趙娜
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定
摘要：隨著云服務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心正朝著大型化、高密度、綠色環(huán)保、模塊化方向發(fā)展；隨著IT技術(shù)的發(fā)展，出租機房等商業(yè)模式的興起，機房建設(shè)之初機柜密度不確定性大為增加，對機房內(nèi)末端供配電系統(tǒng)在經(jīng)濟性、持續(xù)性、靈活性、可靠性上提出了新的挑戰(zhàn)。列頭柜加電纜的傳統(tǒng)末端配電方式因其局限性而難以適應(yīng)當今技術(shù)的發(fā)展。使用1000A以下的靈活小母線來替代列頭柜及電纜的配電方式，成為解決數(shù)據(jù)中心內(nèi)機房供配電發(fā)展的種新方式。靈活小母線可在機桓密度不確定的隋況下進行分階段的快速部署，必將成為現(xiàn)今數(shù)據(jù)中心內(nèi)供配電的種發(fā)展趨勢，為客戶的關(guān)鍵負載提供可靠的保障。新模式帶來新價值，新的配電方式將使數(shù)據(jù)中心降低總體投資，提高設(shè)備的用電可靠性，使數(shù)據(jù)中心加綠色環(huán)保。
關(guān)鍵詞：末端配電；靈活母線；智能母線監(jiān)控系統(tǒng)；列頭柜
1引言
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，云計算、電子商務(wù)、電子政務(wù)、電子金融、網(wǎng)絡(luò)游戲、云存儲等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)相繼出現(xiàn)，使得當今社會變成云時代、大數(shù)據(jù)的信息化新時代，數(shù)據(jù)中心成為信息化的重要載體，承擔著對電子信息的傳輸、運算、存儲等功能。為了適應(yīng)當今網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的快速發(fā)展，以及三方托管型數(shù)據(jù)中心的興起，除了建設(shè)充足、穩(wěn)定、經(jīng)濟、可靠的數(shù)據(jù)中心外，還應(yīng)追求它的高效、綠色、靈活、低能耗。“高效”體現(xiàn)在應(yīng)以較小的投資換取收益，比如采用高壓直流供電來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的交流供電：再比如數(shù)據(jù)中心的管理人員會根據(jù)服務(wù)器的使用情況，重新劃定高密區(qū)及低密區(qū)，以便達到好的制冷效果。“綠色”則體現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)盡可能多地采用些可二次回收再利用的產(chǎn)品。“靈活”體現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心內(nèi)的產(chǎn)品應(yīng)該盡可能地做到熱插拔、標準化、模塊化、集成化、即插即用，將工程化的工作變成產(chǎn)品化的服務(wù)，即可快速地安裝部署，又可減少人為施工帶來的失誤，還可在換服務(wù)器的時候快速做出響應(yīng)。
2數(shù)據(jù)中心末端配電的界定
如圖1所示，機房內(nèi)末端配電的范圍應(yīng)該從UPS的配電柜引出至機柜內(nèi)的PDU止，這段上的電流在800A以下，主要供電對象為IT設(shè)備，*數(shù)據(jù)中心般采用A、B雙路系統(tǒng)進行供電。
圖1 監(jiān)測模塊
3 數(shù)據(jù)中心采用傳統(tǒng)配電方式分析
3.1機房傳統(tǒng)配電方式
機房配電系統(tǒng)般采用雙路市電接入，經(jīng)低壓配電柜分別接入兩組UPS設(shè)備，UPS配電柜再分配到各個列頭柜，經(jīng)列頭柜后接入備機柜PDU，再接入IT設(shè)備(見圖2)。
圖2 采用列頭柜的機房配電模式
機房傳統(tǒng)配電方式采用電纜從UPS出線柜至機房內(nèi)的每個列頭柜的方式；經(jīng)列頭柜配電后，再采用電纜接至各機柜PDU的方式。列頭桓是列機柜設(shè)備頂端的個機柜，主要功能是對這列機柜的交流或者直流負載提供電源，起到配電、監(jiān)控、測量、保護、告警等作用。配電列頭柜的內(nèi)部主要由5根母排(L1、L2、L3、N、PE)以及斷路器組成，從端的UPS配電柜引出的電纜先會通過機柜內(nèi)的塑殼斷路器(MCB)，之后從塑殼斷路器上引出3根相線接入3根母排。母排壓接導(dǎo)線后接入每個斷路器，再與N排及PE排引出的導(dǎo)線匯成1根電纜為機柜供電。
