【摘要】隨著信息科技的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心單機(jī)柜功率密度逐漸增加，且對(duì)機(jī)房后期調(diào)整、改造需求增多，傳統(tǒng)的配電模式已無(wú)法滿足日新月異的變化需求，小母線作為數(shù)據(jù)中心一種新型機(jī)房配電產(chǎn)品，通過(guò)對(duì)其合理的應(yīng)用，有效地解決了傳統(tǒng)配電模式存在的各種問(wèn)題，提高了數(shù)據(jù)中心的可用性及供配電的穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)中心；配電模式；小母線；穩(wěn)定性

0引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)信息化水平的提高，包括經(jīng)濟(jì)及社會(huì)領(lǐng)域在內(nèi)的各個(gè)行業(yè)愈加依賴于信息系統(tǒng)，這對(duì)信息系統(tǒng)安全、穩(wěn)定性的運(yùn)行有較高的要求。與此同時(shí)，各行業(yè)對(duì)計(jì)算及相關(guān)資源的需求依然保持持續(xù)增加的趨勢(shì)，計(jì)算設(shè)備和資源數(shù)量仍需要保持快速的增長(zhǎng)速度，以滿足大數(shù)據(jù)、5G、人工智能和云計(jì)算等新興技術(shù)發(fā)展需要。因此，在數(shù)據(jù)中心的建設(shè)過(guò)程中，限于有限的資源，提高單機(jī)柜裝機(jī)的功率密度，使數(shù)據(jù)中心單位面積產(chǎn)生更大的價(jià)值是很有必要的。然而，單機(jī)柜功率的提高，勢(shì)必會(huì)造成供電、空調(diào)等系統(tǒng)的壓力，比如在傳統(tǒng)配電模式供電系統(tǒng)中，配電線路的載流量需要大幅度提高才能滿足高功率密度機(jī)柜的用電需求，這就使得配電支、干線的電力電纜線徑中大，特別是對(duì)于數(shù)據(jù)中心，由于2N架構(gòu)的需要[1]，更是使得兩倍載流量計(jì)算線徑的電纜方能滿足要求。再加上供電回路數(shù)量較多，這無(wú)疑中大了工程施工、運(yùn)維檢查、事故檢修以及后期改造的難度。此外，較多的電纜堆積，會(huì)對(duì)機(jī)房氣流造成一定影響，不利于IT設(shè)備的散熱。因此，打破傳統(tǒng)配電模式，驅(qū)動(dòng)新型數(shù)據(jù)中心配電方式的變革勢(shì)在必行。

1數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)的IT設(shè)備配電模式

1.1傳統(tǒng)配電模式簡(jiǎn)介

在數(shù)據(jù)中心中傳統(tǒng)的配電模式中，IT機(jī)房采用列頭柜從總配受電，然后通過(guò)不同的開(kāi)關(guān)回路，用電纜經(jīng)地板下的電纜橋架分配給各個(gè)機(jī)柜，是典型的放射式供配電系統(tǒng)[2]。列頭柜的配電模式特點(diǎn)是各負(fù)荷獨(dú)立受電，當(dāng)單臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，其影響范圍只局限于本身，而不會(huì)影響到其他回路，能夠滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范[1]對(duì)重要用電負(fù)荷的相關(guān)技術(shù)要求。此外，在數(shù)據(jù)中心，還采用2N架構(gòu)，即兩臺(tái)引自不同電源的列頭柜分別給同一列機(jī)柜供電，以達(dá)到一路電源故障時(shí)，另一路仍可支持所有設(shè)備正常運(yùn)行的目的。

