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    淺談數據中心末端配電方式特點

    發布時間: 2020-06-15  點擊次數: 491次

    摘 要:隨著云服務、互聯網、大數據等信息技術的迅猛發展,現代數據中心正朝著大型化、高密度、綠色環保、模塊化方向發展;隨著IT技術的發展,出租機房等商業模式的興起,機房建設之初機柜密度不確定性大為增加,對機房內末端供配電系統在經濟性、持續性、靈活性、可靠性上提出了新的挑戰。列頭柜加電纜的傳統末端配電方式因其局限性而難以適應當今技術的發展。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,成為解決數據中心內機房供配電發展的一種新方式。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,必將成為現今數據中心內供配電的一種發展趨勢,為客戶的關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據中心降低總體投資,提高設備的用電可靠性,使數據中心加綠色環保。

    關鍵詞:末端配電;靈活母線;智能母線監控系統;列頭柜

    1引言
        隨著互聯網技術的快速發展,云計算、電子商務、電子政務、電子金融、網絡游戲、云存儲等網絡服務相繼出現,使得當今社會變成云時代、大數據的信息化新時代,數據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。為了適應當今網絡服務的快速發展,以及第三方托管型數據中心的興起,除了建設充足、穩定、經濟、可靠的數據中心外,還應追求它的高效、綠色、靈活、低能耗。“高效”體現在應以較小的投資換取收益,比如采用高壓直流供電來代替傳統的交流供電:再比如數據中心的管理人員會根據服務器的使用情況,重新劃定高密區及低密區,以便達到好的制冷效果。“綠色”則體現在數據中心應盡可能多地采用一些可二次回收再利用的產品。“靈活”體現在數據中心內的產品應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品化的服務,即可快速地安裝部署,又可減少人為施工帶來的失誤,還可在換服務器的時候快速做出響應。
     
    2數據中心末端配電的界定
        如圖1所示,機房內末端配電的范圍應該從UPS的配電柜引出至機柜內的PDU止,這一段上的電流在800A以下,主要供電對象為IT設備,A級數據中心一般采用A、B雙路系統進行供電。
     
    圖1 監測模塊
    3 數據中心采用傳統配電方式分析
    3.1機房傳統配電方式
        機房配電系統一般采用雙路市電接入,經低壓配電柜分別接入兩組UPS設備,UPS配電柜再分配到各個列頭柜,經列頭柜后接入備機柜PDU,再接入IT設備(見圖2)。
     
    圖2 采用列頭柜的機房配電模式
     
        機房傳統配電方式采用電纜從UPS出線柜至機房內的每個列頭柜的方式;經列頭柜配電后,再采用電纜接至各機柜PDU的方式。列頭桓是一列機柜設備頂端的一個機柜,主要功能是對這一列機柜的交流或者直流負載提供電源,起到配電、監控、測量、保護、告警等作用。配電列頭柜的內部主要由5根母排(L1、L2、L3、N、PE)以及斷路器組成,從端的UPS配電柜引出的電纜首先會通過機柜內的塑殼斷路器(MCB),之后從塑殼斷路器上引出3根相線接入3根母排。母排壓接導線后接入每個斷路器,再與N排及PE排引出的導線匯成1根電纜為機柜供電。
    3.2機房傳統配電監控模式
        配電列頭柜的監控方式是通過CT、PT及各種輔助觸點測量出每一路的電壓、電流,之后通過計算機主板內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控信息統一收集后上傳至網關:用戶從主控室或移動式電子設備上讀取數據
    3.3機房傳統配電方式的點
    采用列頭柜加電纜的傳統配電方式有以下點:
        1)技術成熟,適用于事先已確定容量的機柜配電;
        2)采用放射式結構,可減小故障的影響范圍;
        3)集中監控,便于運維人員在現場獲取數據:
        4)當“零地”電壓不滿足IT設備使用要求時,可在配電列頭柜中安裝隔離變壓器,降低“零地”電壓。
    3.4機房傳統配電方式的缺點
        列頭柜加電纜的配電方式雖然還在沿用,但已不符合當今數據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%,即機桓數量減少7%;
        2)由于線纜較多,電能損耗較大:
        3)電纜占據地板下大量空間,對地板下的氣流形成干擾,導致空調的效率降低:
        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,產生過熱或打火而引發建筑火災事故:
        5)配電設計受到限制,需要在確定功率密度后確定配電柜的數量和位置;
        6)由于線路復雜、IT設備又不能斷電,因而造成線路和設備維護檢修困難:
        7)由于列頭柜的容量和出線路數已固定,無法滿足新增機柜和容量。  
     
