解讀智能母線在數據中心末端配電中的應用研究

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的信息中心樞紐,承載著關系電力行業核心信息的服務器,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、環境監控系統、消防系統等。配電系統作為數據中心的關鍵環節之一,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而穩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：中壓配電柜、變壓器、備用發電機、低壓配電柜。

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

       終端配電區：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,這一區域是數據中心配電系統的核心環節,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、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)智能監控

       終端箱及插接箱均采用智能化設計,可實現集成監控,監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控系統,集中監控顯示,便于運維人員獲取數據。

       同時,智能母線監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境建設,包括土建裝修、電源系統、空調系統、動環監控系統、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規格,始端箱至封閉冷通道各機柜智能母線采用160A規格。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。

       安科瑞智能母線監控產品分為交流和直流母線監控兩類,包括始端箱監測模塊、插接箱監測模塊以及觸摸屏,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、、互聯網、企業等數據中心

6.3 系統結構

6.4 系統功能

       1）實時監測

       在主頁點擊數據采集按鈕后,進入系統圖界面：此界面顯示了每個箱子的電壓。

        2）基本參數界面

       顯示電壓、電流、功率、電能等電參數數據,在設備地址旁邊的輸入框輸入本箱子對應的儀表地址,即可實現對箱子中儀表數據的采集。

        3）諧波數據

       通過點擊“箭頭"來左右切換2-63次諧波數據。

       4）大需量

      顯示電壓、電流、功率的大需量的數值及發生時間。

       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、根據選擇不同時間查詢電能值。

5 系統硬件配置

7 結束語

        江寧數據中心建設項目在末端配電中采用智能母線系統方案取代傳統列頭柜＋電纜方案,可靠性髙、易于安裝維護,提高了數據中心配電系統的可用性、節能性、經濟性以及靈活性,確保了服務器、計算機等設備的穩定運行。