數據中心機房末端配電技術與應用
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易允恒
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，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
1 概述
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穩定運行，前提是其供電系統應穩定可靠、不間斷。當前，重要程度高的A級數據中心一般采用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、后備發電機組、不間斷電源、后備蓄電池、配電等子系統，典型的數據中心供電系統如圖1所示。
從圖1可以看出，終的用電設備實現了全程雙路由容錯供電。
2 末端配電
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終用電設備的配電部分，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較接近用電設備，是整個供配電系統中的關鍵環節，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。
3 列頭柜配電技術探討
按照國家規范的要求，A級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。
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、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。
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。
這種方案的優點是只占用了一個機柜位置，節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、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。
綜合列頭柜的上述4種列頭柜配電方案的優、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，再進行調整和改會非常麻煩，甚至需要停機進行作業。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。
4 智能小母線配電技術探討
由于列頭柜要占用寶貴的機房資源，且配電不夠靈活，業界一直在研究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繞式布置，中間形成一個連續的空間通道，底部連續開槽，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、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。
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。
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，兩路供電同時發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 末端配電技術對比分析
5.1 列頭柜配電技術與智能小母線配電技術的優缺點
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，就要換插接箱，而且插接箱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4 kW。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。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安科瑞為數據中心提供的能效監控解決方案
6.1 配電管理解決方案
AMC系列數據中心配電系統是針對數據機房末端設計的，能夠綜合采集所有能源數據的智能系統，為交直流電源配電柜提供的電參量信息，并可通過通訊將數據上傳到動環監控系統，實現對整個數據機房的實時監控和有效管理，為實現全方位綠色IDC提供可靠保證。
6.1.1交流系統
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狀態,具備電流、功率需用量分析和統計，實現電壓、電流、功率等參數的越限報警功能。
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
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,具備電流、功率需用量分析和統計，實現電壓、電流、功率等參數的越限功能。
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
開關電源 SBD-30 （48V）
產品規格
說明：■為標配功能。
配套附件
6.2 AMB智能小母線管理系統
數據中心小母線系統是數據中心末端母線供配電系統的俗稱。近年來，隨著數據中心建設的快速發展和高需求，智能小母線系統逐漸被應用于機房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點，即插式插接箱給各個機柜內的PDU分配電。始端箱和插接箱內可設置監測模塊，將數據上傳至動環監控中心。
1）交流系統功能：
遙測：三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、有功電能、無功電能、電纜溫度，系統頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態、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，開關狀態、開關跳閘；
2）直流系統功能：
遙測：電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態、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，開關狀態、開關跳閘；
產品介紹
說明：■為標配功能。
7總結
末端配電是數據中心供配電系統的末梢環節，它的可靠性、穩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。
參考文獻：
【1】謝擁華.數據中心機房末端配電技術與應用探討
【2】袁云濤.數據中心機房機柜母線的布置方式探討.2021年2月
【3】姚燕家.IDC產業變革數據中心末端配電領域面臨的挑戰與機遇.2020年11月
【4】安科瑞數據中心IDC配電監控解決方案.2020.03版
作者簡介：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
Email：2851375246@qq.com ： QQ：2851375246
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
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