安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801

 

摘要：數據中心機房末端配電的可靠性、穩(wěn)定性和可維護性直接關系到IT設備的安全供電。數據中心的末端配電技術主要有兩種，一種采用列頭柜加電纜配電，另一種是智能小母線配電。分別對兩種配電技術進行了介紹和探討，最后對兩種配電方式進行了對比分析，得出一些有益的結論。

關鍵詞：數據中心；末端配電；列頭柜；智能小母線

      數據中心是國家確定的“新基建"七大領域之一。數據中心在國民經濟和社會發(fā)展中所起的作用越來越重要，數據中心已經成為了各行各業(yè)的關鍵基礎設施，為經濟轉型升級提供了重要支撐。

數據中心要實現持續(xù)穩(wěn)定運行，前提是其供電系統應穩(wěn)定可靠、不間斷。當前，重要程度高的數據中心一般采用2N架構的UPS供電方式，以實現容錯要求，供電系統包括高低壓配電、后備發(fā)電機組、不間斷電源、后備蓄電池、精密配電等子系統，典型的數據中心供電系統如圖1所示。

 

       圖1 典型數據中心2N供電系統圖

      從圖1可以看出，最終的用電設備實現了全程雙路由容錯供電。

      數據中心機房的末端配電一般是指從不間斷電源輸出柜到最終用電設備的配電部分，最終用電設備包括IT設備、動力設備和照明等。數據中心的末端配電用電設備，是整個供配電系統中的關鍵環(huán)節(jié)，它的安全可靠十分重要。

傳統的末端配電技術一般采用列頭柜加電纜配電，典型的配電系統如圖 2 所示。

 

圖2 數據中心典型配電系統圖

     注：系統圖中的方框部分即為末端配電部分。

按照國家規(guī)范的要求，數據中心的基礎設施宜按容錯系統配置。當數據中心的末端配電采用列頭柜加電纜配電時，存在多種方案。以數據中心應用較多的封閉冷通道為例，配電方案主要有如下4種方案。

3.1方案一

     方案一如圖3所示。

 

圖3 列頭柜雙柜配電方案

       注：圖中僅示出了其中一列機柜的配電電纜，另一列機柜同理。

       每個封閉冷通道設置兩個列頭柜，分別位于每列的頭部，每個列頭柜由不同的UPS系統引出，即列頭柜A由2N雙母線系統的UPS系統A引出，列頭柜B由2N雙母線系統的UPS系統B引出。

       IT機柜的供電方式為：每個IT機柜內包括兩路PDU，PDU(A)和PDU(B)，其中PDU（A）通過電纜由列頭柜A取電，PDU(B)通過電纜由列頭柜B取電。

本供電方案的優(yōu)點是實現了全程雙回路供電，無單點故障點，供電架構清晰。缺點是IT機柜的供電需要跨列引電，布線有一定難度。

3.2方案二

       方案二的機柜布置和方案一相同，如圖3所示，但列頭柜的內部配置和配電電纜的敷設不同。具體方案是：每個封閉冷通道也設置兩個列頭柜，列頭柜A和列頭柜B，但每個列頭柜內部又分為A、B兩路，每路由不同的UPS系統引出，即列頭柜A和列頭柜B內的A路由2N雙母線系統的UPS系統A引出，列頭柜A和列頭柜B內的B路由2N雙母線系統的UPS系統B引出。

IT機柜的供電方式是IT機柜的兩路PDU均來自于本列的列頭柜，其中PDU（A）來自于本列列頭柜中的A路，PDU（B）來自于本列列頭柜中的B路；這種供電方式結構清晰，但當列頭柜需要擴容、更換或移位時，后端IT機柜的割接難度和工作量較大。

3.3方案三

       方案三和方案二的不同之處僅在于IT機柜的取電方式不同，即IT機柜的兩路PDU分別來自于不同的列頭柜，且不同路，第1列的IT機柜的PDU（A）來自于列頭柜A內的A路，PDU（B）來自于列頭柜B內的B路；第2列的IT機柜的PDU（A）來自于列頭柜B內的A路，PDU（B）來自于列頭柜A內的B路；這種供電方式保證了IT機柜的供電為全程雙路由，且不存在單點故障點，但布線比較復雜，現場接線容易發(fā)生錯誤，可能導致IT