1.2傳統(tǒng)配電模式存在的問(wèn)題

在早些時(shí)候，由于相關(guān)技術(shù)不夠成熟，數(shù)據(jù)中心建設(shè)和規(guī)劃過(guò)程中并未考慮到高功率密度的單機(jī)柜需求，傳統(tǒng)的列頭柜配電模式足以支撐1~3kW單機(jī)柜功率密度的需求。但隨著信息科技的快速發(fā)展，業(yè)務(wù)量大幅度提升，支撐數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算的數(shù)據(jù)中心面臨著巨大壓力，提升單機(jī)柜密度是業(yè)內(nèi)更傾向采取的措施，畢竟對(duì)于數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，可謂寸土寸中，提升利用效率需要的造價(jià)，遠(yuǎn)低于擴(kuò)大建筑面積產(chǎn)生的成本。根據(jù)一項(xiàng)調(diào)查顯示[3]，在新建數(shù)據(jù)中心中，單機(jī)柜功率密度提升到了4~10kW，甚至部分?jǐn)?shù)據(jù)中心的中大支持功率達(dá)到了20~30kW。

在如此形勢(shì)下，傳統(tǒng)的列頭柜配電模式在數(shù)據(jù)中心工程建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)中存在較多的問(wèn)題，下面將對(duì)這些問(wèn)題一一展開(kāi)進(jìn)行分析。

1.2.1供電線纜、橋架金屬消耗量大

在列頭柜配電模式中，列頭柜至機(jī)柜存在多條回路，以10列中20臺(tái)機(jī)柜的機(jī)房為例，在數(shù)據(jù)中心，兩路電源共需要400個(gè)配電回路，且每條回路電纜長(zhǎng)度在2~20m之間。若以單機(jī)柜功率8kW計(jì)算，則意味著每一回路的銅芯電纜線徑需在6mm2以上。同時(shí)，按照三相平均分配，單臺(tái)列頭柜單相功率需保持在53kW左右，列頭柜供電主電纜線徑更是達(dá)到了4中120+1中70（銅芯）之巨。若要完成對(duì)以上電纜的敷設(shè)，所需要的配電橋架尺寸或數(shù)量也要相應(yīng)的中大，這無(wú)疑使電纜和橋架等材料金屬的消耗量會(huì)大大增加。

1.2.2施工難度大

由于每條回路路徑不盡相同，導(dǎo)致每一條回路都需要現(xiàn)場(chǎng)完成電纜敷設(shè)和電纜頭制作安裝，而電纜與電纜、電纜與開(kāi)關(guān)以及電纜與母線等連接位置，是比較容易出現(xiàn)質(zhì)量和安全事故的地方，這就要求現(xiàn)場(chǎng)施工人員有較高的專業(yè)技術(shù)能力。同時(shí)，電纜回路較多，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的工作量也較大。此外，由于單機(jī)柜功率密度的增加所帶來(lái)的電纜線徑、橋架尺寸變大，也增加了施工的難度。

1.2.3占用機(jī)房空間

列頭柜的存在，必然會(huì)占用機(jī)房空間，其配電橋架及配電電纜在地板下夾層或吊頂上夾層也會(huì)占據(jù)一定的空間，這使得在寸土寸中的數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)，空間上顯得更加擁擠，同時(shí)也減少了機(jī)柜的可安裝數(shù)量。

1.2.4使用壽命短

使用年限方面，列頭柜一般在10-15年之間[3]，低于建筑的使用壽命，這也就意味著當(dāng)運(yùn)行一定時(shí)間后，需將列頭柜上所有設(shè)備下架或暫時(shí)下架，對(duì)機(jī)柜進(jìn)行全面更換，這將不利于IT系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2.5系統(tǒng)靈活性差

列頭柜通常在出廠前，便已根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定其內(nèi)部配置，當(dāng)投入運(yùn)行后，若在后續(xù)有改造方面的需求時(shí)，則會(huì)呈現(xiàn)出明顯的短板。例如，若需要對(duì)列頭柜擴(kuò)容或者變更，其難度是非常大的，中須要斷電才能完成斷路器或線路的改造工作，而且由于橋架內(nèi)電纜數(shù)量較多，其拆除難度較大，使用過(guò)的電纜也無(wú)法重復(fù)利用，整個(gè)系統(tǒng)缺少靈活性。

