數(shù)據(jù)中心機(jī)房末端配電技術(shù)與應(yīng)用
摘 要：數(shù)據(jù)中心機(jī)房末端配電的可靠性、穩(wěn)定性和可維護(hù)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(jìn)行了介紹和探討，最后對兩種配電方式進(jìn)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
1 概述
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(jì)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(jì)轉(zhuǎn)型升級提供了重要支撐。
數(shù)據(jù)中心要實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，前提是其供電系統(tǒng)應(yīng)穩(wěn)定可靠、不間斷。當(dāng)前，重要程度高的A級數(shù)據(jù)中心一般采用2N架構(gòu)的UPS供電方式，以實(shí)現(xiàn)容錯要求，供電系統(tǒng)包括高低壓配電、后備發(fā)電機(jī)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。
從圖1可以看出，最終的用電設(shè)備實(shí)現(xiàn)了全程雙路由容錯供電。
2 末端配電
數(shù)據(jù)中心機(jī)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)中心的末端配電較接近用電設(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。
3 列頭柜配電技術(shù)探討
按照國家規(guī)范的要求，A級數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施宜按容錯系統(tǒng)配置。當(dāng)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。
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(jī)柜的供電方式為：每個IT機(jī)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(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了全程雙回路供電，無單點(diǎn)故障點(diǎn)，供電架構(gòu)清晰。缺點(diǎn)是 IT 機(jī)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(jī)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(jī)柜的供電方式是IT機(jī)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(dāng)列頭柜需要擴(kuò)容、更換或移位時，后端IT機(jī)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(jī)柜的取電方式不同，即IT機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)柜的供電為全程雙路由，且不存在單點(diǎn)故障點(diǎn)，但布線比較復(fù)雜，現(xiàn)場接線容易發(fā)生錯誤，可能導(dǎo)致IT機(jī)柜由假雙路電源供電。
3.4 方案四
方案四如圖4所示。
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(jī)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(diǎn)是只占用了一個機(jī)柜位置，節(jié)約了寶貴的機(jī)房空間資源。缺點(diǎn)是電纜需要跨列敷設(shè)，且當(dāng)列頭柜需要維修、擴(kuò)容、更換或移位時，將造成后端所有IT機(jī)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(jìn)行對比，如表1所示。
綜合列頭柜的上述4種列頭柜配電方案的優(yōu)、缺點(diǎn)，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(jī)房資源，每臺列頭柜要占用了一個機(jī)柜位置，使得可出租的IT機(jī)柜數(shù)量變少。
列頭柜配電采用電纜進(jìn)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(jī)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(jìn)行供電。列頭柜在設(shè)計(jì)中往往會配置一些備用回路，以備日后機(jī)柜擴(kuò)容或者維修，當(dāng)列頭柜方案落地實(shí)施后，再進(jìn)行調(diào)整和更改會非常麻煩，甚至需要停機(jī)進(jìn)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(hù)、增加、減少機(jī)柜、調(diào)整機(jī)柜布局、增加機(jī)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(yùn)營帶來潛在危險。
4 智能小母線配電技術(shù)探討
由于列頭柜要占用寶貴的機(jī)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(yùn)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(jī)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(dǎo)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(diǎn)位插接取電的母線形式。
滑軌式小母線具有全程全點(diǎn)位接入分支回路的特點(diǎn)。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(shí)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(shí)施、延續(xù)、擴(kuò)展和重構(gòu)，支持部件的按需分項(xiàng)采購和部署。
所謂直列式小母線，是指銅排導(dǎo)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(kuò)容性差。另外，插接箱的體積大，占用空間大，不易更換，維護(hù)困難。因此，直列式小母線適合后期方案不進(jìn)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(diǎn)對比如表2所示。
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(jī)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(jī)柜后側(cè)，便于操作和觀察。而直列式小母線占用IT機(jī)柜上方的水平空間較大，一般都600 mm 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(jī)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(jī)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。
兩種插接箱配置方式對比如表4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(jī)架，但成本較高?？紤]到IT機(jī)柜有兩路供電，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(jī)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 末端配電技術(shù)對比分析
