巴拿马电源在数据中心的应用研究与实践

杨根发

（中国移动通信集团江苏有限公司，江苏 南京 210029）

0 引 言

移动互联网时代，数据中心作为承载数据业务的新型基础设施，重要程度不言而喻。但随着互联网产业的蓬勃发展，大型数据中心的能耗和碳排放也日益增加，打造绿色数据中心、降低数据中心碳排放势在必行[1]。2021年，工业和信息化部印发的《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》将绿色低碳列为基本原则，强调坚持绿色发展理念，全面提高新型数据中心能源利用效率。为了加快绿色数据中心建设，中国移动通信集团江苏有限公司（以下简称江苏移动）全面加强数据中心的节能降耗能力，多举措降低供电损耗、提升设备效能，为实现“碳达峰”和“碳中和”目标贡献力量。江苏移动在数据中心规划之初就优先考虑节能减排，从建筑工艺格局、外形结构、体形系数等方面着手大力推广标准化绿色节能方案，目前已采用变压器深入负荷中心的规划设计方案，将数据中心供电损耗因子从0.08降至0.06左右。同时，变压器越靠近负荷中心，所需传输线路就越短，将进一步减少线路损耗并降低建设成本。

在此基础上，为了在机房电源系统的设计和建设中进一步降低电源系统转换和多级配电带来的损耗，同时降低数据中心机房侧电源配套投资、节约电源系统占地面积、缩短建设周期以及降低运行维护成本等，江苏移动各部门积极调研、深入研究并评估新技术的应用，结合各类型业务设备的需求和供电方式多次组织专家分析讨论，确定在中国移动长三角（南京）数据中心4号楼开展巴拿马电源系统的应用。2020年1月正式立项中国移动长三角（南京）数据中心4号楼8～9层机房小机电工程，2020年11月开始在该机楼8～9层中的7个机房开展巴拿马电源系统建设。

1 实施案例

1.1 业务应用场景需求

根据中国移动集团网络云项目部署需求，需要在中国移动长三角（南京）数据中心4号楼8～9层部署机架。机架需求量大，平均单机架功耗7 kW，安装的服务器、交换机等设备支持不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）及 240 V、336 V 直流系统供电，服务器设备要求采用2N不间断电源系统供电。通过分析机房空间现状和机架规模需求、制冷系统现状及总用电功耗，测算得到的最佳方案是单个机房对应的电力室建设2套1 800 kW巴拿马电源系统，同时在其中一个机房电力区建设2套2 400 kW巴拿马电源系统，保证系统架构清晰。

1.2 巴拿马电源

巴拿马电源系统是专为解决互联网企业和基础电信业务运营商数据中心直流供电需求的最新一代10 kV直流电源产品，可以减少占地空间，提高数据中心的供电效率[2]。巴拿马电源系统输入侧采用10 kV电源，经移相变压器输出至整流柜。直流电源系统次级侧直接输出336 V的高压直流电，同时考虑机房仍有部分空调末端采用交流供电，次级侧也能提供部分400 V交流输出[3]。巴拿马电源系统原理如图1所示。

图1 巴拿马电源系统原理

巴拿马电源采用多绕组的移相变压器，能够实现低谐波畸变和高功率因数。为了方便安装和输出、降低多级配电的损耗，巴拿马电源系统采用了方舱式一体化设计，将高压柜、变压器直接封装在一体化机柜中，确保供电安全和维护便利[4]。中压直供电源系统一体化构造如图2所示。

图2 中压直供电源系统一体化构造

1.3 巴拿马电源系统建设情况

在中国移动长三角（南京）数据中心4号楼8～9层的7个电力机房建设巴拿马电源系统，以单个机房建设为例（每个机房对应1个电力机房），根据机房机架规模、用电功耗和业务供电等级需求，每个机房建设2套巴拿马电源系统。巴拿马电源采用2N架构配置（1 800 kW），每套 1 800 kW 巴拿马电源系统配置2套900 kW子系统，每套900 kW系统后备带载3组蓄电池组，以满足备电时长不小于15 min。系统的10 kV输入分别来自2路市电输入，单套系统正常供电时各带50%负载，单套系统故障时由另一套系统带载全部设备负荷。

根据现场的空间情况和业务机柜功耗需求，制定系统的相关输入参数与输出参数，编制平面布局图和招标的相关技术要求[5]。巴拿马电源从变压器到直流输出部分均采用产品化设计，包括10 kV进线柜、隔离柜、移相变压器柜、整流柜以及直流输出柜。系统替换传统模式下的干式变压器、低压配电系统、UPS主机系统及UPS输入输出配电系统部分，从10 kV输入到直流336 V输出均包含在一个产品中，在项目实施阶段大幅减少了传统方案下多个生产厂家的设备到货协调、施工单位现场交叉施工等工作。

在方案制定阶段，根据产品的尺寸和维护空间的要求预留设备安装位置。施工图设计完成后，同步进行产品订购。工程前期需要完成2路10 kV电缆的引入、蓄电池组的安装以及少量桥架安装，设备安装部署后进行整体测试。系统供电架构如图3所示。