機柜由假雙路電源供電。

3.4方案四

      方案四如圖4所示。

 

圖4 列頭柜單柜供電方案

        每個封閉冷通道只設置1個列頭柜，位于其中一列的頭部，列頭柜內部分為A、B兩路，分別由不同的UPS系統引出。IT機柜的兩路PDU分別由列頭柜內的A路和B路取電。

這種方案的優(yōu)點是只占用了一個機柜位置，節(jié)約了寶貴的機房空間資源。缺點是電纜需要跨列敷設，且當列頭柜需要維修、擴容、更換或移位時，將造成后端所有IT機柜斷電。

3.5列頭柜配電方案對比

        對上述4種列頭柜配電方案進行對比，如表1所示。

表1 四種列頭柜配電方案對比

 

     綜合列頭柜的上述4種列頭柜配電方案的優(yōu)、缺點，建議采用配電方案一。

3.6列頭柜配電技術分析

     列頭柜配電技術要占用寶貴的機房資源，每臺列頭柜要占用了一個機柜位置，使得可出租的IT機柜數量變少。列頭柜配電采用電纜進行出線，出線配置1P或2P空開，每一個出線回路連接一根電纜到一臺機柜，再通過工業(yè)連接器或者直接連接到PDU的端子排上，為服務器進行供電。列頭柜在設計中往往會配置一些備用回路，以備日后機柜擴容或者維修，當列頭柜方案落地實施后，再進行調整和更改會非常麻煩，甚至需要停機進行作業(yè)。采用電纜出線，如果雙路配電的方案，會有大量的電纜需要部署，后期維護、增加、減少機柜、調整機柜布局、增加機柜容量等難度很大。另外，電纜中間沒有監(jiān)控，長期通過大電流出現絕緣老化時無法提前預警，對運營帶來潛在危險。

      由于列頭柜要占用寶貴的機房資源，且配電不夠靈活，業(yè)界一直在研究更加靈活可靠的末端配電技術，智能小母線配電技術應運而生。

智能小母線是相對應用于低壓配電系統的大母線而言的，應用于機房末端配電，且電流一般在800A以下的小型母線系統。

4.1智能小母線的分類

      智能小母線按照結構可以分為滑軌式小母線和直列式小母線。

所謂滑軌式小母線，是指銅排導體采用環(huán)繞式布置，中間形成一個連續(xù)的空間通道，底部連續(xù)開槽，支持在任意點位插接取電的母線形式。

滑軌式小母線具有全程全點位接入分支回路的特點。插接箱在母線槽的下方安裝，即插即用，母線槽無需斷電即可實現插接箱的在線插拔；母線槽為模塊化結構，支持分步實施、延續(xù)、擴展和重構，支持部件的按需分項采購和部署。

所謂直列式小母線，是指銅排導體采用上下并列平行布置，母線左右兩側可間隔或密集布置插孔接入分支回路的母線形式。

      直列式母線結構簡單，成本更低。但其插接箱是固定的，不能根據需求靈活移動，插接箱在母線槽的左右水平方向安裝，插接口的數量有限，整體擴容性差。另外，插接箱的體積大，占用空間大，不易更換，維護困難。因此，直列式小母線適合后期方案不進行調整，大范圍固定配置的部署。

滑軌式小母線和直列式小母線的特點對比如表2所示。

表2 滑軌式小母線和直列式小母線

 

       由于滑軌式小母線的插接箱在母線槽的下方向下安裝，兩條智能小母線間距可以控制在150mm以內，占用IT機柜上方的水平空間較小，一般可以在500mm以內。插接箱朝向機柜后側，便于操作和觀察。而直列式小母線占用IT機柜上方的水平空間較大，一般都600mm以上，不便于安裝，且不便于后期的操作和觀察。因此，智能小母線推薦采用滑軌式小母線，不建議采用直列式小母線。

4.2智能小母線的配置方式探討

對于封閉冷通道，智能小母線有單列單母線和單列雙母線兩種配置方式。

單列單母線配置圖如圖5所示。

 

 

 

 

     由于采用單列單母線方式，需要跨列橋架，布線難度很大，不建議采用此種配置方式，推薦采用單列雙母線配置方式。

4.3智能小母線插接箱配置方式探討

     IT機柜通過插接箱從母線取電，即母線通過插接箱將電送至IT機柜內的PDU。插接箱有單路輸出和三路輸出兩種，單路輸出的插接箱一般為單相，有的具備調相功能。三路輸出的插接箱輸入一般為三相，輸出自然分相，有利于三相平衡。