3.2機房傳統(tǒng)配電監(jiān)控模式
配電列頭柜的監(jiān)控方式是通過CT、PT及各種輔助觸點測量出每路的電壓、電流，之后通過計算機主板內(nèi)自帶的公式算法演算出各種電參量：再通過RS485等通信線與機桓上的人機交互界面進行傳輸，之后人機顯示器再通過RS485等通訊線將各列頭柜的監(jiān)控信息統(tǒng)收集后上傳至網(wǎng)關(guān)：用戶從主控室或移動式電子設(shè)備上讀取數(shù)據(jù)
3.3機房傳統(tǒng)配電方式的點
采用列頭柜加電纜的傳統(tǒng)配電方式有以下點：
1)技術(shù)成熟，適用于事先已確定容量的機柜配電；
2)采用放射式結(jié)構(gòu)，可減小故障的影響范圍；
3)集中監(jiān)控，便于運維人員在現(xiàn)場獲取數(shù)據(jù)：
4)當“地”電壓不滿足IT設(shè)備使用要求時，可在配電列頭柜中安裝隔離變壓器，降低“地”電壓。
3.4機房傳統(tǒng)配電方式的缺點
列頭柜加電纜的配電方式雖然還在沿用，但已不符合當今數(shù)據(jù)中心對靈活性和可靠性的要求，其缺點如下：
1)列頭柜占用的面積約占機房地板面積的7％，即機桓數(shù)量減少7％；
2)由于線纜較多，電能損耗較大：
3)電纜占據(jù)地板下大量空間，對地板下的氣流形成干擾，導(dǎo)致空調(diào)的效率降低：
4)故障率高，由于電纜接頭容易氧化、松動和接觸不良，造成電阻增大，產(chǎn)生過熱或打火而引發(fā)建筑火災(zāi)事故：
5)配電設(shè)計受到限制，需要在確定功率密度后確定配電柜的數(shù)量和位置；
6)由于線路復(fù)雜、IT設(shè)備又不能斷電，因而造成線路和設(shè)備維護檢修困難：
7)由于列頭柜的容量和出線路數(shù)已固定，無法滿足新增機柜和容量。
4數(shù)據(jù)中心采用小母線配電方式的分析
4．1機房小母線配電方式
采用小母線配電方式是為了減少傳統(tǒng)配電方式的缺點，利用小母線及配電接插箱來完成對每個機柜的精準配電，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。
1)電力端口箱(Power Feed)：負責UPS配電桓與小母線的連接，電纜在電力端口箱中通過塑殼斷路器后分別接入對應(yīng)的母線端子排上。
2)母線槽主體(Housing Section)：是傳導(dǎo)電力的主體，內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)為4根銅排(L1、L2、L3、N)或5根銅排(L1、L2、L3、N、PE)。
3)配電接插箱(Plug—in Units)：是插于母線槽主體上的小型配電箱，般由監(jiān)控設(shè)備、輸出端口、保護設(shè)備等組成，主要用于為每個用電設(shè)備提供精準的電力，有的接插箱還配有相位選擇旋鈕，以保證三相負載平衡。
4)連接的輔件：拐彎件(Elbow)、連接件(HousingCoupler)、T型件(Te)、末湍蓋(End Cap)等，用來完成母線槽主體連接。
5)配電的方式為：從端UPS配電柜引出電纜連接至母線槽端的電力端口箱，通過母線槽主體進行電力傳輸，再根據(jù)每個機柜的功率密度選擇相應(yīng)規(guī)格的接插箱，與機柜內(nèi)的PDU連接后即完成了對個機柜的配電工作，圖4為靈活母線現(xiàn)場效果圖。
圖3 靈活母線的配電方案
圖4 靈活母線現(xiàn)場效果圖
4.2靈活母線配電監(jiān)控模式
靈活母線配電方式的中心理念是采用即插即用的模塊化產(chǎn)品來替代列頭柜及大量電纜，達到簡化安裝步驟，靈活部署等目的。故為靈活母線所做的監(jiān)控也應(yīng)符合這個理念，即采用無線通信、模塊化的監(jiān)控方案(見圖5)。靈活母線電力分配監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備多重的通訊協(xié)議及無線網(wǎng)絡(luò)，且可以無縫集成到建筑管理系統(tǒng)或數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施管理系統(tǒng)中，通過提供化管理所必須的關(guān)鍵信息，為數(shù)據(jù)中心電力分配系統(tǒng)的管理奠定基礎(chǔ)。電力信號采集與監(jiān)控功能通過每個接插箱體上的RS485接口或無線監(jiān)控模塊來采集數(shù)據(jù)，再通過SNMP協(xié)議或MODBUS協(xié)議傳輸至上行端環(huán)控系統(tǒng)，從而簡化了監(jiān)控的過程。在監(jiān)控電力信息的同時，通過傳感器可監(jiān)測到每個機柜內(nèi)的溫度及濕度，且與電力監(jiān)控信息集成，通過統(tǒng)網(wǎng)關(guān)收集所采集到的電力和環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對電力、環(huán)境數(shù)據(jù)的統(tǒng)管理。
