數(shù)據(jù)中心巴拿馬電源技術(shù)應(yīng)用探討

丁 聰， 葉新平

(1. 上海郵電設(shè)計咨詢研究院有限公司，上海 200092； 2. 中達(dá)電通股份有限公司，上海 201209)

0 引言

數(shù)據(jù)中心安全可靠、連續(xù)不間斷運行離不開高可靠的供配電系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃設(shè)計中，需要根據(jù)數(shù)據(jù)中心使用性質(zhì)、可靠性等級、技術(shù)經(jīng)濟性等方面，結(jié)合目標(biāo)客戶的業(yè)務(wù)需求來選擇供配電方案和模式。常用的不間斷供配電方案有UPS、HVDC以及BBU等，但這些方案在前期設(shè)計、項目建設(shè)和后期維護中，仍存在諸多難以克服的現(xiàn)場問題。巴拿馬電源具有高可用性、高效率、低成本、模塊化、維護方便、占地空間小等優(yōu)勢，為數(shù)據(jù)中心供配電帶來一種具有革命性的創(chuàng)新不間斷供配電解決方案。

2019年11月，巴拿馬技術(shù)被分享到整個數(shù)據(jù)中心行業(yè)；2020年04月，ODCC(開放數(shù)據(jù)中心委員會)發(fā)布《巴拿馬供電技術(shù)白皮書》ODCC-2020-02001；2020年05月，巴拿馬電源國際標(biāo)準(zhǔn)在ITU(國際電信聯(lián)盟)成功立項。截至2020年11月，巴拿馬電源技術(shù)方案已經(jīng)在阿里巴巴、浙江聯(lián)通、浙江移動、江蘇移動等多個數(shù)據(jù)中心項目中得到實際應(yīng)用和在網(wǎng)運行。

1 巴拿馬電源的原理

巴拿馬電源借用巴拿馬運河極大縮短大西洋和太平洋之間海上航程的戰(zhàn)略意義，其在數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計中，可極大地縮短從傳統(tǒng)供電中10kV到AC UPS或HVDC柜間的漫長鏈路，實現(xiàn)更加便捷高效地供電。系統(tǒng)變化原理框圖如圖1所示。

圖1 巴拿馬系統(tǒng)變化原理框圖

傳統(tǒng)IDC供電架構(gòu)中，變壓器無法取消的情況下，采用系統(tǒng)綜合式設(shè)計，用移相變壓器取代工頻變壓器，同時采用多脈沖設(shè)計，分為6繞組(36脈沖)、12繞組(72脈沖)、16繞組(96脈沖)，不僅可大大減少變壓器副邊繞組的短路電流，降低下游開關(guān)的短路電流容量，減少原來輸入柜的開關(guān)容量，還可以通過脈沖數(shù)的增加，進一步改善電網(wǎng)功率因數(shù)和THDi，將傳統(tǒng)供電架構(gòu)里的無功補償柜等取消，實現(xiàn)低THDi和高功率因數(shù)，從而減少整流電源模塊內(nèi)部PFC和濾波回路，將整流電源模塊進行優(yōu)化，模塊效率從96%提升至98.5%，系統(tǒng)效率提升2%以上，從AC 10kV到輸出DC 240/336V整個供電鏈路做到了優(yōu)化集成。相比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的供電方案，其設(shè)備和工程施工量可節(jié)省40%，占地面積減少50%。蓄電池單獨安裝，系統(tǒng)容量可以根據(jù)需求進行靈活配置。巴拿馬電源的設(shè)計實現(xiàn)了供電架構(gòu)的減法，顛覆了傳統(tǒng)的供配電架構(gòu)圖。

巴拿馬電源將傳統(tǒng)供電系統(tǒng)進行實物變化的原理框圖，如圖2所示。

圖3 從傳統(tǒng)供電方案到巴拿馬電源方案架構(gòu)演變過程

圖2 巴拿馬實物變化原理框圖

1.1 巴拿馬電源演變過程

從傳統(tǒng)供電方案到巴拿馬電源方案架構(gòu)演變過程如圖3所示。

早期數(shù)據(jù)中心供配電方案采用UPS供電方案，為了解決可靠性問題，常用N+1、2N、DR、RR等供電架構(gòu)，但冗余環(huán)節(jié)多、系統(tǒng)復(fù)雜、效率低，整體系統(tǒng)效率約92.7%。

