淺談機架母線配電技術在數據中心機房的應用
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:通過結合機架母線槽系統的使用特點，將“始端箱7線槽+終端箱”機架母線配電方式與現有"列頭柜+電纜"配電 方式進行使用性能與技術經濟指標的對比，分析了機架母線柔，性配電、保護、擴容、監測等多種功能，說明機架母線在提高了數據中心供電方式穩定性、靈活性的同時，大大提高了單位空間的裝機率。
關鍵詞：數據中心;機房配電；列頭柜;機架母線
0引言
隨著大數據的飛速發展，數據機房的傳統“列頭柜+電纜” 配電方式已經不能滿足日新月異的供電需求，于是出現了一種加靈活的配電方案:機架母線配電技術，釆用“始端箱+母線槽+終端箱”的配電形式，實現對電子信息設備進行柔性配電、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，大大提高了單位空間的裝機率,為數據中心帶來額外的收入。
1傳統“列頭柜+電纜”配電方式存在的問題
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電源列頭柜及空調列頭柜，占用寸土寸金的機房空間，影響數據中心的裝機率，制約公司IDC業務的發展。
1.2可靠性低，擴展困難
釆用傳統“列頭柜+電纜”配電方案，列頭柜內布線復雜，故障點較多,降低系統的可靠性;對于機柜經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，擴展困難。
1.3列頭柜監控系統存在單點隱患
傳統“列頭柜+電纜”配電方式是由低壓電纜進入列頭柜，通過主路控制開關控制各分路開關，再由分路開關控制各機柜PDU 供電，且還要實現眾多點位的電源監控，但凡列頭柜監控模塊出現故障，將會導失去整列機柜的電源監控，存在單點隱患，而且此類故障一般只能由廠家工程師現場調試換后才能恢復，若在此期間發生宕機，將不能及時處理，產生嚴重后果。
1.4安裝工作復雜，易產生維護隱患
傳統“列頭柜+電纜”配電方式接線工作量大、周期長，施工工藝與水平參差不齊，存在人為接線錯誤、標簽標識錯誤、動力線監控線虛接等各類問題，對運行維護造成重大隱患。
2總體解決方案描述
為了克服上述問題，本文提出了釆用了 “始端箱+母線槽+終端箱”的機架母線（以下簡稱機架母線）配電方式實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、導軌式母線槽、終端箱（插接箱）組成，其原理是在機柜頂部預制母線槽,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具體方案實施
3.1方案設計
母線系統有多種電流標準，大多數廠商產品都提供三種 規格：10QA、225A和400A.根據項目需求，結合母線槽系統的使用特點，由于建設模塊內每列機柜均釆用兩根母線槽的雙路供電方式，由于機柜負載均為5KW,考慮到現階段實際應 用以及日后擴容變、單一支路增容、冗余、備份等需求，部署于機房模塊內的AC交流母線槽主體均釆用225A規格，可提供單列單路母線槽133KW負載需求.根據該機房柜列長度，措配多根3米及2米AC母線槽主體，以及相應的接插箱、連接件等等，完成母線槽系統配置。
3.2現場實施要點
此次改造項目選取的中國移動（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纜橋架、光纖槽、背板空調管路橋架，個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，機柜母線安裝困難，甚至出現了空調管路緊貼母線始端箱的情況.考慮到機柜母線合理的安裝位置是機柜后門位置，建議前期空調、弱電施工時，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,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 并且由于位置過高，無法進行操作切換頁面，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單觀察和判斷始端箱是否出現故障。
在實施順序上，建議機柜母線和橋架同時或銜接施工,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。此次項目實施過程中機柜母線和背板空調管路橋架發生 沖突，因此只能將母線安裝在機柜前門位置,導致端接箱至PDU 的電纜變長，且不便于走線。而且可能造成后期維護的不便。
另外，當機柜母線和背板同時釆用時，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，分別測得不同時段各插接頭與母線槽接觸溫升、插接箱表面溫升、工業插座連接處溫升、插接箱輸出電壓以及各顯示屏狀態如圖所示（如圖2）。
圖2單列機架母線系統測試情況
根據標準，母線槽在平均環境溫度為25℃、額定負荷狀態下，其溫升要求如下：
由此可見,當環境溫度為26℃,機柜負載6KW時,插接頭與母線槽接觸溫升、插接箱表面溫升、工業插座連接處溫升、 插接箱輸出電壓以及各顯示屏狀態完全滿足要求。此外，現場針對整個模塊各列機柜母線做了季度試運行測試（如圖3）, 結果均滿足要求。
圖3機架母線配電系統季度試運行情況
4 “始端箱+母線槽+終端箱”機架母線配電方式的效能分析
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，機架母線配電系統無需在機柜頂端布置強電走線架,節省機柜上方空間;重要的是“始端箱+母線槽+終端箱”機架母線配電方式，節省列頭 柜占地，提高裝機率，就中國移動（呼和浩特）數據中心機房為例，一個模塊就能節省8個機柜位置，一個機房32個模塊就 能節省出256個機柜的空間，相當于2個模塊。按照一個機柜一年6萬元租金計算，中國移動（呼和浩特）數據中心每個機房每年能增加收入1536萬元。
