浅谈智能母线在数据中心末端配电中的应用研究

摘要：针对数据中心末端配电方式展开了讨论,研究了机房传统配电方式构成及其优缺点,从提高数据中心配电系统的可靠性、可用性、扩展性以及维护性等角度,分析了智能母线的结构和技术特点。结合智能母线在江宁数据中心建设项目的实际应用,对以往机房采用传统配电解决方案带来的技术和管理层面上问题提出了智能母线解决方案。
关键词：智能母线；数据中心；末端配电
1 引言
     数据中心作为电力行业的信息中心枢纽,承载着关系电力行业核心信息的服务器,是一整套复杂的综合设施。它不仅仅包括计算机系统和其他与之配套的设备,还包含配电系统、空调系统、环境监控系统、消防系统等。配电系统作为数据中心的关键环节之一,在某种程度上决定了数据中心运营的安全性和可用性。断电或低质量供电是造成数据中心服务器宕机的主要因素之一。因此,保证数据中心电力持续而稳定的供应是工作的重中之重,对比传统列头柜配电方案,母线槽技术更先进、可靠性更高,近几年在数据中心末端配电中得到广泛应用。
2 数据中心末端配电的界定
     数据中心配电系统存在3个层次。
     主配电区：中压配电柜、变压器、备用发电机、低压配电柜。
     干线配电区：UPS（uninterruptible powersystem,不间断电源）、低压二级配电柜。
     终端配电区：列头柜、机架、IT设备。数据中心末端配电范围是指从UPS输出柜引出至机柜内部PDU（power distribution unit,电源分配单元）,主要供电对象为IT设备。由于机房内物理跨度在10-50m,这一区域是数据中心配电系统的核心环节,称为“后50m”。
3 传统配电方案
     机房传统配电系统一般采用2回10kv市电接入,经过变压器、低压配电柜分别接入两组UPS电源设备,再经过UPS输出柜连接至各个列头柜,从列头柜敷设电缆接入机柜内PDU。传统配电方式技术成熟、单根电缆故障影响范围小。但是,列头柜占用机柜空间大、电缆电能损耗较大、施工复杂、隐患排查和末端配电扩展困难。机房传统配电方式如图1所示。

图1机房传统配电方式
4智能母线配电方案
4.1概念
     智能母线系统是一种取代传统电缆的数据中心末端配电解决方案,由始端箱、干线单元、转接单元、插接箱、连餅和綱组成,具有主路和支路电压、电流、频率、开关状态、母排温度检测等功能。母线槽由保护外壳（钢板或铝板）、导电排、绝缘材料及有关附件组成智能母线组成部件如图2所示。
4.2技术特点
(1)安全可靠
     母线槽采用铜或铝作为导电体,电流容量大,电气和机械性能好。同时,使用金属槽作为保护外壳,不会燃烧。通过紧密接触的金属外壳散发热量,散热性能好。插接箱母线槽

图2智能母线组成部件
(2)安装便捷
母线槽配有标准的安装支架,无需单独桥架支撑,采用插接方式把主干线电源分接至支线,结构紧凑,插拔方便。
(3)维护方便
母线槽日常维护通常仅需测量外壳、穿心螺栓和接头温升,维护量少。
(4)灵活扩容
各个功能单元为模块化定制,灵活应对功率变化,并且可以随需扩容。
(5)智能监控
终端箱及插接箱均采用智能化设计,可实现集成监控,监测整个数据中心的运行状况。
4.3智能母线配电方式
智能母线在数据中心末端配电中连接方式如图3所示。干线母线槽接自二级配电柜,通过终端箱分接至次级母线槽,机柜采用双路PDU供电,分别接入不同次级母线槽插接箱。

图3 智能母线配电方式
(2)安装便捷
     母线槽配有标准的安装支架,无需单独桥架支撑,采用插接方式把主干线电源分接至支线,结构紧凑,插拔方便。
(3)维护方便
     母线槽日常维护通常仅需测量外壳、穿心螺栓和接头温升,维护量少。
(4)灵活扩容
     各个功能单元为模块化定制,灵活应对功率变化,并且可以随需扩容。
(5)智能监控
     终端箱及插接箱均采用智能化设计,可实现集成监控,监测整个数据中心的运行状况。
4.3智能母线配电方式
     智能母线在数据中心末端配电中连接方式如图3所示。干线母线槽接自二级配电柜,通过终端箱分接至次级母线槽,机柜采用双路PDU供电,分别接入不同次级母线槽插接箱。