隨著數(shù)據(jù)中心以通信行業(yè)為主爆發(fā)的市場發(fā)展，2011年開始探討HVDC的解決方案，具有模塊化、效率高、可靠性高、成本更低等特點優(yōu)勢，整體系統(tǒng)效率約94.7%。

隨著互聯(lián)網(wǎng)公司數(shù)據(jù)中心的崛起，系統(tǒng)簡化、減少輔助支持設(shè)備空間等成為IDC行業(yè)的發(fā)展大勢，2016年開始研發(fā)巴拿馬方案以實現(xiàn)更加簡潔的系統(tǒng)架構(gòu)。之后，研發(fā)成功的巴拿馬電源使得整體系統(tǒng)效率增至97%～97.5%。巴拿馬電源內(nèi)部架構(gòu)組成，如圖4～5所示。

圖4 巴拿馬電源內(nèi)部架構(gòu)組成(1)

圖5 巴拿馬電源內(nèi)部架構(gòu)組成(2)

1.2 巴拿馬移相變壓器與傳統(tǒng)變壓器區(qū)別

移相變壓器通常應(yīng)用于電網(wǎng)側(cè)與電力電子器件(例如整流器)之間，避免電網(wǎng)側(cè)受到諧波的干擾污染，因此設(shè)計上移相變壓器與常規(guī)普通的電力變壓器有很大的不同。移相變壓器的次級繞組(整流器端)由多個相互電隔離的繞組組成，相互間有60/n(n為次級繞組個數(shù))電角度，也可以稱作6Xn脈沖移相變壓器。移相變壓器的次級繞組承受了較大的低次諧波，相對于常規(guī)普通變壓器來說會有較大的不同。首先，次級繞組發(fā)熱方面需要考慮諧波電流的影響，因此次級繞組的發(fā)熱和散熱問題需要特別關(guān)注。其次，次級繞組需要考慮絕緣承受這些諧波的能力，因此繞組的匝絕緣和層間絕緣需要得到增強。移相變壓器在中壓電機驅(qū)動、地鐵供電等領(lǐng)域中有長期應(yīng)用案例，證明其可靠性滿足使用要求。

2 巴拿馬電源的組成

從整體架構(gòu)來看，整個巴拿馬電源由10kV進線柜、隔離柜、整流輸出柜、交流分配柜組成。

3 各專業(yè)在設(shè)計中需要重點考慮的問題

規(guī)劃設(shè)計中需重點考慮布局、承重、選型計算、配套要求、方案組合。

3.1 典型配置規(guī)格尺寸

根據(jù)目前數(shù)據(jù)中心項目的需求，巴拿馬電源有幾種不同容量的配置，例如600kW、1.2MW、1.6MW、1.8MW、2.2MW、2.4MW等，其規(guī)格尺寸如表1所示。

不同容量配置的規(guī)格尺寸 表1

3.2 規(guī)格選型與配置

巴拿馬電源方案的配置總?cè)萘扛鶕?jù)數(shù)據(jù)中心的IT負(fù)荷容量、充電容量、功率模塊冗余容量進行計算，變壓器容量等于IT負(fù)荷容量與充電容量之和。

3.2.1 整流模塊配置

(1)整流模塊選擇：單體模塊功率應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計容量大小合理選擇，模塊數(shù)量不宜多于90個。

(2)整流模塊數(shù)量配置按負(fù)載電流加上0.1C10的充電電流計算，采用N+1配置。其中N個主用，N≤10時，1個備用；N>10時，每10個備用一個。

(3)系統(tǒng)宜具備模塊休眠功能。

3.2.2 蓄電池配置

(1)單組電池個數(shù)如表2所示。

蓄電池個數(shù) 表2

(2)蓄電池型號選擇：宜選用鉛酸蓄電池。

(3)蓄電池單體電壓和組數(shù)確定：根據(jù)系統(tǒng)容量大小，蓄電池單體電壓可選2V、6V、12V，每個系統(tǒng)蓄電池組數(shù)不得少于2組，最多不宜超過4組。

3.3 對建筑的要求

3.3.1 對低配室尺寸的要求

巴拿馬電源設(shè)備安裝在低壓配電室內(nèi)，低壓配電室內(nèi)各種通道寬度、巴拿馬電源設(shè)備正面和背面操作通道的凈距要求等，參考《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》(第四版)(上冊)“表3.2-6 低壓配電室內(nèi)各種通道最小寬度(凈距)”中“抽屜式屏”的布置要求，如表3所示。

