淺談數(shù)據(jù)中心機(jī)房機(jī)柜配電新模式及選型探討

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘 要：分析當(dāng)前數(shù)據(jù)中心機(jī)房傳統(tǒng)列頭柜配電方式的特點及其存在的問題。從提高機(jī)房末端配電安全性、可用性的角度出發(fā)，介紹數(shù)據(jù)中心機(jī)房機(jī)柜配電的新模式—智能母線槽配電方案。并對智能母線方案的實現(xiàn)方式作了深入探討分析?？偨Y(jié)優(yōu)勢及其代表的未來趨勢。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心機(jī)房；列頭柜配電；智能母線槽配電；模塊化配電；可用性；可靠性；靈活擴(kuò)展； 節(jié)能。

0引言 

       數(shù)據(jù)中心作為企業(yè)的信息中心樞紐，承載著關(guān)系企業(yè)核心信息的服務(wù)器，是一套復(fù)雜的綜合設(shè)施，不僅僅包括計算機(jī)系統(tǒng)和其它與之配套的設(shè)備，還包含冗余的數(shù)據(jù)通信連接、環(huán)境控制設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備以及各種安全裝置。配電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心比較重要的環(huán)節(jié)之一，斷電或低質(zhì)量供電是造成數(shù)據(jù)中心服務(wù)器宕機(jī)的主要因素之一。如何優(yōu)化數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)提高可用性和安全性，確保服務(wù)器以及其它硬件不間斷運(yùn)行，是數(shù)據(jù)中心管理者面臨的重大課題之一。對比傳統(tǒng)列頭柜配電方案，是否有技術(shù)更先進(jìn)、可靠性更高的供電方案是數(shù)據(jù)中心從業(yè)者關(guān)注的問題。本文謹(jǐn)以筆者目前了解到的動態(tài)作些粗淺的分析，拋磚引玉，目的在于讓更多同行來研究進(jìn)步。

1 傳統(tǒng)配電方案

       傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)機(jī)房機(jī)柜一般采用精密配電柜配電。業(yè)內(nèi)俗稱精密列頭柜配電方案。精密配電柜是一款針對數(shù)據(jù)中心機(jī)房能源末端，綜合分配和采集能源的智 能配電柜。為機(jī)柜中的IT / CT設(shè)備提供電能和能源 數(shù)據(jù)測量，通過顯示單元，實時掌握電能參數(shù)和質(zhì)量。通過通訊技術(shù)上傳至后臺環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。可以達(dá)到對整個配電系統(tǒng)的實時監(jiān)控和運(yùn)行質(zhì)量的有效管理。傳統(tǒng)機(jī)房配電布局如圖 1 所示。

圖 1 傳統(tǒng)機(jī)房配電布局

       傳統(tǒng)機(jī)房配電布局每一列機(jī)柜的始端（左或右）放置一個列頭柜，該配電柜兼具配電和智能監(jiān)控雙重功能，采用高集成、高可靠性的計算機(jī)主板，全面監(jiān)測系統(tǒng)的各項運(yùn)行參數(shù)，比傳統(tǒng)配電柜更省空間，提高了容積率。該方案中，每一個機(jī)柜的PDU配電條都需要靠線纜接入到列頭柜取電，其配電拓?fù)涫且粚Χ嗟膶?yīng)關(guān)系。

2 列頭柜方案存在的問題

2.1 生命周期成本問題 

       一般情況下，用戶在設(shè)計之初會適當(dāng)考慮未來的業(yè)務(wù)發(fā)展所帶來的用電功率增加， 所以通常在早期方案設(shè)計時就把冗余量做的比較大。但從實際的用戶應(yīng)用調(diào)查發(fā)現(xiàn)，用戶方案設(shè)計容量、用戶設(shè)備的預(yù)計負(fù)載量以及用電設(shè)備的實際負(fù)載量之間存在著很大差異。平均來看，目前不少建成的數(shù)據(jù)中心機(jī)房5年后的實際負(fù)載率還不到當(dāng)初設(shè)計容量的50%。也就是說，有接近50%的容量在很長一段時間基本都處于“浪費” 狀態(tài)。不少用戶提出，是否有一種“邊成長邊投資”的方案以實現(xiàn)資源利用效率較大化。

