浅谈数据中心机房机柜配电新模式及选型探讨

关键词：数据中心机房；列头柜配电；智能母线槽配电；模块化配电；可用性；可靠性；灵活扩展； 节能。
 
0引言 
       数据中心作为企业的信息中心枢纽，承载着关系企业核心信息的服务器，是一套复杂的综合设施，不仅仅包括计算机系统和其它与之配套的设备，还包含冗余的数据通信连接、环境控制设备、监控设备以及各种安全装置。配电系统作为数据中心比较重要的环节之一，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。如何优化数据中心机房配电系统提高可用性和安全性，确保服务器以及其它硬件不间断运行，是数据中心管理者面临的重大课题之一。对比传统列头柜配电方案，是否有技术更先进、可靠性更高的供电方案是数据中心从业者关注的问题。本文谨以笔者目前了解到的*新动态作些*粗浅的分析，抛砖引玉，目的在于让更多同行来研究进步。
 
1 传统配电方案
       传统的数据机房机柜一般采用精密配电柜配电。业内俗称精密列头柜配电方案。精密配电柜是一款针对数据中心机房能源末端，综合分配和采集能源的智 能配电柜。为机柜中的IT / CT设备提供电能和能源 数据测量，通过显示单元，实时掌握电能参数和质量。通过通讯技术上传至后台环境监控系统。可以达到对整个配电系统的实时监控和运行质量的有效管理。传统机房配电布局如图 1 所示。

 
图 1 传统机房配电布局
 
       传统机房配电布局每一列机柜的始端（左或右）放置一个列头柜，该配电柜兼具配电和智能监控双重功能，采用高集成、高可靠性的计算机主板，全面监测系统的各项运行参数，比传统配电柜更省空间，提高了容积率。该方案中，每一个机柜的PDU配电条都需要靠线缆接入到列头柜取电，其配电拓扑是一对多的对应关系。
 
2 列头柜方案存在的问题
2.1 生命周期成本问题 
       一般情况下，用户在设计之初会适当考虑未来的业务发展所带来的用电功率增加， 所以通常在早期方案设计时就把冗余量做的比较大。但从实际的用户应用调查发现，用户方案设计容量、用户设备的预计负载量以及用电设备的实际负载量之间存在着很大差异。平均来看，目前不少建成的数据中心机房5年后的实际负载率还不到当初设计容量的50%。也就是说，有接近50%的容量在很长一段时间基本都处于“浪费” 状态。不少用户提出，是否有一种“边成长边投资”的方案以实现资源利用效率较大化。
2.2 空间利用率问题
       不少大型的数据中心集中在城市的核心中央商务区，租金昂贵，空间资源极其宝贵。对于在此类地区面临新建或改造数据中心的用户来说，如何提高设备的空间利用率是一个非常现实且棘手的问题。现代IT 服务器有小型化的趋势如果物理基础设施仍然保持原来的臃肿体积无疑将会对整个数据中心运营效率的提高产生影响。用户的终极希望是基础物理设施占用的空间尽可能小，甚至不占用地板面积。然而对于列头柜配电方案而言这很难做到。
2.3 灵活性问题
       对于市场瞬息万变的互联网行业，很多业务可能不到1年内就爆发，如果还是采用传统的数据机房建设模式，可能建好之后就已错过时机，因此时间某种程度决定业务成败，2～3年的数据中心建设周期是不能被接受的。用户的长期效益包括如何高效给服务器等设备供电和如何更快速地设计和建造数据中心，两者同样重要。目前国内数据中心建设周期因系统的进度及可用性要求的不同，实际建设的时间一般要3～18个月不等。
       数据中心IT设备的革新基本每3～4年就要发生一次，而对于一个要维持15年甚至20年的数据中心而言，经历4～5次IT设备更替后总体成本是非常高的。而经历多次IT设备的更替升级换代，必然面临一个问题：IT负载功率的不可预测性。5年前，一台普通的 IT 机柜容量大概是 2 kW 左右，而如今普遍增大到4kW以上，有些高密机柜容量甚至达到10kW以上。功率密度不断增大是必然趋势，且这种趋势无法准确预见，随之而来就带来了两个问题：① 机房功率密度不均衡导致局部温升过高；② 对机房配电方案提出了挑战。目前来看，传统列头柜配电方案显然还满足不了功率密度灵活变化的需求。
       让数据中心随需而建的理念跟前面所提及的“边成长边投资”有异曲同工之处。数据中心建设初期，往往预测不到未来 2～3年业务爆炸式的增长，腾讯微信就是一个很好的例子。这个社交软件从发布之初，仅用了2年时间，用户数量就突破了3亿，随之带来的是海量的数据，需要后台强大的数据中心来支撑业务的持续运营。要做到随需而建，对数据中心物理基础设施提出了很高的要求，如具备快速扩展，标准化，模块化的功能等。是否影响原系统的可靠可用性指标？是否需要中断现有业务？扩容是否影响原有系统的兼容性等都是应该考虑的问题
       另外，传统列头柜配电方案难以应对未来的规模扩容和变更需求，方案很难作进一步调整及优化。因为：① 列头柜到每个机柜的线缆长度已经裁剪成固定长度，如果要进行布局调整，线缆无法重新利用。② 线缆由于绝缘老化、使用寿命较短，通常机房改造都会将电缆遗弃。 ③ 利旧线缆时由于标识丢失后无法准确一一辨别线缆的对应关系，给线缆重新布置和运维带来困难，易产生人为因素而导致的维护故障。因此在机房升级、扩容时，只能重新设计配电、布线方案，增设电缆桥架，占用体积空间较大，影响散热
 
