近年来,我国超大型数据中心及大型通信机房的建设速度逐渐加快,部署机架数量大幅增长。传统数据中心及通信机房配电及电源系统建设模式存在效率低、损耗大、占地面积大、建设运维复杂和成本高等痛点,其供电技术亟待革新,须向更可靠、更便宜、更高效、更易部署的方向发展。同时,大型、超大型数据中心和大型通信机房的投资建设面临着机房利用率和投资回报率的制约,急需一种高效、占地面积小、维护难度低的供电设备。
　　
　　1 什么是巴拿马电源
　　
　　在上述背景下,巴拿马电源诞生了。巴拿马电源是把数据中心和通信机房交流10kV直接变换到直流240V/336V的电源,它替代了原有10kV交流配电、变压器、低压配电、240V/336V不间断电源和输出配电单元等设备及相关配套设施,具备高效率、安全、可靠、节省空间、低成本、易安装和易维护等显著优势,完全匹配大型、超大型云计算数据中心和大型通信机房配电及不间断电源系统的需求。巴拿马电源名称的思考来源于巴拿马运河。巴拿马运河开通后,从太平洋到大西洋的航程缩短1万多千米。反观输入为交流10kV、输出为直流240V/336V的数据中心和通信机房电源即整合了中压配电、变压器、低压配电、整流模块和输出直流配电部分,最终把输入中压交流转换为240V/336V直流的电源。其一体化、集成和缩短中间变换环节的理念,与巴拿马运河的缩短多个运输环节的理念十分相同,因此业界把此电源称之为巴拿马电源。
　　
　　传统供电架构如图1所示,巴拿马电源架构示意图如图2所示。
　　

　　2 巴拿马电源与传统的供电系统对比分析
　　
　　(1)输入特性差异分析
　　
　　由于巴拿马电源是10kV输入系统,依据GB/T12325-2008《电能质量供电电压偏差》标准要求,当系统带有100%额定负载时,调节输入电压,验证其能否在10kV×(1±7%)即9.3～10.7kV范围内正常运行。对于低压输入的各类通信电源,一般按照输入额定电压的(85%～110%)的范围进行能否正常工作的验证,若把此思路应用到交流10kV侧,其输入电压验证范围为8.5～11.0kV,显然该要求与GB/T12325-2008相比更严酷。
　　
　　(2)输出特性差异分析
　　
　　巴拿马电源的最终输出240V/336V直流电压,其输出电压范围、输出直流配电部分压降和峰-峰值杂音等参数与低压输入的240V/336V直流供电系统无明显的差异。另外,其悬浮供电方式和输出电缆颜色标志等均与原传统系统保持一致。
　　
　　(3)整体特性差异分析
　　
　　由于巴拿马电源把传统的供电系统的输入电压升高至10kV,本章节主要分析输入电压会产生一定影响的参数,例如效率、输入电流谐波成分、功率因数和可维护性等几个性能参数方面解析巴拿马电源以及与传统供电系统差异性。
　　
　　①效率
　　
　　一定时段内输出能量与输入能量之比,是反应整个系统的节能性的关键指标。某输出为240V直流的巴拿马电源样品在不同的负载率下的效率曲线以及传统的低压输入240V输出的供电系统相同负载率下的效率曲线如图3所示。由图可知,巴拿马电源可提升系统效率3%～5%。
　　
　　注:该图为通信用240V/336V直流供电系统效率图基础上，10kV配电部分99.9%进行计算，低压配电部的能效按照99.8%进行计算；变压器的效率按照98.5%进行计算得出的最终曲线。
　　
　　同上,分别在10%到100%负载率下,输出为直流336V的巴拿马电源样品与传统低压输入的直流336V供电系统效率曲线对比如图4所示。
　　
　　由于巴拿马电源提升了输入电压,降低了损耗,与传统240V/336V直流供电整体系统(含10kV配电、变压器、低压配电、直流供电系统)的效率相比,能效提升相对明显。
　　
　　②输入电流谐波成分
　　
　　谐波是指频率为基波频率整数倍的正弦波。它是由于基波的正弦波形畸变引起的。电力谐波产生和传播的机理不同于基波,因此它对电力网中各类设备和组件也起到不同于基波的作用。一般来说谐波有三种分类方法:一是按谐波次数的奇偶性来分,有奇次谐波(3、5、7……次谐波)与偶次谐波(2、4、6……次谐波);二是按谐波的频率高低来分,如频率为基波频率的2倍称为二次谐波,频率为基波频率的3倍称为3次谐波,……;三是按谐波的序列来分,有正序谐波、零序谐波与负序谐波。常见的谐波源主要有换流设备、电弧炉、铁芯设备和照明设备等非线性电气设备。这些非线性负荷在工作时向电源反馈高次谐波,导致供电系统的电压、电流波形畸变,电力质量变坏。因此,谐波是电力质量的重要指标之一。谐波会引起电力设备附加损耗和发热,并使同步发电机的额定输出功率降低,转矩降低,变压器温度升高,效率降低,绝缘加速老化,缩短使用寿命甚至损害等。同时谐波注入电网后会使无功功率增加,功率因数降低,甚至有可能引发并联或串联谐波,损坏电气设备以及干扰通信电路的正常工作,因此非常有必要充分的验证巴拿马电源输入电流谐波成分,从而评价对电网的影响。
