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淺談數(shù)據(jù)中心機(jī)房末端配電技術(shù)與產(chǎn)品監(jiān)控選型
閱讀：513 發(fā)布時(shí)間：2023-2-24
摘要：數(shù)據(jù)中心機(jī)房末端配電的可靠性、穩(wěn)定性和可維護(hù)性直接關(guān)系到IT設(shè)備的安全供電,。數(shù)據(jù)中心的末端配電技術(shù)主要有兩種，一種采用列頭柜加電纜配電,，另一種是智能小母線配電,。分別對(duì)兩種配電技術(shù)進(jìn)行了介紹和探討，最后對(duì)兩種配電方式進(jìn)行了對(duì)比分析,，得出一些有益的結(jié)論,。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；末端配電,；列頭柜,；智能小母線
1概述
數(shù)據(jù)中心是國(guó)家確定的“新基建"七大領(lǐng)域之一。數(shù)據(jù)中心在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中所起的作用越來(lái)越重要,，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為了各行各業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施,，為經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了重要支撐
數(shù)據(jù)中心要實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，前提是其供電系統(tǒng)應(yīng)穩(wěn)定可靠,、不間斷,。當(dāng)前，重要程度高的數(shù)據(jù)中心一般采用2N架構(gòu)的UPS供電方式,，以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)要求,，供電系統(tǒng)包括高低壓配電,、后備發(fā)電機(jī)組、不間斷電源,、后備蓄電池,、精密配電等子系統(tǒng)，典型的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)如圖1所示,。
圖1 典型數(shù)據(jù)中心2N供電系統(tǒng)圖
從圖1可以看出,，最終的用電設(shè)備實(shí)現(xiàn)了全程雙路由容錯(cuò)供電。
2末端配電
數(shù)據(jù)中心機(jī)房的末端配電一般是指從不間斷電源輸出柜到最終用電設(shè)備的配電部分,，最終用電設(shè)備包括IT設(shè)備,、動(dòng)力設(shè)備和照明等。數(shù)據(jù)中心的末端配電用電設(shè)備,，是整個(gè)供配電系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),，它的安全可靠十分重要。
傳統(tǒng)的末端配電技術(shù)一般采用列頭柜加電纜配電,，典型的配電系統(tǒng)如圖 2 所示,。
圖2 數(shù)據(jù)中心典型配電系統(tǒng)圖
注：系統(tǒng)圖中的方框部分即為末端配電部分。
3列頭柜配電技術(shù)探討
按照國(guó)家規(guī)范的要求,，數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施宜按容錯(cuò)系統(tǒng)配置,。當(dāng)數(shù)據(jù)中心的末端配電采用列頭柜加電纜配電時(shí)，存在多種方案,。以數(shù)據(jù)中心應(yīng)用較多的封閉冷通道為例,，配電方案主要有如下4種方案。
3.1方案一
方案一如圖3所示,。
圖3 列頭柜雙柜配電方案
注：圖中僅示出了其中一列機(jī)柜的配電電纜,，另一列機(jī)柜同理。
每個(gè)封閉冷通道設(shè)置兩個(gè)列頭柜,，分別位于每列的頭部,，每個(gè)列頭柜由不同的UPS系統(tǒng)引出，即列頭柜A由2N雙母線系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)A引出,，列頭柜B由2N雙母線系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)B引出,。
IT機(jī)柜的供電方式為：每個(gè)IT機(jī)柜內(nèi)包括兩路PDU，PDU(A)和PDU(B),，其中PDU（A）通過(guò)電纜由列頭柜A取電,，PDU(B)通過(guò)電纜由列頭柜B取電。
本供電方案的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了全程雙回路供電,，無(wú)單點(diǎn)故障點(diǎn),，供電架構(gòu)清晰。缺點(diǎn)是IT機(jī)柜的供電需要跨列引電,，布線有一定難度,。
3.2方案二
