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淺談智能母線在數據中心末端配電中的應用研究

更新時間：2022-11-10

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吳柯霓

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：針對數據中心末端配電方式展開了討論,研究了機房傳統配電方式構成及其優(yōu)缺點,從提高數據中心配電系統的可靠性、可用性、擴展性以及維護性等角度,分析了智能母線的結構和技術特點。結合智能母線在江寧數據中心建設項目的實際應用,對以往機房采用傳統配電解決方案帶來的技術和管理層面上問題提出了智能母線解決方案。

關鍵詞：智能母線；數據中心；末端配電

1 引言

數據中心作為電力行業(yè)的信息中心樞紐,承載著關系電力行業(yè)核心信息的服務器,是一整套復雜的綜合設施。它不僅僅包括計算機系統和其他與之配套的設備,還包含配電系統、空調系統、環(huán)境監(jiān)控系統、消防系統等。配電系統作為數據中心的關鍵環(huán)節(jié)之一,在某種程度上決定了數據中心運營的安全性和可用性。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。因此,保證數據中心電力持續(xù)而穩(wěn)定的供應是工作的重中之重,對比傳統列頭柜配電方案,母線槽技術更先進、可靠性更高,近幾年在數據中心末端配電中得到廣泛應用。

2 數據中心末端配電的界定

數據中心配電系統存在3個層次。

主配電區(qū)：中壓配電柜、變壓器、備用發(fā)電機、低壓配電柜。

干線配電區(qū)：UPS（uninterruptible powersystem,不間斷電源）、低壓二級配電柜。

終端配電區(qū)：列頭柜、機架、IT設備。數據中心末端配電范圍是指從UPS輸出柜引出至機柜內部PDU（power distribution unit,電源分配單元）,主要供電對象為IT設備。由于機房內物理跨度在10-50m,這一區(qū)域是數據中心配電系統的核心環(huán)節(jié),稱為“后50m"。

3 傳統配電方案

機房傳統配電系統一般采用2回10kv市電接入,經過變壓器、低壓配電柜分別接入兩組UPS電源設備,再經過UPS輸出柜連接至各個列頭柜,從列頭柜敷設電纜接入機柜內PDU。傳統配電方式技術成熟、單根電纜故障影響范圍小。但是,列頭柜占用機柜空間大、電纜電能損耗較大、施工復雜、隱患排查和末端配電擴展困難。機房傳統配電方式如圖1所示。

圖1機房傳統配電方式

4 智能母線配電方案

4.1 概念

智能母線系統是一種取代傳統電纜的數據中心末端配電解決方案,由始端箱、干線單元、轉接單元、插接箱、連餅和綱組成,具有主路和支路電壓、電流、頻率、開關狀態(tài)、母排溫度檢測等功能。母線槽由保護外殼（鋼板或鋁板）、導電排、絕緣材料及有關附件組成智能母線組成部件如圖2所示。

4.2 技術特點

(1)安全可靠

母線槽采用銅或鋁作為導電體,電流容量大,電氣和機械性能好。同時,使用金屬槽作為保護外殼,不會燃燒。通過緊密接觸的金屬外殼散發(fā)熱量,散熱性能好。插接箱母線槽

圖2 智能母線組成部件

(2)安裝便捷

母線槽配有標準的安裝支架,無需單獨橋架支撐,采用插接方式把主干線電源分接至支線,結構緊湊,插拔方便。

(3)維護方便

母線槽日常維護通常僅需測量外殼、穿心螺栓和接頭溫升,維護量少。

(4)靈活擴容

各個功能單元為模塊化定制,靈活應對功率變化,并且可以隨需擴容。

(5)智能監(jiān)控

終端箱及插接箱均采用智能化設計,可實現集成監(jiān)控,監(jiān)測整個數據中心的運行狀況。

4.3 智能母線配電方式

智能母線在數據中心末端配電中連接方式如圖3所示。干線母線槽接自二級配電柜,通過終端箱分接至次級母線槽,機柜采用雙路PDU供電,分別接入不同次級母線槽插接箱。

圖3 智能母線配電方式

4.4 智能監(jiān)控

智能母線的數據采集點分散于整個機房供配電系統的每個機柜插接箱,準確采集每個機柜的每一回路的用電信息,包含負載的電壓、電流、功率等；每一路母線干線的電能參數,包含電流、電壓、功率、干線能耗、諧波畸變率及功率因數等。通過開放式通信協議將數據傳輸至后臺監(jiān)控系統,集中監(jiān)控顯示,便于運維人員獲取數據。

同時,智能母線監(jiān)控系統還能通過數據采集實現母線槽溫度、濕度和水浸智能化實時顯示和控制,預警由安裝、維護不當、表面積水或水滲入內部引起的母線故障,提升智能母線的安全性,實現全生命周期管理。智能母線系統監(jiān)控網絡拓撲如圖4所示。

圖4 智能母線配電圖

4.5 性能比較

數據中心末端配電傳統方式與智能母線配電方式性能比較見表1。

表1末端配電傳統方式與智能母線配電方式性能比較

5 系統方案

5.1 項目介紹

江寧數據中心建設項目主要完成機房基礎環(huán)境建設,包括土建裝修、電源系統、空調系統、動環(huán)監(jiān)控系統、消防系統、數據配套等。按照國網公司機房建設標準,將江寧機房建成符合模塊化、虛擬化、智能化、綠色節(jié)能、安全可靠的數據中心。其中,電源系統是整體數據中心機房髙可用性的后盾。

5.2 設計方案

采用智能母線取代傳統電纜的數據中心配電解決方案,IT設備由UPS供電,制冷機組、末端空調、照明等其他負荷由市電直供。經核算,3層中密度機房可安裝機架208架,新增兩套獨立的800KVA UPS系統,共配置4臺400KVA UPS主機,每臺主機配置1組400V/1000AH蓄電池組。采用2N雙母線配電架構,每個機柜安裝雙路PDU,分別由兩條獨立母線上的插接箱供電,其中,UPS配電柜至始端箱智能母線采用1250A規(guī)格,始端箱至封閉冷通道各機柜智能母線采用160A規(guī)格。中密度機房末端配電方式如圖5所示。

圖5 中密度機房末端配電方式

6 安科瑞智能母線監(jiān)控解決方案

6.1 概述

數據中心IT服務器配電傳統采用精密配電柜,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,受到很多數據中心的青睞,被越來越多的應用。

安科瑞智能母線監(jiān)控產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。通過標準網線手拉手簡單組網,可以實現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(yè)等數據中心

6.3 系統結構