浅谈机架母线配电技术在数据中心机房的应用

王蒙蒙

 
摘要:通过结合机架母线槽系统的使用特点，将“始端箱7线槽+终端箱”机架母线配电方式与现有"列头柜+电缆"配电 方式进行使用性能与技术经济指标的对比，分析了机架母线柔，性配电、保护、扩容、监测等多种功能，说明机架母线在提高了数据中心供电方式稳定性、灵活性的同时，大大提高了单位空间的装机率。
关键词：数据中心;机房配电；列头柜;机架母线
 
0引言
       随着大数据的飞速发展，数据机房的传统“列头柜+电缆” 配电方式已经不能满足日新月异的供电需求，于是出现了一种更加灵活的配电方案:机架母线配电技术，釆用“始端箱+母线槽+终端箱”的配电形式，实现对电子信息设备进行柔性配电、保护、扩容、监测等多种功能，提高了数据中心供电稳定性、 灵活性的同时，大大提高了单位空间的装机率,为数据中心带来额外的收入。
 
1传统“列头柜+电缆”配电方式存在的问题
1.1列头柜浪费空间，装机率低下
       传统“列头柜+电缆”配电方式需要在每列加装一个电源列头柜及空调列头柜，占用寸土寸金的机房空间，影响数据中心的装机率，制约公司IDC业务的发展。
1.2可靠性低，扩展困难
       釆用传统“列头柜+电缆”配电方案，列头柜内布线复杂，故障点较多,降低系统的可靠性;对于机柜经常变化的负载容量需求，需要重新敷设新电缆，增加项目投资、施工复杂且周期长，扩展困难。
1.3列头柜监控系统存在单点隐患
       传统“列头柜+电缆”配电方式是由低压电缆进入列头柜，通过主路控制开关控制各分路开关，再由分路开关控制各机柜PDU 供电，且还要实现众多点位的电源监控，但凡列头柜监控模块出现故障，将会导失去整列机柜的电源监控，存在单点隐患，而且此类故障一般只能由厂家工程师现场调试更换后才能恢复，若在此期间发生宕机，将不能及时处理，产生严重后果。
1.4安装工作复杂，易产生维护隐患
       传统“列头柜+电缆”配电方式接线工作量大、周期长，施工工艺与水平参差不齐，存在人为接线错误、标签标识错误、动力线监控线虚接等各类问题，对运行维护造成重大隐患。
 
2总体解决方案描述
       为了克服上述问题，本文提出了釆用了 “始端箱+母线槽+终端箱”的机架母线（以下简称机架母线）配电方式实现对数据中心设备的配电、保护、扩容、监测等多种功能，该配 电方式由始端箱、导轨式母线槽、终端箱（插接箱）组成，其原理是在机柜顶部预制母线槽,之后根据每一台机柜内设备的需要再单独配置对应的终端箱（插接箱），放置在对应机柜的摆放位置，由终端箱（插接箱）引出电缆为机柜供电（如图1）.

 
3具体方案实施
3.1方案设计
       母线系统有多种电流标准，大多数厂商产品都提供三种 规格：10QA、225A和400A.根据项目需求，结合母线槽系统的使用特点，由于建设模块内每列机柜均釆用两根母线槽的双路供电方式，由于机柜负载均为5KW,考虑到现阶段实际应 用以及日后扩容变更、单一支路增容、冗余、备份等需求，部署于机房模块内的AC交流母线槽主体均釆用225A规格，可提供单列单路母线槽133KW负载需求.根据该机房柜列长度，措配多根3米及2米AC母线槽主体，以及相应的接插箱、连接件等等，完成母线槽系统配置。
3.2现场实施要点
       此次改造项目选取的中国移动（呼和浩特）数据中心B02 机房14模块由于柜顶部空间分别设置了弱电线缆桥架、光纤槽、背板空调管路桥架，个别列端头位置还有空调管理系统的 连续转弯，导致空间非常紧张，机柜母线安装困难，甚至出现了空调管路紧贴母线始端箱的情况.考虑到机柜母线合理的安装位置是机柜后门位置，建议前期空调、弱电施工时，在机柜顶部空间的后部位置预留500~600nmi的空间，用于安装两根机柜母线,分别用于机柜A/B路供电。
       由于始端箱安装位置比较高，且始端箱内的电气质量釆集参数也比较多，但在始端箱内设置的显示屏很难显示完整 并且由于位置过高，无法进行操作切换页面，建议取消显示屏，将釆集结果显示放到主控箱监视屏上进行就地显示和检査。只在始端箱保留故障指示灯，便于后期运维人员简单观察和判断始端箱是否出现故障。
       在实施顺序上，建议机柜母线和桥架同时或衔接施工,便于各方沟通相互位置，保证各子系统均有合理充足的操作空间。此次项目实施过程中机柜母线和背板空调管路桥架发生 冲突，因此只能将母线安装在机柜前门位置,导致端接箱至PDU 的电缆变长，且不便于走线。而且可能造成后期维护的不便。
       另外，当机柜母线和背板同时釆用时，建议按照"水（冷）/ 电分离”的原则，将背板管路系统放置于地板下或机柜底座中，便于分别维护，减少各系统间的冲突。
3.3后期调试
       安装完毕后，以B02机房楼14模块A列为例，分别测得不同时段各插接头与母线槽接触温升、插接箱表面温升、工业插座连接处温升、插接箱输出电压以及各显示屏状态如图所示（如图2）。

图2单列机架母线系统测试情况
       根据标准，母线槽在平均环境温度为25℃、额定负荷状态下，其温升要求如下：

       由此可见,当环境温度为26℃,机柜负载6KW时,插接头与母线槽接触温升、插接箱表面温升、工业插座连接处温升、 插接箱输出电压以及各显示屏状态完全满足要求。此外，现场针对整个模块各列机柜母线做了季度试运行测试（如图3）, 结果均满足要求。

