淺談機架母線(xiàn)配電技術(shù)在數據中心機房的應用

摘要:通過(guò)結合機架母線(xiàn)槽系統的使用特點(diǎn)，將“始端箱7線(xiàn)槽+終端箱"機架母線(xiàn)配電方式與現有"列頭柜+電纜"配電 方式進(jìn)行使用性能與技術(shù)經(jīng)濟指標的對比，分析了機架母線(xiàn)柔，性配電、保護、擴容、監測等多種功能，說(shuō)明機架母線(xiàn)在提高了數據中心供電方式穩定性、靈活性的同時(shí)，大大提高了單位空間的裝機率。

關(guān)鍵詞：數據中心;機房配電；列頭柜;機架母線(xiàn)

 

       隨著(zhù)大數據的飛速發(fā)展，數據機房的傳統“列頭柜+電纜" 配電方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足日新月異的供電需求，于是出現了一種更加靈活的配電方案:機架母線(xiàn)配電技術(shù)，釆用“始端箱+母線(xiàn)槽+終端箱"的配電形式，實(shí)現對電子信息設備進(jìn)行柔性配電、保護、擴容、監測等多種功能，提高了數據中心供電穩定性、 靈活性的同時(shí)，大大提高了單位空間的裝機率,為數據中心帶來(lái)額外的收入。

 

1.1列頭柜浪費空間，裝機率低下

       傳統“列頭柜+電纜"配電方式需要在每列加裝一個(gè)電源列頭柜及空調列頭柜，占用機房空間，影響數據中心的裝機率，制約公司IDC業(yè)務(wù)的發(fā)展。

1.2可靠性低，擴展困難

       釆用傳統“列頭柜+電纜"配電方案，列頭柜內布線(xiàn)復雜，故障點(diǎn)較多,降低系統的可靠性;對于機柜經(jīng)常變化的負載容量需求，需要重新敷設新電纜，增加項目投資、施工復雜且周期長(cháng)，擴展困難。

1.3列頭柜監控系統存在單點(diǎn)隱患

       傳統“列頭柜+電纜"配電方式是由低壓電纜進(jìn)入列頭柜，通過(guò)主路控制開(kāi)關(guān)控制各分路開(kāi)關(guān)，再由分路開(kāi)關(guān)控制各機柜PDU 供電，且還要實(shí)現眾多點(diǎn)位的電源監控，但凡列頭柜監控模塊出現故障，將會(huì )導失去整列機柜的電源監控，存在單點(diǎn)隱患，而且此類(lèi)故障一般只能由廠(chǎng)家工程師現場(chǎng)調試更換后才能恢復，若在此期間發(fā)生宕機，將不能及時(shí)處理，產(chǎn)生嚴重后果。

1.4安裝工作復雜，易產(chǎn)生維護隱患

       傳統“列頭柜+電纜"配電方式接線(xiàn)工作量大、周期長(cháng)，施工工藝與水平參差不齊，存在人為接線(xiàn)錯誤、標簽標識錯誤、動(dòng)力線(xiàn)監控線(xiàn)虛接等各類(lèi)問(wèn)題，對運行維護造成重大隱患。

 

       為了克服上述問(wèn)題，本文提出了釆用了 “始端箱+母線(xiàn)槽+終端箱"的機架母線(xiàn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)機架母線(xiàn)）配電方式實(shí)現對數據中心設備的配電、保護、擴容、監測等多種功能，該配 電方式由始端箱、導軌式母線(xiàn)槽、終端箱（插接箱）組成，其原理是在機柜頂部預制母線(xiàn)槽,之后根據每一臺機柜內設備的需要再單獨配置對應的終端箱（插接箱），放置在對應機柜的擺放位置，由終端箱（插接箱）引出電纜為機柜供電（如圖1）.

