淺談數(shù)據(jù)中心末端配電方式特點

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：隨著云服務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心正朝著大型化、高密度、綠色環(huán)保、模塊化方向發(fā)展；隨著IT技術(shù)的發(fā)展，出租機房等商業(yè)模式的興起，機房建設(shè)之初機柜密度不確定性大為增加，對機房內(nèi)末端供配電系統(tǒng)在經(jīng)濟性、持續(xù)性、靈活性、可靠性上提出了新的挑戰(zhàn)。列頭柜加電纜的傳統(tǒng)末端配電方式因其局限性而難以適應當今技術(shù)的發(fā)展。使用1000A以下的靈活小母線來替代列頭柜及電纜的配電方式，成為解決數(shù)據(jù)中心內(nèi)機房供配電發(fā)展的一種新方式。靈活小母線可在機桓密度不確定的隋況下進行分階段的快速部署，必將成為現(xiàn)今數(shù)據(jù)中心內(nèi)供配電的一種發(fā)展趨勢，為客戶的關(guān)鍵負載提供更可靠的保障。新模式帶來新價值，新的配電方式將使數(shù)據(jù)中心降低總體投資，提高設(shè)備的用電可靠性，使數(shù)據(jù)中心更加綠色環(huán)保。

關(guān)鍵詞：末端配電；靈活母線；智能母線監(jiān)控系統(tǒng)；列頭柜

1引言

  隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，云計算、電子商務(wù)、電子政務(wù)、電子金融、網(wǎng)絡(luò)游戲、云存儲等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)相繼出現(xiàn)，使得當今社會變成云時代、大數(shù)據(jù)的信息化新時代，數(shù)據(jù)中心成為信息化的重要載體，承擔著對電子信息的傳輸、運算、存儲等功能。為了適應當今網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的快速發(fā)展，以及第三方托管型數(shù)據(jù)中心的興起，除了建設(shè)充足、穩(wěn)定、經(jīng)濟、可靠的數(shù)據(jù)中心外，還應追求它的高效、綠色、靈活、低能耗。“高效”體現(xiàn)在應以較小的投資換取收益，比如采用高壓直流供電來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的交流供電：再比如數(shù)據(jù)中心的管理人員會根據(jù)服務(wù)器的使用情況，重新劃定高密區(qū)及低密區(qū)，以便達到更好的制冷效果。“綠色”則體現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心應盡可能多地采用一些可二次回收再利用的產(chǎn)品。“靈活”體現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心內(nèi)的產(chǎn)品應該盡可能地做到熱插拔、標準化、模塊化、集成化、即插即用，將工程化的工作變成產(chǎn)品化的服務(wù)，即可快速地安裝部署，又可減少人為施工帶來的失誤，還可在更換服務(wù)器的時候快速做出響應。

2數(shù)據(jù)中心末端配電的界定 

  如圖1所示，機房內(nèi)末端配電的范圍應該從UPS的配電柜引出至機柜內(nèi)的PDU止，這一段上的電流在800A以下，主要供電對象為IT設(shè)備，*數(shù)據(jù)中心一般采用A、B雙路系統(tǒng)進行供電。

圖1 監(jiān)測模塊

3 數(shù)據(jù)中心采用傳統(tǒng)配電方式分析

3.1機房傳統(tǒng)配電方式

  機房配電系統(tǒng)一般采用雙路市電接入，經(jīng)低壓配電柜分別接入兩組UPS設(shè)備，UPS配電柜再分配到各個列頭柜，經(jīng)列頭柜后接入備機柜PDU，再接入IT設(shè)備(見圖2)。

圖2 采用列頭柜的機房配電模式

  機房傳統(tǒng)配電方式采用電纜從UPS出線柜至機房內(nèi)的每個列頭柜的方式；經(jīng)列頭柜配電后，再采用電纜接至各機柜PDU的方式。列頭桓是一列機柜設(shè)備頂端的一個機柜，主要功能是對這一列機柜的交流或者直流負載提供電源，起到配電、監(jiān)控、測量、保護、告警等作用。配電列頭柜的內(nèi)部主要由5根母排(L1、L2、L3、N、PE)以及斷路器組成，從前端的UPS配電柜引出的電纜首先會通過機柜內(nèi)的塑殼斷路器(MCB)，之后從塑殼斷路器上引出3根相線接入3根母排。母排壓接導線后接入每個斷路器，再與N排及PE排引出的導線匯成1根電纜為機柜供電。