图3机架母线配电系统季度试运行情况
4 “始端箱+母线槽+终端箱”机架母线配电方式的效能分析
4.1节省空间，提高装机率
       相对于传统“列头柜+电缆”配电方式，机架母线配电系统无需在机柜顶端布置强电走线架,节省机柜上方空间;更重要的是“始端箱+母线槽+终端箱”机架母线配电方式，节省列头 柜占地，提高装机率，就中国移动（呼和浩特）数据中心机房为例，一个模块就能节省8个机柜位置，一个机房32个模块就 能节省出256个机柜的空间，相当于2个模块。按照一个机柜一年6万元租金计算，中国移动（呼和浩特）数据中心每个机房每年能增加收入1536万元。
4.2柔性配电，即插即用
       机架母线配电方式是根据每一台机柜需求单独配置终端箱（插接箱），这样便于调整分路及容量，柔性配电，避免容量浪费，较传统“列头柜+电缆”一对一供电方式更为灵活，能做到终端箱（插接箱）即插即用，可灵活适用需求；此外,母线槽系统需保证能在不停电的情况下对各部件安装、连接的紧固程度进行检查。此外，母线插接箱内的断路器与机柜PDU直接连接，故障点少，提高系统可用性；对于机柜经常变化的负载容量需求,仅需要增加插接单元，直接带电安装于母线上即可完成扩展。
4.3分路釆集，智能监控
       较传统“列头柜+电缆”配电依靠列头柜实现监控的方式, 机架母线配电系统中的始端箱具有智能监控模块，支持多种通讯协议，包括Modbus RTU, Modbus TCP以及无线信号传输，可以无缝连接到整个建筑管理系统（BMS）或数据中心基础设施管理系统（DCIM）中，通过标准协议与后台监控系统进行集成。在智能釆集电气参数（例如:输入分路的电压、电流、 功率、电度，输出分路电流、功率、电度以及输入分路的过压/欠压、输入分路的熔丝状态等）的同时，还能实现电压、电流、功率、绝缘电阻值等参数的越限报警和重复性告警不阻塞功能, 当维护人员为了消除原已发出的告警信号而关掉了告警声信号后,如果又产生新的告警，会再次自动发出声光告警信号（如图4）。

图4机架母线配电系统监控
4.4分散散热，自然冷却
       随着装机量的增加,需要布放越来越多的电缆，严重阻碍空气流通，影响制冷效果。机架母线提供同等供电能力的同时，占用体积仅为电缆桥架的35%,能更好的保持空调风道畅 通,提高制冷效率，降低电能损耗和数据中心运营成本。始端箱、母线槽、终端箱（插接箱）分开散热，同时外壳釆用铝合金材质，利用空气自然冷却，散热效果非常好，运行过程中不产生噪声或震动。
4.5安装便捷，节省人工
       相对于传统"列头柜+电缆”配电方式，省去了走线架及大量电缆敷设的时间,母线安装全部通过膨胀螺丝及吊杆，母线槽整体吊挂,终端箱（插接箱）安装只需通过“旋转-锁定”的方式即可（如图5）。据不完全统计，该技术安装便捷，时间成本节省30%-60%（机架母线5-7天左右，传统做法直流电缆工期10天左右，交流电缆工期15天左右），较电缆敷设、人工接线节省大量时间；此外母线槽及终端箱（插接箱）产品设计模块化，安装快捷的同时大大降低人为安装错误率。
 
5 安科瑞精密配电及监控系统解决方案
5.1 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。    
5.2 应用场所
       适用于运营商、金融、政府、互联网、企业等数据中心。
5.3 系统结构 
       1）交流

 
       2）直流

5.4 系统功能
       1）主页
       开机进入主页，包含进线参数、开关状态、出线参数、报警查询等功能，按按钮可进入各功能界面查看。

       2）进线参数监测
       监测主路的三相电压、电流、系统频率；各项及总的有功功率，无功功率，视在功率，功率因数，有功电能、无功电能；电流、电压不平衡度；电流、电压谐波含量；*大需量。   

       3）出线参数监测 
       分支回路的电压、电流、有功功率、有功电能、功率因数额定电流设置、各相电流值；
负载百分比；*大需量。

4）开关状态
左侧一列为主路开关状态，主路跳闸SD状态、主路防雷开关状态、主路防雷故障点状态，默认为无源检测点，分闸为绿色，合闸为红色。主路右侧的皆为支路开关状态；默认为有源检测点，合闸为红色，分闸为绿色。

5）报警查询
当前报警界面可查看实时报警和历史报警；开关量动作告警；任意数据的定时存储；进线过电流2段阀值越限告警，可任意设定告警值；进线过压、欠压、缺相、过频率、低频率越限告警; 声光告警功能。          

5.5 系统硬件配置





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。

 
7 系统硬件配置


 
8结语
       数据中心机架配电釆用“始端箱+母线槽+终端箱”的机架母线，替代“列头柜+电缆”的传统方式对通信机柜进行柔性配电，不仅灵活解决了客户不断变化的用电需求,提高了数据中心供电方式稳定性,而且节省列头柜占地，避免了容量资源浪费，大大提高了单位空间的装机率,而且便于维护，绿色节能。
 
参考文献
【1】谢昆，王智慧，朱林.浅析机架母线配电技术在数据中心机房的应用
【2】王其英.数据中心节能供电系统的规划与设计[M].北京:电子工业出版社,2011.
【3】AcrelEMS-IDC数据中心综合能效管理解决方案-样本.
【3】数据中心解决方案样本2022.04版