 

3.1方案設計

       母線(xiàn)系統有多種電流標準，大多數廠(chǎng)商產(chǎn)品都提供三種 規格：10QA、225A和400A.根據項目需求，結合母線(xiàn)槽系統的使用特點(diǎn)，由于建設模塊內每列機柜均釆用兩根母線(xiàn)槽的雙路供電方式，由于機柜負載均為5KW,考慮到現階段實(shí)際應 用以及日后擴容變更、單一支路增容、冗余、備份等需求，部署于機房模塊內的AC交流母線(xiàn)槽主體均釆用225A規格，可提供單列單路母線(xiàn)槽133KW負載需求.根據該機房柜列長(cháng)度，措配多根3米及2米AC母線(xiàn)槽主體，以及相應的接插箱、連接件等等，完成母線(xiàn)槽系統配置。

3.2現場(chǎng)實(shí)施要點(diǎn)

       此次改造項目選取的中國移動(dòng)（呼和浩特）數據中心B02 機房14模塊由于柜頂部空間分別設置了弱電線(xiàn)纜橋架、光纖槽、背板空調管路橋架，個(gè)別列端頭位置還有空調管理系統的 連續轉彎，導致空間非常緊張，機柜母線(xiàn)安裝困難，甚至出現了空調管路緊貼母線(xiàn)始端箱的情況.考慮到機柜母線(xiàn)合理的安裝位置是機柜后門(mén)位置，建議前期空調、弱電施工時(shí)，在機柜頂部空間的后部位置預留500~600nmi的空間，用于安裝兩根機柜母線(xiàn),分別用于機柜A/B路供電。

       由于始端箱安裝位置比較高，且始端箱內的電氣質(zhì)量釆集參數也比較多，但在始端箱內設置的顯示屏很難顯示完整 并且由于位置過(guò)高，無(wú)法進(jìn)行操作切換頁(yè)面，建議取消顯示屏，將釆集結果顯示放到主控箱監視屏上進(jìn)行就地顯示和檢査。只在始端箱保留故障指示燈，便于后期運維人員簡(jiǎn)單觀(guān)察和判斷始端箱是否出現故障。

       在實(shí)施順序上，建議機柜母線(xiàn)和橋架同時(shí)或銜接施工,便于各方溝通相互位置，保證各子系統均有合理充足的操作空間。此次項目實(shí)施過(guò)程中機柜母線(xiàn)和背板空調管路橋架發(fā)生 沖突，因此只能將母線(xiàn)安裝在機柜前門(mén)位置,導致端接箱至PDU 的電纜變長(cháng)，且不便于走線(xiàn)。而且可能造成后期維護的不便。

       另外，當機柜母線(xiàn)和背板同時(shí)釆用時(shí)，建議按照"水（冷）/ 電分離"的原則，將背板管路系統放置于地板下或機柜底座中，便于分別維護，減少各系統間的沖突。

3.3后期調試

       安裝完畢后，以B02機房樓14模塊A列為例，分別測得不同時(shí)段各插接頭與母線(xiàn)槽接觸溫升、插接箱表面溫升、工業(yè)插座連接處溫升、插接箱輸出電壓以及各顯示屏狀態(tài)如圖所示（如圖2）。

圖2單列機架母線(xiàn)系統測試情況

       根據標準，母線(xiàn)槽在平均環(huán)境溫度為25℃、額定負荷狀態(tài)下，其溫升要求如下：

       由此可見(jiàn),當環(huán)境溫度為26℃,機柜負載6KW時(shí),插接頭與母線(xiàn)槽接觸溫升、插接箱表面溫升、工業(yè)插座連接處溫升、 插接箱輸出電壓以及各顯示屏狀態(tài)滿(mǎn)足要求。此外，現場(chǎng)針對整個(gè)模塊各列機柜母線(xiàn)做了季度試運行測試（如圖3）, 結果均滿(mǎn)足要求。

圖3機架母線(xiàn)配電系統季度試運行情況

4.1節省空間，提高裝機率

       相對于傳統“列頭柜+電纜"配電方式，機架母線(xiàn)配電系統無(wú)需在機柜頂端布置強電走線(xiàn)架,節省機柜上方空間;更重要的是“始端箱+母線(xiàn)槽+終端箱"機架母線(xiàn)配電方式，節省列頭 柜占地，提高裝機率，就中國移動(dòng)（呼和浩特）數據中心機房為例，一個(gè)模塊就能節省8個(gè)機柜位置，一個(gè)機房32個(gè)模塊就 能節省出256個(gè)機柜的空間，相當于2個(gè)模塊。按照一個(gè)機柜一年6萬(wàn)元租金計算，中國移動(dòng)（呼和浩特）數據中心每個(gè)機房每年能增加收入1536萬(wàn)元。

