浅谈数据中心机房末端配电技术与产品监控选型

发布时间：2024-11-24

马香霞

摘要：数据中心机房末端配电的可靠性、稳定性和可维护性直接关系到IT设备的安全供电。数据中心的末端配电技术主要有两种，一种采用列头柜加电缆配电，另一种是智能小母线配电。分别对两种配电技术进行了介绍和探讨，*后对两种配电方式进行了对比分析，得出一些有益的结论。

关键词：数据中心；末端配电；列头柜；智能小母线

1概述

数据中心是国家确定的“新基建”七大领域之一。数据中心在国民经济和社会发展中所起的作用越来越重要，数据中心已经成为了各行各业的关键基础设施，为经济转型升级提供了重要支撑。

数据中心要实现持续稳定运行，前提是其供电系统应稳定可靠、不间断。当前，重要程度高的A级数据中心一般采用2N架构的UPS供电方式，以实现容错要求，供电系统包括高低压配电、后备发电机组、不间断电源、后备蓄电池、精密配电等子系统，典型的数据中心供电系统如图1所示。

图1 典型数据中心2N供电系统图

从图1可以看出，*终的用电设备实现了全程双路由容错供电。

2末端配电

数据中心机房的末端配电一般是指从不间断电源输出柜到*终用电设备的配电部分，*终用电设备包括IT设备、动力设备和照明等。数据中心的末端配电*接近用电设备，是整个供配电系统中的关键环节，它的安全可靠十分重要。

传统的末端配电技术一般采用列头柜加电缆配电，典型的配电系统如图 2 所示。

图2 数据中心典型配电系统图

注：系统图中的方框部分即为末端配电部分。

3列头柜配电技术探讨

按照国家规范的要求，A级数据中心的基础设施宜按容错系统配置。当数据中心的末端配电采用列头柜加电缆配电时，存在多种方案。以数据中心应用较多的封闭冷通道为例，配电方案主要有如下4种方案。

3.1方案一

方案一如图3所示。

图3 列头柜双柜配电方案

注：图中仅示出了其中一列机柜的配电电缆，另一列机柜同理。

每个封闭冷通道设置两个列头柜，分别位于每列的头部，每个列头柜由不同的UPS系统引出，即列头柜A由2N双母线系统的UPS系统A引出，列头柜B由2N双母线系统的UPS系统B引出。

IT机柜的供电方式为：每个IT机柜内包括两路PDU，PDU(A)和PDU(B)，其中PDU（A）通过电缆由列头柜A取电，PDU(B)通过电缆由列头柜B取电。

本供电方案的优点是实现了全程双回路供电，无单点故障点，供电架构清晰。缺点是IT机柜的供电需要跨列引电，布线有一定难度。

3.2方案二

方案二的机柜布置和方案一相同，如图3所示，但列头柜的内部配置和配电电缆的敷设不同。具体方案是：每个封闭冷通道也设置两个列头柜，列头柜A和列头柜B，但每个列头柜内部又分为A、B两路，每路由不同的UPS系统引出，即列头柜A和列头柜B内的A路由2N双母线系统的UPS系统A引出，列头柜A和列头柜B内的B路由2N双母线系统的UPS系统B引出。

IT机柜的供电方式是IT机柜的两路PDU均来自于本列的列头柜，其中PDU（A）来自于本列列头柜中的A路，PDU（B）来自于本列列头柜中的B路；这种供电方式结构清晰，但当列头柜需要扩容、更换或移位时，后端IT机柜的割接难度和工作量较大。

3.3方案三

方案三和方案二的不同之处仅在于IT机柜的取电方式不同，即IT机柜的两路PDU分别来自于不同的列头柜，且不同路，第1列的IT机柜的PDU（A）来自于列头柜A内的A路，PDU（B）来自于列头柜B内的B路；第2列的IT机柜的PDU（A）来自于列头柜B内的A路，PDU（B）来自于列头柜A内的B路；这种供电方式保证了IT机柜的供电为全程双路由，且不存在单点故障点，但布线比较复杂，现场接线容易发生错误，可能导致IT