低壓配電室內(nèi)各種通道最小寬度(凈距) 表3

在數(shù)據(jù)中心建筑平面規(guī)劃初期，低壓配電室的平面形狀、內(nèi)徑長寬高尺寸等需參考表1和表3，并結(jié)合巴拿馬電源設(shè)備及其他低壓配電設(shè)備的布置數(shù)量、規(guī)格尺寸等進行規(guī)劃，使得低壓配電室內(nèi)的設(shè)備布置便于安裝、操作、搬運、檢修、試驗和監(jiān)測。

3.3.2 對低配室承重加固的要求

在數(shù)據(jù)中心建筑結(jié)構(gòu)規(guī)劃初期，需參考表1，使得低壓配電室的結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載，既滿足《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》GB 50174-2017“附錄1 建筑與結(jié)構(gòu)”的要求，又滿足巴拿馬電源設(shè)備布置安裝的需求。

在項目實踐中，為實現(xiàn)抗震加固和分?jǐn)偩庠O(shè)備承重需求，往往為巴拿馬電源設(shè)備采用槽鋼定制框架式底座。底座采用單聯(lián)、雙聯(lián)、多聯(lián)的方式，底座與地面緊密接觸并采用螺栓進行固定。巴拿馬電源設(shè)備底腳采用螺栓固定在底座上。底座應(yīng)滿足巴拿馬電源設(shè)備以及走線架(承載于設(shè)備柜體頂部時)的承重要求，并滿足《電信設(shè)備安裝抗震設(shè)計規(guī)范》YD 5059-2005抗震要求。

3.4 對電力入網(wǎng)的要求

3.4.1 一般原則

通信用交流供電宜使用市電作為主用電源，應(yīng)根據(jù)供電情況配置直流供電后備電池和油機設(shè)備。市電和自備油機組成的交流供電系統(tǒng)宜采用集中供電方式供電，交流供電系統(tǒng)采用3相5線制，N線不接。

交流電力線宜采用銅芯線，電力線截面積應(yīng)與負(fù)荷相適應(yīng)。室外電力線敷設(shè)建議采用直埋或套管埋設(shè)，電力線敷設(shè)走線盡量與信號線分開。

3.4.2 配電系統(tǒng)適應(yīng)性要求

本電源系統(tǒng)能夠適應(yīng)的配電系統(tǒng)電網(wǎng)形式有：TN-C、TN-S、TN-C-S、TT三相五線制的電網(wǎng)形式(N線不需要引入)。如需要配套TI電網(wǎng)形式的配電系統(tǒng)，需要按照用戶需求的具體情況進行單獨定做。

在園區(qū)型或基地型數(shù)據(jù)中心中，大部分都自建了110kV變電站，一般無需向電力公司提供報裝資料，對于直接從電力公司引入10kV線路的數(shù)據(jù)中心，需要在初期建設(shè)或中期增容時在《高壓報裝客戶用電需求表》的“主要用電設(shè)備”中填寫“中壓直流不間斷電源”，部分要求嚴(yán)格的電力公司還需要提供《中壓環(huán)網(wǎng)柜檢驗報告》《變壓器出廠合格書》《變壓器試驗報告》等文件，才可完成電網(wǎng)審查和備案。

3.5 對其他配套的要求

巴拿馬電源設(shè)備的布置和安裝，對相關(guān)配套的要求(例如消防、給排水、走線架配置等)，與傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)的設(shè)備安裝，沒有太大的差異。

在通信方面，巴拿馬中壓綜合保護電源需要連接外部空調(diào)的UPS電源、巴拿馬中壓保護跳脫信號線與巴拿馬電源進行連接、蓄電池狀態(tài)觸點需要連接到巴拿馬電源進行蓄電池的采集與告警。

在動環(huán)監(jiān)控方面，通過MODBUS或TCP采集巴拿馬電源相關(guān)信息。

在走線橋架方面，內(nèi)外部電源通路減少了原來柜間走線橋架，走線橋架主要考慮輸入進線、輸出線纜、電池線纜的橋架布局。

在接地系統(tǒng)方面，巴拿馬電源系統(tǒng)設(shè)計為整體電源，通信機房的接地方式通常按共享接地原則設(shè)計，即直流電源系統(tǒng)地、防雷接地和保護接地，共同合用一組接地體，其接地電阻應(yīng)符合國家相關(guān)規(guī)定。

