楊根發(fā)

（中國移動通信集團江蘇有限公司，江蘇 南京 210029）

0 引 言

移動互聯(lián)網(wǎng)時代，數(shù)據(jù)中心作為承載數(shù)據(jù)業(yè)務的新型基礎設施，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)展三年行動計劃（2021-2023年）》將綠色低碳列為基本原則，強調(diào)堅持綠色發(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，中國移動通信集團江蘇有限公司（以下簡稱江蘇移動）全面加強數(shù)據(jù)中心的節(jié)能降耗能力，多舉措降低供電損耗、提升設備效能，為實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”目標貢獻力量。江蘇移動在數(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準化綠色節(jié)能方案，目前已采用變壓器深入負荷中心的規(guī)劃設計方案，將數(shù)據(jù)中心供電損耗因子從0.08降至0.06左右。同時，變壓器越靠近負荷中心，所需傳輸線路就越短，將進一步減少線路損耗并降低建設成本。

在此基礎上，為了在機房電源系統(tǒng)的設計和建設中進一步降低電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和多級配電帶來的損耗，同時降低數(shù)據(jù)中心機房側(cè)電源配套投資、節(jié)約電源系統(tǒng)占地面積、縮短建設周期以及降低運行維護成本等，江蘇移動各部門積極調(diào)研、深入研究并評估新技術(shù)的應用，結(jié)合各類型業(yè)務設備的需求和供電方式多次組織專家分析討論，確定在中國移動長三角（南京）數(shù)據(jù)中心4號樓開展巴拿馬電源系統(tǒng)的應用。2020年1月正式立項中國移動長三角（南京）數(shù)據(jù)中心4號樓8～9層機房小機電工程，2020年11月開始在該機樓8～9層中的7個機房開展巴拿馬電源系統(tǒng)建設。

1 實施案例

1.1 業(yè)務應用場景需求

根據(jù)中國移動集團網(wǎng)絡云項目部署需求，需要在中國移動長三角（南京）數(shù)據(jù)中心4號樓8～9層部署機架。機架需求量大，平均單機架功耗7 kW，安裝的服務器、交換機等設備支持不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）及 240 V、336 V 直流系統(tǒng)供電，服務器設備要求采用2N不間斷電源系統(tǒng)供電。通過分析機房空間現(xiàn)狀和機架規(guī)模需求、制冷系統(tǒng)現(xiàn)狀及總用電功耗，測算得到的最佳方案是單個機房對應的電力室建設2套1 800 kW巴拿馬電源系統(tǒng)，同時在其中一個機房電力區(qū)建設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)和基礎電信業(yè)務運營商數(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)次級側(cè)直接輸出336 V的高壓直流電，同時考慮機房仍有部分空調(diào)末端采用交流供電，次級側(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、降低多級配電的損耗，巴拿馬電源系統(tǒng)采用了方艙式一體化設計，將高壓柜、變壓器直接封裝在一體化機柜中，確保供電安全和維護便利[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)建設情況

在中國移動長三角（南京）數(shù)據(jù)中心4號樓8～9層的7個電力機房建設巴拿馬電源系統(tǒng)，以單個機房建設為例（每個機房對應1個電力機房），根據(jù)機房機架規(guī)模、用電功耗和業(yè)務供電等級需求，每個機房建設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)正常供電時各帶50%負載，單套系統(tǒng)故障時由另一套系統(tǒng)帶載全部設備負荷。

根據(jù)現(xiàn)場的空間情況和業(yè)務機柜功耗需求，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)品化設計，包括10 kV進線柜、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輸出均包含在一個產(chǎn)品中，在項目實施階段大幅減少了傳統(tǒng)方案下多個生產(chǎn)廠家的設備到貨協(xié)調(diào)、施工單位現(xiàn)場交叉施工等工作。

在方案制定階段，根據(jù)產(chǎn)品的尺寸和維護空間的要求預留設備安裝位置。施工圖設計完成后，同步進行產(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，設備安裝部署后進行整體測試。系統(tǒng)供電架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)供電架構(gòu)

