局、外形結(jié)構(gòu)、體形系數(shù)等方面著手大力推廣標(biāo)準(zhǔn)化綠色節(jié)能方案，目前已采用變壓器深入負(fù)荷中心的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，將數(shù)據(jù)中心供電損耗因子從0.08降至0.06左右。同時(shí)，變壓器越靠近負(fù)荷中心，所需傳輸線路就越短，將進(jìn)一步減少線路損耗并降低建設(shè)成本。

在此基礎(chǔ)上，為了在機(jī)房電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)中進(jìn)一步降低電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和多級(jí)配電帶來的損耗，同時(shí)降低數(shù)據(jù)中心機(jī)房側(cè)電源配套投資、節(jié)約電源系統(tǒng)占地面積、縮短建設(shè)周期以及降低運(yùn)行維護(hù)成本等，江蘇移動(dòng)各部門積極調(diào)研、深入研究并評(píng)估新技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合各類型業(yè)務(wù)設(shè)備的需求和供電方式多次組織專家分析討論，確定在中國移動(dòng)長三角（南京）數(shù)據(jù)中心4號(hào)樓開展巴拿馬電源系統(tǒng)的應(yīng)用。2020年1月正式立項(xiàng)中國移動(dòng)長三角（南京）數(shù)據(jù)中心4號(hào)樓8～9層機(jī)房小機(jī)電工程，2020年11月開始在該機(jī)樓8～9層中的7個(gè)機(jī)房開展巴拿馬電源系統(tǒng)建設(shè)。

1 實(shí)施案例

1.1 業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景需求

根據(jù)中國移動(dòng)集團(tuán)網(wǎng)絡(luò)云項(xiàng)目部署需求，需要在中國移動(dòng)長三角（南京）數(shù)據(jù)中心4號(hào)樓8～9層部署機(jī)架。機(jī)架需求量大，平均單機(jī)架功耗7 kW，安裝的服務(wù)器、交換機(jī)等設(shè)備支持不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）及 240 V、336 V 直流系統(tǒng)供電，服務(wù)器設(shè)備要求采用2N不間斷電源系統(tǒng)供電。通過分析機(jī)房空間現(xiàn)狀和機(jī)架規(guī)模需求、制冷系統(tǒng)現(xiàn)狀及總用電功耗，測(cè)算得到的最佳方案是單個(gè)機(jī)房對(duì)應(yīng)的電力室建設(shè)2套1 800 kW巴拿馬電源系統(tǒng)，同時(shí)在其中一個(gè)機(jī)房電力區(qū)建設(shè)2套2 400 kW巴拿馬電源系統(tǒng)，保證系統(tǒng)架構(gòu)清晰。

1.2 巴拿馬電源

巴拿馬電源系統(tǒng)是專為解決互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和基礎(chǔ)電信業(yè)務(wù)運(yùn)營商數(shù)據(jù)中心直流供電需求的最新一代10 kV直流電源產(chǎn)品，可以減少占地空間，提高數(shù)據(jù)中心的供電效率[2]。巴拿馬電源系統(tǒng)輸入側(cè)采用10 kV電源，經(jīng)移相變壓器輸出至整流柜。直流電源系統(tǒng)次級(jí)側(cè)直接輸出336 V的高壓直流電，同時(shí)考慮機(jī)房仍有部分空調(diào)末端采用交流供電，次級(jí)側(cè)也能提供部分400 V交流輸出[3]。巴拿馬電源系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 巴拿馬電源系統(tǒng)原理

巴拿馬電源采用多繞組的移相變壓器，能夠?qū)崿F(xiàn)低諧波畸變和高功率因數(shù)。為了方便安裝和輸出、降低多級(jí)配電的損耗，巴拿馬電源系統(tǒng)采用了方艙式一體化設(shè)計(jì)，將高壓柜、變壓器直接封裝在一體化機(jī)柜中，確保供電安全和維護(hù)便利[4]。中壓直供電源系統(tǒng)一體化構(gòu)造如圖2所示。