2.2 空間利用率問題

       不少大型的數(shù)據(jù)中心集中在城市的核心中央商務(wù)區(qū)，租金昂貴，空間資源其寶貴。對于在此類地區(qū)面臨新建或改造數(shù)據(jù)中心的用戶來說，如何提高設(shè)備的空間利用率是一個非?，F(xiàn)實且棘手的問題。現(xiàn)代IT 服務(wù)器有小型化的趨勢如果物理基礎(chǔ)設(shè)施仍然保持原來的臃腫體積無疑將會對整個數(shù)據(jù)中心運(yùn)營效率的提高產(chǎn)生影響。用戶的希望是基礎(chǔ)物理設(shè)施占用的空間盡可能小，甚至不占用地板面積。然而對于列頭柜配電方案而言這很難做到。

2.3 靈活性問題

       對于市場瞬息萬變的互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，很多業(yè)務(wù)可能不到1年內(nèi)就爆發(fā)，如果還是采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)機(jī)房建設(shè)模式，可能建好之后就已錯過時機(jī)，因此時間某種程度決定業(yè)務(wù)成敗，2～3年的數(shù)據(jù)中心建設(shè)周期是不能被接受的。用戶的長期效益包括如何高效給服務(wù)器等設(shè)備供電和如何更快速地設(shè)計和建造數(shù)據(jù)中心，兩者同樣重要。目前國內(nèi)數(shù)據(jù)中心建設(shè)周期因系統(tǒng)的進(jìn)度及可用性要求的不同，實際建設(shè)的時間一般要3～18個月不等。

       數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的革新基本每3～4年就要發(fā)生一次，而對于一個要維持15年甚至20年的數(shù)據(jù)中心而言，經(jīng)歷4～5次IT設(shè)備更替后總體成本是非常高的。而經(jīng)歷多次IT設(shè)備的更替升級換代，必然面臨一個問題：IT負(fù)載功率的不可預(yù)測性。5年前，一臺普通的 IT 機(jī)柜容量大概是 2 kW 左右，而如今普遍增大到4kW以上，有些高密機(jī)柜容量甚至達(dá)到10kW以上。功率密度不斷增大是必然趨勢，且這種趨勢無法準(zhǔn)確預(yù)見，隨之而來就帶來了兩個問題：① 機(jī)房功率密度不均衡導(dǎo)致局部溫升過高；② 對機(jī)房配電方案提出了挑戰(zhàn)。目前來看，傳統(tǒng)列頭柜配電方案顯然還滿足不了功率密度靈活變化的需求。

       讓數(shù)據(jù)中心隨需而建的理念跟前面所提及的“邊成長邊投資”有異曲同工之處。數(shù)據(jù)中心建設(shè)初期，往往預(yù)測不到未來 2～3年業(yè)務(wù)爆炸式的增長，騰訊就是一個很好的例子。這個社交軟件從發(fā)布之初，僅用了2年時間，用戶數(shù)量就突破了3億，隨之帶來的是海量的數(shù)據(jù)，需要后臺強(qiáng)大的數(shù)據(jù)中心來支撐業(yè)務(wù)的持續(xù)運(yùn)營。要做到隨需而建，對數(shù)據(jù)中心物理基礎(chǔ)設(shè)施提出了很高的要求，如具備快速擴(kuò)展，標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化的功能等。是否影響原系統(tǒng)的可靠可用性指標(biāo)？是否需要中斷現(xiàn)有業(yè)務(wù)？擴(kuò)容是否影響原有系統(tǒng)的兼容性等都是應(yīng)該考慮的問題