方案二的機(jī)柜布置和方案一相同,，如圖3所示，但列頭柜的內(nèi)部配置和配電電纜的敷設(shè)不同,。具體方案是：每個(gè)封閉冷通道也設(shè)置兩個(gè)列頭柜,，列頭柜A和列頭柜B，但每個(gè)列頭柜內(nèi)部又分為A,、B兩路,，每路由不同的UPS系統(tǒng)引出，即列頭柜A和列頭柜B內(nèi)的A路由2N雙母線系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)A引出,，列頭柜A和列頭柜B內(nèi)的B路由2N雙母線系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)B引出,。
IT機(jī)柜的供電方式是IT機(jī)柜的兩路PDU均來(lái)自于本列的列頭柜，其中PDU（A）來(lái)自于本列列頭柜中的A路,，PDU（B）來(lái)自于本列列頭柜中的B路,；這種供電方式結(jié)構(gòu)清晰，但當(dāng)列頭柜需要擴(kuò)容,、更換或移位時(shí),，后端IT機(jī)柜的割接難度和工作量較大,。
3.3方案三
方案三和方案二的不同之處僅在于IT機(jī)柜的取電方式不同,，即IT機(jī)柜的兩路PDU分別來(lái)自于不同的列頭柜，且不同路,，第1列的IT機(jī)柜的PDU（A）來(lái)自于列頭柜A內(nèi)的A路,，PDU（B）來(lái)自于列頭柜B內(nèi)的B路；第2列的IT機(jī)柜的PDU（A）來(lái)自于列頭柜B內(nèi)的A路,，PDU（B）來(lái)自于列頭柜A內(nèi)的B路,；這種供電方式保證了IT機(jī)柜的供電為全程雙路由，且不存在單點(diǎn)故障點(diǎn),，但布線比較復(fù)雜,，現(xiàn)場(chǎng)接線容易發(fā)生錯(cuò)誤，可能導(dǎo)致IT
機(jī)柜由假雙路電源供電,。
3.4方案四
方案四如圖4所示,。
圖4 列頭柜單柜供電方案
每個(gè)封閉冷通道只設(shè)置1個(gè)列頭柜，位于其中一列的頭部,，列頭柜內(nèi)部分為A,、B兩路，分別由不同的UPS系統(tǒng)引出,。IT機(jī)柜的兩路PDU分別由列頭柜內(nèi)的A路和B路取電,。
這種方案的優(yōu)點(diǎn)是只占用了一個(gè)機(jī)柜位置，節(jié)約了寶貴的機(jī)房空間資源,。缺點(diǎn)是電纜需要跨列敷設(shè),，且當(dāng)列頭柜需要維修,、擴(kuò)容、更換或移位時(shí),，將造成后端所有IT機(jī)柜斷電,。
3.5列頭柜配電方案對(duì)比
對(duì)上述4種列頭柜配電方案進(jìn)行對(duì)比，如表1所示,。
表1 四種列頭柜配電方案對(duì)比
綜合列頭柜的上述4種列頭柜配電方案的優(yōu),、缺點(diǎn)，建議采用配電方案一,。
3.6列頭柜配電技術(shù)分析
列頭柜配電技術(shù)要占用寶貴的機(jī)房資源,，每臺(tái)列頭柜要占用了一個(gè)機(jī)柜位置，使得可出租的IT機(jī)柜數(shù)量變少,。列頭柜配電采用電纜進(jìn)行出線,，出線配置1P或2P空開(kāi)，每一個(gè)出線回路連接一根電纜到一臺(tái)機(jī)柜,，再通過(guò)工業(yè)連接器或者直接連接到PDU的端子排上,，為服務(wù)器進(jìn)行供電。列頭柜在設(shè)計(jì)中往往會(huì)配置一些備用回路,，以備日后機(jī)柜擴(kuò)容或者維修,，當(dāng)列頭柜方案落地實(shí)施后，再進(jìn)行調(diào)整和更改會(huì)非常麻煩,，甚至需要停機(jī)進(jìn)行作業(yè),。采用電纜出線，如果雙路配電的方案,，會(huì)有大量的電纜需要部署,，后期維護(hù)、增加,、減少機(jī)柜,、調(diào)整機(jī)柜布局、增加機(jī)柜容量等難度很大,。另外,，電纜中間沒(méi)有監(jiān)控，長(zhǎng)期通過(guò)大電流出現(xiàn)絕緣老化時(shí)無(wú)法提前預(yù)警,，對(duì)運(yùn)營(yíng)帶來(lái)潛在危險(xiǎn),。
4智能小母線配電技術(shù)探討
由于列頭柜要占用寶貴的機(jī)房資源，且配電不夠靈活,，業(yè)界一直在研究更加靈活可靠的末端配電技術(shù),，智能小母線配電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
智能小母線是相對(duì)應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)的大母線而言的,，應(yīng)用于機(jī)房末端配電,，且電流一般在800A以下的小型母線系統(tǒng),。
4.1智能小母線的分類
智能小母線按照結(jié)構(gòu)可以分為滑軌式小母線和直列式小母線。
所謂滑軌式小母線,，是指銅排導(dǎo)體采用環(huán)繞式布置,，中間形成一個(gè)連續(xù)的空間通道，底部連續(xù)開(kāi)槽,，支持在任意點(diǎn)位插接取電的母線形式,。
滑軌式小母線具有全程全點(diǎn)位接入分支回路的特點(diǎn)。插接箱在母線槽的下方安裝,，即插即用,，母線槽無(wú)需斷電即可實(shí)現(xiàn)插接箱的在線插拔；母線槽為模塊化結(jié)構(gòu),，支持分步實(shí)施,、延續(xù)、擴(kuò)展和重構(gòu),，支持部件的按需分項(xiàng)采購(gòu)和部署,。
