淺談機架母線配電技術在數(shù)據(jù)中心機房的應用

摘要:通過結(jié)合機架母線槽系統(tǒng)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(xiàn)有"列頭柜+電纜"配電 方式進行使用性能與技術經(jīng)濟指標的對比，分析了機架母線柔，性配電、保護、擴容、監(jiān)測等多種功能，說明機架母線在提高了數(shù)據(jù)中心供電方式穩(wěn)定性、靈活性的同時，大大提高了單位空間的裝機率。

0引言

隨著大數(shù)據(jù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)機房的傳統(tǒng)“列頭柜+電纜” 配電方式已經(jīng)不能滿足日新月異的供電需求，于是出現(xiàn)了一種更加靈活的配電方案: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(xiàn)對電子信息設備進行柔性配電、保護、擴容、監(jiān)測等多種功能，提高了數(shù)據(jù)中心供電穩(wěn)定性、 靈活性的同時，大大提高了單位空間的裝機率,為數(shù)據(jù)中心帶來額外的收入。

1傳統(tǒng)“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(tǒng)“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(diào)列頭柜，占用寸土寸金的機房空間，影響數(shù)據(jù)中心的裝機率，制約公司IDC業(yè)務的發(fā)展。

1.2可靠性低，擴展困難

釆用傳統(tǒng)“列頭柜+電纜”配電方案，列頭柜內(nèi)布線復雜，故障點較多,降低系統(tǒng)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，擴展困難。

1.3列頭柜監(jiān)控系統(tǒng)存在單點隱患

傳統(tǒng)“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(xiàn)眾多點位的電源監(jiān)控，但凡列頭柜監(jiān)控模塊出現(xiàn)故障，將會導失去整列機柜的電源監(jiān)控，存在單點隱患，而且此類故障一般只能由廠家工程師現(xiàn)場調(diào)試更換后才能恢復，若在此期間發(fā)生宕機，將不能及時處理，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(tǒng)“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(jiān)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(xiàn)對數(shù)據(jù)中心設備的配電、保護、擴容、監(jiān)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(jù)每一臺機柜內(nèi)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(tǒng)有多種電流標準，大多數(shù)廠商產(chǎn)品都提供三種 規(guī)格：10QA、225A和400A.根據(jù)項目需求，結(jié)合母線槽系統(tǒng)的使用特點，由于建設模塊內(nèi)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(xiàn)階段實際應 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(nèi)的AC交流母線槽主體均釆用225A規(guī)格，可提供單列單路母線槽133KW負載需求.根據(jù)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(tǒng)配置。

3.2現(xiàn)場實施要點

此次改造項目選取的中國移動（呼和浩特）數(shù)據(jù)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(diào)管路橋架，個別列端頭位置還有空調(diào)管理系統(tǒng)的 連續(xù)轉(zhuǎn)彎，導致空間非常緊張，機柜母線安裝困難，甚至出現(xiàn)了空調(diào)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(diào)、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(nèi)的電氣質(zhì)量釆集參數(shù)也比較多，但在始端箱內(nèi)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(jié)果顯示放到主控箱監(jiān)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(xiàn)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(tǒng)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(diào)管路橋架發(fā)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(tǒng)放置于地板下或機柜底座中，便于分別維護，減少各系統(tǒng)間的沖突。

3.3后期調(diào)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(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單列機架母線系統(tǒng)測試情況

根據(jù)標準，母線槽在平均環(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,當環(huán)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(yè)插座連接處溫升、 插接箱輸出電壓以及各顯示屏狀態(tài)完全滿足要求。此外，現(xiàn)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(jié)果均滿足要求。

圖3機架母線配電系統(tǒng)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(jié)省空間，提高裝機率

相對于傳統(tǒng)“列頭柜+電纜”配電方式，機架母線配電系統(tǒng)無需在機柜頂端布置強電走線架,節(jié)省機柜上方空間;更重要的是“始端箱+母線槽+終端箱”機架母線配電方式，節(jié)省列頭 柜占地，提高裝機率，就中國移動（呼和浩特）數(shù)據(jù)中心機房為例，一個模塊就能節(jié)省8個機柜位置，一個機房32個模塊就 能節(jié)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(shù)據(jù)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(jù)每一臺機柜需求單獨配置終端箱（插接箱），這樣便于調(diào)整分路及容量，柔性配電，避免容量浪費，較傳統(tǒng)“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,母線槽系統(tǒng)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(nèi)的斷路器與機柜PDU直接連接，故障點少，提高系統(tǒng)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上即可完成擴展。