1.2.6維護(hù)檢修難度大

一方面，列頭柜分支開(kāi)關(guān)和配電回路眾多，在日常巡檢時(shí)，會(huì)增加巡檢耗時(shí)，不利于提高巡檢效率；另一方面，列頭柜的配電電纜敷設(shè)在地板下或吊頂上的橋架內(nèi)，往往可操作空間較小，再加上電纜回路眾多，當(dāng)某一分支回路電纜發(fā)生故障時(shí)，很難及時(shí)將損壞的電纜抽出更換，這將增加故障的修復(fù)時(shí)間，使數(shù)據(jù)中心的可用性下降[4]。

1.2.7影響氣流組織

在采用地板下送風(fēng)模式的機(jī)房?jī)?nèi)，由于電纜和橋架占據(jù)了地板下的空間，會(huì)導(dǎo)致送風(fēng)阻力的變大，從而使得系統(tǒng)能耗增加。此外，由于空間的限制，靜電地板高度的提升有限，特別是在擴(kuò)容改造時(shí)，會(huì)導(dǎo)致送風(fēng)量不夠，無(wú)法滿足機(jī)房制冷需求。

2小母線配電模式及其優(yōu)勢(shì)

2.1小母線配電模式簡(jiǎn)介

小母線配電模式，就是利用高載流量的母線槽取代傳統(tǒng)的列頭柜+線纜的配電模式，直接由線本體的插接口接出供電回路至服務(wù)器機(jī)柜。以美國(guó)Starline產(chǎn)品為例，如圖1所示，在IT機(jī)房?jī)?nèi)，通過(guò)在機(jī)柜上方安裝小母線，然后從母線的插接口引出分支回路連接至機(jī)柜的配電模塊，無(wú)需占據(jù)地板下方空間。同時(shí)，該產(chǎn)品支持熱插拔，即插即用的靈活供配電方式，可以實(shí)現(xiàn)在帶電狀況下、在任何地方快速安裝使用，無(wú)論是安裝或檢修維護(hù)，均可提升工作效率。

圖1 StartLine小母線供電模式

如圖2所示，小母線由端口母線槽、連接件、母線直線段、T型件、吊裝件、末端蓋、轉(zhuǎn)彎件和分接單元等部件組成，每個(gè)部件承擔(dān)不同的功能。端口母線槽在整條母線的初始位置，用于和上端總配電柜引來(lái)的電纜或母線相連接；連接件負(fù)責(zé)直線段、端口母線槽、T型件及轉(zhuǎn)彎件等部件的相互連接作用；直線段又可以分為饋線段和插接段，饋線段用于傳導(dǎo)電能，插接段用于連接分接單元；吊裝件在與母線支吊架連接時(shí)起到作用，便于安裝；末端蓋保持母線末端的封閉性，防止進(jìn)入灰塵、水分等；由于母線槽不便彎曲，需借助于轉(zhuǎn)彎件和T型件來(lái)達(dá)到轉(zhuǎn)彎和分流的目的；分接單元又叫做母線插接箱，用于小母線和列頭柜的連接。

圖2小母線的組成部分

2.2小母線的優(yōu)勢(shì)

小母線的應(yīng)用，從某些程度上避免了傳統(tǒng)列頭柜配電模式的弊端，在新的數(shù)據(jù)中心建設(shè)形勢(shì)下，有著巨大的優(yōu)勢(shì)。

2.2.1安裝方便、可靠性高

與架空地板下走線方式需鋪設(shè)電力橋架和成百上千條電纜線相對(duì)比，小母線的安裝既不需要在空間狹小的地板下進(jìn)行，又節(jié)約了大量的分支電纜敷設(shè)及電纜頭的制作工作，預(yù)制化的產(chǎn)品到場(chǎng)直接對(duì)接安裝，其安裝方式簡(jiǎn)單又省時(shí)省力。此外，由于省去了電纜頭的制作，還可以避免電纜接頭氧化、接觸不良等問(wèn)題，提高了供電的可靠性和安全性。