4.2柔性配電，即插即用

       機架母線(xiàn)配電方式是根據每一臺機柜需求單獨配置終端箱（插接箱），這樣便于調整分路及容量，柔性配電，避免容量浪費，較傳統“列頭柜+電纜"一對一供電方式更為靈活，能做到終端箱（插接箱）即插即用，可靈活適用需求；此外,母線(xiàn)槽系統需保證能在不停電的情況下對各部件安裝、連接的緊固程度進(jìn)行檢查。此外，母線(xiàn)插接箱內的斷路器與機柜PDU直接連接，故障點(diǎn)少，提高系統可用性；對于機柜經(jīng)常變化的負載容量需求,僅需要增加插接單元，直接帶電安裝于母線(xiàn)上即可完成擴展。

4.3分路釆集，智能監控

       較傳統“列頭柜+電纜"配電依靠列頭柜實(shí)現監控的方式, 機架母線(xiàn)配電系統中的始端箱具有智能監控模塊，支持多種通訊協(xié)議，包括Modbus RTU, Modbus TCP以及無(wú)線(xiàn)信號傳輸，可以無(wú)縫連接到整個(gè)建筑管理系統（BMS）或數據中心基礎設施管理系統（DCIM）中，通過(guò)標準協(xié)議與后臺監控系統進(jìn)行集成。在智能釆集電氣參數（例如:輸入分路的電壓、電流、 功率、電度，輸出分路電流、功率、電度以及輸入分路的過(guò)壓/欠壓、輸入分路的熔絲狀態(tài)等）的同時(shí)，還能實(shí)現電壓、電流、功率、絕緣電阻值等參數的越限報警和重復性告警不阻塞功能, 當維護人員為了消除原已發(fā)出的告警信號而關(guān)掉了告警聲信號后,如果又產(chǎn)生新的告警，會(huì )再次自動(dòng)發(fā)出聲光告警信號（如圖4）。

圖4機架母線(xiàn)配電系統監控

4.4分散散熱，自然冷卻

       隨著(zhù)裝機量的增加,需要布放越來(lái)越多的電纜，嚴重阻礙空氣流通，影響制冷效果。機架母線(xiàn)提供同等供電能力的同時(shí)，占用體積僅為電纜橋架的35%,能更好的保持空調風(fēng)道暢 通,提高制冷效率，降低電能損耗和數據中心運營(yíng)成本。始端箱、母線(xiàn)槽、終端箱（插接箱）分開(kāi)散熱，同時(shí)外殼釆用鋁合金材質(zhì)，利用空氣自然冷卻，散熱效果非常好，運行過(guò)程中不產(chǎn)生噪聲或震動(dòng)。

4.5安裝便捷，節省人工

       相對于傳統"列頭柜+電纜"配電方式，省去了走線(xiàn)架及大量電纜敷設的時(shí)間,母線(xiàn)安裝全部通過(guò)膨脹螺絲及吊桿，母線(xiàn)槽整體吊掛,終端箱（插接箱）安裝只需通過(guò)“旋轉-鎖定"的方式即可（如圖5）。，該技術(shù)安裝便捷，時(shí)間成本節省30%-60%（機架母線(xiàn)5-7天左右，傳統做法直流電纜工期10天左右，交流電纜工期15天左右），較電纜敷設、人工接線(xiàn)節省大量時(shí)間；此外母線(xiàn)槽及終端箱（插接箱）產(chǎn)品設計模塊化，安裝快捷的同時(shí)大大降低人為安裝錯誤率。

 

