淺談電力數(shù)據(jù)中心機(jī)柜端配電設(shè)計方案及監(jiān)控產(chǎn)品選型

徐霜
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)計方案，以及每種設(shè)計方案的優(yōu)缺點。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)、跨流程應(yīng)用的重要支持平臺。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)中心正常運行關(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，提高運維便利性，確保供電系統(tǒng)的不間斷運行，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，分析其優(yōu)缺點，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) 計規(guī)范》(GB 501 74．2017)和《電力調(diào)度通信中心工程設(shè)計規(guī)范》(GB／T 50980—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，同時每個機(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 

       每個列頭柜同時配置A和B兩路主輸人開關(guān)及對應(yīng)饋線開關(guān)，每個機(jī)柜從1個列頭柜取電。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)，每個機(jī)柜從2個列頭柜取電。 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。如果一個系統(tǒng)是由各子系統(tǒng)組成的，則任何一個子系統(tǒng)的故障將直接影響系統(tǒng)的正常運行。模式一采用1個列頭柜向末端設(shè)備提供A、B路電源，模式二分布在兩個列頭柜向末端設(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，正常運行情況下模式一和模式二均滿足容錯要求，即當(dāng)A、B路任何一路出現(xiàn)故障時均不影響末端設(shè)備運行。從運維管理角度考慮，模式一中的一路出x故障時，因A、B兩路供電均在一個列頭柜內(nèi)，因此需停電維護(hù)，增加了運維的難度和可操作性。當(dāng)列頭柜內(nèi)配置較低時，存在任何一路故障時有可能對另外一路造成故障的風(fēng)險。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.YJV3×6 mm：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，每個機(jī)柜從兩個列頭柜取電可用性比從同一個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，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和計算機(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： 

       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，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、維護(hù)等方面進(jìn)行比較，如表1所示。 

表1各種類型配電列頭柜對比分析

       從表1所示，相比傳統(tǒng)配電柜，從安全管理、運行管理角度看，精密配電柜可提供機(jī)房全面的電源管理功能，將配電系統(tǒng)*納入機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測內(nèi)容除電氣系統(tǒng)主母線及支路所有電氣參數(shù)，為機(jī)房提供更為全面的管理及服務(wù)。同時，用戶可以及早發(fā)現(xiàn)安全隱患，采取相應(yīng)改進(jìn)措施改善機(jī)房供電情況，有效規(guī)避風(fēng)險。 

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，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 IP54．1250 A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)計要點 

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時監(jiān)測電流，電壓，功率和電量，實時顯示每個機(jī)柜PDU的運行狀態(tài)，實現(xiàn)對機(jī)柜的精密監(jiān)控和能效管理。可實現(xiàn)故障報警，實時監(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，可實時查看數(shù)據(jù)中心機(jī)房運營狀況，任何監(jiān)測點出現(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)任意一個機(jī)柜端供電故障時，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，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 成本對比

       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)房面積單位造價可創(chuàng)造約800萬元空間價值。

       2）采用智能化插接母線可降低運行維護(hù)成本，規(guī)避了傳統(tǒng)方式所帶來的后期運維工作量大、運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）可隨時根據(jù)客戶需要調(diào)整配置，減少技改投資。

5安科瑞列頭柜及監(jiān)測產(chǎn)品介紹

       隨著數(shù)據(jù)中心的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心能耗問題也越來越突出，高效可靠的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案，是提高數(shù)據(jù)中心電能使用效率，降低設(shè)備能耗的有效方式。

       AMC系列數(shù)據(jù)中心精密配電系統(tǒng)是針對數(shù)據(jù)機(jī)房末端設(shè)計的，能夠綜合采集所有能源數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng)，為交直流電源配電柜提供精確的電參量信息，并可通過通訊將數(shù)據(jù)上傳到動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個數(shù)據(jù)機(jī)房的實時監(jiān)控和有效管理，為實現(xiàn)綠色I(xiàn)DC提供可靠保證。

5.1精密配電管理解決方案

5.1.1交流系統(tǒng)

       1）功能要求：

       遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度；輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度；遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相,過流，輸入分路和輸出分路的開關(guān)狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限報警功能。

       2）配置方案-示意圖

配置方案 

多功能儀表       PZ72L-E4

電流互感器       AKH-0.66-30I-XXA/5A

5.1.2直流系統(tǒng)

       1) 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(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限功能。

       2)配置方案-示意圖

配置方案

多功能儀表          PZ72L-DE

 霍爾傳感器          AHKC-F-  XXA/5V

 開關(guān)電源            SBD-30  （48V）

5.2產(chǎn)品規(guī)格

說明：■為標(biāo)配功能。

5.3配套附件

6安科瑞母線槽監(jiān)測產(chǎn)品介紹

6.1概述

       數(shù)據(jù)中心小母線系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心末端母線供配電系統(tǒng)的俗稱。近年來，隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)的快速發(fā)展和更高需求，智能小母線系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用于機(jī)房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點，即插式插接箱給各個機(jī)柜內(nèi)的PDU分配電。始端箱和插接箱內(nèi)可設(shè)置監(jiān)測模塊，將數(shù)據(jù)上傳至動環(huán)監(jiān)控中心。

6.2  AMB智能小母線管理系統(tǒng)

       1）交流系統(tǒng)功能：

       遙測：三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能、電纜溫度，系統(tǒng)頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機(jī)柜溫度、機(jī)柜濕度、開關(guān)狀態(tài)、電壓/電流諧波含量、電流/功率；

       遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、過頻率、欠頻率越限、零地電壓、零線電流、溫/濕度告警，開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)跳閘；    

       2）直流系統(tǒng)功能：

      遙測：電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機(jī)柜溫度、機(jī)柜濕度、開關(guān)狀態(tài)、電流/功率；

      遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、溫/濕度告警，開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)跳閘；                             

6.3產(chǎn)品介紹

說明：■為標(biāo)配功能。

7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)合實際案例應(yīng)用分析智能母線槽設(shè)計要求、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。

參考文獻(xiàn)： 

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【2】吳勁松、李光泰、李舒濤、王玉庭、張學(xué)昶.電力數(shù)據(jù)中心機(jī)柜端配電設(shè)計探討.

【3】安科瑞數(shù)據(jù)中心IDC配電監(jiān)控解決方案.2020.03版