图3 智能母线配电方式
4.4智能监控
     智能母线的数据采集点分散于整个机房供配电系统的每个机柜插接箱,准确采集每个机柜的每一回路的用电信息,包含负载的电压、电流、功率等；每一路母线干线的电能参数,包含电流、电压、功率、干线能耗、谐波畸变率及功率因数等。通过开放式通信协议将数据传输至后台监控系统,集中监控显示,便于运维人员获取数据。
     同时,智能母线监控系统还能通过数据采集实现母线槽温度、湿度和水浸智能化实时显示和控制,预警由安装、维护不当、表面积水或水渗入内部引起的母线故障,提升智能母线的安全性,实现全生命周期管理。智能母线系统监控网络拓扑如图4所示。

图4智能母线配电图
4.5性能比较
    数据中心末端配电传统方式与智能母线配电方式性能比较见表1。
表1末端配电传统方式与智能母线配电方式性能比较

5系统方案
5.1项目介绍
     江宁数据中心建设项目主要完成机房基础环境建设,包括土建装修、电源系统、空调系统、动环监控系统、消防系统、数据配套等。按照国网公司机房建设标准,将江宁机房建成符合模块化、虚拟化、智能化、绿色节能、安全可靠的数据中心。其中,电源系统是整体数据中心机房髙可用性的后盾。
5.2设计方案
     采用智能母线取代传统电缆的数据中心配电解决方案,IT设备由UPS供电,制冷机组、末端空调、照明等其他负荷由市电直供。经核算,3层中密度机房可安装机架208架,新增两套独立的800KVA UPS系统,共配置4台400KVA UPS主机,每台主机配置1组400V/1000AH蓄电池组。采用2N双母线配电架构,每个机柜安装双路PDU,分别由两条独立母线上的插接箱供电,其中,UPS配电柜至始端箱智能母线采用1250A规格,始端箱至封闭冷通道各机柜智能母线采用160A规格。中密度机房末端配电方式如图5所示。

图5中密度机房末端配电方式
6安科瑞智能母线监控解决方案
6.1概述
     数据中心IT服务器配电传统采用精密配电柜,占用空间较大,配电线缆多,新增设备不便,为了节省面积,智能小母线方案由于不占用机房面积、可按需灵活插拔,受到很多数据中心的青睐,被越来越多的应用。
     安科瑞智能母线监控产品分为交流和直流母线监控两类,包括始端箱监测模块、插接箱监测模块以及触摸屏,另外还可以搭配母线槽连接器红外测温模块用于监测母线槽的运行温度,确保母线槽配电安全。通过标准网线手拉手简单组网,可以实现任意插接箱检修或更换时不影响其他在线运行的插接箱的数据上传通讯。
6.2 应用场所
     适用于运营商、金融、政府、互联网、企业等数据中心
6.3 系统结构

6.4 系统功能
     1）实时监测
     在主页点击数据采集按钮后,进入系统图界面：此界面显示了每个箱子的电压。

      2）基本参数界面
     显示电压、电流、功率、电能等电参数数据,在设备地址旁边的输入框输入本箱子对应的仪表地址,即可实现对箱子中仪表数据的采集。

      3）谐波数据
     通过点击“箭头”来左右切换2-63次谐波数据。

     4）大需量
    显示电压、电流、功率的大需量的数值及发生时间。



     5）电能查询
    电能情况可以查询上12月份的每个月用电量、上一年总用电量、本年已用电量、根据选择不同时间查询电能值。

5 系统硬件配置

7 结束语
      江宁数据中心建设项目在末端配电中采用智能母线系统方案取代传统列头柜＋电缆方案,可靠性髙、易于安装维护,提高了数据中心配电系统的可用性、节能性、经济性以及灵活性,确保了服务器、计算机等设备的稳定运行。
参考文献
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