3.2機房傳統(tǒng)配電監(jiān)控模式

  配電列頭柜的監(jiān)控方式是通過CT、PT及各種輔助觸點測量出每一路的電壓、電流，之后通過計算機主板內(nèi)自帶的公式算法演算出各種電參量：再通過RS485等通信線與機桓上的人機交互界面進行傳輸，之后人機顯示器再通過RS485等通訊線將各列頭柜的監(jiān)控信息統(tǒng)一收集后上傳至網(wǎng)關(guān)：用戶從主控室或移動式電子設(shè)備上讀取數(shù)據(jù)

3.3機房傳統(tǒng)配電方式的優(yōu)點

  采用列頭柜加電纜的傳統(tǒng)配電方式有以下優(yōu)點： 

  1)技術(shù)成熟，適用于事先已確定容量的機柜配電； 

  2)采用放射式結(jié)構(gòu)，可減小故障的影響范圍； 

  3)集中監(jiān)控，便于運維人員在現(xiàn)場獲取數(shù)據(jù)： 

  4)當“零地”電壓不滿足IT設(shè)備使用要求時，可在配電列頭柜中安裝隔離變壓器，降低“零地”電壓。 

3.4機房傳統(tǒng)配電方式的缺點

  列頭柜加電纜的配電方式雖然還在沿用，但已不符合當今數(shù)據(jù)中心對靈活性和可靠性的要求，其缺點如下：

  1)列頭柜占用的面積約占機房地板面積的7％，即機桓數(shù)量減少7％；

  2)由于線纜較多，電能損耗較大：

  3)電纜占據(jù)地板下大量空間，對地板下的氣流形成干擾，導致空調(diào)的效率降低：

  4)故障率高，由于電纜接頭容易氧化、松動和接觸不良，造成電阻增大，產(chǎn)生過熱或打火而引發(fā)建筑火災事故：

  5)配電設(shè)計受到限制，需要在確定功率密度后確定配電柜的數(shù)量和位置；

  6)由于線路復雜、IT設(shè)備又不能斷電，因而造成線路和設(shè)備維護檢修困難：

  7)由于列頭柜的容量和出線路數(shù)已固定，無法滿足新增機柜和容量。  

4數(shù)據(jù)中心采用小母線配電方式的分析

4．1機房小母線配電方式

  采用小母線配電方式是為了減少傳統(tǒng)配電方式的缺點，利用小母線及配電接插箱來完成對每一個機柜的精準配電，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

  1)電力端口箱(Power Feed)：負責UPS配電桓與小母線的連接，電纜在電力端口箱中通過塑殼斷路器后分別接入對應的母線端子排上。

  2)母線槽主體(Housing Section)：是傳導電力的主體，內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)為4根銅排(L1、L2、L3、N)或5根銅排(L1、L2、L3、N、PE)。

  3)配電接插箱(Plug—in Units)：是插于母線槽主體上的小型配電箱，一般由監(jiān)控設(shè)備、輸出端口、保護設(shè)備等組成，主要用于為每一個用電設(shè)備提供精準的電力，有的接插箱還配有相位選擇旋鈕，以保證三相負載平衡。

  4)連接的輔件：拐彎件(Elbow)、連接件(HousingCoupler)、T型件(Te)、末湍蓋(End Cap)等，用來完成母線槽主體連接。

  5)配電的方式為：從前端UPS配電柜引出電纜連接至母線槽前端的電力端口箱，通過母線槽主體進行電力傳輸，再根據(jù)每一個機柜的功率密度選擇相應規(guī)格的接插箱，與機柜內(nèi)的PDU連接后即完成了對一個機柜的配電工作，圖4為靈活母線現(xiàn)場效果圖。