    4數據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配電方式的缺點,利用小母線及配電接插箱來完成對每一個機柜的精準配電,其基本結構如圖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的母線端子排上。
        2)母線槽主體(Housing Section):是傳導電力的主體,內部基本結構為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,一般由監控設備、輸出端口、保護設備等組成,主要用于為每一個用電設備提供精準的電力,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,再根據每一個機柜的功率密度選擇相應規格的接插箱,與機柜內的PDU連接后即完成了對一個機柜的配電工作,圖4為靈活母線現場效果圖。
     
    圖3 靈活母線的配電方案
     
    圖4 靈活母線現場效果圖
    4.2靈活母線配電監控模式
        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控也應符合這個理念,即采用無線通信、模塊化的監控方案(見圖5)。靈活母線電力分配監控系統應具備多重的通訊協議及無線網絡,且可以無縫集成到建筑管理系統或數據中心基礎設施管理系統中,通過提供化管理所必須的關鍵信息,為數據中心電力分配系統的管理奠定基礎。電力信號采集與監控功能通過每個接插箱體上的RS485接口或無線監控模塊來采集數據,再通過SNMP協議或MODBUS協議傳輸至上行端環控系統,從而簡化了監控的過程。在監控電力信息的同時,通過傳感器可監測到每個機柜內的溫度及濕度,且與電力監控信息集成,通過統一網關收集所采集到的電力和環境數據,實現對電力、環境數據的統一管理。
        每一個監控模塊不僅是一個信號的發送端,應是一個信號的傳送者。因為現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來的信號只能靠一個網關來接受,勢必會影響信號傳輸,所以每一個監控模塊都應能對相鄰的幾個模塊發出的信號進行中轉,以保證距離網關遠處的那些模塊所發出的信號可以完整、同步地傳輸給網關。對于處在不同房間里的網關,監控網絡應能支持自動負載均衡,使得每一個網關與其他網關形成佳的帶寬利用率以及線性的可擴展性。系統可以自動使用所有可用的網關,為多個網關的安裝提供冗余設備。
     
    圖5 靈活母線配電監控模式
    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,電容量可隨時調整。母線槽和接插箱可根據實際情況分期部署,即針對現在數據中心里出現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,之后等機柜一旦確定容量和位置,即可選擇接插箱進行配電。
    小母線可帶電熱插拔:在數據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量或容量而不影響其他設備的運行。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、單獨接地或者接地,選擇不同的插座或懸垂電纜。
        隨業務發展的可擴展性:整體架構既能支持初始電力需求,又可在使用過程中根據需求的變化快速擴展,達到一種“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:采用小母線方式規避了傳統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,可實現多次重復使用,提高資金效率3倍以上。母線槽方式可隨時根據客戶需要調整配置,在25年中可隨時遷移、復用,減少重復投資。
    增加數據中心營運收入: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%的機柜數量,對于機柜出租業主來說會是一筆不小的收入。
    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為隨機柜 的分散配電方式,對機柜中各種電參數(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 在機房現場對各機柜的電參數進行集中顯示,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。
     

    對比項列頭柜+電纜配電方式靈活母線配電方式
    靈活性需消耗大量人工進行一次性安裝部署,后期擴展困難母線槽可根據實際情況分期部署,且母線槽系統可安全點帶電,可在帶電情況下隨時加載、卸載單一回路負載,并可從16A到63A,單相、三相任意選擇,有的放矢地為用電設備提供準確的電力供給,簡介降低投資損耗??呻S時根據客戶需要調整配置,在25年中可隨時遷移,服用,保護投資;滿足不同末端配電需求,提供相位選擇旋鈕,保障配電三相平衡。
    空間錄用率需占用機柜位置放置列頭柜,大量的線纜占據地板下空間,進而影響送風效果取消了配電列頭柜,在同等的機房面積下可放置多的服務器
    安裝成本工人現場組作業,人工成本及人為故障因素較高采用即插即用的模塊化設計,安裝簡單,安裝效率高,降低安裝故障率
    可擴展性跟換機柜是需重新布設空間、線纜模塊化設計,在母線槽整體容量允許的情況下通過對插接箱的換來實現任意、快速地換機柜,母線槽方式提供了一種安全、可靠、時效性、穩定性大大提升的一種擴展方式
    后期運維使用時間長、運維越困難,費用越高可做到120年免維護
    綠色環保大量采用不可回收的電纜會影響環境產品可做二次回收再利用,有助于業主申請LEED認證
    安全性故障率高,電纜接頭容易氧化、松動和接觸不良,造成電阻增加,產生過熱或打火而引起火災事故外殼采用模塊化鋁合金型材,不易燃,提高用電的安全性