3.6 典型架構(gòu)設(shè)計方案

數(shù)據(jù)中心應(yīng)用巴拿馬電源系統(tǒng)的架構(gòu)方案主要有兩種：2N巴拿馬供電方案、2N(巴拿馬+市電)方案。

(1)2N巴拿馬供電方案：A路巴拿馬+B路巴拿馬，兩路互相在IT側(cè)互為冗余備份關(guān)系，負(fù)載設(shè)計按照50%設(shè)計，考慮一定余量，一般實際運行40%負(fù)載左右，系統(tǒng)圖示意如圖6所示。

圖6 巴拿馬電源2N系統(tǒng)方案

(2)2N(巴拿馬+市電)方案：A路巴拿馬+市電或B路巴拿馬+市電，將巴拿馬電源移相變壓器功率分成兩部分輸出，一部分給整流模塊，一部分給IT設(shè)備，實現(xiàn)一路巴拿馬+一路市電的模式，提高系統(tǒng)效率，預(yù)計整體效率提升0.5%，系統(tǒng)圖示意如圖7所示。

圖7 巴拿馬電源2N(巴拿馬+市電)系統(tǒng)方案

4 設(shè)計案例

以某數(shù)據(jù)中心機房為例，大功率高壓直流系統(tǒng)直接10kV輸入，輸出336V/240V直流電源，配置200kW交流電源，用于照明等設(shè)施空調(diào)末端，IT UPS系統(tǒng)改用直流供電，每個電力室內(nèi)設(shè)置2套，組成2N系統(tǒng)，供數(shù)據(jù)中心設(shè)備供電。每個機房250個機柜，單機柜5kW合計用電量約1 200kW。

根據(jù)IT容量規(guī)劃，巴拿馬設(shè)備容量=IT容量+冗余容量+充電容量。這里IT容量=1 200kW，單模塊容量=30kW，IT配置模塊數(shù)量=1200/30=40個。根據(jù)選型原則，10個模塊冗余1個模塊，需要額外配置4個模塊，充電容量為IT容量10%，需要配置4個充電模塊。所以整套巴拿馬電源容量=1 200kW+4×30kW+4×30kW=1 440kW進行設(shè)計，總共模塊數(shù)量48個，可以滿足單個機房單套系統(tǒng)的容量設(shè)計。

本案例中通過采用大功率高壓直流系統(tǒng)，變壓器上樓層，壓縮了系統(tǒng)設(shè)備層級，省去了母線及低壓配電設(shè)備，節(jié)省出了一層約800m2的變配電室空間，這800m2可改造為數(shù)據(jù)中心機房，從而增加可布置的機柜數(shù)量，產(chǎn)生更多的經(jīng)濟效益。

根據(jù)以上項目數(shù)據(jù)中心規(guī)劃為例，對供配電系統(tǒng)采用不同的設(shè)計方案，其各類技術(shù)經(jīng)濟性指標(biāo)對比如表4所示。

本案例在實際實施以后，對比傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)建設(shè)方案有如下不同：(1)建設(shè)速度更快，提前了3個月完成；(2)解決了建設(shè)空間不足的問題，配電面積節(jié)省33%；(3)不增加成本情況下，提升了方案可靠性。

與“HVDC+市電”模式相比，該案例方案實現(xiàn)負(fù)載雙直流供電，提供了更可靠的供電解決方案，且投資成本下降10%。通過該案例實踐，再次證明巴拿馬電源方案是值得在數(shù)據(jù)中心業(yè)內(nèi)大力推廣的創(chuàng)新供配電解決方案。

不同供配電系統(tǒng)設(shè)計方案技術(shù)經(jīng)濟性比較 表4

5 結(jié)束語

巴拿馬電源從產(chǎn)品推出到案例使用已走過三年多的時間，其創(chuàng)新顛覆的供電架構(gòu)實現(xiàn)了全球最高的模塊效率98.5%，并具有極致優(yōu)化供電鏈路、更快的建設(shè)周期、更小占地面積、更節(jié)省投資成本等貼合客戶需求的明顯優(yōu)勢，但其原理結(jié)構(gòu)是否客觀科學(xué)，產(chǎn)品架構(gòu)、設(shè)計理念是否代表技術(shù)先進，產(chǎn)品性能、實際應(yīng)用是否足夠安全可靠，應(yīng)用場景是否廣泛普適值得推廣，還需要相當(dāng)長時間的實踐檢驗。