淺談數(shù)據(jù)中心末端配電方式特點(diǎn)

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(jī)房等商業(yè)模式的興起，機(jī)房建設(shè)之初機(jī)柜密度不確定性大為增加，對(duì)機(jī)房內(nèi)末端供配電系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)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(yīng)當(dāng)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(jī)房供配電發(fā)展的一種新方式。靈活小母線可在機(jī)桓密度不確定的隋況下進(jìn)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(shì)，為客戶的關(guān)鍵負(fù)載提供更可靠的保障。新模式帶來新價(jià)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(jì)算、電子商務(wù)、電子政務(wù)、電子金融、網(wǎng)絡(luò)游戲、云存儲(chǔ)等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)相繼出現(xiàn)，使得當(dāng)今社會(huì)變成云時(shí)代、大數(shù)據(jù)的信息化新時(shí)代，數(shù)據(jù)中心成為信息化的重要載體，承擔(dān)著對(duì)電子信息的傳輸、運(yùn)算、存儲(chǔ)等功能。為了適應(yīng)當(dāng)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(jì)、可靠的數(shù)據(jù)中心外，還應(yīng)追求它的高效、綠色、靈活、低能耗。“高效”體現(xiàn)在應(yīng)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(huì)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(dá)到更好的制冷效果。“綠色”則體現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)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(yīng)該盡可能地做到熱插拔、標(biāo)準(zhǔn)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(shí)候快速做出響應(yīng)。

2數(shù)據(jù)中心末端配電的界定 

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

圖1 監(jiān)測(cè)模塊

3 數(shù)據(jù)中心采用傳統(tǒng)配電方式分析

3.1機(jī)房傳統(tǒng)配電方式

  機(jī)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(gè)列頭柜，經(jīng)列頭柜后接入備機(jī)柜PDU，再接入IT設(shè)備(見圖2)。

圖2 采用列頭柜的機(jī)房配電模式

  機(jī)房傳統(tǒng)配電方式采用電纜從UPS出線柜至機(jī)房內(nèi)的每個(gè)列頭柜的方式；經(jīng)列頭柜配電后，再采用電纜接至各機(jī)柜PDU的方式。列頭桓是一列機(jī)柜設(shè)備頂端的一個(gè)機(jī)柜，主要功能是對(duì)這一列機(jī)柜的交流或者直流負(fù)載提供電源，起到配電、監(jiān)控、測(cè)量、保護(hù)、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(huì)通過機(jī)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(dǎo)線后接入每個(gè)斷路器，再與N排及PE排引出的導(dǎo)線匯成1根電纜為機(jī)柜供電。

3.2機(jī)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(diǎn)測(cè)量出每一路的電壓、電流，之后通過計(jì)算機(jī)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(jī)桓上的人機(jī)交互界面進(jìn)行傳輸，之后人機(jī)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(dòng)式電子設(shè)備上讀取數(shù)據(jù)

3.3機(jī)房傳統(tǒng)配電方式的優(yōu)點(diǎn)

  采用列頭柜加電纜的傳統(tǒng)配電方式有以下優(yōu)點(diǎn)： 

  1)技術(shù)成熟，適用于事先已確定容量的機(jī)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(yùn)維人員在現(xiàn)場(chǎng)獲取數(shù)據(jù)： 

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

3.4機(jī)房傳統(tǒng)配電方式的缺點(diǎn)

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

  1)列頭柜占用的面積約占機(jī)房地板面積的7％，即機(jī)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(duì)地板下的氣流形成干擾，導(dǎo)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(dòng)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(zāi)事故：

  5)配電設(shè)計(jì)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(fù)雜、IT設(shè)備又不能斷電，因而造成線路和設(shè)備維護(hù)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(jī)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(jī)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(diǎn)，利用小母線及配電接插箱來完成對(duì)每一個(gè)機(jī)柜的精準(zhǔn)配電，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

  1)電力端口箱(Power Feed)：負(fù)責(zé)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(duì)應(yīng)的母線端子排上。

  2)母線槽主體(Housing Section)：是傳導(dǎo)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(hù)設(shè)備等組成，主要用于為每一個(gè)用電設(shè)備提供精準(zhǔn)的電力，有的接插箱還配有相位選擇旋鈕，以保證三相負(fù)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(jìn)行電力傳輸，再根據(jù)每一個(gè)機(jī)柜的功率密度選擇相應(yīng)規(guī)格的接插箱，與機(jī)柜內(nèi)的PDU連接后即完成了對(duì)一個(gè)機(jī)柜的配電工作，圖4為靈活母線現(xiàn)場(chǎng)效果圖。