圖2 中壓直供電源系統(tǒng)一體化構(gòu)造

1.3 巴拿馬電源系統(tǒng)建設(shè)情況

在中國移動(dòng)長三角（南京）數(shù)據(jù)中心4號(hào)樓8～9層的7個(gè)電力機(jī)房建設(shè)巴拿馬電源系統(tǒng)，以單個(gè)機(jī)房建設(shè)為例（每個(gè)機(jī)房對(duì)應(yīng)1個(gè)電力機(jī)房），根據(jù)機(jī)房機(jī)架規(guī)模、用電功耗和業(yè)務(wù)供電等級(jí)需求，每個(gè)機(jī)房建設(shè)2套巴拿馬電源系統(tǒng)。巴拿馬電源采用2N架構(gòu)配置（1 800 kW），每套 1 800 kW 巴拿馬電源系統(tǒng)配置2套900 kW子系統(tǒng)，每套900 kW系統(tǒng)后備帶載3組蓄電池組，以滿足備電時(shí)長不小于15 min。系統(tǒng)的10 kV輸入分別來自2路市電輸入，單套系統(tǒng)正常供電時(shí)各帶50%負(fù)載，單套系統(tǒng)故障時(shí)由另一套系統(tǒng)帶載全部設(shè)備負(fù)荷。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的空間情況和業(yè)務(wù)機(jī)柜功耗需求，制定系統(tǒng)的相關(guān)輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)，編制平面布局圖和招標(biāo)的相關(guān)技術(shù)要求[5]。巴拿馬電源從變壓器到直流輸出部分均采用產(chǎn)品化設(shè)計(jì)，包括10 kV進(jìn)線柜、隔離柜、移相變壓器柜、整流柜以及直流輸出柜。系統(tǒng)替換傳統(tǒng)模式下的干式變壓器、低壓配電系統(tǒng)、UPS主機(jī)系統(tǒng)及UPS輸入輸出配電系統(tǒng)部分，從10 kV輸入到直流336 V輸出均包含在一個(gè)產(chǎn)品中，在項(xiàng)目實(shí)施階段大幅減少了傳統(tǒng)方案下多個(gè)生產(chǎn)廠家的設(shè)備到貨協(xié)調(diào)、施工單位現(xiàn)場(chǎng)交叉施工等工作。

在方案制定階段，根據(jù)產(chǎn)品的尺寸和維護(hù)空間的要求預(yù)留設(shè)備安裝位置。施工圖設(shè)計(jì)完成后，同步進(jìn)行產(chǎn)品訂購。工程前期需要完成2路10 kV電纜的引入、蓄電池組的安裝以及少量橋架安裝，設(shè)備安裝部署后進(jìn)行整體測(cè)試。系統(tǒng)供電架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)供電架構(gòu)

本應(yīng)用案例立項(xiàng)的14套巴拿馬電源系統(tǒng)工程已經(jīng)順利實(shí)施，并通過第三方相關(guān)測(cè)試驗(yàn)證后投入運(yùn)行，產(chǎn)品相關(guān)電能質(zhì)量、參數(shù)滿足預(yù)期的目標(biāo)要求。

2 實(shí)施成效分析

在項(xiàng)目中應(yīng)用巴拿馬電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高可靠、高效率、低成本以及節(jié)能減碳的目標(biāo)，降低了施工難度，縮短了建設(shè)周期，提升了機(jī)房的使用率。

（1）系統(tǒng)效率提升，節(jié)能效果顯著。電力成本占數(shù)據(jù)中心全生命周期成本的60%～70%，提高空調(diào)系統(tǒng)的效率、降低損耗是數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)節(jié)能降本的關(guān)鍵所在。巴拿馬電源提升了輸入電壓、降低了損耗，同時(shí)采用的移相變壓器與傳統(tǒng)直流電源系統(tǒng)的效率相比，能效提升顯著[6]。根據(jù)運(yùn)維實(shí)測(cè)，在50%負(fù)載率下電源系統(tǒng)全程效率約為97.2%，而傳統(tǒng)方式下的電源系統(tǒng)效率為92%，系統(tǒng)效率有所提升。

（2）降低建設(shè)投資，節(jié)省機(jī)房空間。巴拿馬電源系統(tǒng)的應(yīng)用減少了傳統(tǒng)電源系統(tǒng)建設(shè)模式下從10 kV配電至通信電源輸出的設(shè)備供電層級(jí)，減少了二級(jí)配電的相關(guān)設(shè)備、橋架、電纜等投資。考慮巴拿馬電源末端配電和交流供電會(huì)增加投資，本次采用全程端到端（從變壓器到機(jī)架電源分配電源）的建設(shè)方式。通過應(yīng)用巴拿馬電源系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的電源系統(tǒng)建設(shè)模式，項(xiàng)目總投資節(jié)省約9 000 000元。采用巴拿馬電源系統(tǒng)的電力區(qū)占地面積減少約50%，節(jié)省土建投資約24 000 000元。將節(jié)省的面積用于機(jī)柜建設(shè)，單個(gè)樓層的機(jī)架數(shù)量由836架提升至918架，提高了機(jī)樓的空間利用率，每年增加租金收益約4 428 000元。

（3）縮短建設(shè)周期，降低施工和維護(hù)成本。傳統(tǒng)供電系統(tǒng)設(shè)備多、品牌雜、尺寸不統(tǒng)一，現(xiàn)場(chǎng)安裝工程量大，通常需要2個(gè)月才能交付。巴拿馬電源系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)和工廠預(yù)制，一般只需要2周就能完成極簡(jiǎn)交付。巴拿馬電源系統(tǒng)優(yōu)化了中間供電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，減少的配電層級(jí)使系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)單清晰，提升了運(yùn)維效率，單套設(shè)備維護(hù)成本由每年22 700元降至7 600元。