     

    表1 兩種配電方式的對比
    6安科瑞ANDPF列頭柜介紹
    6.1產品介紹
        隨著數據中心的迅猛發展,數據中心能耗問題也越來越突出,高效可靠的數據中心配電系統方案,是提高數據中心電能使用效率,降低設備能耗的有效方式。
    AMC系列數據中心精密配電系統是針對數據機房末端設計的,能夠綜合采集所有能源數據的智能系統,為交直流電源配電柜提供的電參量信息,并可通過通訊將數據上傳到動環監控系統,實現對整個數據機房的實時監控和有效管理,為實現綠色IDC提供可靠保證。
     
    6.2安科瑞精密配電產品解決方案
    1)交流系統
    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,輸入分路的開關狀態,具備電流、功率需用量分析和統計,實現電壓、電流、頻率等參數的越限報警功能。
    配置方案如圖6,
     
    圖6 交流系統配置方案
     
    2)直流系統
    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,具備電流、功率需用量分析和統計,實現電壓、電流、功率等參數的越限報警功能。
    配置方案如圖7,
     
    圖7 直流系統配置方案
     
    6.3產品選型
     
     
    表3 產品選型表
    7安科瑞智能小母線監控系統介紹
    7.1產品介紹
        針對數據中心智能小母線的監控要求,安科瑞推出了AMB系列小母線監控解決方案,該方案包括采集模塊、配套附件、監控系統,能對母線運行過程中的各種參數進行監控,發生故障則進行告警,以保證系統穩定運行。
        AMB檢測單元是針對數據中心智能小母線插接箱/始端箱的監控要求新設計的產品,該檢測單元安裝固定在插接箱/始端箱內部,插接箱/始端箱采用特有的方式與母線連通,它集成全部電力參數的測量(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)以及全面的電能監測和考核管理。同時可以實時監控母線接口溫度,配合2路Rs45通訊接口(1進1出)或LORA無線通訊,采用MODBUS-RTU協議可以方便可靠的將監測數據上傳至主控箱和后臺系統,保證系統安全可靠運行。
    7.2產品選型
    安科瑞智能母線測控儀表選型如表2,

    檢測模塊型號基本功能選配功能
     
    AMB100-A
     
    三相交流回路的全電量測量、2-63次諧波測量、1路漏電流、8路溫度、1路濕度、需量、中性線電流、零地電壓、2路開關量輸入、2路開關量輸出,1路RS485。 
     
     
     
     
     
    /W(LORA)
     
    AMB110-A
    三相交流回路的全電量測量、2-63次諧波測量、1路漏電流、4路溫度、1路濕度、需量、中性線電流、零地電壓、2路開關量輸入,1路RS485。
     
    AMB100-D
     
    直流1回路的全電量測量、1路漏電流、4路溫度、1路濕度、2路開關量輸入、2路開關量輸出,1路RS485
     
    AMB110-D
     
    直流3回路的全電量測量、3路漏電流、4路溫度、1路濕度、2路開關量輸入、2路開關量輸出,1路RS485。

    表4 產品選型規格
    注:AMB100用于始端箱、AMB110用于插接箱、A-交流系統、D-直流系統可選配AMB10顯示器,顯示器只循環顯示電壓、電流參數。
     
    8結束語
        數據中心建設和運維注重可靠性、可維護性、靈活性、經濟性、可擴展性和節能環保等要求,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,以及上數據中心配電方式的發展趨勢,證明采用小母線配電方式有利于數據中心今后發展。
     
    【參考文獻】
    [1] 鐘晨.數據中心末端配電方式探討[J]
    [2] 中國建筑標準設計研究院 .電子信息系統機房工程設計與安裝[M].北京:中國計劃出版社,2009.
    [3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊. 2019.11版 

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