韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

       摘要：本文從數據中心末端供配電系統的安全性、可行性角度出發(fā)，分析當前電力數據中心機柜端供配電系統的設計方案，以及每種設計方案的優(yōu)缺點(diǎn)。重點(diǎn)分析和研究智能母線(xiàn)槽配電方案，對其可靠性、靈活性以及經(jīng)濟性角度進(jìn)行深入探討，為關(guān)鍵電力負載提供可靠性的用電保障。

       關(guān)鍵詞：數據中心；列頭柜配電；智能母線(xiàn)槽；模塊化列頭柜；可靠性

   0前言

      電力數據中心是電力企業(yè)通信、調度、信息、營(yíng)銷(xiāo)、經(jīng)營(yíng)、綜合管理及分析決策等服務(wù)的公共信息平臺，是各業(yè)務(wù)應用系統的數據交換和共享平臺，是電力企業(yè)跨業(yè)務(wù)、跨流程高級應用的重要支持平臺¨1。電力數據中心既包含信息系統應用服務(wù)，還包括綜合數據通信鏈路、綜合環(huán)境控制基礎設施，其中配電系統是支撐電力數據中心正常運行*為關(guān)鍵的設施之一。低可靠性供電是造成數據中心服務(wù)中斷*主要原因。如何優(yōu)化提高配電系統的可用性和安全性，增加設備更換擴容的靈活性，提高運維便利性，確保供電系統的不間斷運行，是電力數據中心管理者所面臨的重大課題之一。本文將從電力數據中心的末端供電可靠性出發(fā)，以南方電網(wǎng)某信息業(yè)務(wù)數據中心(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“本數據中心")實(shí)施案例為研究對象，對幾種主要的數據中心機柜供電方案進(jìn)行對比研究，分6R析其優(yōu)缺點(diǎn)，以及應用場(chǎng)景，提出為電力數據中心的關(guān)鍵負載提供可靠性用電保障的參考方案。

1數據中心末端配電范圍界定

      本數據中心按現行國家標準《數據中心設計規范》(GB50174．2017)【41和《電力調度通信中心工程設計規范》(GB／T50980—2014)的要求建設，采用A、B雙路系統進(jìn)行供電。數據中心末端配電的范圍指從UPS輸出配電柜輸出端引出至機柜PDU插座端，供電對象為機柜承載的IT設備和服務(wù)器，相關(guān)配電系統拓撲圖如圖1所示。

圖1 數據中心配電系統拓撲圖

2機柜端列頭柜配電方案

2．1傳統列頭柜供電方式

       傳統數據中心機柜端配電采用配電列頭柜加電纜的配電方式，同時(shí)每個(gè)機柜配置兩條PDU插座，通過(guò)電纜從列頭柜取電。列頭柜與機柜之間的供電一般有兩種模式。

2．1．1模式一

       每個(gè)列頭柜同時(shí)配置A和B兩路主輸人開(kāi)關(guān)及對應饋線(xiàn)開(kāi)關(guān)，每個(gè)機柜從1個(gè)列頭柜取電。如圖2所示。

圖2單列頭柜供電模式

2．1．2模式二

       每個(gè)列頭柜配置A或B兩路主輸入開(kāi)關(guān)及對應饋線(xiàn)開(kāi)關(guān)，每個(gè)機柜從2個(gè)列頭柜取電。如圖3所示。

圖3雙列頭柜供電模式

2．1．3模式一和模式二比較

       1)可靠性和可用性比較：供配電系統的結構及配置直接決定了數據中心的可用性和可靠性。如果一個(gè)系統是由各子系統組成的，則任何一個(gè)子系統的故障將直接影響系統的正常運行。

模式一采用1個(gè)列頭柜向末端設備提供A、B路電源，模式二分布在兩個(gè)列頭柜向末端設備提供A路或B路電源。按照國家標準機房供配電系統結構時(shí)，正常運行情況下，模式一和模式二均滿(mǎn)足容錯要求，即當A、B路任何一路出現故障時(shí)均不影響末端設備運行。從運維管理角度考慮，模式一中的一路出現故障時(shí)，因A、B兩路供電均在一個(gè)列頭柜內，因此需停電維護，增加了運維的難度和可操作性。當列頭柜內配置較低時(shí)，存在任何一路故障時(shí)有可能對另外一路造成故障的風(fēng)險。因此，從可靠性和可用性比較，模式二相對較高。

        2)成本比較：模式一和模式二兩種列頭柜同等配置情況下，列頭柜進(jìn)線(xiàn)電纜長(cháng)度相同，列頭柜與機柜之間電纜(以WDZB．YJV3×6mm：配置為例)，每面機柜模式二比模式一多3米，相差不大。因此，對于列頭柜兩種供電模式比較，每個(gè)機柜從兩個(gè)列頭柜取電可用性比從同一個(gè)列頭柜取電可用性高，而成本差異不大。