圖3 靈活母線的配電方案

圖4 靈活母線現(xiàn)場效果圖

4.2靈活母線配電監(jiān)控模式

  靈活母線配電方式的中心理念是采用即插即用的模塊化產(chǎn)品來替代列頭柜及大量電纜，達到簡化安裝步驟，靈活部署等目的。故為靈活母線所做的監(jiān)控也應符合這個理念，即采用無線通信、模塊化的監(jiān)控方案(見圖5)。靈活母線電力分配監(jiān)控系統(tǒng)應具備多重的通訊協(xié)議及無線網(wǎng)絡(luò)，且可以無縫集成到建筑管理系統(tǒng)或數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施管理系統(tǒng)中，通過提供優(yōu)化管理所必須的關(guān)鍵信息，為數(shù)據(jù)中心電力分配系統(tǒng)的管理奠定基礎(chǔ)。電力信號采集與監(jiān)控功能通過每個接插箱體上的RS485接口或無線監(jiān)控模塊來采集數(shù)據(jù)，再通過SNMP協(xié)議或MODBUS協(xié)議傳輸至上行端環(huán)控系統(tǒng)，從而簡化了監(jiān)控的過程。在監(jiān)控電力信息的同時，通過傳感器可監(jiān)測到每個機柜內(nèi)的溫度及濕度，且與電力監(jiān)控信息集成，通過統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)收集所采集到的電力和環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對電力、環(huán)境數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

每一個監(jiān)控模塊不僅是一個信號的發(fā)送端，更應是一個信號的傳送者。因為現(xiàn)在的機房總面積越來越大，且會有很多的遮擋，如果所有的無線模塊發(fā)來的信號只能靠一個網(wǎng)關(guān)來接受，勢必會影響信號傳輸，所以每一個監(jiān)控模塊都應能對相鄰的幾個模塊發(fā)出的信號進行中轉(zhuǎn)，以保證距離網(wǎng)關(guān)遠處的那些模塊所發(fā)出的信號可以完整、同步地傳輸給網(wǎng)關(guān)。對于處在不同房間里的網(wǎng)關(guān)，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應能支持自動負載均衡，使得每一個網(wǎng)關(guān)與其他網(wǎng)關(guān)形成更佳的帶寬利用率以及線性的可擴展性。系統(tǒng)可以自動使用所有可用的網(wǎng)關(guān)，為多個網(wǎng)關(guān)的安裝提供冗余設(shè)備。

圖5 靈活母線配電監(jiān)控模式

4．3靈活母線配電的優(yōu)點

  1)提高配電的可靠性

  即插即用的小母線替代了傳統(tǒng)的電纜，可避免電纜所帶來的諸如電纜接頭容易氧化、松動和接觸不良等問題，提高了機房里的可靠性和安全性。

  2)增強配電的靈活性

  配電方式的靈活性：在機柜容量事先無法準確確定的時候，可以采用這種母線，電容量可隨時調(diào)整。母線槽和接插箱可根據(jù)實際情況分期部署，即針對現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心里出現(xiàn)的白空間及測試機房，小母線槽可做到供配電分離，在機柜的容量和位置不確定的時候先期部署母線槽主體，之后等機柜一旦確定容量和位置，即可選擇接插箱進行配電。

  小母線可帶電熱插拔：在數(shù)據(jù)中心正常運行情況下，小母線可在帶電的隋況下隨時加載或卸載，即可隨時增加或減少機桓數(shù)量或容量而不影響其他設(shè)備的運行。機柜容量可從16A到63A，單相、三相任意選擇，有的放矢地為用電設(shè)備提供準確的電力供給。

  安裝方式的靈活性：支持多種安裝方式，可在機柜頂部安裝，地板下安裝，嵌入天花板安裝等。母線槽式樣和接插箱單元可以按照客戶的需求定制，例如，采用2N系統(tǒng)、單獨接地或者接地，選擇不同的插座或懸垂電纜。

  隨業(yè)務(wù)發(fā)展的可擴展性：整體架構(gòu)既能支持初始電力需求，又可在使用過程中根據(jù)需求的變化快速擴展，達到一種“隨需而建”的效果。

  3)采用小母線可降低機房配電的綜合成本

  降低運行維護成本：采用小母線方式規(guī)避了傳統(tǒng)方式所帶來的后期運維工作量大、運維周期不可控及人為干預帶來的安全性降低等問題，同時小母線方式可任意插拔、拼接，可實現(xiàn)多次重復使用，提高資金效率3倍以上。母線槽方式可隨時根據(jù)客戶需要調(diào)整配置，在25年中可隨時遷移、復用，減少重復投資。

  增加數(shù)據(jù)中心營運收入：采用小母線可省掉列頭柜，為機房騰出更多的空間放置機柜，平均可增加7％的機柜數(shù)量，對于機柜出租業(yè)主來說會是一筆不小的收入。