圖3 靈活母線的配電方案

圖4 靈活母線現(xiàn)場(chǎng)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(dá)到簡(jiǎn)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(yīng)符合這個(gè)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(yīng)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(hào)采集與監(jiān)控功能通過每個(gè)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(jiǎn)化了監(jiān)控的過程。在監(jiān)控電力信息的同時(shí)，通過傳感器可監(jiān)測(cè)到每個(gè)機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)電力、環(huán)境數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

每一個(gè)監(jiān)控模塊不僅是一個(gè)信號(hào)的發(fā)送端，更應(yīng)是一個(gè)信號(hào)的傳送者。因?yàn)楝F(xiàn)在的機(jī)房總面積越來越大，且會(huì)有很多的遮擋，如果所有的無線模塊發(fā)來的信號(hào)只能靠一個(gè)網(wǎng)關(guān)來接受，勢(shì)必會(huì)影響信號(hào)傳輸，所以每一個(gè)監(jiān)控模塊都應(yīng)能對(duì)相鄰的幾個(gè)模塊發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行中轉(zhuǎn)，以保證距離網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)處的那些模塊所發(fā)出的信號(hào)可以完整、同步地傳輸給網(wǎng)關(guān)。對(duì)于處在不同房間里的網(wǎng)關(guān)，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能支持自動(dòng)負(fù)載均衡，使得每一個(gè)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(kuò)展性。系統(tǒng)可以自動(dòng)使用所有可用的網(wǎng)關(guān)，為多個(gè)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(diǎn)

  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(dòng)和接觸不良等問題，提高了機(jī)房里的可靠性和安全性。

  2)增強(qiáng)配電的靈活性

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

  小母線可帶電熱插拔：在數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行情況下，小母線可在帶電的隋況下隨時(shí)加載或卸載，即可隨時(shí)增加或減少機(jī)桓數(shù)量或容量而不影響其他設(shè)備的運(yùn)行。機(jī)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(zhǔn)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(jī)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(dú)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(kuò)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(kuò)展，達(dá)到一種“隨需而建”的效果。

  3)采用小母線可降低機(jī)房配電的綜合成本

  降低運(yùn)行維護(hù)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(yùn)維工作量大、運(yùn)維周期不可控及人為干預(yù)帶來的安全性降低等問題，同時(shí)小母線方式可任意插拔、拼接，可實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)使用，提高資金效率3倍以上。母線槽方式可隨時(shí)根據(jù)客戶需要調(diào)整配置，在25年中可隨時(shí)遷移、復(fù)用，減少重復(fù)投資。

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

4．4靈活母線配電的缺點(diǎn)

  1)母線配電方式是將列頭柜集中配電方式改變?yōu)殡S機(jī)柜 的分散配電方式，對(duì)機(jī)柜中各種電參數(shù)(電流、電壓、頻率等) 的檢測(cè)采用分散測(cè)量、控制室集中顯示的方式，因此不方便 在機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各機(jī)柜的電參數(shù)進(jìn)行集中顯示，故對(duì)運(yùn)維人員可能會(huì)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(duì)機(jī)柜功率密度低的機(jī)房來說，在成本上會(huì)有所增加。 

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

5配電方式對(duì)比 

  列頭柜+電纜與靈活母線配電方式的對(duì)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(duì)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(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)房的實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效管理，為實(shí)現(xiàn)綠色I(xiàn)DC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(cè)：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(jì)，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、頻率等參數(shù)的越限報(bào)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(cè)：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)的越限報(bào)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(duì)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(duì)母線運(yùn)行過程中的各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)生故障則進(jìn)行告警，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

  AMB檢測(cè)單元是針對(duì)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(jì)的產(chǎn)品，該檢測(cè)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(cè)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(cè)和考核管理。同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控母線接口溫度，配合2路Rs45通訊接口（1進(jìn)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(cè)數(shù)據(jù)上傳至主控箱和后臺(tái)系統(tǒng)，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

7.2產(chǎn)品選型

安科瑞智能母線測(cè)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(yùn)維注重可靠性、可維護(hù)性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)展性和節(jié)能環(huán)保等要求，通過對(duì)“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(shì)，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。

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