本應用案例立項的14套巴拿馬電源系統(tǒng)工程已經(jīng)順利實施，并通過第三方相關(guān)測試驗證后投入運行，產(chǎn)品相關(guān)電能質(zhì)量、參數(shù)滿足預期的目標要求。

2 實施成效分析

在項目中應用巴拿馬電源系統(tǒng)實現(xiàn)了高可靠、高效率、低成本以及節(jié)能減碳的目標，降低了施工難度，縮短了建設周期，提升了機房的使用率。

（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)運維實測，在50%負載率下電源系統(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）降低建設投資，節(jié)省機房空間。巴拿馬電源系統(tǒng)的應用減少了傳統(tǒng)電源系統(tǒng)建設模式下從10 kV配電至通信電源輸出的設備供電層級，減少了二級配電的相關(guān)設備、橋架、電纜等投資。考慮巴拿馬電源末端配電和交流供電會增加投資，本次采用全程端到端（從變壓器到機架電源分配電源）的建設方式。通過應用巴拿馬電源系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的電源系統(tǒng)建設模式，項目總投資節(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)省的面積用于機柜建設，單個樓層的機架數(shù)量由836架提升至918架，提高了機樓的空間利用率，每年增加租金收益約4 428 000元。

（3）縮短建設周期，降低施工和維護成本。傳統(tǒng)供電系統(tǒng)設備多、品牌雜、尺寸不統(tǒng)一，現(xiàn)場安裝工程量大，通常需要2個月才能交付。巴拿馬電源系統(tǒng)采用一體化設計和工廠預制，一般只需要2周就能完成極簡交付。巴拿馬電源系統(tǒng)優(yōu)化了中間供電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，減少的配電層級使系統(tǒng)架構(gòu)簡單清晰，提升了運維效率，單套設備維護成本由每年22 700元降至7 600元。

3 巴拿馬電源系統(tǒng)的應用優(yōu)勢分析

巴拿馬電源系統(tǒng)具有高可用性、高效率、低成本、模塊化、維護方便以及占地空間小等優(yōu)勢，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)的應用可以滿足業(yè)務發(fā)展需求，促進節(jié)能減排，適應數(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、建設投資以及維護成本。

（1）高效助力節(jié)能減排。巴拿馬電源具有產(chǎn)品預制化、低損耗、極簡架構(gòu)的優(yōu)勢，為推動數(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)務需求和經(jīng)濟效益。巴拿馬電源系統(tǒng)可以根據(jù)業(yè)務設備的需求調(diào)整系統(tǒng)輸出電壓等級，滿足不同設備的供電需求，適用于各類場景。通過調(diào)整巴拿馬電源的軟件部分即可滿足現(xiàn)場變更需求，避免設備拆除、調(diào)整帶來的損失。從建設、運行、維護等環(huán)節(jié)均降低了成本，提升了項目收益和企業(yè)的經(jīng)濟效益。

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

4 巴拿馬電源與預制化電力模塊的對比

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進行整合，通過高密度集成化和配電層級減少進一步提升供電效率。預制化電力模塊通過將變壓器與具有增強型節(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。巴拿馬電源和預制化電力模塊的特性對比如表1所示。

表1 巴拿馬電源與預制化電力模塊的特性對比

在預制化電力模塊采用增強型ECO模式時（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，巴拿馬電源比預制化電力模塊供電效率略高。預制化電力模塊可以兼容低壓油機和低壓交流母聯(lián)，更接近傳統(tǒng)維護習慣。巴拿馬電源適用于高壓油機與市電切換，由于大型數(shù)據(jù)中心普遍采用高壓油機，因此巴拿馬電源更多地應用在大型數(shù)據(jù)中心。

為了加快推廣應用高效節(jié)能技術(shù)、裝備和產(chǎn)品，引導綠色生產(chǎn)和綠色消費，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。

5 結(jié) 論

通過對數(shù)據(jù)中心巴拿馬電源實際應用案例的分析，闡述了巴拿馬電源在數(shù)據(jù)中心的實際應用價值、應用場景、造價、優(yōu)勢以及與預制化電力模塊的對比等?；趯Π湍民R電源在數(shù)據(jù)中心實際應用案例的思考和分析，希望能夠促進通信電源領域的進一步發(fā)展。