因此，插接箱的配置方式可以分為一對一模式和一對三模式。一對一模式的配置圖如圖6所示，一對三模式如圖7所示。

 

       雖然插接箱一對一的配置方式清晰方便，發(fā)生故障時只影響一個機架，但成本較高。考慮到IT機柜有兩路供電，由于采用單列單母線方式，需要跨列橋架，布線難度兩路供電同時發(fā)生故障的可能性很低，而且，一對三方式采用一般三相輸入，輸出到三個機柜自然分相，不需要額外考慮三相平衡問題，因此推薦采用一對三的配置方式。

5.1列頭柜配電技術與智能小母線配電技術的優(yōu)缺點

       傳統的機房末端配電技術采用列頭柜加電纜的配電方式，列頭柜需要占用機柜安裝位置；需要安裝走線架，施工難度大，電纜較多，且一般需要一次性建成；IT機柜的配電容量是固定的，無法進行靈活調整；若機房搬遷，列頭柜、電纜、走線架等一般無法重復利用。

智能小母線配電技術采用了進線箱、母線槽和插接箱，為模塊化結構，不需要占用寶貴的機柜安裝位置；無需走線架，施工工期短；若IT機柜容量調整，插接箱可熱插拔，只需更換插接箱即可；若機房搬遷，設備均可重復利用。

但智能小母線也存在如下缺點。

     （1）對機房高度要求更高。采用列頭柜配電方式，為滿足走線要求，一般要求IT機柜上方有不小于500mm的高度，而智能小母線，要求上方不小于800mm的高度。

     （2）維護操作不方便。智能小母線的安裝位置較高，操作人員如果要對開關進行分合閘等操作，比較不方便。

     （3）設置復雜。若插接箱內的空氣開關故障，就要更換插接箱，而且插接箱更換后需要廠家重新設置通訊地址。

兩種配電方式的特點對比如表5所示。

 

 

     綜上所述，如果是一次性部署服務器或是方案固定的數據中心，一般會采用列頭柜加電纜的配電方案。如果是需要分批次部署服務器的數據中心，或后期需要進行末端負荷調整的數據中心，推薦采用全點位、滑軌式的智能小母線配電方案。

5.2兩種配電方式的造價對比

     我們仍以常見的封閉冷通道來進行對比，該封閉冷通道采用2N雙母線UPS供電方式。一般來說，封閉冷通道內的單列IT機柜數量在25個以內，現假設為單列18個機柜，若采用列頭柜配電方式，則單列IT機柜數為17個，單個IT機柜額定功率為4kW。采用智能小母線方案，則單列機柜數為18個機柜。

     列頭柜配電方案如圖3所示，智能小母線配電方案如圖7所示。

     列頭柜配電方案的造價如表6所示。

表6 列頭柜配電方案造價

 

智能小母線配電方案的造價如表7所示。

 

 

 

      從表6和表7可以看出，兩種配電方式的造價相差105840元，但智能小母線配電方式可以多安裝2個IT機柜，假設每機柜的月租金（不含電費）為2500元，則多花的投資部分，其回收期約為1.76年。在10年的運營期內，小母線配電方式可以為增加租金收入約49.4萬。

6.1概述

      隨著數據中心的迅猛發(fā)展，數據中心的能耗問題也越來越突出，有關數據中心的能源管理和供配電設計已經成為熱門問題，高效可靠的數據中心配電系統方案，是提高數據中心電能使用效率，降低設備能耗的有效方式。要實現數據中心的節(jié)能，首先需要監(jiān)測每個用電負載，而數據中心負載回路非常的多，傳統的測量儀表無法滿足成本、體積、安裝、施工等多方面的要求，因此需要采用適用于數據中心集中監(jiān)控要求的多回路監(jiān)控裝置。

6.2應用場所

      適用于運營商、金融、政府、互聯網、企業(yè)等數據中心

6.3系統結構

 

6.4系統功能

1）主頁

開機進入主頁，包含進線參數、開關狀態(tài)、出線參數、報警查詢等功能，按按鈕可進入各功能界面查看。

 