所謂直列式小母線，是指銅排導(dǎo)體采用上下并列平行布置,，母線左右兩側(cè)可間隔或密集布置插孔接入分支回路的母線形式,。
直列式母線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本更低,。但其插接箱是固定的,，不能根據(jù)需求靈活移動(dòng)，插接箱在母線槽的左右水平方向安裝,，插接口的數(shù)量有限，整體擴(kuò)容性差,。另外,，插接箱的體積大，占用空間大,，不易更換,，維護(hù)困難。因此,，直列式小母線適合后期方案不進(jìn)行調(diào)整,，大范圍固定配置的部署。
滑軌式小母線和直列式小母線的特點(diǎn)對(duì)比如表2所示,。
表2 滑軌式小母線和直列式小母線
由于滑軌式小母線的插接箱在母線槽的下方向下安裝，兩條智能小母線間距可以控制在150mm以內(nèi),，占用IT機(jī)柜上方的水平空間較小,，一般可以在500mm以內(nèi),。插接箱朝向機(jī)柜后側(cè),，便于操作和觀察。而直列式小母線占用IT機(jī)柜上方的水平空間較大,，一般都600mm以上,，不便于安裝,，且不便于后期的操作和觀察。因此,，智能小母線推薦采用滑軌式小母線,，不建議采用直列式小母線,。
4.2智能小母線的配置方式探討
對(duì)于封閉冷通道,，智能小母線有單列單母線和單列雙母線兩種配置方式,。
單列單母線配置圖如圖5所示。
由于采用單列單母線方式，需要跨列橋架，布線難度很大,，不建議采用此種配置方式,，推薦采用單列雙母線配置方式,。
4.3智能小母線插接箱配置方式探討
IT機(jī)柜通過(guò)插接箱從母線取電，即母線通過(guò)插接箱將電送至IT機(jī)柜內(nèi)的PDU,。插接箱有單路輸出和三路輸出兩種,，單路輸出的插接箱一般為單相,，有的具備調(diào)相功能。三路輸出的插接箱輸入一般為三相,，輸出自然分相,，有利于三相平衡,。
因此，插接箱的配置方式可以分為一對(duì)一模式和一對(duì)三模式,。一對(duì)一模式的配置圖如圖6所示,，一對(duì)三模式如圖7所示。
雖然插接箱一對(duì)一的配置方式清晰方便,，發(fā)生故障時(shí)只影響一個(gè)機(jī)架,，但成本較高?？紤]到IT機(jī)柜有兩路供電,，由于采用單列單母線方式，需要跨列橋架,，布線難度兩路供電同時(shí)發(fā)生故障的可能性很低,，而且,，一對(duì)三方式采用一般三相輸入,，輸出到三個(gè)機(jī)柜自然分相,，不需要額外考慮三相平衡問(wèn)題,，因此推薦采用一對(duì)三的配置方式。
5末端配電技術(shù)對(duì)比分析
5.1列頭柜配電技術(shù)與智能小母線配電技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)
傳統(tǒng)的機(jī)房末端配電技術(shù)采用列頭柜加電纜的配電方式,，列頭柜需要占用機(jī)柜安裝位置,；需要安裝走線架，施工難度大,，電纜較多,，且一般需要一次性建成；IT機(jī)柜的配電容量是固定的,，無(wú)法進(jìn)行靈活調(diào)整,；若機(jī)房搬遷，列頭柜,、電纜,、走線架等一般無(wú)法重復(fù)利用。
智能小母線配電技術(shù)采用了進(jìn)線箱,、母線槽和插接箱,，為模塊化結(jié)構(gòu)，不需要占用寶貴的機(jī)柜安裝位置,；無(wú)需走線架,，施工工期短；若IT機(jī)柜容量調(diào)整,，插接箱可熱插拔,，只需更換插接箱即可；若機(jī)房搬遷,，設(shè)備均可重復(fù)利用,。
但智能小母線也存在如下缺點(diǎn)。
（1）對(duì)機(jī)房高度要求更高,。采用列頭柜配電方式,，為滿足走線要求，一般要求IT機(jī)柜上方有不小于500mm的高度,，而智能小母線,，要求上方不小于800mm的高度。
（2）維護(hù)操作不方便,。智能小母線的安裝位置較高,，操作人員如果要對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行分合閘等操作，比較不方便,。
（3）設(shè)置復(fù)雜,。若插接箱內(nèi)的空氣開(kāi)關(guān)故障，就要更換插接箱,，而且插接箱更換后需要廠家重新設(shè)置通訊地址,。
兩種配電方式的特點(diǎn)對(duì)比如表5所示。
綜上所述,，如果是一次性部署服務(wù)器或是方案固定的數(shù)據(jù)中心,，一般會(huì)采用列頭柜加電纜的配電方案,。如果是需要分批次部署服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心，或后期需要進(jìn)行末端負(fù)荷調(diào)整的數(shù)據(jù)中心,，推薦采用全點(diǎn)位,、滑軌式的智能小母線配電方案。
5.2兩種配電方式的造價(jià)對(duì)比