4．4靈活母線配電的缺點

  1)母線配電方式是將列頭柜集中配電方式改變?yōu)殡S機柜 的分散配電方式，對機柜中各種電參數(shù)(電流、電壓、頻率等) 的檢測采用分散測量、控制室集中顯示的方式，因此不方便 在機房現(xiàn)場對各機柜的電參數(shù)進行集中顯示，故對運維人員可能會造成不便。 

  2)由于靈活母線槽外殼大量采用鋁合金型材，故對機柜功率密度低的機房來說，在成本上會有所增加。 

  3)如果采用在兩列機柜間布置母線槽，從接插箱上引出的工業(yè)連接器可能會影響機房美觀。

5配電方式對比 

  列頭柜+電纜與靈活母線配電方式的對比如表l所示。 

6安科瑞ANDPF列頭柜介紹

6.1產(chǎn)品介紹

  隨著數(shù)據(jù)中心的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心能耗問題也越來越突出，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。

  AMC系列數(shù)據(jù)中心精密配電系統(tǒng)是針對數(shù)據(jù)機房末端設(shè)計的，能夠綜合采集所有能源數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng)，為交直流電源配電柜提供精確的電參量信息，并可通過通訊將數(shù)據(jù)上傳到動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個數(shù)據(jù)機房的實時監(jiān)控和有效管理，為實現(xiàn)綠色IDC提供可靠保證。

6.2安科瑞精密配電產(chǎn)品解決方案

  1）交流系統(tǒng)

  功能要求

  遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、頻率、有功功率、有功電度；

  遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相，過流，頻率過高/過低，輸入分路的開關(guān)狀態(tài)，具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓、電流、頻率等參數(shù)的越限報警功能。

配置方案如圖6，

圖6 交流系統(tǒng)配置方案

  2）直流系統(tǒng)

  功能要求

  遙測：輸入分路的電壓、電流、功率、電度；

  遙信：輸入分路的過壓/欠壓，輸入分路的熔絲狀態(tài)，具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限報警功能。

配置方案如圖7，

圖7 直流系統(tǒng)配置方案

6.3產(chǎn)品選型

表3 產(chǎn)品選型表

7安科瑞智能小母線監(jiān)控系統(tǒng)介紹

7.1產(chǎn)品介紹

  針對數(shù)據(jù)中心智能小母線的監(jiān)控要求,安科瑞推出了AMB系列小母線監(jiān)控解決方案，該方案包括采集模塊、配套附件、監(jiān)控系統(tǒng),能對母線運行過程中的各種參數(shù)進行監(jiān)控，發(fā)生故障則進行告警，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

  AMB檢測單元是針對數(shù)據(jù)中心智能小母線插接箱/始端箱的監(jiān)控要求新設(shè)計的產(chǎn)品，該檢測單元安裝固定在插接箱/始端箱內(nèi)部，插接箱/始端箱采用*的方式與母線連通，它集成全部電力參數(shù)的測量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率、頻率、功率因數(shù))以及全面的電能監(jiān)測和考核管理。同時可以實時監(jiān)控母線接口溫度，配合2路Rs45通訊接口（1進1出）或LORA無線通訊，采用MODBUS-RTU協(xié)議可以方便可靠的將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至主控箱和后臺系統(tǒng)，保證系統(tǒng)安全可靠運行。

7.2產(chǎn)品選型

安科瑞智能母線測控儀表選型如表2，

表4 產(chǎn)品選型規(guī)格

注：AMB100用于始端箱、AMB110用于插接箱、A-交流系統(tǒng)、D-直流系統(tǒng)可選配AMB10顯示器，顯示器只循環(huán)顯示電壓、電流參數(shù)。

8結(jié)束語 

  數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運維注重可靠性、可維護性、靈活性、經(jīng)濟性、可擴展性和節(jié)能環(huán)保等要求，通過對“列頭柜+電纜”配電方式和“小母線”配電方式的綜合分析，以及上數(shù)據(jù)中心配電方式的發(fā)展趨勢，證明采用小母線配電方式更有利于數(shù)據(jù)中心今后發(fā)展。

【參考文獻】

[1]鐘晨.數(shù)據(jù)中心末端配電方式探討[J]

[2] 中國建筑標準設(shè)計研究院 .電子信息系統(tǒng)機房工程設(shè)計與安裝[M].北京：中國計劃出版社，2009.

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應用手冊. 2019.11版