2）進線參數監(jiān)測

監(jiān)測主路的三相電壓、電流、系統頻率；各項及總的有功功率，無功功率，視在功率，功率因數，有功電能、無功電能；電流、電壓不平衡度；電流、電壓諧波含量；最大需量。

 

3）出線參數監(jiān)測 

      分支回路的電壓、電流、有功功率、有功電能、功率因數額定電流設置、各相電流值；負載百分比；最大需量。

 

4）開關狀態(tài)

      左側一列為主路開關狀態(tài)，主路跳閘SD狀態(tài)、主路防雷開關狀態(tài)、主路防雷故障點狀態(tài)，默認為無源檢測點，分閘為綠色，合閘為紅色。主路右側的皆為支路開關狀態(tài)；默認為有源檢測點，合閘為紅色，分閘為綠色。

 

5）報警查詢

      當前報警界面可查看實時報警和歷史報警；開關量動作告警；任意數據的定時存儲；進線過電流2段閥值越限告警，可任意設定告警值；進線過壓、欠壓、缺相、過頻率、低頻率越限告警；聲光告警功能。

 

6.5系統硬件配置

 

7.1概述

     數據中心IT服務器配電傳統采用精密配電柜，占用空間較大，配電線纜多，新增設備不便，為了節(jié)省面積，智能小母線方案由于不占用機房面積、可按需靈活插拔，受到很多數據中心的青睞，被越來越多的應用。

安科瑞智能母線監(jiān)控產品分為交流和直流母線監(jiān)控兩類，包括始端箱監(jiān)測模塊、插接箱監(jiān)測模塊以及觸摸屏，另外還可以搭配母線槽連接器紅外測溫模塊用于監(jiān)測母線槽的運行溫度，確保母線槽配電安全。通過標準網線手拉手簡單組網，可以實現任意插接箱檢修或更換時不影響其他在線運行的插接箱的數據上傳通訊。

 7.2應用場所

     適用于運營商、金融、政府、互聯網、企業(yè)等數據中心

7.3系統結構

7.4系統功能

1）實時監(jiān)測

     在主頁點擊數據采集按鈕后，進入系統圖界面：此界面顯示了每個箱子的電壓。

 

2）基本參數界面

     顯示電壓、電流、功率、電能等電參數數據，在設備地址旁邊的輸入框輸入本箱子對應的儀表地址，即可實現對箱子中儀表數據的采集。

 

3）諧波數據

 

 

 

 

 

 

7.5系統硬件配置

 

     末端配電是數據中心供配電系統的末梢環(huán)節(jié)，它的可靠性、穩(wěn)定性和可維護性直接關系到IT設備的安全供電。數據中心的末端配電方式主要包括兩種，一種是采用列頭柜加電纜的配電方式，另一種是智能小母線配電方式。本文通過分析，得出如下結論：

   （1）對于封閉冷通道，如果采用列頭柜加電纜的配電方式，建議采用上文中的方案一，即每個冷通道配置2個列頭柜，每個IT機柜分別從2個列頭柜各取1路電源。

   （2）智能小母線分為滑軌式小母線和直列式小母線，考慮到機房的實際應用環(huán)境，推薦采用滑軌式小母線，不建議采用直列式小母線。

   （3）智能小母線推薦采用單列雙母線方案。

   （4）智能小母線的插接箱推薦采用一拖三方案。

   （5）對于分批次部署服務器的數據中心，或后期需要進行末端負荷調整的數據中心，強烈建議采用滑軌式的智能小母線配電方案；如果是一次性部署服務器或是方案固定的數據中心，可采用列頭柜加電纜的配電方案。

   （6）智能小母線造價相對較高，投資回收期約為2年。

    總的來說，由于智能小母線具有不占用機柜位置、配電回路清晰、模塊化結構、工期短、可重復利用等優(yōu)點，雖然其造價相對較高，但在整個運營期內可以為投資方帶來更大的收益。因此，建議在數據中心內推廣應用智能小母線末端配電技術。

【1】謝擁華. 數據中心機房末端配電技術與應用探討

【2】開放數據中心標準推進委員會《數據中心新型末端母線》2019年12月

【3】AcrelEMS-IDC數據中心綜合能效管理解決方案-樣本

【4】數據中心解決方案樣本2022.04版

作者簡介

    任運業(yè)，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事數據中心相關產品的研發(fā)及應用。