机柜由假双路电源供电。

3.4方案四

方案四如图4所示。

图4 列头柜单柜供电方案

每个封闭冷通道只设置1个列头柜，位于其中一列的头部，列头柜内部分为A、B两路，分别由不同的UPS系统引出。IT机柜的两路PDU分别由列头柜内的A路和B路取电。

这种方案的优点是只占用了一个机柜位置，节约了宝贵的机房空间资源。缺点是电缆需要跨列敷设，且当列头柜需要维修、扩容、更换或移位时，将造成后端所有IT机柜断电。

3.5列头柜配电方案对比

对上述4种列头柜配电方案进行对比，如表1所示。

表1 四种列头柜配电方案对比

综合列头柜的上述4种列头柜配电方案的优、缺点，建议采用配电方案一。

3.6列头柜配电技术分析

列头柜配电技术要占用宝贵的机房资源，每台列头柜要占用了一个机柜位置，使得可出租的IT机柜数量变少。列头柜配电采用电缆进行出线，出线配置1P或2P空开，每一个出线回路连接一根电缆到一台机柜，再通过工业连接器或者直接连接到PDU的端子排上，为服务器进行供电。列头柜在设计中往往会配置一些备用回路，以备日后机柜扩容或者维修，当列头柜方案落地实施后，再进行调整和更改会非常麻烦，甚至需要停机进行作业。采用电缆出线，如果双路配电的方案，会有大量的电缆需要部署，后期维护、增加、减少机柜、调整机柜布局、增加机柜容量等难度很大。另外，电缆中间没有监控，长期通过大电流出现绝缘老化时无法提前预警，对运营带来潜在危险。

4智能小母线配电技术探讨

由于列头柜要占用宝贵的机房资源，且配电不够灵活，业界一直在研究更加灵活可靠的末端配电技术，智能小母线配电技术应运而生。

智能小母线是相对应用于低压配电系统的大母线而言的，应用于机房末端配电，且电流一般在800A以下的小型母线系统。

4.1智能小母线的分类

智能小母线按照结构可以分为滑轨式小母线和直列式小母线。

所谓滑轨式小母线，是指铜排导体采用环绕式布置，中间形成一个连续的空间通道，底部连续开槽，支持在任意点位插接取电的母线形式。

滑轨式小母线具有全程全点位接入分支回路的特点。插接箱在母线槽的下方安装，即插即用，母线槽无需断电即可实现插接箱的在线插拔；母线槽为模块化结构，支持分步实施、延续、扩展和重构，支持部件的按需分项采购和部署。

所谓直列式小母线，是指铜排导体采用上下并列平行布置，母线左右两侧可间隔或密集布置插孔接入分支回路的母线形式。

直列式母线结构简单，成本更低。但其插接箱是固定的，不能根据需求灵活移动，插接箱在母线槽的左右水平方向安装，插接口的数量有限，整体扩容性差。另外，插接箱的体积大，占用空间大，不易更换，维护困难。因此，直列式小母线适合后期方案不进行调整，大范围固定配置的部署。

滑轨式小母线和直列式小母线的特点对比如表2所示。

表2 滑轨式小母线和直列式小母线

由于滑轨式小母线的插接箱在母线槽的下方向下安装，两条智能小母线间距可以控制在150mm以内，占用IT机柜上方的水平空间较小，一般可以在500mm以内。插接箱朝向机柜后侧，便于操作和观察。而直列式小母线占用IT机柜上方的水平空间较大，一般都600mm以上，不便于安装，且不便于后期的操作和观察。因此，智能小母线推荐采用滑轨式小母线，不建议采用直列式小母线。