       另外，傳統(tǒng)列頭柜配電方案難以應(yīng)對未來的規(guī)模擴(kuò)容和變更需求，方案很難作進(jìn)一步調(diào)整及優(yōu)化。因為：① 列頭柜到每個機(jī)柜的線纜長度已經(jīng)裁剪成固定長度，如果要進(jìn)行布局調(diào)整，線纜無法重新利用。② 線纜由于絕緣老化、使用壽命較短，通常機(jī)房改造都會將電纜遺棄。 ③ 利舊線纜時由于標(biāo)識丟失后無法準(zhǔn)確一一辨別線纜的對應(yīng)關(guān)系，給線纜重新布置和運(yùn)維帶來困難，易產(chǎn)生人為因素而導(dǎo)致的維護(hù)故障。因此在機(jī)房升級、擴(kuò)容時，只能重新設(shè)計配電、布線方案，增設(shè)電纜橋架，占用體積空間較大，影響散熱

3 新型配電方案 

3.1 母線槽配電方案 

       據(jù)筆者了解到，數(shù)據(jù)中心智能母線槽配電在歐美地區(qū)是非常流行且成熟的一套方案 ，如 Facebook、 Microsoft 等科技企業(yè)在數(shù)據(jù)中心的建設(shè)過程中都傾向采用此方案。該方案在國外的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，在國內(nèi)也有成功應(yīng)用案例，智能母線槽配電方案示意如圖 2 所示

圖 2 母線槽配電示意

       目前，數(shù)據(jù)中心智能母線槽配電方案又細(xì)分為兩種類型：軌道滑觸式母線槽配電方案和固定式母線槽配電方案兩者區(qū)別在于軌道式母線槽內(nèi)置滑觸導(dǎo)軌，其插接箱可以直接在母線上滑動，以靈活適應(yīng)機(jī)柜的位置擺放需求。固定式母線槽配電方案，母線槽直身段標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計密集插接口，基本能滿足高密度多變化的機(jī)柜擺放需求。因此，這兩種方案在配電形式上孰優(yōu)孰劣也見仁見智，技術(shù)上更細(xì)的一些差異筆者在這就不再贅述

3.2 方案要點

       筆者以某實際項目設(shè)計應(yīng)用智能母線槽配電解決方案為例，介紹探討母線槽配電方案的實現(xiàn)方法。 按照母線容量及重要性將機(jī)房中配電分為以下 3 類，機(jī)房各級配電示意如圖 3 所示：

圖 3 機(jī)房各級配電示意圖

a.主配電區(qū)：采用高電流母線作為配 電載體為IT機(jī)房非關(guān)鍵負(fù)載配電，電流等級一般介于 1600～ 3200A；

b.干線配電區(qū)：對于大型數(shù)據(jù)中心,從 UPS輸出柜到各個次級配電柜，采用高電流母線作為配電干線，電流等級一般介于800～2000A； 

c.終端配電區(qū)：從UPS 輸出柜或次級配電柜到各個機(jī)柜，采用中電流母線配電，電流等級一般介于100～800 A

       智能母線槽配電方案可采用 2N 的雙母線配電架構(gòu)， 每個機(jī)柜可分別由兩條獨立母線上的插接箱供電，從干線至終端 IT 設(shè)備則通過內(nèi)置于插接箱內(nèi)部的微型斷路器實現(xiàn)有效的全選擇性保護(hù)，可增加電量測量、監(jiān)控功能，組成完善的電源管理系統(tǒng)。智能母線槽配電方案實景示意如圖 4 所示。

圖 4 母線槽配電示意圖

3.3 安裝方式 

       母線槽安裝方便快捷，無需特殊的工藝，自帶工業(yè)連接器的插接箱即插即用。對于地板下方安裝方案，一般預(yù)留500mm左右高度，對于機(jī)柜上方安裝方案，預(yù)留1000 mm 左右高度空間即可滿足母線安裝要求。母線固定在安裝支架上，母線與數(shù)據(jù)電纜的距離亦無特殊要求，如圖5所示。

