淺談電力行業(yè)數(shù)據(jù)中心機(jī)柜端智能母線槽配電方案

張心志

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

       摘要：本文從數(shù)據(jù)中心末端供配電系統(tǒng)的安全性、可行性角度出發(fā)，分析當(dāng)前電力數(shù)據(jù)中心機(jī)柜端供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以及每種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。重點(diǎn)分析和研究智能母線槽配電方案，對其可靠性、靈活性以及經(jīng)濟(jì)性角度進(jìn)行深入探討，為關(guān)鍵電力負(fù)載提供可靠性的用電保障。

       關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；列頭柜配電；智能母線槽；模塊化列頭柜；可靠性

   0前言

      電力數(shù)據(jù)中心是電力企業(yè)通信、調(diào)度、信息、營銷、經(jīng)營、綜合管理及分析決策等服務(wù)的公共信息平臺，是各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和共享平臺，是電力企業(yè)跨業(yè)務(wù)、跨流程高級應(yīng)用的重要支持平臺¨1。電力數(shù)據(jù)中心既包含信息系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)，還包括綜合數(shù)據(jù)通信鏈路、綜合環(huán)境控制基礎(chǔ)設(shè)施，其中配電系統(tǒng)是支撐電力數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行*為關(guān)鍵的設(shè)施之一。低可靠性供電是造成數(shù)據(jù)中心服務(wù)中斷*主要原因。如何優(yōu)化提高配電系統(tǒng)的可用性和安全性，增加設(shè)備更換擴(kuò)容的靈活性，提高運(yùn)維便利性，確保供電系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行，是電力數(shù)據(jù)中心管理者所面臨的重大課題之一。本文將從電力數(shù)據(jù)中心的末端供電可靠性出發(fā)，以南方電網(wǎng)某信息業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中心(以下簡稱“本數(shù)據(jù)中心")實(shí)施案例為研究對象，對幾種主要的數(shù)據(jù)中心機(jī)柜供電方案進(jìn)行對比研究，分6R析其優(yōu)缺點(diǎn)，以及應(yīng)用場景，提出為電力數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵負(fù)載提供可靠性用電保障的參考方案。

1數(shù)據(jù)中心末端配電范圍界定

      本數(shù)據(jù)中心按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50174．2017)【41和《電力調(diào)度通信中心工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB／T50980—2014)的要求建設(shè)，采用A、B雙路系統(tǒng)進(jìn)行供電。數(shù)據(jù)中心末端配電的范圍指從UPS輸出配電柜輸出端引出至機(jī)柜PDU插座端，供電對象為機(jī)柜承載的IT設(shè)備和服務(wù)器，相關(guān)配電系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2機(jī)柜端列頭柜配電方案

2．1傳統(tǒng)列頭柜供電方式

       傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心機(jī)柜端配電采用配電列頭柜加電纜的配電方式，同時(shí)每個(gè)機(jī)柜配置兩條PDU插座，通過電纜從列頭柜取電。列頭柜與機(jī)柜之間的供電一般有兩種模式。

2．1．1模式一

       每個(gè)列頭柜同時(shí)配置A和B兩路主輸人開關(guān)及對應(yīng)饋線開關(guān)，每個(gè)機(jī)柜從1個(gè)列頭柜取電。如圖2所示。

圖2單列頭柜供電模式

2．1．2模式二

       每個(gè)列頭柜配置A或B兩路主輸入開關(guān)及對應(yīng)饋線開關(guān)，每個(gè)機(jī)柜從2個(gè)列頭柜取電。如圖3所示。

圖3雙列頭柜供電模式

2．1．3模式一和模式二比較

       1)可靠性和可用性比較：供配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及配置直接決定了數(shù)據(jù)中心的可用性和可靠性。如果一個(gè)系統(tǒng)是由各子系統(tǒng)組成的，則任何一個(gè)子系統(tǒng)的故障將直接影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

模式一采用1個(gè)列頭柜向末端設(shè)備提供A、B路電源，模式二分布在兩個(gè)列頭柜向末端設(shè)備提供A路或B路電源。按照國家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)，正常運(yùn)行情況下，模式一和模式二均滿足容錯(cuò)要求，即當(dāng)A、B路任何一路出現(xiàn)故障時(shí)均不影響末端設(shè)備運(yùn)行。從運(yùn)維管理角度考慮，模式一中的一路出現(xiàn)故障時(shí)，因A、B兩路供電均在一個(gè)列頭柜內(nèi)，因此需停電維護(hù)，增加了運(yùn)維的難度和可操作性。當(dāng)列頭柜內(nèi)配置較低時(shí)，存在任何一路故障時(shí)有可能對另外一路造成故障的風(fēng)險(xiǎn)。因此，從可靠性和可用性比較，模式二相對較高。