每個監(jiān)控模塊不僅是個信號的發(fā)送端，應(yīng)是個信號的傳送者。因為現(xiàn)在的機房總面積越來越大，且會有很多的遮擋，如果所有的無線模塊發(fā)來的信號只能靠個網(wǎng)關(guān)來接受，勢必會影響信號傳輸，所以每個監(jiān)控模塊都應(yīng)能對相鄰的幾個模塊發(fā)出的信號進行中轉(zhuǎn)，以保證距離網(wǎng)關(guān)遠處的那些模塊所發(fā)出的信號可以完整、同步地傳輸給網(wǎng)關(guān)。對于處在不同房間里的網(wǎng)關(guān)，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能支持自動負載均衡，使得每個網(wǎng)關(guān)與其他網(wǎng)關(guān)形成佳的帶寬利用率以及線性的可擴展性。系統(tǒng)可以自動使用所有可用的網(wǎng)關(guān)，為多個網(wǎng)關(guān)的安裝提供冗余設(shè)備。
圖5 靈活母線配電監(jiān)控模式
4．3靈活母線配電的點
1)提高配電的可靠性
即插即用的小母線替代了傳統(tǒng)的電纜，可避免電纜所帶來的諸如電纜接頭容易氧化、松動和接觸不良等問題，提高了機房里的可靠性和安全性。
2)增強配電的靈活性
配電方式的靈活性：在機柜容量事先無法準確確定的時候，可以采用這種母線，電容量可隨時調(diào)整。母線槽和接插箱可根據(jù)實際情況分期部署，即針對現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心里出現(xiàn)的白空間及測試機房，小母線槽可做到供配電分離，在機柜的容量和位置不確定的時候先期部署母線槽主體，之后等機柜旦確定容量和位置，即可選擇接插箱進行配電。
小母線可帶電熱插拔：在數(shù)據(jù)中心正常運行情況下，小母線可在帶電的隋況下隨時加載或卸載，即可隨時增加或減少機桓數(shù)量或容量而不影響其他設(shè)備的運行。機柜容量可從16A到63A，單相、三相任意選擇，有的放矢地為用電設(shè)備提供準確的電力供給。
安裝方式的靈活性：支持多種安裝方式，可在機柜頂部安裝，地板下安裝，嵌入天花板安裝等。母線槽式樣和接插箱單元可以按照客戶的需求定制，例如，采用2N系統(tǒng)、單獨接地或者接地，選擇不同的插座或懸垂電纜。
隨業(yè)務(wù)發(fā)展的可擴展性：整體架構(gòu)既能支持初始電力需求，又可在使用過程中根據(jù)需求的變化快速擴展，達到種“隨需而建”的效果。
3)采用小母線可降低機房配電的綜合成本
降低運行維護成本：采用小母線方式規(guī)避了傳統(tǒng)方式所帶來的后期運維工作量大、運維周期不可控及人為干預(yù)帶來的安全性降低等問題，同時小母線方式可任意插拔、拼接，可實現(xiàn)多次重復(fù)使用，提高資金效率3倍以上。母線槽方式可隨時根據(jù)客戶需要調(diào)整配置，在25年中可隨時遷移、復(fù)用，減少重復(fù)投資。
增加數(shù)據(jù)中心營運收入：采用小母線可省掉列頭柜，為機房騰出多的空間放置機柜，平均可增加7％的機柜數(shù)量，對于機柜出租業(yè)主來說會是筆不小的收入。
4．4靈活母線配電的缺點
1)母線配電方式是將列頭柜集中配電方式改變?yōu)殡S機柜 的分散配電方式，對機柜中各種電參數(shù)(電流、電壓、頻率等) 的檢測采用分散測量、控制室集中顯示的方式，因此不方便 在機房現(xiàn)場對各機柜的電參數(shù)進行集中顯示，故對運維人員可能會造成不便。
2)由于靈活母線槽外殼大量采用鋁合金型材，故對機柜功率密度低的機房來說，在成本上會有所增加。
3)如果采用在兩列機柜間布置母線槽，從接插箱上引出的工業(yè)連接器可能會影響機房美觀。
5配電方式對比
列頭柜+電纜與靈活母線配電方式的對比如表l所示。
6安科瑞ANDPF列頭柜介紹
6.1產(chǎn)品介紹
隨著數(shù)據(jù)中心的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心能耗問題也越來越突出，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。