圖 5 母線槽安裝示意

3.4 能效管理系統(tǒng) 

       數(shù)據(jù)中心智能母線槽配電方案實現(xiàn)的功能不僅包含以母線槽干線為載體的配電環(huán)節(jié)，還包括電能的動態(tài)監(jiān)控管理，并實現(xiàn)遠(yuǎn)程報警與控制功能。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流如圖 6 所示。

圖 6 數(shù)據(jù)中心監(jiān)控數(shù)據(jù)流程

       通過在母線智能插接箱內(nèi)裝設(shè)斷路器實現(xiàn)保護(hù)。同時增加電能監(jiān)測元件，實時監(jiān)測電流， 電壓，功率和電量，實時顯示每個機(jī)柜 PDU 的運(yùn)行狀態(tài)，實現(xiàn)對機(jī)柜的精密監(jiān)控和能效管理?？蓪崿F(xiàn)故障報警，實時監(jiān)控電能質(zhì)量，包括負(fù)載系數(shù)，諧波含量等。所有監(jiān)測參數(shù)將終匯集到PLC，通過 PLC開放通訊協(xié)議接口可與 BMS 無縫連接，通過BMS可實時查看數(shù)據(jù)中心機(jī)房運(yùn)營狀況，任何監(jiān)測點出現(xiàn)故障，均可在系統(tǒng)顯示界面找到其對應(yīng)編號，以便維護(hù)人員迅速作出響應(yīng)，大大減少檢修工作量。

3.5 方案技術(shù)優(yōu)勢

a.智能母線槽配電方案降低了生命周期成本和空間占用率。該方案減少對風(fēng)道的占用，可降低 10% 以上冷卻能耗，與電纜相比，可降低20 %以上線路損耗。實時監(jiān)測電能，輔以高效UPS和精密空調(diào)，可優(yōu)化 PUE 至 1.5 以內(nèi)，實現(xiàn)節(jié)能增效。

b.從容應(yīng)對靈活擴(kuò)容、功率密度變化的需求?？呻S機(jī)柜數(shù)量及位置的變化靈活地延伸母線的長度或改變走向，母線插接箱可帶電熱插拔，即插即用。實時故障監(jiān)測降低系統(tǒng)維護(hù)和檢修工作量，安裝維護(hù)工時縮短一半以上。方案各個功能單元均為模塊定制，組合配置靈活，可隨需擴(kuò)容、調(diào)相 （三相不衡時）只需調(diào)整對應(yīng)的插接箱內(nèi)部接線，而無需對線路做任何調(diào)整。系統(tǒng)支持部件級在線熱插拔擴(kuò)展，真正實現(xiàn)“邊成長邊投資”。

c.智能母線槽配電省略了配電列頭柜，并且不占用任何地面面積， 節(jié)省的地板空間可用于擺放 IT機(jī)柜，可降低機(jī)柜容積比，提升機(jī)房內(nèi)部地面空間利用率。表 1 是國內(nèi)外部分?jǐn)?shù)據(jù)中心的機(jī)房內(nèi)部空間利用效率對比數(shù)據(jù)。

表 1 國內(nèi)外部分?jǐn)?shù)據(jù)中心的機(jī)房內(nèi)部空間利用效率對比

d.智能母線槽配電不需要敷設(shè)線纜橋架及搭接線纜，可自由選擇在地板下方或機(jī)柜上方走線。這種供電架構(gòu)清晰明朗，提高機(jī)房整潔度的同時，還方便擴(kuò)充機(jī)柜和帶電檢修維護(hù)，后續(xù)運(yùn)營也非常簡便。得益于簡單靈活的配電架構(gòu)，客戶可以根據(jù)機(jī)柜功率和用電可靠性的不同靈活調(diào)整插接箱配置以滿足不同設(shè)備的供電需求