2．2傳統列頭柜配置

       比較列頭柜作為數據中心機房末端配電管理的核心設備，需滿(mǎn)足配電、監控、測量、保護、告警等作用。由于信息化設備進(jìn)一步集中，數據中心對供電可靠性和可管理性要要求越來(lái)越高，同時(shí)，隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展和計算機技術(shù)的融合，列頭柜高度智能化的技術(shù)也逐步成熟，從第一代簡(jiǎn)單智能列頭柜逐步演進(jìn)到高度智能第四代的技術(shù)。

       列頭柜的發(fā)展大致分為四代，如下：

       第一代：普通開(kāi)關(guān)水平安裝，配置機械表和指示燈，只有配電功能，無(wú)任何檢測及通訊功能。

       第二代：多數采用開(kāi)關(guān)豎直安裝，在進(jìn)線(xiàn)端加人數字電表或觸摸屏和通訊接口，只監控主路，未監控分路。

       第三代：在第二代基礎上增加分路監控，實(shí)現電源監控和能源管理。

       第四代：在第三代基礎上提高了智能化技術(shù)，集中開(kāi)關(guān)模塊化、二次元件模塊化、調相、監控與一體。

       其中，第一代和第二代為傳統配電柜，第三代為目前數據中心常用精密配電柜，第四代為模塊化精密配電柜口，從柜體集成、監控、

3機柜配電端智能母線(xiàn)槽方案

3．1智能母線(xiàn)槽概算

       機柜端配電采用智能化母線(xiàn)槽作為機柜端配電成熟技術(shù)之一，為國內外大型數據中心所應用。目前國內大型數據中心已有多個(gè)應用案例，本數據中心也采用智能母線(xiàn)槽供電方案，

如圖4所示。

圖4智能母線(xiàn)槽供電方案

3．2智能母線(xiàn)槽要求

3．2．1整體方案

       本數據中心實(shí)施的機柜母線(xiàn)槽供電方案滿(mǎn)足機房要求，采用2N供電方式15,6jo]，如圖5所示。

圖5智能母線(xiàn)槽供電方案

       主機房區各自從UPS室I和UPS室2中UPS系統輸出A、B路主干母線(xiàn)槽(本案采用IP54．1250A密集母線(xiàn))接人至機房每列機柜前段通道，每列機柜端母線(xiàn)槽始端箱通過(guò)電纜與主干母線(xiàn)槽上的插接箱進(jìn)行連接。

3．2．2設計要點(diǎn)

3．2．2．1

        主要構成機柜端智能母線(xiàn)槽包含“進(jìn)線(xiàn)箱、直線(xiàn)段、插接箱"，如圖6所示。

圖6智能母線(xiàn)槽構成圖

       1)進(jìn)線(xiàn)箱：用作整條母線(xiàn)供電，通過(guò)電纜從UPS主干母線(xiàn)插接箱斷路器連接取電，并在箱體內配置測量單元和通訊單元，監測電流、電壓、功率因數等數據。

       2)直線(xiàn)段：用于承載電流、通過(guò)插接口和插接箱為機柜供電。根據插接箱安裝方式分兩種類(lèi)型，為軌道滑觸式母線(xiàn)槽和固定式母線(xiàn)槽，兩者*大區別在于軌道式母線(xiàn)槽內置滑觸導軌，其插接箱可以直接在母線(xiàn)上滑動(dòng)，以靈活適應機柜的位置擺放需求。而固定式母線(xiàn)槽直身段標準化設計密集插接口，間距一般為0．6米和1．2米，基本能滿(mǎn)足高密度多變化的機柜擺放需求。軌道滑觸式母線(xiàn)槽更適合當前數據中心設備機柜布置和變化調整需求。

       3)插接箱：插接箱用于從母線(xiàn)直身段取電，支持熱插拔和調相，內部配置測量單元、通訊單元、防雷單元及工業(yè)連接器單元等，可監測機柜端電流、電壓、功率因數等數據。

3．2．2．2安裝方式

       母線(xiàn)槽安裝方便快捷，可采用機柜上方安裝和地板下安裝兩種方式。機柜上方安裝一般需要預留1米左右垂直空間，需考慮強弱電橋架、風(fēng)管、照明等因素；地板下安裝一般需要預留0．6米左右垂直空間，需考慮地板下送風(fēng)氣流組織因素。如圖7所示。本案數據中心機房梁底4米，考慮機柜上方綜合管線(xiàn)和下送風(fēng)等因素，機柜端母線(xiàn)槽采用機柜上安裝方式并A、B垂直上下安裝。

圖7智能母線(xiàn)槽安裝示意圖

3．2．3監控管理

         機柜端智能母線(xiàn)槽通過(guò)在進(jìn)線(xiàn)箱、插接箱配置電能儀表、開(kāi)關(guān)狀態(tài)監控單元、通訊接口單元等元件實(shí)時(shí)監測電流，電壓，功率和電量，實(shí)時(shí)顯示每個(gè)機柜PDU的運行狀態(tài)，實(shí)現對機柜的精密監控和能效管理?？蓪?shí)現故障報警，實(shí)時(shí)監控電能質(zhì)量，包括負載系數，諧波含量等，所有監測參數將*終匯集到母線(xiàn)系統的監控總單元模塊，通過(guò)開(kāi)放通訊協(xié)議接口可與機房綜合監控系統進(jìn)行對接，可實(shí)時(shí)查看數據中心機房運營(yíng)狀況，任何監測點(diǎn)出現故障，均可在系統顯示界面找到其對應編號，以便維護人員迅速作出響應，大大減少檢修工作量。如圖8所示。