2.2.2節(jié)省機(jī)房空間

小母線體積緊湊，占用空間少，可在機(jī)柜上方通過(guò)支架或吊架連接安裝，省去了列頭柜和地板下電纜及電纜橋架所占用的空間，既為裝設(shè)IT設(shè)備的服務(wù)器機(jī)柜騰出了更多空間，還對(duì)降低地板高度創(chuàng)造了一定條件，節(jié)省機(jī)房的建設(shè)成本。若是對(duì)外租賃的機(jī)房，還可通過(guò)增加機(jī)柜數(shù)量，來(lái)創(chuàng)造額外收益。

2.2.3使用壽命較長(zhǎng)

使用年限方面，由于傳統(tǒng)的配電模式中，列頭柜壽命一般在10-15年之間，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。而小母線的使用壽命一般可達(dá)40年[3]，可以更好地與建筑使用年限相匹配，而不用頻繁更換設(shè)備、下架信息系統(tǒng)服務(wù)器，可中底擺脫傳統(tǒng)列頭柜配電模式末端電力調(diào)整的不連續(xù)性、工程化和周期長(zhǎng)等問(wèn)題。

2.2.4配電靈活、檢修方便

相對(duì)于固定配電模式的列頭柜，小母線可根據(jù)機(jī)柜實(shí)際負(fù)載大小進(jìn)行靈活分配。在安裝小母線時(shí)，可以預(yù)留一定的插接口，以便后續(xù)容量調(diào)整、容量增加。當(dāng)需要擴(kuò)容時(shí)，只需要增加或更換插接箱即可。再加上插接口可支持熱插拔，當(dāng)需要進(jìn)行調(diào)相、維修等相關(guān)操作時(shí)，只需對(duì)小母線上的插接箱進(jìn)行相關(guān)調(diào)整即可，無(wú)需在線路上進(jìn)行任何操作。

2.2.5安裝方式靈活

在安裝方式上，除了常見(jiàn)的在機(jī)柜上方吊裝或支架固定，也可以根據(jù)實(shí)際需要選擇地板下安裝、吊頂上安裝、嵌入天花板安裝等方式。母線槽的形式和分支單元也可以根據(jù)客戶的需求專門定制，如單獨(dú)接地或接地，三相四線制或三相五線制等。

2.2.6減少氣流阻力，提高機(jī)房冷卻效益

在機(jī)柜上方安裝的小母線，可以為地板下方騰出較多的空間，對(duì)于下送風(fēng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，大大減少了空氣流通的阻力，降低了空調(diào)設(shè)備的功耗。同時(shí)，防止橋架、電纜等對(duì)氣流組織的影響，提高了冷風(fēng)氣流的可用性，提高了機(jī)房的冷卻效益。

2.2.7后繼成本低，可提升數(shù)據(jù)中心的可用性

后繼成本低體現(xiàn)在節(jié)約建設(shè)工程造價(jià)和運(yùn)維花費(fèi)兩個(gè)方面，一方面，小母線使用壽命長(zhǎng)、擴(kuò)容改造方便，降低了后期機(jī)房改造的工程建設(shè)成本；另一方面，日常運(yùn)維時(shí)，檢查及檢修方便，節(jié)省人力并大大降低平均可修復(fù)時(shí)間，提升數(shù)據(jù)中心的可用性[4]。

3 安科瑞中密配電及監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

3.1概述

隨著數(shù)據(jù)中心的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的能耗問(wèn)題也越來(lái)越突出，有關(guān)數(shù)據(jù)中心的能源管理和供配電設(shè)計(jì)已經(jīng)成為熱門問(wèn)題，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。要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能，首先需要監(jiān)測(cè)每個(gè)用電負(fù)載，而數(shù)據(jù)中心負(fù)載回路非常的多，傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x表無(wú)法滿足成本、體積、安裝、施工等多方面的要求，因此需要采用適用于數(shù)據(jù)中心集中監(jiān)控要求的多回路監(jiān)控裝置。

3.2應(yīng)用場(chǎng)所

適用于運(yùn)營(yíng)商、金融、互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)等數(shù)據(jù)中心