我們?nèi)砸猿Ｒ?jiàn)的封閉冷通道來(lái)進(jìn)行對(duì)比,，該封閉冷通道采用2N雙母線UPS供電方式。一般來(lái)說(shuō),，封閉冷通道內(nèi)的單列IT機(jī)柜數(shù)量在25個(gè)以內(nèi),，現(xiàn)假設(shè)為單列18個(gè)機(jī)柜，若采用列頭柜配電方式,，則單列IT機(jī)柜數(shù)為17個(gè),，單個(gè)IT機(jī)柜額定功率為4kW。采用智能小母線方案,，則單列機(jī)柜數(shù)為18個(gè)機(jī)柜,。
列頭柜配電方案如圖3所示，智能小母線配電方案如圖7所示,。
列頭柜配電方案的造價(jià)如表6所示,。
表6 列頭柜配電方案造價(jià)
智能小母線配電方案的造價(jià)如表7所示。
從表6和表7可以看出,，兩種配電方式的造價(jià)相差105840元,，但智能小母線配電方式可以多安裝2個(gè)IT機(jī)柜，假設(shè)每機(jī)柜的月租金（不含電費(fèi)）為2500元,，則多花的投資部分,，其回收期約為1.76年。在10年的運(yùn)營(yíng)期內(nèi),，小母線配電方式可以為增加租金收入約49.4萬(wàn),。
6安科瑞精密配電及監(jiān)控系統(tǒng)解決方案
6.1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。
6.2應(yīng)用場(chǎng)所
適用于運(yùn)營(yíng)商,、金融,、政府、互聯(lián)網(wǎng),、企業(yè)等數(shù)據(jù)中心
6.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
6.4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,；最大需量。
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,；最大需量,。
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。
6.5系統(tǒng)硬件配置
7安科瑞智能母線監(jiān)控解決方案
7.1概述
數(shù)據(jù)中心IT服務(wù)器配電傳統(tǒng)采用精密配電柜,，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,。
7.2應(yīng)用場(chǎng)所
適用于運(yùn)營(yíng)商,、金融、政府,、互聯(lián)網(wǎng),、企業(yè)等數(shù)據(jù)中心
7.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
7.4系統(tǒng)功能
1）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,。
2）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。
3）諧波數(shù)據(jù)
7.5系統(tǒng)硬件配置
8總結(jié)
末端配電是數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的末梢環(huán)節(jié),，它的可靠性,、穩(wěn)定性和可維護(hù)性直接關(guān)系到IT設(shè)備的安全供電。數(shù)據(jù)中心的末端配電方式主要包括兩種,，一種是采用列頭柜加電纜的配電方式,，另一種是智能小母線配電方式。本文通過(guò)分析,，得出如下結(jié)論：
（1）對(duì)于封閉冷通道,，如果采用列頭柜加電纜的配電方式，建議采用上文中的方案一,，即每個(gè)冷通道配置2個(gè)列頭柜,，每個(gè)IT機(jī)柜分別從2個(gè)列頭柜各取1路電源。
（2）智能小母線分為滑軌式小母線和直列式小母線,，考慮到機(jī)房的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境,，推薦采用滑軌式小母線，不建議采用直列式小母線,。
（3）智能小母線推薦采用單列雙母線方案,。
（4）智能小母線的插接箱推薦采用一拖三方案。
（5）對(duì)于分批次部署服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心,，或后期需要進(jìn)行末端負(fù)荷調(diào)整的數(shù)據(jù)中心,，強(qiáng)烈建議采用滑軌式的智能小母線配電方案；如果是一次性部署服務(wù)器或是方案固定的數(shù)據(jù)中心,，可采用列頭柜加電纜的配電方案,。
（6）智能小母線造價(jià)相對(duì)較高，投資回收期約為2年,。
總的來(lái)說(shuō),，由于智能小母線具有不占用機(jī)柜位置、配電回路清晰,、模塊化結(jié)構(gòu),、工期短、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn),，雖然其造價(jià)相對(duì)較高,，但在整個(gè)運(yùn)營(yíng)期內(nèi)可以為投資方帶來(lái)更大的收益。因此，建議在數(shù)據(jù)中心內(nèi)推廣應(yīng)用智能小母線末端配電技術(shù),。
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