圖8智能母線(xiàn)槽監控圖

4智能母線(xiàn)槽配電方案優(yōu)勢

4．1可靠性對比

       1)智能化插接母線(xiàn)相對傳統的“列頭柜+電纜"，既避免電纜所帶來(lái)的諸如電纜接頭容易氧化、松動(dòng)和接觸不良等施工工藝問(wèn)題，將傳統現場(chǎng)機電工程安裝*大程度轉化為工廠(chǎng)預制產(chǎn)品拼接，提升整體系統成品質(zhì)量可靠性。

2)相對傳統列頭柜集中配電管理，當任意一個(gè)機柜端供電故障時(shí)，采用智能化插接母線(xiàn)方案可減少供電故障影響范圍。

4．2靈活性對比

       1)智能化插接母線(xiàn)不需要敷設橋架和電纜，供電架構清晰明朗，提高機房整潔度。

        2)智能化插接母線(xiàn)可根據機柜數量、位置、功率密度的變化靈活地調整母線(xiàn)的長(cháng)度、走向、機柜端開(kāi)關(guān)容量或相位。

        3)智能化插接母線(xiàn)在進(jìn)行巡檢或故障維護時(shí)，可降低系統維護影響范圍和檢修工作量。

4)系統支持部件級在線(xiàn)熱插拔擴展，可實(shí)現根據業(yè)務(wù)發(fā)展需求分期投資擴容。

4．3成本對

       1)智能化插接母線(xiàn)降低了空間占用率，采用智能母線(xiàn)槽可省去配電列頭柜，并且不占用任何地面面積，節省的地板空間可用于擺放IT機柜，可降低機柜容積比，提升機房?jì)炔康孛婵臻g利用率。本信息中心機房采用智能化插接母線(xiàn)大約可降低大約6％的容積比，按機房面積單位造價(jià)可創(chuàng )造約800萬(wàn)元 空間價(jià)值。

       2)采用智能化插接母線(xiàn)可降低運行維護成本，規避了傳統方式所帶來(lái)的后期運維工作量大、運維周期不可控以及人為干預帶來(lái)的安全性降低等問(wèn)題。

      3)比可隨時(shí)根據客戶(hù)需要調整配置，減少技改投資。

5智能小母線(xiàn)監控解決方案

       數據中心IT服務(wù)器配電傳統采用精密配電柜，占用空間較大，配電線(xiàn)纜多，新增設備不便，為了節省面積，智能小母線(xiàn)方案由于不占用機房面積、可按需靈活插拔，受到很多數據中心的青睞，被越來(lái)越多的應用。 

       安科瑞智能母線(xiàn)監控產(chǎn)品分為交流和直流母線(xiàn)監控兩類(lèi)，包括始端箱監測模塊、插接箱監測模塊以及觸摸屏，另外還可以搭配母線(xiàn)槽連接器紅外測溫模塊用于監測母線(xiàn)槽的運行溫度，確保母線(xiàn)槽配電安全。通過(guò)標準網(wǎng)線(xiàn)手拉手簡(jiǎn)單組網(wǎng)，可以實(shí)現任意插接箱檢修或更換時(shí)不影響其他在線(xiàn)運行的插接箱的數據上傳通訊。

5.1 智能母線(xiàn)監測

6結束語(yǔ)

       可靠性、可維護性、經(jīng)濟性、可擴展性和節能環(huán)保是電力數據建設和運維的幾大關(guān)鍵要素，供配電系統更是數據中心基礎設施中的關(guān)鍵環(huán)節。隨著(zhù)電網(wǎng)IT信息系統快速發(fā)展，數據中心末端配電應采用具備更高可用性、更高安全性和靈活性的配電結構進(jìn)行支撐。本文通過(guò)對不同種機柜端配電方式的對比分析，以及結合實(shí)際案例應用分析智能母線(xiàn)槽設計要求、安裝方式、對比優(yōu)勢，智能母線(xiàn)槽是電力數據中心末端配電的優(yōu)選方案之一。

【參考文獻】

【l】吳勁松，李光泰，李舒濤，王玉庭，張學(xué)昶．電力數據中心機柜端配電設計探討[J]．云南電力技術(shù)，2019(47)：68-72．

【2】李峰．數據中心供配電系統設計[J]．通信技術(shù)，2010，43(6)：47-47．

【3】段俊城．供配電系統的可靠性和連續性[J]．建筑電氣，2008，27(8)：10-13．

【4】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.5版

作者簡(jiǎn)介：韓歡慶，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事數據中心的設計與應用。