4.2柔性配電，即插即用
機架母線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、連接的緊固程度進行檢查。此外，母線插接箱內的斷路器與機柜PDU直接連接，故障點少，提高系統可用性；對于機柜經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”配電依靠列頭柜實現監控的方式, 機架母線配電系統中的始端箱具有智能監控模塊，支持多種通訊協議，包括Modbus RTU, Modbus TCP以及無線信號傳輸，可以無縫連接到整個建筑管理系統（BMS）或數據中心基礎設施管理系統（DCIM）中，通過標準協議與后臺監控系統進行集成。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壓/欠壓、輸入分路的熔絲狀態等）的同時，還能實現電壓、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出的告警信號而關掉了告警聲信號后,如果又產生新的告警，會再次自動發出聲光告警信號（如圖4）。
圖4機架母線配電系統監控
4.4分散散熱，自然冷卻
隨著裝機量的增加,需要布放越來越多的電纜，嚴重阻礙空氣流通，影響制冷效果。機架母線提供同等供電能力的同時，占用體積僅為電纜橋架的35%,能好的保持空調風道暢 通,提高制冷效率，降低電能損耗和數據中心運營成本。始端箱、母線槽、終端箱（插接箱）分開散熱，同時外殼釆用鋁合金材質，利用空氣自然冷卻，散熱效果非常好，運行過程中不產生噪聲或震動。
4.5安裝便捷，節省人工
相對于傳統"列頭柜+電纜”配電方式，省去了走線架及大量電纜敷設的時間,母線安裝全部通過膨脹螺絲及吊桿，母線槽整體吊掛,終端箱（插接箱）安裝只需通過“旋轉-鎖定”的方式即可（如圖5）。據不完全統計，該技術安裝便捷，時間成本節省30%-60%（機架母線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、人工接線節省大量時間；此外母線槽及終端箱（插接箱）產品設計模塊化，安裝快捷的同時大大降低人為安裝錯誤率。
5 安科瑞配電及監控系統解決方案
5.1 概述
隨著數據中心的迅猛發展，數據中心的能耗問題也越來越突出，有關數據中心的能源管理和供配電設計已經成為熱門問題，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。要實現數據中心的節能，首先需要監測每個用電負載，而數據中心負載回路非常的多，傳統的測量儀表無法滿足成本、體積、安裝、施工等多方面的要求，因此需要采用適用于數據中心集中監控要求的多回路監控裝置。
5.2 應用場所
適用于運營商、金融、政府、互聯網、企業等數據中心。
5.3 系統結構
1）交流
2）直流
5.4 系統功能
1）主頁
開機進入主頁，包含進線參數、開關狀態、出線參數、報警查詢等功能，按按鈕可進入各功能界面查看。
2）進線參數監測
監測主路的三相電壓、電流、系統頻率；各項及總的有功功率，無功功率，視在功率，功率因數，有功電能、無功電能；電流、電壓不平衡度；電流、電壓諧波含量；大需量。
3）出線參數監測
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；大需量。
4）開關狀態
左側一列為主路開關狀態，主路跳閘SD狀態、主路防雷開關狀態、主路防雷故障點狀態，默認為無源檢測點，分閘為綠色，合閘為紅色。主路右側的皆為支路開關狀態；默認為有源檢測點，合閘為紅色，分閘為綠色。
5）報警查詢
當前報警界面可查看實時報警和歷史報警；開關量動作告警；任意數據的定時存儲；進線過電流2段閥值越限告警，可任意設定告警值；進線過壓、欠壓、缺相、過頻率、低頻率越限告警; 聲光告警功能。
5.5 系統硬件配置
6安科瑞智能母線監控解決方案
6.1概述
數據中心IT服務器配電傳統采用配電柜，占用空間較大，配電線纜多，新增設備不便，為了節省面積，智能小母線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，被越來越多的應用。
安科瑞智能母線監控產品分為交流和直流母線監控兩類，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槽連接器紅外測溫模塊用于監測母線槽的運行溫度，確保母線槽配電安全。通過標準網線手拉手簡單組網，可以實現任意插接箱檢修或換時不影響其他在線運行的插接箱的數據上傳通訊。
6.2 應用場所
適用于運營商、金融、政府、互聯網、企業等數據中心
6.3 系統結構
6.4 系統功能
1）實時監測
在主頁點擊數據采集按鈕后，進入系統圖界面：此界面顯示了每個箱子的電壓。
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，即可實現對箱子中儀表數據的采集。
3）諧波數據
通過點擊“箭頭”來左右切換2-63次諧波數據。
4）大需量
顯示電壓、電流、功率的大需量的數值及發生時間。
5）電能查詢
電能情況可以查詢上12月份的每個月用電量、上一年總用電量、本年已用電量、根據選擇不同時間查詢電能值。
7 系統硬件配置
8結語
數據中心機架配電釆用“始端箱+母線槽+終端箱”的機架母線，替代“列頭柜+電纜”的傳統方式對通信機柜進行柔性配電，不僅靈活解決了客戶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。
參考文獻
【1】謝昆，王智慧，朱林.淺析機架母線配電技術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
作者簡介：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
Email：2851375246@qq.com ： QQ：2851375246 ：