5.1 概述

       隨著(zhù)數據中心的迅猛發(fā)展，數據中心的能耗問(wèn)題也越來(lái)越突出，有關(guān)數據中心的能源管理和供配電設計已經(jīng)成為熱門(mén)問(wèn)題，高效可靠的數據中心配電系統方案，是提高數據中心電能使用效率，降低設備能耗的有效方式。要實(shí)現數據中心的節能，首先需要監測每個(gè)用電負載，而數據中心負載回路非常的多，傳統的測量?jì)x表無(wú)法滿(mǎn)足成本、體積、安裝、施工等多方面的要求，因此需要采用適用于數據中心集中監控要求的多回路監控裝置。    

5.2 應用場(chǎng)所

       適用于運營(yíng)商、金融、政府、互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)等數據中心。

5.3 系統結構 

       1）交流

 

       2）直流

5.4 系統功能

       1）主頁(yè)

       開(kāi)機進(jìn)入主頁(yè)，包含進(jìn)線(xiàn)參數、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、出線(xiàn)參數、報警查詢(xún)等功能，按按鈕可進(jìn)入各功能界面查看。

       2）進(jìn)線(xiàn)參數監測

       監測主路的三相電壓、電流、系統頻率；各項及總的有功功率，無(wú)功功率，視在功率，功率因數，有功電能、無(wú)功電能；電流、電壓不平衡度；電流、電壓諧波含量；需量。   

       3）出線(xiàn)參數監測 

       分支回路的電壓、電流、有功功率、有功電能、功率因數額定電流設置、各相電流值；

負載百分比；需量。

4）開(kāi)關(guān)狀態(tài)

左側一列為主路開(kāi)關(guān)狀態(tài)，主路跳閘SD狀態(tài)、主路防雷開(kāi)關(guān)狀態(tài)、主路防雷故障點(diǎn)狀態(tài)，默認為無(wú)源檢測點(diǎn)，分閘為綠色，合閘為紅色。主路右側的皆為支路開(kāi)關(guān)狀態(tài)；默認為有源檢測點(diǎn)，合閘為紅色，分閘為綠色。

5）報警查詢(xún)

當前報警界面可查看實(shí)時(shí)報警和歷史報警；開(kāi)關(guān)量動(dòng)作告警；任意數據的定時(shí)存儲；進(jìn)線(xiàn)過(guò)電流2段閥值越限告警，可任意設定告警值；進(jìn)線(xiàn)過(guò)壓、欠壓、缺相、過(guò)頻率、低頻率越限告警; 聲光告警功能。          

5.5 系統硬件配置

6.1概述

       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。

6.2 應用場(chǎng)所

       適用于運營(yíng)商、金融、政府、互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)等數據中心

6.3 系統結構

6.4 系統功能

       1）實(shí)時(shí)監測

       在主頁(yè)點(diǎn)擊數據采集按鈕后，進(jìn)入系統圖界面：此界面顯示了每個(gè)箱子的電壓。

  

       2）基本參數界面

      顯示電壓、電流、功率、電能等電參數數據，在設備地址旁邊的輸入框輸入本箱子對應的儀表地址，即可實(shí)現對箱子中儀表數據的采集。   

 

       3）諧波數據

       通過(guò)點(diǎn)擊“箭頭"來(lái)左右切換2-63次諧波數據。

       4）需量

       顯示電壓、電流、功率的需量的數值及發(fā)生時(shí)間。

       5）電能查詢(xún)

       電能情況可以查詢(xún)上12月份的每個(gè)月用電量、上一年總用電量、本年已用電量、根據選擇不同時(shí)間查詢(xún)電能值。

 

 

       數據中心機架配電釆用“始端箱+母線(xiàn)槽+終端箱"的機架母線(xiàn)，替代“列頭柜+電纜"的傳統方式對通信機柜進(jìn)行柔性配電，不僅靈活解決了客戶(hù)不斷變化的用電需求,提高了數據中心供電方式穩定性,而且節省列頭柜占地，避免了容量資源浪費，大大提高了單位空間的裝機率,而且便于維護，綠色節能。

 

【1】謝昆，王智慧，朱林.淺析機架母線(xiàn)配電技術(shù)在數據中心機房的應用

【2】王其英.數據中心節能供電系統的規劃與設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

【3】AcrelEMS-IDC數據中心綜合能效管理解決方案-樣本.

【3】數據中心解決方案樣本2022.04版

      柏為為，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事數據中心相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)及應用