淺談數(shù)據(jù)中心機房機柜配電新模式及選型探討

時間：2020-12-28作者：安科瑞電子商務(wù)（上海）有限公司瀏覽：98

朱鹍
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)中心機房機柜配電的新模式—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)**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)器宕機的主要因素之一。如何優(yōu)化數(shù)據(jù)中心機房配電系統(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)、可靠性高的供電方案是數(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新動態(tài)作些粗淺的分析，拋磚引玉，目的在于讓多**來研究進步。
 
1 傳統(tǒng)配電方案
       傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)機房機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)中心機房能源末端，綜合分配和采集能源的智 能配電柜。為機柜中的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)控和運行質(zhì)量的有效管理。傳統(tǒng)機房配電布局如圖 1 所示。
 
圖 1 傳統(tǒng)機房配電布局
 
       傳統(tǒng)機房配電布局每一列機柜的始端（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、高可靠性的計算機主板，全面監(jiān)測系統(tǒng)的各項運行參數(shù)，比傳統(tǒng)配電柜省空間，提高了容積率。該方案中，每一個機柜的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**商務(wù)區(qū)，租金昂貴，空間資源較其寶貴。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?，F(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)中心運營效率的提高產(chǎn)生影響。用戶的良好希望是基礎(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)機房建設(shè)模式，可能建好之后就已**時機，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給服務(wù)器等設(shè)備供電和如何地設(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)備替后總體成本是非常高的。而經(jīng)歷多次IT設(shè)備的替升級換代，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 機房功率密度不均衡導(dǎo)致局部溫升過高；② 對機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**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，騰訊微信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)，需要后臺強大的數(shù)據(jù)中心來支撐業(yè)務(wù)的持續(xù)運營。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，如具備擴展，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)模擴容和變需求，方案很難作進一步調(diào)整及優(yōu)化。因為：① 列頭柜到每個機柜的線纜長度已經(jīng)裁剪成固定長度，如果要進行布局調(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維帶來困難，易產(chǎn)生人為因素而導(dǎo)致的維護故障。因此在機房升級、擴容時，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 Google、 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大區(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房中配電分為以下 3 類，機房各級配電示意如圖 3 所示：
圖 3 機房各級配電示意圖
 
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)， 每個機柜可分別由兩條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，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，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。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，實時顯示每個機柜 PDU 的運行狀態(tài)，實現(xiàn)對機柜的精密監(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)中心機房運營狀況，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，以便維護人員*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)對靈活擴容、功率密度變化的需求?？呻S機柜數(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)維護和檢修工作量，安裝維護工時縮短一半以上。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，而對線路做任何調(diào)整。系統(tǒng)支持部件級在線熱插拔擴展，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機柜，可降低機柜容積比，提升機房內(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柜上方走線。這種供電架構(gòu)清晰明朗，提高機房整潔度的同時，還方便擴充機柜和帶電檢修維護，后續(xù)運營也非常簡便。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)于機柜**部或地板下方的母線槽， 再根據(jù)機柜的部署進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 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)機環(huán)境集中監(jiān)控管理系統(tǒng)
 
4.2電氣原理
4.2柜體結(jié)構(gòu)
配電列柜的外形尺寸，取決于通信設(shè)備的外形尺寸和輸出容量大小，優(yōu)選外形尺寸見表1
 
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?，宜?yōu)選立雙路。
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。
 
 
5.2配套附件
 
 
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。面積大、密度高、等級高的數(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，還要求對機房運營狀況包括能耗，安全預(yù)警，潛在風(fēng)險分析等有高一級別的把握。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高可用性、高安全性和靈活的配電架構(gòu)。
 
參考文獻： 
【1】鐘景華.新一代綠色數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃與設(shè)計［M］.北京:電子工業(yè)出版社 2013:109-147.
【2】劉智山.朱佳喜.張琪.數(shù)據(jù)中心機房機柜配電新模式探討【J】
【3】安科瑞數(shù)據(jù)中心IDC配電監(jiān)控解決方案.2020.03版
 
作者簡介：
朱鹍，女，就職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為企業(yè)能源管控
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