3 新型配电方案 
3.1 母线槽配电方案 
       据笔者了解到，数据中心智能母线槽配电在欧美地区是非常流行且成熟的一套方案 ，如 Google、 Facebook、 Microsoft 等科技企业在数据中心的建设过程中都倾向采用此方案。该方案在国外的应用已经非常成熟，在国内也有成功应用案例，智能母线槽配电方案示意如图 2 所示
 

图 2 母线槽配电示意
 
       目前，数据中心智能母线槽配电方案又细分为两种类型：轨道滑触式母线槽配电方案和固定式母线槽配电方案两者*大区别在于轨道式母线槽内置滑触导轨，其插接箱可以直接在母线上滑动，以灵活适应机柜的位置摆放需求。固定式母线槽配电方案，母线槽直身段标准化设计密集插接口，基本能满足高密度多变化的机柜摆放需求。因此，这两种方案在配电形式上孰优孰劣也见仁见智，技术上更细的一些差异笔者在这就不再赘述
3.2 方案要点
       笔者以某实际项目设计应用智能母线槽配电解决方案为例，介绍探讨母线槽配电方案的实现方法。 按照母线容量及重要性将机房中配电分为以下 3 类，机房各级配电示意如图 3 所示：

图 3 机房各级配电示意图
 
a.主配电区：采用高电流母线作为配 电载体为IT机房非关键负载配电，电流等级一般介于 1600～ 3200A；
b.干线配电区：对于大型数据中心,从 UPS输出柜到各个次级配电柜，采用高电流母线作为配电干线，电流等级一般介于800～2000A； 
c.终端配电区：从UPS 输出柜或次级配电柜到各个机柜，采用中电流母线配电，电流等级一般介于100～800 A
       智能母线槽配电方案可采用 2N 的双母线配电架构， 每个机柜可分别由两条独立母线上的插接箱供电，从干线至终端 IT 设备则通过内置于插接箱内部的微型断路器实现有效的全选择性保护，可增加电量测量、监控功能，组成完善的电源管理系统。智能母线槽配电方案实景示意如图 4 所示。
 

图 4 母线槽配电示意图
3.3 安装方式 
       母线槽安装方便快捷，无需特殊的工艺，自带工业连接器的插接箱即插即用。对于地板下方安装方案，一般预留500mm左右高度，对于机柜上方安装方案，预留1000 mm 左右高度空间即可满足母线安装要求。母线固定在专用安装支架上，母线与数据电缆的距离亦无特殊要求，如图5所示。
 
 
 


图 5 母线槽安装示意
 
3.4 能效管理系统 
       数据中心智能母线槽配电方案实现的功能不仅包含以母线槽干线为载体的配电环节，还包括电能的动态监控管理，并实现远程报警与控制功能。系统的数据流如图 6 所示。
 

图 6 数据中心监控数据流程
 
       通过在母线智能插接箱内装设断路器实现保护。同时增加电能监测元件，实时监测电流， 电压，功率和电量，实时显示每个机柜 PDU 的运行状态，实现对机柜的精密监控和能效管理。可实现故障报警，实时监控电能质量，包括负载系数，谐波含量等。所有监测参数将*终汇集到PLC，通过 PLC开放通讯协议接口可与 BMS 无缝连接，通过BMS可实时查看数据中心机房运营状况，任何监测点出现故障，均可在系统显示界面找到其对应编号，以便维护人员迅速作出响应，大大减少检修工作量。
3.5 方案技术优势
a.智能母线槽配电方案降低了生命周期成本和空间占用率。该方案减少对风道的占用，可降低 10% 以上冷却能耗，与电缆相比，可降低20 %以上线路损耗。实时监测电能，辅以高效UPS和精密空调，可优化 PUE 至 1.5 以内，实现节能增效。
b.从容应对灵活扩容、功率密度变化的需求。可随机柜数量及位置的变化灵活地延伸母线的长度或改变走向，母线插接箱可带电热插拔，即插即用。实时故障监测降低系统维护和检修工作量，安装维护工时缩短一半以上。方案各个功能单元均为模块定制，组合配置灵活，可随需扩容、调相 （三相不衡时）只需调整对应的插接箱内部接线，而无需对线路做任何调整。系统支持部件级在线热插拔扩展，真正实现“边成长边投资”。
c.智能母线槽配电省略了配电列头柜，并且不占用任何地面面积， 节省的地板空间可用于摆放 IT机柜，可降低机柜容积比，提升机房内部地面空间利用率。表 1 是国内外部分数据中心的机房内部空间利用效率对比数据。