        2)成本比較：模式一和模式二兩種列頭柜同等配置情況下，列頭柜進(jìn)線電纜長度相同，列頭柜與機(jī)柜之間電纜(以WDZB．YJV3×6mm：配置為例)，每面機(jī)柜模式二比模式一多3米，相差不大。因此，對于列頭柜兩種供電模式比較，每個(gè)機(jī)柜從兩個(gè)列頭柜取電可用性比從同一個(gè)列頭柜取電可用性高，而成本差異不大。

2．2傳統(tǒng)列頭柜配置

       比較列頭柜作為數(shù)據(jù)中心機(jī)房末端配電管理的核心設(shè)備，需滿足配電、監(jiān)控、測量、保護(hù)、告警等作用。由于信息化設(shè)備進(jìn)一步集中，數(shù)據(jù)中心對供電可靠性和可管理性要要求越來越高，同時(shí)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合，列頭柜高度智能化的技術(shù)也逐步成熟，從第一代簡單智能列頭柜逐步演進(jìn)到高度智能第四代的技術(shù)。

       列頭柜的發(fā)展大致分為四代，如下：

       第一代：普通開關(guān)水平安裝，配置機(jī)械表和指示燈，只有配電功能，無任何檢測及通訊功能。

       第二代：多數(shù)采用開關(guān)豎直安裝，在進(jìn)線端加人數(shù)字電表或觸摸屏和通訊接口，只監(jiān)控主路，未監(jiān)控分路。

       第三代：在第二代基礎(chǔ)上增加分路監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)電源監(jiān)控和能源管理。

       第四代：在第三代基礎(chǔ)上提高了智能化技術(shù)，集中開關(guān)模塊化、二次元件模塊化、調(diào)相、監(jiān)控與一體。

       其中，第一代和第二代為傳統(tǒng)配電柜，第三代為目前數(shù)據(jù)中心常用精密配電柜，第四代為模塊化精密配電柜口，從柜體集成、監(jiān)控、

3機(jī)柜配電端智能母線槽方案

3．1智能母線槽概算

       機(jī)柜端配電采用智能化母線槽作為機(jī)柜端配電成熟技術(shù)之一，為國內(nèi)外大型數(shù)據(jù)中心所應(yīng)用。目前國內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心已有多個(gè)應(yīng)用案例，本數(shù)據(jù)中心也采用智能母線槽供電方案，

如圖4所示。

圖4智能母線槽供電方案

3．2智能母線槽要求

3．2．1整體方案

       本數(shù)據(jù)中心實(shí)施的機(jī)柜母線槽供電方案滿足機(jī)房要求，采用2N供電方式15,6jo]，如圖5所示。

圖5智能母線槽供電方案

       主機(jī)房區(qū)各自從UPS室I和UPS室2中UPS系統(tǒng)輸出A、B路主干母線槽(本案采用IP54．1250A密集母線)接人至機(jī)房每列機(jī)柜前段通道，每列機(jī)柜端母線槽始端箱通過電纜與主干母線槽上的插接箱進(jìn)行連接。

3．2．2設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3．2．2．1

        主要構(gòu)成機(jī)柜端智能母線槽包含“進(jìn)線箱、直線段、插接箱"，如圖6所示。

圖6智能母線槽構(gòu)成圖

       1)進(jìn)線箱：用作整條母線供電，通過電纜從UPS主干母線插接箱斷路器連接取電，并在箱體內(nèi)配置測量單元和通訊單元，監(jiān)測電流、電壓、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)。

       2)直線段：用于承載電流、通過插接口和插接箱為機(jī)柜供電。根據(jù)插接箱安裝方式分兩種類型，為軌道滑觸式母線槽和固定式母線槽，兩者*大區(qū)別在于軌道式母線槽內(nèi)置滑觸導(dǎo)軌，其插接箱可以直接在母線上滑動，以靈活適應(yīng)機(jī)柜的位置擺放需求。而固定式母線槽直身段標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)密集插接口，間距一般為0．6米和1．2米，基本能滿足高密度多變化的機(jī)柜擺放需求。軌道滑觸式母線槽更適合當(dāng)前數(shù)據(jù)中心設(shè)備機(jī)柜布置和變化調(diào)整需求。

       3)插接箱：插接箱用于從母線直身段取電，支持熱插拔和調(diào)相，內(nèi)部配置測量單元、通訊單元、防雷單元及工業(yè)連接器單元等，可監(jiān)測機(jī)柜端電流、電壓、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)。