3 巴拿馬電源系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

巴拿馬電源系統(tǒng)具有高可用性、高效率、低成本、模塊化、維護(hù)方便以及占地空間小等優(yōu)勢(shì)，為數(shù)據(jù)中心帶來一種具有創(chuàng)新性的綠色不間斷供配電解決方案。系統(tǒng)的應(yīng)用可以滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需求，促進(jìn)節(jié)能減排，適應(yīng)數(shù)據(jù)中心綠色低碳發(fā)展需要。通過高集成化，可以大大減少供電損耗、占地面積、建設(shè)投資以及維護(hù)成本。

（1）高效助力節(jié)能減排。巴拿馬電源具有產(chǎn)品預(yù)制化、低損耗、極簡(jiǎn)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，為推動(dòng)數(shù)據(jù)中心優(yōu)化高能耗的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展提供有力支撐，同時(shí)能夠有效提高綠色數(shù)據(jù)中心的低碳水平[7]。

（2）兼顧業(yè)務(wù)需求和經(jīng)濟(jì)效益。巴拿馬電源系統(tǒng)可以根據(jù)業(yè)務(wù)設(shè)備的需求調(diào)整系統(tǒng)輸出電壓等級(jí)，滿足不同設(shè)備的供電需求，適用于各類場(chǎng)景。通過調(diào)整巴拿馬電源的軟件部分即可滿足現(xiàn)場(chǎng)變更需求，避免設(shè)備拆除、調(diào)整帶來的損失。從建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)等環(huán)節(jié)均降低了成本，提升了項(xiàng)目收益和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）促進(jìn)數(shù)據(jù)中心快速部署。巴拿馬電源的核心是簡(jiǎn)化配電中間環(huán)節(jié)，滿足數(shù)據(jù)中心的快速部署需求。現(xiàn)場(chǎng)安裝開通時(shí)間節(jié)省75%以上，通常只需要2周時(shí)間完成安裝及開通調(diào)測(cè)。

4 巴拿馬電源與預(yù)制化電力模塊的對(duì)比

隨著電源技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)中心集成度的逐步提高，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）單機(jī)架功率逐漸從3 kW提升到8 kW，并且數(shù)據(jù)中心電源、使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）要求也從1.5向1.3以下發(fā)展。此外，數(shù)據(jù)中心的電源也出現(xiàn)了多種形式，從傳統(tǒng)UPS、240 V高壓直流等集中電源模式發(fā)展為分布式電源、一體化電源模式，從2N的配電方式逐步發(fā)展為1路市電+1路保障電源的供電模式。

巴拿馬電源和預(yù)制化電力模塊都是將變壓器和大容量高壓直流電源或模塊化UPS進(jìn)行整合，通過高密度集成化和配電層級(jí)減少進(jìn)一步提升供電效率。預(yù)制化電力模塊通過將變壓器與具有增強(qiáng)型節(jié)能（Ecology Conservation Potimization，ECO） 模 式 的模塊化UPS組合，可以將全程系統(tǒng)供電效率提升到97%。相比巴拿馬電源，預(yù)制化電力模塊需要配置逆變器、電容柜、輸入柜等，單套投資較高。巴拿馬電源和預(yù)制化電力模塊的特性對(duì)比如表1所示。

表1 巴拿馬電源與預(yù)制化電力模塊的特性對(duì)比

在預(yù)制化電力模塊采用增強(qiáng)型ECO模式時(shí)（接近市電直供），2種電源系統(tǒng)供電效率基本一致，但考慮到預(yù)制化電力模塊常規(guī)工作模式為雙變換模式，巴拿馬電源比預(yù)制化電力模塊供電效率略高。預(yù)制化電力模塊可以兼容低壓油機(jī)和低壓交流母聯(lián)，更接近傳統(tǒng)維護(hù)習(xí)慣。巴拿馬電源適用于高壓油機(jī)與市電切換，由于大型數(shù)據(jù)中心普遍采用高壓油機(jī)，因此巴拿馬電源更多地應(yīng)用在大型數(shù)據(jù)中心。

為了加快推廣應(yīng)用高效節(jié)能技術(shù)、裝備和產(chǎn)品，引導(dǎo)綠色生產(chǎn)和綠色消費(fèi)，推薦新建數(shù)據(jù)中心可采用10 kV交流輸入的直流不間斷電源系統(tǒng)。相關(guān)行業(yè)生態(tài)已經(jīng)完善，在打造綠色數(shù)據(jù)中心、降低數(shù)據(jù)中心碳排放的背景下，巴拿馬電源將是大型數(shù)據(jù)中心未來發(fā)展的重要趨勢(shì)。

5 結(jié) 論

通過對(duì)數(shù)據(jù)中心巴拿馬電源實(shí)際應(yīng)用案例的分析，闡述了巴拿馬電源在數(shù)據(jù)中心的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值、應(yīng)用場(chǎng)景、造價(jià)、優(yōu)勢(shì)以及與預(yù)制化電力模塊的對(duì)比等。基于對(duì)巴拿馬電源在數(shù)據(jù)中心實(shí)際應(yīng)用案例的思考和分析，希望能夠促進(jìn)通信電源領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。