图3 系统供电架构

本应用案例立项的14套巴拿马电源系统工程已经顺利实施，并通过第三方相关测试验证后投入运行，产品相关电能质量、参数满足预期的目标要求。

2 实施成效分析

在项目中应用巴拿马电源系统实现了高可靠、高效率、低成本以及节能减碳的目标，降低了施工难度，缩短了建设周期，提升了机房的使用率。

（1）系统效率提升，节能效果显著。电力成本占数据中心全生命周期成本的60%～70%，提高空调系统的效率、降低损耗是数据中心电源系统节能降本的关键所在。巴拿马电源提升了输入电压、降低了损耗，同时采用的移相变压器与传统直流电源系统的效率相比，能效提升显著[6]。根据运维实测，在50%负载率下电源系统全程效率约为97.2%，而传统方式下的电源系统效率为92%，系统效率有所提升。

（2）降低建设投资，节省机房空间。巴拿马电源系统的应用减少了传统电源系统建设模式下从10 kV配电至通信电源输出的设备供电层级，减少了二级配电的相关设备、桥架、电缆等投资。考虑巴拿马电源末端配电和交流供电会增加投资，本次采用全程端到端（从变压器到机架电源分配电源）的建设方式。通过应用巴拿马电源系统，相比传统的电源系统建设模式，项目总投资节省约9 000 000元。采用巴拿马电源系统的电力区占地面积减少约50%，节省土建投资约24 000 000元。将节省的面积用于机柜建设，单个楼层的机架数量由836架提升至918架，提高了机楼的空间利用率，每年增加租金收益约4 428 000元。

（3）缩短建设周期，降低施工和维护成本。传统供电系统设备多、品牌杂、尺寸不统一，现场安装工程量大，通常需要2个月才能交付。巴拿马电源系统采用一体化设计和工厂预制，一般只需要2周就能完成极简交付。巴拿马电源系统优化了中间供电转换环节，减少的配电层级使系统架构简单清晰，提升了运维效率，单套设备维护成本由每年22 700元降至7 600元。

3 巴拿马电源系统的应用优势分析

巴拿马电源系统具有高可用性、高效率、低成本、模块化、维护方便以及占地空间小等优势，为数据中心带来一种具有创新性的绿色不间断供配电解决方案。系统的应用可以满足业务发展需求，促进节能减排，适应数据中心绿色低碳发展需要。通过高集成化，可以大大减少供电损耗、占地面积、建设投资以及维护成本。

（1）高效助力节能减排。巴拿马电源具有产品预制化、低损耗、极简架构的优势，为推动数据中心优化高能耗的电源系统结构和绿色转型发展提供有力支撑，同时能够有效提高绿色数据中心的低碳水平[7]。

（2）兼顾业务需求和经济效益。巴拿马电源系统可以根据业务设备的需求调整系统输出电压等级，满足不同设备的供电需求，适用于各类场景。通过调整巴拿马电源的软件部分即可满足现场变更需求，避免设备拆除、调整带来的损失。从建设、运行、维护等环节均降低了成本，提升了项目收益和企业的经济效益。

（3）促进数据中心快速部署。巴拿马电源的核心是简化配电中间环节，满足数据中心的快速部署需求。现场安装开通时间节省75%以上，通常只需要2周时间完成安装及开通调测。

4 巴拿马电源与预制化电力模块的对比

随着电源技术的发展和数据中心集成度的逐步提高，互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）单机架功率逐渐从3 kW提升到8 kW，并且数据中心电源、使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）要求也从1.5向1.3以下发展。此外，数据中心的电源也出现了多种形式，从传统UPS、240 V高压直流等集中电源模式发展为分布式电源、一体化电源模式，从2N的配电方式逐步发展为1路市电+1路保障电源的供电模式。

巴拿马电源和预制化电力模块都是将变压器和大容量高压直流电源或模块化UPS进行整合，通过高密度集成化和配电层级减少进一步提升供电效率。预制化电力模块通过将变压器与具有增强型节能（Ecology Conservation Potimization，ECO） 模 式 的模块化UPS组合，可以将全程系统供电效率提升到97%。相比巴拿马电源，预制化电力模块需要配置逆变器、电容柜、输入柜等，单套投资较高。巴拿马电源和预制化电力模块的特性对比如表1所示。

表1 巴拿马电源与预制化电力模块的特性对比

在预制化电力模块采用增强型ECO模式时（接近市电直供），2种电源系统供电效率基本一致，但考虑到预制化电力模块常规工作模式为双变换模式，巴拿马电源比预制化电力模块供电效率略高。预制化电力模块可以兼容低压油机和低压交流母联，更接近传统维护习惯。巴拿马电源适用于高压油机与市电切换，由于大型数据中心普遍采用高压油机，因此巴拿马电源更多地应用在大型数据中心。

为了加快推广应用高效节能技术、装备和产品，引导绿色生产和绿色消费，推荐新建数据中心可采用10 kV交流输入的直流不间断电源系统。相关行业生态已经完善，在打造绿色数据中心、降低数据中心碳排放的背景下，巴拿马电源将是大型数据中心未来发展的重要趋势。

5 结 论

通过对数据中心巴拿马电源实际应用案例的分析，阐述了巴拿马电源在数据中心的实际应用价值、应用场景、造价、优势以及与预制化电力模块的对比等。基于对巴拿马电源在数据中心实际应用案例的思考和分析，希望能够促进通信电源领域的进一步发展。