3．2．2．2安裝方式

       母線槽安裝方便快捷，可采用機(jī)柜上方安裝和地板下安裝兩種方式。機(jī)柜上方安裝一般需要預(yù)留1米左右垂直空間，需考慮強(qiáng)弱電橋架、風(fēng)管、照明等因素；地板下安裝一般需要預(yù)留0．6米左右垂直空間，需考慮地板下送風(fēng)氣流組織因素。如圖7所示。本案數(shù)據(jù)中心機(jī)房梁底4米，考慮機(jī)柜上方綜合管線和下送風(fēng)等因素，機(jī)柜端母線槽采用機(jī)柜上安裝方式并A、B垂直上下安裝。

圖7智能母線槽安裝示意圖

3．2．3監(jiān)控管理

         機(jī)柜端智能母線槽通過在進(jìn)線箱、插接箱配置電能儀表、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控單元、通訊接口單元等元件實(shí)時(shí)監(jiān)測電流，電壓，功率和電量，實(shí)時(shí)顯示每個(gè)機(jī)柜PDU的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)柜的精密監(jiān)控和能效管理。可實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警，實(shí)時(shí)監(jiān)控電能質(zhì)量，包括負(fù)載系數(shù)，諧波含量等，所有監(jiān)測參數(shù)將*終匯集到母線系統(tǒng)的監(jiān)控總單元模塊，通過開放通訊協(xié)議接口可與機(jī)房綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行對接，可實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)中心機(jī)房運(yùn)營狀況，任何監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)故障，均可在系統(tǒng)顯示界面找到其對應(yīng)編號，以便維護(hù)人員迅速作出響應(yīng)，大大減少檢修工作量。如圖8所示。

圖8智能母線槽監(jiān)控圖

4智能母線槽配電方案優(yōu)勢

4．1可靠性對比

       1)智能化插接母線相對傳統(tǒng)的“列頭柜+電纜"，既避免電纜所帶來的諸如電纜接頭容易氧化、松動和接觸不良等施工工藝問題，將傳統(tǒng)現(xiàn)場機(jī)電工程安裝*大程度轉(zhuǎn)化為工廠預(yù)制產(chǎn)品拼接，提升整體系統(tǒng)成品質(zhì)量可靠性。

2)相對傳統(tǒng)列頭柜集中配電管理，當(dāng)任意一個(gè)機(jī)柜端供電故障時(shí)，采用智能化插接母線方案可減少供電故障影響范圍。

4．2靈活性對比

       1)智能化插接母線不需要敷設(shè)橋架和電纜，供電架構(gòu)清晰明朗，提高機(jī)房整潔度。

        2)智能化插接母線可根據(jù)機(jī)柜數(shù)量、位置、功率密度的變化靈活地調(diào)整母線的長度、走向、機(jī)柜端開關(guān)容量或相位。

        3)智能化插接母線在進(jìn)行巡檢或故障維護(hù)時(shí)，可降低系統(tǒng)維護(hù)影響范圍和檢修工作量。

4)系統(tǒng)支持部件級在線熱插拔擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展需求分期投資擴(kuò)容。

4．3成本對

       1)智能化插接母線降低了空間占用率，采用智能母線槽可省去配電列頭柜，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(jī)柜，可降低機(jī)柜容積比，提升機(jī)房內(nèi)部地面空間利用率。本信息中心機(jī)房采用智能化插接母線大約可降低大約6％的容積比，按機(jī)房面積單位造價(jià)可創(chuàng)造約800萬元 空間價(jià)值。

       2)采用智能化插接母線可降低運(yùn)行維護(hù)成本，規(guī)避了傳統(tǒng)方式所帶來的后期運(yùn)維工作量大、運(yùn)維周期不可控以及人為干預(yù)帶來的安全性降低等問題。

      3)比可隨時(shí)根據(jù)客戶需要調(diào)整配置，減少技改投資。

5智能小母線監(jiān)控解決方案

       數(shù)據(jù)中心IT服務(wù)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(shè)備不便，為了節(jié)省面積，智能小母線方案由于不占用機(jī)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(yīng)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(yùn)行溫度，確保母線槽配電安全。通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線手拉手簡單組網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)任意插接箱檢修或更換時(shí)不影響其他在線運(yùn)行的插接箱的數(shù)據(jù)上傳通訊。

5.1 智能母線監(jiān)測

6結(jié)束語

       可靠性、可維護(hù)性、經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)展性和節(jié)能環(huán)保是電力數(shù)據(jù)建設(shè)和運(yùn)維的幾大關(guān)鍵要素，供配電系統(tǒng)更是數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著電網(wǎng)IT信息系統(tǒng)快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心末端配電應(yīng)采用具備更高可用性、更高安全性和靈活性的配電結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐。本文通過對不同種機(jī)柜端配電方式的對比分析，以及結(jié)合實(shí)際案例應(yīng)用分析智能母線槽設(shè)計(jì)要求、安裝方式、對比優(yōu)勢，智能母線槽是電力數(shù)據(jù)中心末端配電的優(yōu)選方案之一。

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作者簡介：張心志，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。