淺談數(shù)據(jù)中心機房末端配電技術(shù)與產(chǎn)品監(jiān)控選型

 

摘要：數(shù)據(jù)中心機房末端配電的可靠性、穩(wěn)定性和可維護性直接關(guān)系到IT設(shè)備的安全供電。數(shù)據(jù)中心的末端配電技術(shù)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(shù)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(jié)論。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；末端配電；列頭柜；智能小母線

      數(shù)據(jù)中心是國家確定的“新基建"七大領(lǐng)域之一。數(shù)據(jù)中心在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中所起的作用越來越重要，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為了各行各業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，為經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級提供了重要支撐。

數(shù)據(jù)中心要實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定運行，前提是其供電系統(tǒng)應(yīng)穩(wěn)定可靠、不間斷。當前，重要程度高的數(shù)據(jù)中心一般采用2N架構(gòu)的UPS供電方式，以實現(xiàn)容錯要求，供電系統(tǒng)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(tǒng)，典型的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)如圖1所示。

 

       圖1 典型數(shù)據(jù)中心2N供電系統(tǒng)圖

      從圖1可以看出，最終的用電設(shè)備實現(xiàn)了全程雙路由容錯供電。

      數(shù)據(jù)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(shè)備的配電部分，最終用電設(shè)備包括IT設(shè)備、動力設(shè)備和照明等。數(shù)據(jù)中心的末端配電用電設(shè)備，是整個供配電系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的安全可靠十分重要。

傳統(tǒng)的末端配電技術(shù)一般采用列頭柜加電纜配電，典型的配電系統(tǒng)如圖 2 所示。

 

圖2 數(shù)據(jù)中心典型配電系統(tǒng)圖

     注：系統(tǒng)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(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施宜按容錯系統(tǒng)配置。當數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心應(yīng)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(shè)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(tǒng)引出，即列頭柜A由2N雙母線系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)A引出，列頭柜B由2N雙母線系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)B引出。

       IT機柜的供電方式為：每個IT機柜內(nèi)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(xiàn)了全程雙回路供電，無單點故障點，供電架構(gòu)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(nèi)部配置和配電電纜的敷設(shè)不同。具體方案是：每個封閉冷通道也設(shè)置兩個列頭柜，列頭柜A和列頭柜B，但每個列頭柜內(nèi)部又分為A、B兩路，每路由不同的UPS系統(tǒng)引出，即列頭柜A和列頭柜B內(nèi)的A路由2N雙母線系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)A引出，列頭柜A和列頭柜B內(nèi)的B路由2N雙母線系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(nèi)的A路，PDU（B）來自于列頭柜B內(nèi)的B路；第2列的IT機柜的PDU（A）來自于列頭柜B內(nèi)的A路，PDU（B）來自于列頭柜A內(nèi)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(xiàn)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(shè)置1個列頭柜，位于其中一列的頭部，列頭柜內(nèi)部分為A、B兩路，分別由不同的UPS系統(tǒng)引出。IT機柜的兩路PDU分別由列頭柜內(nèi)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(shè)，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(shù)分析

     列頭柜配電技術(shù)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(shù)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(wù)器進行供電。列頭柜在設(shè)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(diào)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(diào)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(xiàn)絕緣老化時無法提前預(yù)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(shù)，智能小母線配電技術(shù)應(yīng)運而生。

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

4.1智能小母線的分類

      智能小母線按照結(jié)構(gòu)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(xiàn)插接箱的在線插拔；母線槽為模塊化結(jié)構(gòu)，支持分步實施、延續(xù)、擴展和重構(gòu)，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(cè)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(jié)構(gòu)簡單，成本更低。但其插接箱是固定的，不能根據(jù)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(shù)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(diào)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(nèi)，占用IT機柜上方的水平空間較小，一般可以在500mm以內(nèi)。插接箱朝向機柜后側(cè)，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(nèi)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(diào)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(shù)與智能小母線配電技術(shù)的優(yōu)缺點

       傳統(tǒng)的機房末端配電技術(shù)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(diào)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(shù)采用了進線箱、母線槽和插接箱，為模塊化結(jié)構(gòu)，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(diào)整，插接箱可熱插拔，只需更換插接箱即可；若機房搬遷，設(shè)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(guān)進行分合閘等操作，比較不方便。