表 1 国内外部分数据中心的机房内部空间利用效率对比
 
d.智能母线槽配电不需要敷设线缆桥架及搭接线缆，可自由选择在地板下方或机柜上方走线。这种供电架构清晰明朗，提高机房整洁度的同时，还方便扩充机柜和带电检修维护，后续运营也非常简便。得益于简单灵活的配电架构，客户可以根据机柜功率和用电可靠性的不同灵活调整插接箱配置以满足不同设备的供电需求
e.数据中心内部灵活配置按需模块化建设。通过预先架设于机柜顶部或地板下方的母线槽， 再根据机柜的部署进度按需安装母线插接箱，没有复杂的线缆采购和施工，过程中也大大减少线缆及配电施工质量问题，把传统数据中心的机电工程安装，变成了简单的工厂预制产品拼接，大大缩减了项目建设时间，模块化数据中心搭建时间要比传统工程化数据中心省一半时间。
 
4安科瑞列头柜介绍
       传输设备用电源分配列头柜（以下简称配电列头柜）是专门为传输设备提供电力分配，综合监测并采集能源数据的列柜。
4.1执行标准
GB 4208-2008 外壳防护等级（IP代码）
GB/T 3859.2-1993 半导体变流器 应用导则
GB 7251.1-2013 低压成套开关设备和控制设备 第1部分：总则
YD/T 282-2000 通信设备可靠性通用试验方法
YD/T 585-2010 通信用配电设备
YD/T 939-2014 传输设备用配电列柜
YD/T 944-2007 通信电源设备防雷的技术要求和测试方法
YD/T 1363(全部)-2005 通信局（站）电源、空调机环境集中监控管理系统
 
4.2电气原理

4.2柜体结构
配电列柜的外形尺寸，取决于通信设备的外形尺寸和输出容量大小，优选外形尺寸见表1


 
4.3技术参数
产品分类
A、按输入电流类型可分为交流和直流两种。
B、按输入路数可分为单路和双路两种。为确保传输的安全，宜优选独立双路。
容量
A、直流配电列柜
直流电压标称值
直流电压标称值为-48V、240V。
直流电流额定值
直流电流额定值包括：
输入电流（A）：63、80、100、200、250、300、350、400、500、630、800、1000；
分路电流（A）：6、10、16、20、25、32、40、50、63、80、100、125。
B、交流配电列柜
交流电压标称值
交流电压标称值包括：
a)单相三线制：220V；
b)三相五线制：380V。
交流电流额定值
交流电流额定值包括：
a)输入电流（A）：63、80、100、125、160、200、250、300、400、500、630；
b)分路电流（A）：6、10、16、20、25、32、40、50、63。
频率额定值
频率额定值为50Hz。
 
5安科瑞数据中心监测仪表
5.1产品规格

 


 
 
说明：■为标配功能。
 
 
5.2配套附件

 


 
6安科瑞母线槽监测模块

 
7 结语 
       伴随着大数据时代的来临，海量数据的产生，数据中心的规模会越来越大，中型和大型的数据中心市场未来会有非常大的增长。面积更大、密度更高、等级更高的数据中心会不断涌现，对配电系统的要求也会越来越高，除了满足基本供电外，还要求对机房运营状况包括能耗，安全预警，潜在风险分析等有更高一级别的把握。传统配电方案在满足不断变化的客户需求的过程中显得有点力不从心，数据中心末端配电需要一种更高可用性、更高安全性和灵活的配电架构。
 
参考文献： 
【1】钟景华.新一代绿色数据中心的规划与设计［M］.北京:电子工业出版社 2013:109-147.
【2】刘智山.朱佳喜.张琪.数据中心机房机柜配电新模式探讨【J】
【3】安科瑞数据中心IDC配电监控解决方案.2020.03版
 
作者简介：
王蒙蒙，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事数据中心智能小母线监控的研发及应用。