淺談數據中心機房機柜配電新模式及選型探討

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘 要：分析當前數據中心機房傳統(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)，介紹數據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優(yōu)勢及其代表的未來趨勢。

關鍵詞：數據中心機房；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 

       數據中心作為企業(yè)的信息中心樞紐，承載著關系企業(yè)核心信息的服務器，是一套復雜的綜合設施，不僅僅包括計算機系統(tǒng)和其它與之配套的設備，還包含冗余的數據通信連接、環(huán)境控制設備、監(jiān)控設備以及各種安全裝置。配電系統(tǒng)作為數據中心比較重要的環(huán)節(jié)之一，斷電或低質量供電是造成數據中心服務器宕機的主要因素之一。如何優(yōu)化數據中心機房配電系統(tǒng)提高可用性和安全性，確保服務器以及其它硬件不間斷運行，是數據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，是否有技術更先進、可靠性更高的供電方案是數據中心從業(yè)者關注的問題。本文謹以筆者目前了解到的動態(tài)作些粗淺的分析，拋磚引玉，目的在于讓更多同行來研究進步。

1 傳統(tǒng)配電方案

       傳統(tǒng)的數據機房機柜一般采用精密配電柜配電。業(yè)內俗稱精密列頭柜配電方案。精密配電柜是一款針對數據中心機房能源末端，綜合分配和采集能源的智 能配電柜。為機柜中的IT / CT設備提供電能和能源 數據測量，通過顯示單元，實時掌握電能參數和質量。通過通訊技術上傳至后臺環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。可以達到對整個配電系統(tǒng)的實時監(jiān)控和運行質量的有效管理。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，比傳統(tǒng)配電柜更省空間，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，其配電拓撲是一對多的對應關系。

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，用戶在設計之初會適當考慮未來的業(yè)務發(fā)展所帶來的用電功率增加， 所以通常在早期方案設計時就把冗余量做的比較大。但從實際的用戶應用調查發(fā)現(xiàn)，用戶方案設計容量、用戶設備的預計負載量以及用電設備的實際負載量之間存在著很大差異。平均來看，目前不少建成的數據中心機房5年后的實際負載率還不到當初設計容量的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

       不少大型的數據中心集中在城市的核心中央商務區(qū)，租金昂貴，空間資源其寶貴。對于在此類地區(qū)面臨新建或改造數據中心的用戶來說，如何提高設備的空間利用率是一個非?，F(xiàn)實且棘手的問題?，F(xiàn)代IT 服務器有小型化的趨勢如果物理基礎設施仍然保持原來的臃腫體積無疑將會對整個數據中心運營效率的提高產生影響。用戶的希望是基礎物理設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)網行業(yè)，很多業(yè)務可能不到1年內就爆發(fā)，如果還是采用傳統(tǒng)的數據機房建設模式，可能建好之后就已錯過時機，因此時間某種程度決定業(yè)務成敗，2～3年的數據中心建設周期是不能被接受的。用戶的長期效益包括如何高效給服務器等設備供電和如何更快速地設計和建造數據中心，兩者同樣重要。目前國內數據中心建設周期因系統(tǒng)的進度及可用性要求的不同，實際建設的時間一般要3～18個月不等。

       數據中心IT設備的革新基本每3～4年就要發(fā)生一次，而對于一個要維持15年甚至20年的數據中心而言，經歷4～5次IT設備更替后總體成本是非常高的。而經歷多次IT設備的更替升級換代，必然面臨一個問題：IT負載功率的不可預測性。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，且這種趨勢無法準確預見，隨之而來就帶來了兩個問題：① 機房功率密度不均衡導致局部溫升過高；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。

       讓數據中心隨需而建的理念跟前面所提及的“邊成長邊投資”有異曲同工之處。數據中心建設初期，往往預測不到未來 2～3年業(yè)務爆炸式的增長，騰訊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，用戶數量就突破了3億，隨之帶來的是海量的數據，需要后臺強大的數據中心來支撐業(yè)務的持續(xù)運營。要做到隨需而建，對數據中心物理基礎設施提出了很高的要求，如具備快速擴展，標準化，模塊化的功能等。是否影響原系統(tǒng)的可靠可用性指標？是否需要中斷現(xiàn)有業(yè)務？擴容是否影響原有系統(tǒng)的兼容性等都是應該考慮的問題

       另外，傳統(tǒng)列頭柜配電方案難以應對未來的規(guī)模擴容和變更需求，方案很難作進一步調整及優(yōu)化。因為：① 列頭柜到每個機柜的線纜長度已經裁剪成固定長度，如果要進行布局調整，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 利舊線纜時由于標識丟失后無法準確一一辨別線纜的對應關系，給線纜重新布置和運維帶來困難，易產生人為因素而導致的維護故障。因此在機房升級、擴容時，只能重新設計配電、布線方案，增設電纜橋架，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 