     （3）設(shè)置復雜。若插接箱內(nèi)的空氣開關(guān)故障，就要更換插接箱，而且插接箱更換后需要廠家重新設(shè)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(wù)器或是方案固定的數(shù)據(jù)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(wù)器的數(shù)據(jù)中心，或后期需要進行末端負荷調(diào)整的數(shù)據(jù)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?nèi)砸猿Ｒ姷姆忾]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(nèi)的單列IT機柜數(shù)量在25個以內(nèi)，現(xiàn)假設(shè)為單列18個機柜，若采用列頭柜配電方式，則單列IT機柜數(shù)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(shù)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(shè)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(nèi)，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(shù)據(jù)中心的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的能耗問題也越來越突出，有關(guān)數(shù)據(jù)中心的能源管理和供配電設(shè)計已經(jīng)成為熱門問題，高效可靠的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案，是提高數(shù)據(jù)中心電能使用效率，降低設(shè)備能耗的有效方式。要實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能，首先需要監(jiān)測每個用電負載，而數(shù)據(jù)中心負載回路非常的多，傳統(tǒng)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(shù)據(jù)中心集中監(jiān)控要求的多回路監(jiān)控裝置。

6.2應(yīng)用場所

      適用于運營商、金融、、互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)等數(shù)據(jù)中心

6.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

6.4系統(tǒng)功能

1）主頁

開機進入主頁，包含進線參數(shù)、開關(guān)狀態(tài)、出線參數(shù)、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(shù)監(jiān)測

監(jiān)測主路的三相電壓、電流、系統(tǒng)頻率；各項及總的有功功率，無功功率，視在功率，功率因數(shù)，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(shù)監(jiān)測 

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

 

4）開關(guān)狀態(tài)

      左側(cè)一列為主路開關(guān)狀態(tài)，主路跳閘SD狀態(tài)、主路防雷開關(guān)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(cè)的皆為支路開關(guān)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(guān)量動作告警；任意數(shù)據(jù)的定時存儲；進線過電流2段閥值越限告警，可任意設(shè)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(tǒng)硬件配置

 

7.1概述

     數(shù)據(jù)中心IT服務(wù)器配電傳統(tǒng)采用精密配電柜，占用空間較大，配電線纜多，新增設(shè)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(shù)據(jù)中心的青睞，被越來越多的應(yīng)用。

安科瑞智能母線監(jiān)控產(chǎn)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(wǎng)線手拉手簡單組網(wǎng)，可以實現(xiàn)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(shù)據(jù)上傳通訊。

 7.2應(yīng)用場所

     適用于運營商、金融、、互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)等數(shù)據(jù)中心

7.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

7.4系統(tǒng)功能

1）實時監(jiān)測

     在主頁點擊數(shù)據(jù)采集按鈕后，進入系統(tǒng)圖界面：此界面顯示了每個箱子的電壓。

 

2）基本參數(shù)界面

     顯示電壓、電流、功率、電能等電參數(shù)數(shù)據(jù)，在設(shè)備地址旁邊的輸入框輸入本箱子對應(yīng)的儀表地址，即可實現(xiàn)對箱子中儀表數(shù)據(jù)的采集。

 

3）諧波數(shù)據(jù)

 

 

 

 

 

 

7.5系統(tǒng)硬件配置

 

     末端配電是數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的末梢環(huán)節(jié)，它的可靠性、穩(wěn)定性和可維護性直接關(guān)系到IT設(shè)備的安全供電。數(shù)據(jù)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(jié)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(yīng)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(wù)器的數(shù)據(jù)中心，或后期需要進行末端負荷調(diào)整的數(shù)據(jù)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(wù)器或是方案固定的數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)、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(nèi)可以為投資方帶來更大的收益。因此，建議在數(shù)據(jù)中心內(nèi)推廣應(yīng)用智能小母線末端配電技術(shù)。

【1】謝擁華. 數(shù)據(jù)中心機房末端配電技術(shù)與應(yīng)用探討

【2】開放數(shù)據(jù)中心標準推進委員會《數(shù)據(jù)中心新型末端母線》2019年12月

【3】AcrelEMS-IDC數(shù)據(jù)中心綜合能效管理解決方案-樣本

【4】數(shù)據(jù)中心解決方案樣本2022.04版

作者簡介

   劉細鳳，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事數(shù)據(jù)中心相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)及應(yīng)用。