AMC系列數(shù)據(jù)中心精密配電系統(tǒng)是針對數(shù)據(jù)機房末端設(shè)計的，能夠綜合采集所有能源數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng)，為交直流電源配電柜提供精確的電參量信息，并可通過通訊將數(shù)據(jù)上傳到動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個數(shù)據(jù)機房的實時監(jiān)控和有效管理，為實現(xiàn)全方wei綠色IDC提供可靠保證。
6.2安科瑞精密配電產(chǎn)品解決方案
1）交流系統(tǒng)
功能要求
遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、頻率、有功功率、有功電度；
遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相，過流，頻率過高/過低，輸入分路的開關(guān)狀態(tài)，具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓、電流、頻率等參數(shù)的越限報警功能。
配置方案如圖6，
圖6 交流系統(tǒng)配置方案
2）直流系統(tǒng)
功能要求
遙測：輸入分路的電壓、電流、功率、電度；
遙信：輸入分路的過壓/欠壓，輸入分路的熔絲狀態(tài)，具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限報警功能。
配置方案如圖7，
圖7 直流系統(tǒng)配置方案
6.3產(chǎn)品選型
表3 產(chǎn)品選型表
7安科瑞智能小母線監(jiān)控系統(tǒng)介紹
7.1產(chǎn)品介紹
針對數(shù)據(jù)中心智能小母線的監(jiān)控要求,安科瑞推出了AMB系列小母線監(jiān)控解決方案，該方案包括采集模塊、配套附件、監(jiān)控系統(tǒng),能對母線運行過程中的各種參數(shù)進行監(jiān)控，發(fā)生故障則進行告警，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
AMB檢測單元是針對數(shù)據(jù)中心智能小母線插接箱/始端箱的監(jiān)控要求新設(shè)計的產(chǎn)品，該檢測單元安裝固定在插接箱/始端箱內(nèi)部，插接箱/始端箱采用*的方式與母線連通，它集成全部電力參數(shù)的測量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率、頻率、功率因數(shù))以及全面的電能監(jiān)測和考核管理。同時可以實時監(jiān)控母線接口溫度，配合2路Rs45通訊接口（1進1出）或LORA無線通訊，采用MODBUS-RTU協(xié)議可以方便可靠的將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至主控箱和后臺系統(tǒng)，保證系統(tǒng)安全可靠運行。
7.2產(chǎn)品選型
安科瑞智能母線測控儀表選型如表2，
表4 產(chǎn)品選型規(guī)格
注：AMB100用于始端箱、AMB110用于插接箱、A-交流系統(tǒng)、D-直流系統(tǒng)可選配AMB10顯示器，顯示器只循環(huán)顯示電壓、電流參數(shù)。
8結(jié)束語
數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運維注重可靠性、可維護性、靈活性、經(jīng)濟性、可擴展性和節(jié)能環(huán)保等要求，通過對“列頭柜+電纜”配電方式和“小母線”配電方式的綜合分析，以及上數(shù)據(jù)中心配電方式的發(fā)展趨勢，證明采用小母線配電方式有利于數(shù)據(jù)中心今后發(fā)展。
【參考文獻】
[1]鐘晨.數(shù)據(jù)中心末端配電方式探討[J]
[2] 中建筑標準設(shè)計研究院 .電子信息系統(tǒng)機房工程設(shè)計與安裝[M].北京：中計劃出版社，2009.
[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊. 2019.11版
作者簡介：趙娜，女，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為數(shù)據(jù)中心智能小母線監(jiān)控系統(tǒng)
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