       據筆者了解到，數據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 Facebook、 Microsoft 等科技企業(yè)在數據中心的建設過程中都傾向采用此方案。該方案在國外的應用已經非常成熟，在國內也有成功應用案例，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，數據中心智能母線槽配電方案又細分為兩種類型：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區(qū)別在于軌道式母線槽內置滑觸導軌，其插接箱可以直接在母線上滑動，以靈活適應機柜的位置擺放需求。固定式母線槽配電方案，母線槽直身段標準化設計密集插接口，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，技術上更細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計應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機房非關鍵負載配電，電流等級一般介于 1600～ 3200A；

b.干線配電區(qū)：對于大型數據中心,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， 每個機柜可分別由兩條獨立母線上的插接箱供電，從干線至終端 IT 設備則通過內置于插接箱內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，無需特殊的工藝，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，一般預留500mm左右高度，對于機柜上方安裝方案，預留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，母線與數據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) 

       數據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)遠程報警與控制功能。系統(tǒng)的數據流如圖 6 所示。

圖 6 數據中心監(jiān)控數據流程

       通過在母線智能插接箱內裝設斷路器實現(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。可實現(xiàn)故障報警，實時監(jiān)控電能質量，包括負載系數，諧波含量等。所有監(jiān)測參數將終匯集到PLC，通過 PLC開放通訊協(xié)議接口可與 BMS 無縫連接，通過BMS可實時查看數據中心機房運營狀況，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編號，以便維護人員迅速作出響應，大大減少檢修工作量。

3.5 方案技術優(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，輔以高效UPS和精密空調，可優(yōu)化 PUE 至 1.5 以內，實現(xiàn)節(jié)能增效。

b.從容應對靈活擴容、功率密度變化的需求。可隨機柜數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、調相 （三相不衡時）只需調整對應的插接箱內部接線，而無需對線路做任何調整。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，提升機房內部地面空間利用率。表 1 是國內外部分數據中心的機房內部空間利用效率對比數據。

表 1 國內外部分數據中心的機房內部空間利用效率對比

d.智能母線槽配電不需要敷設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，客戶可以根據機柜功率和用電可靠性的不同靈活調整插接箱配置以滿足不同設備的供電需求

e.數據中心內部靈活配置按需模塊化建設。通過預先架設于機柜頂部或地板下方的母線槽， 再根據機柜的部署進度按需安裝母線插接箱，沒有復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量問題，把傳統(tǒng)數據中心的機電工程安裝，變成了簡單的工廠預制產品拼接，大大縮減了項目建設時間，模塊化數據中心搭建時間要比傳統(tǒng)工程化數據中心省一半時間。

4安科瑞列頭柜介紹

       傳輸設備用電源分配列頭柜（以下簡稱配電列頭柜）是專門為傳輸設備提供電力分配，綜合監(jiān)測并采集能源數據的列柜。

4.1執(zhí)行標準

GB 4208-2008 外殼防護等級（IP代碼）

GB/T 3859.2-1993 半導體變流器 應用導則

GB 7251.1-2013 低壓成套開關設備和控制設備 第1部分：總則

YD/T 282-2000 通信設備可靠性通用試驗方法

YD/T 585-2010 通信用配電設備

YD/T 939-2014 傳輸設備用配電列柜

YD/T 944-2007 通信電源設備防雷的技術要求和測試方法

YD/T 1363(全部)-2005 通信局（站）電源、空調機環(huán)境集中監(jiān)控管理系統(tǒng)

4.2電氣原理

4.3技術參數

產品分類

A、按輸入電流類型可分為交流和直流兩種。

B、按輸入路數可分為單路和雙路兩種。為確保傳輸的安全，宜優(yōu)選獨立雙路。

容量

A、直流配電列柜

?直流電壓標稱值

直流電壓標稱值為-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

?交流電壓標稱值

交流電壓標稱值包括：

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安科瑞數據中心監(jiān)測儀表

5.1產品規(guī)格

說明：■為標配功能。

6安科瑞母線槽監(jiān)測模塊

7 結語 

       伴隨著大數據時代的來臨，海量數據的產生，數據中心的規(guī)模會越來越大，中型和大型的數據中心市場未來會有非常大的增長。面積更大、密度更高、等級更高的數據中心會不斷涌現(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，安全預警，潛在風險分析等有更高一級別的把握。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，數據中心末端配電需要一種更高可用性、更高安全性和靈活的配電架構。

參考文獻： 

【1】鐘景華.新一代綠色數據中心的規(guī)劃與設計［M］.北京:電子工業(yè)出版社 2013:109-147.

【2】劉智山.朱佳喜.張琪.數據中心機房機柜配電新模式探討【J】

【3】安科瑞數據中心IDC配電監(jiān)控解決方案.2020.03版