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）交流

3.4系統(tǒng)功能

1）主頁(yè)

開(kāi)機(jī)進(jìn)入主頁(yè)，包含進(jìn)線參數(shù)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、出線參數(shù)、報(bào)警查詢等功能，按按鈕可進(jìn)入各功能界面查看。

2）進(jìn)線參數(shù)監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)主路的三相電壓、電流、系統(tǒng)頻率；各項(xiàng)及總的有功功率，無(wú)功功率，視在功率，功率因數(shù)，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；中大需量。

3）出線參數(shù)監(jiān)測(cè)

分支回路的電壓、電流、有功功率、有功電能、功率因數(shù)額定電流設(shè)置、各相電流值；

負(fù)載百分比；中大需量。

4）開(kāi)關(guān)狀態(tài)

左側(cè)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(rèn)為無(wú)源檢測(cè)點(diǎn)，分閘為綠色，合閘為紅色。主路右側(cè)的皆為支路開(kāi)關(guān)狀態(tài)；默認(rèn)為有源檢測(cè)點(diǎn)，合閘為紅色，分閘為綠色。

5）報(bào)警查詢

當(dāng)前報(bào)警界面可查看實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史報(bào)警；開(kāi)關(guān)量動(dòng)作告警；任意數(shù)據(jù)的定時(shí)存儲(chǔ)；進(jìn)線過(guò)電流2段閥值越限告警，可任意設(shè)定告警值；進(jìn)線過(guò)壓、欠壓、缺相、過(guò)頻率、低頻率越限告警;聲光告警功能。

3.5系統(tǒng)硬件配置

4安科瑞智能母線監(jiān)控解決方案

4.1概述

數(shù)據(jù)中心IT服務(wù)器配電傳統(tǒng)采用中密配電柜，占用空間較大，配電線纜多，新增設(shè)備不便，為了節(jié)省面積，智能小母線方案由于不占用機(jī)房面積、可按需靈活插拔，受到很多數(shù)據(jù)中心的青睞，被越來(lái)越多的應(yīng)用。

安科瑞智能母線監(jiān)控產(chǎn)品分為交流和直流母線監(jiān)控兩類，包括始端箱監(jiān)測(cè)模塊、插接箱監(jiān)測(cè)模塊以及觸摸屏，另外還可以搭配母線槽連接器紅外測(cè)溫模塊用于監(jiān)測(cè)母線槽的運(yùn)行溫度，確保母線槽配電安全。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線手拉手簡(jiǎn)單組網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)任意插接箱檢修或更換時(shí)不影響其他在線運(yùn)行的插接箱的數(shù)據(jù)上傳通訊。

4.2應(yīng)用場(chǎng)所

適用于運(yùn)營(yíng)商、金融、互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)等數(shù)據(jù)中心

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.4系統(tǒng)功能

00001. 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

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

00001. 基本參數(shù)界面

顯示電壓、電流、功率、電能等電參數(shù)數(shù)據(jù)，在設(shè)備地址旁邊的輸入框輸入本箱子對(duì)應(yīng)的儀表地址，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)箱子中儀表數(shù)據(jù)的采集。

00001. 諧波數(shù)據(jù)

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

00001. 中大需量

顯示電壓、電流、功率的中大需量的數(shù)值及發(fā)生時(shí)間。

00001. 電能查詢

電能情況可以查詢上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(jù)選擇不同時(shí)間查詢電能值。

4.5系統(tǒng)硬件配置

5結(jié)束語(yǔ)

在IT設(shè)備運(yùn)行場(chǎng)所的數(shù)據(jù)中心，供配電系統(tǒng)作為機(jī)房中一個(gè)重要的子系統(tǒng)，其穩(wěn)定性和可用性，是保障IT設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要因素。通過(guò)采用小母線供電模式，不僅可以在工程建設(shè)時(shí)期加快工期、提高空間利用效率，在運(yùn)維階段，也可大大提高數(shù)據(jù)*心的可用性，維持配電系統(tǒng)的持續(xù)性和供電的穩(wěn)定性。