　　
　　表1为传统的低压输入的240V/336V直流供电系统进行测试的输入电流谐波成分与巴拿马电源的10kV输入端进行测试的在不同的负载率下的输入电流谐波成分测试值。由详细数据可看出,传统系统和巴拿马电源均能够达到100%额定负载率下输入电流谐波成分应≤5%的要求;对240V直流供电系统也能够满足50%负载率下输入电流谐波成分≤10%的要求;对336V直流供电系统满足50%负载率下输入电流谐波成分≤8%和30%负载率下输入电流谐波成分应≤10%的要求。
　　
　　③功率因数
　　
　　输入功率因数cosφ是反映总电功率中有功功率所占的比例大小的参数。理论上,有功功率表达式中的P=U×I×cosφ中的cosφ(φ为功率因数角功率因数角)为功率因数,功率因数小于或等于1,功率因数的大小说明电源被利用程度。从巴拿马电源的实现原理上,在10kV端进行功率因数校正以及在低压端功率因数校正从技术实现上有较大的差,它采用了使用多脉冲移相变压器实现高功率因数,从而减少整流电源内部PFC和滤波回路。从测试数据的对比结果来看,不管是传统的输出为240V/336V直流供电系统还是巴拿马电源,均能够做到功率因数为0.990～0.999。
　　
　　④稳压精度
　　
　　稳压精度是在不同的输入电压和负载电流条件下,测量输出电压变化情况的参数。该指标主要考察的是当输入电压和输出负载条件均发生变化时被测系统的输出电压幅值受到多大的影响。具体测试方法为调节系统输入电压至下限值,输出接额定阻性负载,用电力谐波分析仪或电压表测量系统输出电压Ua。调节系统输入电压至上限值,输出空载,用电力谐波分析仪或电压表测量被测系统输出电压Ub。
　　
　　输出稳压精度为　　
　　式中,U0为巴拿马电源输出额定电压,单位为V;Ua为该电源额定负载时的输出电压,单位为V;Ub为该电源额定负载时的输出电压,单位为V。
　　
　　以输出为直流240V的巴拿马电源样品为例,其系统稳压精度为-0.08%～0.10%。而针对传统的低压输入的240V直流供电系统而言,目前行业内各供应商水平最优可达-0.05%～0.05%范围内,而大部分供应商可做到-0.50%～0.5%范围内,因此在稳压精度这个指标上没有明显的差异。
　　
　　⑤电池管理功能
　　
　　对于巴拿马电源而言,实现具备接入两组蓄电池的装置、对蓄电池均充及浮充状态进行手动和自动转换功能、在对蓄电池进行均充时具有限流充电功能和系依据蓄电池工作环境温度对系统的输出电压进行温度补偿等常规的管理功能实现起来相对容易。唯一具有挑战性的是,由于巴拿马电源容量比常规240V/336V直流供电系统大,例如一套巴拿马电源约2.0MW容量,所包括的电池组的数量以及单体电池的数量较多,对电池组的整体管理以及单体电池管理等提出了一定的挑战性。
　　
　　(4)可维护性
　　
　　由于巴拿马电源采用了产品化的设计,从10kV输入至直流240V/336V输出均包含在一个产品中,大幅减少了传统供配电系统中的不同层级的配电设备维护以及上下级配电之间的级差配合等问题。通过产品化设计实现内部紧耦合保障整个系统的安全性和可靠性。同时与传统供电系统相比也能够大幅降低现场的施工工作量。通过模块化设计又能够灵活配置和扩容,减少初期投资成本,有力推动数据中心及通信机房领域的安全、稳定、可靠、绿色、节能的发展方向。
　　
　　但应值得注意的是,由于巴拿马电源的输入为10kV交流,运维人员的运维界面从传统的低压侧推高到了10kV侧。运维人员应了解和掌握针对需要10kV端的安全操作以及注意事项,必须具备相关的高压操作资质才能够胜任这项工作。
　　
　　3 国内国际标准化工作概况
　　
　　巴拿马电源已在中国通信标准化协会(CCSA)通信电源与局站工作环境技术工作委员会(TC4)的2019年12月第35次大会提出立项,并通过与会专家讨论,目前已递交工业和信息化部完成相关流程中。而关于国际标准化方面,中国信息通信研究院与阿里巴巴公司联合编写文稿,在国际电信联盟标准化局(ITU-T)第五研究组本研究周期第6次大会上提出立项，并等待大会讨论中。因此，基于巴拿马电源的创新性以及行业广泛应用基础，目前国内国际标准化工作同步推进，力争我国国际标准话语权。
　　
　　4 结束语
　　
　　本文重点解析数据中心和通信机房用巴拿马电源的原理、输入输出特性、效率、功率因数、输入电流谐波成分、安全性以及可维护性等方面,希望对相关研发技术人员、标准化研究人员以及相关的运维人员提供支撑和帮助。
　　
　　作者简介
　　
　　齐曙光,中国信息通信研究院泰尔系统实验室能源与环境测评部副主任,高级工程师。长期从事信息通信领域基础设施基础性、前瞻性研究,产品测试技术以及相关标准研究工作。
　　
　　编辑：Harris