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(diǎn)
傳統(tǒng)的機(jī)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(jī)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(jī)柜的配電容量是固定的，無法進(jìn)行靈活調(diào)整；若機(jī)房搬遷，列頭柜、電纜、走線架等一般無法重復(fù)利用。
智能小母線配電技術(shù)采用了進(jìn)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(jī)柜安裝位置；無需走線架，施工工期短；若IT機(jī)柜容量調(diào)整，插接箱可熱插拔，只需更換插接箱即可；若機(jī)房搬遷，設(shè)備均可重復(fù)利用。
但智能小母線也存在如下缺點(diǎn)。
（1）對機(jī)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(jī)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(hù)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(jìn)行分合閘等操作，比較不方便。
（3）設(shè)置復(fù)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(diǎn)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(jìn)行末端負(fù)荷調(diào)整的數(shù)據(jù)中心，推薦采用全點(diǎn)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(jìn)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(jī)柜數(shù)量在25個以內(nèi)，現(xiàn)假設(shè)為單列18個機(jī)柜，若采用列頭柜配電方式，則單列IT機(jī)柜數(shù)為17個，單個IT 機(jī)柜額定功率為4 kW。采用智能小母線方案，則單列機(jī)柜數(shù)為18個機(jī)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。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(jī)柜，假設(shè)每機(jī)柜的月租金（不含電費(fèi)）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(yùn)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安科瑞為數(shù)據(jù)中心提供的能效監(jiān)控解決方案
6.1 精密配電管理解決方案
AMC系列數(shù)據(jù)中心精密配電系統(tǒng)是針對數(shù)據(jù)機(jī)房末端設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對整個數(shù)據(jù)機(jī)房的實(shí)時監(jiān)控和有效管理，為實(shí)現(xiàn)全方位綠色I(xiàn)DC提供可靠保證。
6.1.1交流系統(tǒng)
1）功能要求：
遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度；輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度；
遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相,過流，輸入分路和輸出分路的開關(guān)狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限報警功能。
2）配置方案-示意圖
配置方案
多功能儀表 PZ72L-E4
電流互感器 AKH-0.66-30I-XXA/5A
6.1.2直流系統(tǒng)
1) 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(jì)，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限功能。
2)配置方案-示意圖
配置方案
多功能儀表 PZ72L-DE
霍爾傳感器 AHKC-F- XXA/5V
開關(guān)電源 SBD-30 （48V）
產(chǎn)品規(guī)格
說明：■為標(biāo)配功能。
配套附件
6.2 AMB智能小母線管理系統(tǒng)
數(shù)據(jù)中心小母線系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心末端母線供配電系統(tǒng)的俗稱。近年來，隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)的快速發(fā)展和更高需求，智能小母線系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用于機(jī)房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點(diǎn)，即插式插接箱給各個機(jī)柜內(nèi)的PDU分配電。始端箱和插接箱內(nèi)可設(shè)置監(jiān)測模塊，將數(shù)據(jù)上傳至動環(huán)監(jiān)控中心。
1）交流系統(tǒng)功能：
遙測：三相電壓、電流、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、電纜溫度，系統(tǒng)頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機(jī)柜溫度、機(jī)柜濕度、開關(guān)狀態(tài)、電壓/電流諧波含量、電流/功率；
遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、過頻率、欠頻率越限、零地電壓、零線電流、溫/濕度告警，開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)跳閘；
2）直流系統(tǒng)功能：
遙測：電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機(jī)柜溫度、機(jī)柜濕度、開關(guān)狀態(tài)、電流/功率；
遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、溫/濕度告警，開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)跳閘；
產(chǎn)品介紹
說明：■為標(biāo)配功能。
7總結(jié)
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(hù)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(jī)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(jī)房的實(shí)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(jìn)行末端負(fù)荷調(diào)整的數(shù)據(jù)中心，強(qiáng)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(jī)柜位置、配電回路清晰、模塊化結(jié)構(gòu)、工期短、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，雖然其造價相對較高，但在整個運(yùn)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)。
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