4.3分路釆集，智能監(jiān)控

較傳統(tǒng)“列頭柜+電纜”配電依靠列頭柜實現(xiàn)監(jiān)控的方式, 機架母線配電系統(tǒng)中的始端箱具有智能監(jiān)控模塊，支持多種通訊協(xié)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(tǒng)（BMS）或數(shù)據(jù)中心基礎設施管理系統(tǒng)（DCIM）中，通過標準協(xié)議與后臺監(jiān)控系統(tǒng)進行集成。在智能釆集電氣參數(shù)（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(tài)等）的同時，還能實現(xiàn)電壓、電流、功率、絕緣電阻值等參數(shù)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)出的告警信號而關掉了告警聲信號后,如果又產(chǎn)生新的告警，會再次自動發(fā)出聲光告警信號（如圖4）。

圖4機架母線配電系統(tǒng)監(jiān)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%,能更好的保持空調(diào)風道暢 通,提高制冷效率，降低電能損耗和數(shù)據(jù)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(zhì)，利用空氣自然冷卻，散熱效果非常好，運行過程中不產(chǎn)生噪聲或震動。

4.5安裝便捷，節(jié)省人工

相對于傳統(tǒng)"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(zhuǎn)-鎖定”的方式即可（如圖5）。據(jù)不完全統(tǒng)計，該技術安裝便捷，時間成本節(jié)省30%-60%（機架母線5-7天左右，傳統(tǒng)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(jié)省大量時間；此外母線槽及終端箱（插接箱）產(chǎn)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 安科瑞精密配電及監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

5.1 概述

隨著數(shù)據(jù)中心的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的能耗問題也越來越突出，有關數(shù)據(jù)中心的能源管理和供配電設計已經(jīng)成為熱門問題，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，降低設備能耗的有效方式。要實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能，首先需要監(jiān)測每個用電負載，而數(shù)據(jù)中心負載回路非常的多，傳統(tǒng)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(shù)據(jù)中心集中監(jiān)控要求的多回路監(jiān)控裝置。

5.2 應用場所

適用于運營商、金融、政府、互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)等數(shù)據(jù)中心。

5.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）交流

2）直流

5.4 系統(tǒng)功能

1）主頁

開機進入主頁，包含進線參數(shù)、開關狀態(tài)、出線參數(shù)、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(shù)監(jiān)測

監(jiān)測主路的三相電壓、電流、系統(tǒng)頻率；各項及總的有功功率，無功功率，視在功率，功率因數(shù)，有功電能、無功電能；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

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

負載百分比；最大需量。

4）開關狀態(tài)

左側(cè)一列為主路開關狀態(tài)，主路跳閘SD狀態(tài)、主路防雷開關狀態(tài)、主路防雷故障點狀態(tài)，默認為無源檢測點，分閘為綠色，合閘為紅色。主路右側(cè)的皆為支路開關狀態(tài)；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(shù)據(jù)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(tǒng)硬件配置

6安科瑞智能母線監(jiān)控解決方案

6.1概述

數(shù)據(jù)中心IT服務器配電傳統(tǒng)采用精密配電柜，占用空間較大，配電線纜多，新增設備不便，為了節(jié)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(shù)據(jù)中心的青睞，被越來越多的應用。

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)測模塊、插接箱監(jiān)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(jiān)測母線槽的運行溫度，確保母線槽配電安全。通過標準網(wǎng)線手拉手簡單組網(wǎng)，可以實現(xiàn)任意插接箱檢修或更換時不影響其他在線運行的插接箱的數(shù)據(jù)上傳通訊。

6.2 應用場所

適用于運營商、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）實時監(jiān)測

在主頁點擊數(shù)據(jù)采集按鈕后，進入系統(tǒng)圖界面：此界面顯示了每個箱子的電壓。

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(xiàn)對箱子中儀表數(shù)據(jù)的采集。

3）諧波數(shù)據(jù)

通過點擊“箭頭”來左右切換2-63次諧波數(shù)據(jù)。

4）最大需量

顯示電壓、電流、功率的最大需量的數(shù)值及發(fā)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(jù)選擇不同時間查詢電能值。

7 系統(tǒng)硬件配置

實時采集并顯示母線槽電參量、開關狀態(tài)等數(shù)據(jù)并上傳后臺?？稍O置報警的閾值以及記錄報警事件。

8結(jié)語

數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)中心供電方式穩(wěn)定性,而且節(jié)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(jié)能。

審核編輯：湯梓紅