4.2智能小母线的配置方式探讨

对于封闭冷通道，智能小母线有单列单母线和单列双母线两种配置方式。

单列单母线配置图如图5所示。

由于采用单列单母线方式，需要跨列桥架，布线难度很大，不建议采用此种配置方式，推荐采用单列双母线配置方式。

4.3智能小母线插接箱配置方式探讨

IT机柜通过插接箱从母线取电，即母线通过插接箱将电送至IT机柜内的PDU。插接箱有单路输出和三路输出两种，单路输出的插接箱一般为单相，有的具备调相功能。三路输出的插接箱输入一般为三相，输出自然分相，有利于三相平衡。

因此，插接箱的配置方式可以分为一对一模式和一对三模式。一对一模式的配置图如图6所示，一对三模式如图7所示。

虽然插接箱一对一的配置方式清晰方便，发生故障时只影响一个机架，但成本较高。考虑到IT机柜有两路供电，由于采用单列单母线方式，需要跨列桥架，布线难度两路供电同时发生故障的可能性很低，而且，一对三方式采用一般三相输入，输出到三个机柜自然分相，不需要额外考虑三相平衡问题，因此推荐采用一对三的配置方式。

5末端配电技术对比分析

5.1列头柜配电技术与智能小母线配电技术的优缺点

传统的机房末端配电技术采用列头柜加电缆的配电方式，列头柜需要占用机柜安装位置；需要安装走线架，施工难度大，电缆较多，且一般需要一次性建成；IT机柜的配电容量是固定的，无法进行灵活调整；若机房搬迁，列头柜、电缆、走线架等一般无法重复利用。

智能小母线配电技术采用了进线箱、母线槽和插接箱，为模块化结构，不需要占用宝贵的机柜安装位置；无需走线架，施工工期短；若IT机柜容量调整，插接箱可热插拔，只需更换插接箱即可；若机房搬迁，设备均可重复利用。

但智能小母线也存在如下缺点。

（1）对机房高度要求更高。采用列头柜配电方式，为满足走线要求，一般要求IT机柜上方有不小于500mm的高度，而智能小母线，要求上方不小于800mm的高度。

（2）维护操作不方便。智能小母线的安装位置较高，操作人员如果要对开关进行分合闸等操作，比较不方便。

（3）设置复杂。若插接箱内的空气开关故障，就要更换插接箱，而且插接箱更换后需要厂家重新设置通讯地址。

两种配电方式的特点对比如表5所示。

综上所述，如果是一次性部署服务器或是方案固定的数据中心，一般会采用列头柜加电缆的配电方案。如果是需要分批次部署服务器的数据中心，或后期需要进行末端负荷调整的数据中心，推荐采用全点位、滑轨式的智能小母线配电方案。

5.2两种配电方式的造价对比

我们仍以常见的封闭冷通道来进行对比，该封闭冷通道采用2N双母线UPS供电方式。一般来说，封闭冷通道内的单列IT机柜数量在25个以内，现假设为单列18个机柜，若采用列头柜配电方式，则单列IT机柜数为17个，单个IT机柜额定功率为4kW。采用智能小母线方案，则单列机柜数为18个机柜。

列头柜配电方案如图3所示，智能小母线配电方案如图7所示。

列头柜配电方案的造价如表6所示。

表6 列头柜配电方案造价

智能小母线配电方案的造价如表7所示。

从表6和表7可以看出，两种配电方式的造价相差105840元，但智能小母线配电方式可以多安装2个IT机柜，假设每机柜的月租金（不含电费）为2500元，则多花的投资部分，其回收期约为1.76年。在10年的运营期内，小母线配电方式可以为增加租金收入约49.4万。

6安科瑞精密配电及监控系统解决方案

6.1概述

随着数据中心的迅猛发展，数据中心的能耗问题也越来越突出，有关数据中心的能源管理和供配电设计已经成为热门问题，高效可靠的数据中心配电系统方案，是提高数据中心电能使用效率，降低设备能耗的有效方式。要实现数据中心的节能，首先需要监测每个用电负载，而数据中心负载回路非常的多，传统的测量仪表无法满足成本、体积、安装、施工等多方面的要求，因此需要采用适用于数据中心集中监控要求的多回路监控装置。

6.2应用场所

适用于运营商、金融、、互联网、企业等数据中心

6.3系统结构