e.數(shù)據(jù)中心內(nèi)部靈活配置按需模塊化建設(shè)。通過預(yù)先架設(shè)于機(jī)柜頂部或地板下方的母線槽， 再根據(jù)機(jī)柜的部署進(jìn)度按需安裝母線插接箱，沒有復(fù)雜的線纜采購和施工，過程中也大大減少線纜及配電施工質(zhì)量問題，把傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的機(jī)電工程安裝，變成了簡單的工廠預(yù)制產(chǎn)品拼接，大大縮減了項目建設(shè)時間，模塊化數(shù)據(jù)中心搭建時間要比傳統(tǒng)工程化數(shù)據(jù)中心省一半時間。

4安科瑞列頭柜介紹

       傳輸設(shè)備用電源分配列頭柜（以下簡稱配電列頭柜）是專門為傳輸設(shè)備提供電力分配，綜合監(jiān)測并采集能源數(shù)據(jù)的列柜。

4.1執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

GB 4208-2008 外殼防護(hù)等級（IP代碼）

GB/T 3859.2-1993 半導(dǎo)體變流器 應(yīng)用導(dǎo)則

GB 7251.1-2013 低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則

YD/T 282-2000 通信設(shè)備可靠性通用試驗方法

YD/T 585-2010 通信用配電設(shè)備

YD/T 939-2014 傳輸設(shè)備用配電列柜

YD/T 944-2007 通信電源設(shè)備防雷的技術(shù)要求和測試方法

YD/T 1363(全部)-2005 通信局（站）電源、空調(diào)機(jī)環(huán)境集中監(jiān)控管理系統(tǒng)

4.2電氣原理

4.3技術(shù)參數(shù)

產(chǎn)品分類

A、按輸入電流類型可分為交流和直流兩種。

B、按輸入路數(shù)可分為單路和雙路兩種。為確保傳輸?shù)陌踩藘?yōu)選獨立雙路。

容量

A、直流配電列柜

?直流電壓標(biāo)稱值

直流電壓標(biāo)稱值為-48V、240V。

?直流電流額定值

直流電流額定值包括：

輸入電流（A）：63、80、100、200、250、300、350、400、500、630、800、1000；

分路電流（A）：6、10、16、20、25、32、40、50、63、80、100、125。

B、交流配電列柜

?交流電壓標(biāo)稱值

交流電壓標(biāo)稱值包括：

a)單相三線制：220V；

b)三相五線制：380V。

?交流電流額定值

交流電流額定值包括：

a)輸入電流（A）：63、80、100、125、160、200、250、300、400、500、630；

b)分路電流（A）：6、10、16、20、25、32、40、50、63。

?頻率額定值

頻率額定值為50Hz。

5安科瑞數(shù)據(jù)中心監(jiān)測儀表

5.1產(chǎn)品規(guī)格

說明：■為標(biāo)配功能。

6安科瑞母線槽監(jiān)測模塊

7 結(jié)語 

       伴隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模會越來越大，中型和大型的數(shù)據(jù)中心市場未來會有非常大的增長。面積更大、密度更高、等級更高的數(shù)據(jù)中心會不斷涌現(xiàn)，對配電系統(tǒng)的要求也會越來越高，除了滿足基本供電外，還要求對機(jī)房運(yùn)營狀況包括能耗，安全預(yù)警，潛在風(fēng)險分析等有更高一級別的把握。傳統(tǒng)配電方案在滿足不斷變化的客戶需求的過程中顯得有點力不從心，數(shù)據(jù)中心末端配電需要一種更高可用性、更高安全性和靈活的配電架構(gòu)。

參考文獻(xiàn)： 

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【2】劉智山.朱佳喜.張琪.數(shù)據(jù)中心機(jī)房機(jī)柜配電新模式探討【J】

【3】安科瑞數(shù)據(jù)中心IDC配電監(jiān)控解決方案.2020.03版