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淺談機架母線配電技術在數據中心機房的應用

更新時間：2022-11-25

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艾優花

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要:通過結合機架母線槽系統的使用特點，將“始端箱7線槽+終端箱"機架母線配電方式與現有"列頭柜+電纜"配電方式進行使用性能與技術經濟指標的對比，分析了機架母線柔，性配電、保護、擴容、監測等多種功能，說明機架母線在提高了數據中心供電方式穩定性、靈活性的同時，大大提高了單位空間的裝機率。

關鍵詞：數據中心;機房配電；列頭柜;機架母線

0引言

隨著大數據的飛速發展，數據機房的傳統“列頭柜+電纜" 配電方式已經不能滿足日新月異的供電需求，于是出現了一種更加靈活的配電方案:機架母線配電技術，釆用“始端箱+母線槽+終端箱"的配電形式，實現對電子信息設備進行柔性配電、保護、擴容、監測等多種功能，提高了數據中心供電穩定性、靈活性的同時，大大提高了單位空間的裝機率,為數據中心帶來額外的收入。

1傳統“列頭柜+電纜"配電方式存在的問題

1.1列頭柜浪費空間，裝機率低下

傳統“列頭柜+電纜"配電方式需要在每列加裝一個電源列頭柜及空調列頭柜，占用的機房空間，影響數據中心的裝機率，制約公司IDC業務的發展。

1.2可靠性低，擴展困難

釆用傳統“列頭柜+電纜"配電方案，列頭柜內布線復雜，故障點較多,降低系統的可靠性;對于機柜經常變化的負載容量需求，需要重新敷設新電纜，增加項目投資、施工復雜且周期長，擴展困難。

1.3列頭柜監控系統存在單點隱患

傳統“列頭柜+電纜"配電方式是由低壓電纜進入列頭柜，通過主路控制開關控制各分路開關，再由分路開關控制各機柜PDU 供電，且還要實現眾多點位的電源監控，但凡列頭柜監控模塊出現故障，將會導失去整列機柜的電源監控，存在單點隱患，而且此類故障一般只能由廠家工程師現場調試更換后才能恢復，若在此期間發生宕機，將不能及時處理，產生嚴重后果。

1.4安裝工作復雜，易產生維護隱患

傳統“列頭柜+電纜"配電方式接線工作量大、周期長，施工工藝與水平參差不齊，存在人為接線錯誤、標簽標識錯誤、動力線監控線虛接等各類問題，對運行維護造成重大隱患。

2總體解決方案描述

為了克服上述問題，本文提出了釆用了 “始端箱+母線槽+終端箱"的機架母線（以下簡稱機架母線）配電方式實現對數據中心設備的配電、保護、擴容、監測等多種功能，該配電方式由始端箱、導軌式母線槽、終端箱（插接箱）組成，其原理是在機柜頂部預制母線槽,之后根據每一臺機柜內設備的需要再單獨配置對應的終端箱（插接箱），放置在對應機柜的擺放位置，由終端箱（插接箱）引出電纜為機柜供電（如圖1）.

3具體方案實施

3.1方案設計

母線系統有多種電流標準，大多數廠商產品都提供三種規格：10QA、225A和400A.根據項目需求，結合母線槽系統的使用特點，由于建設模塊內每列機柜均釆用兩根母線槽的雙路供電方式，由于機柜負載均為5KW,考慮到現階段實際應用以及日后擴容變更、單一支路增容、冗余、備份等需求，部署于機房模塊內的AC交流母線槽主體均釆用225A規格，可提供單列單路母線槽133KW負載需求.根據該機房柜列長度，措配多根3米及2米AC母線槽主體，以及相應的接插箱、連接件等等，完成母線槽系統配置。

3.2現場實施要點

此次改造項目選取的中國移動（呼和浩特）數據中心B02 機房14模塊由于柜頂部空間分別設置了弱電線纜橋架、光纖槽、背板空調管路橋架，個別列端頭位置還有空調管理系統的連續轉彎，導致空間非常緊張，機柜母線安裝困難，甚至出現了空調管路緊貼母線始端箱的情況.考慮到機柜母線合理的安裝位置是機柜后門位置，建議前期空調、弱電施工時，在機柜頂部空間的后部位置預留500~600nmi的空間，用于安裝兩根機柜母線,分別用于機柜A/B路供電。

由于始端箱安裝位置比較高，且始端箱內的電氣質量釆集參數也比較多，但在始端箱內設置的顯示屏很難顯示完整并且由于位置過高，無法進行操作切換頁面，建議取消顯示屏，將釆集結果顯示放到主控箱監視屏上進行就地顯示和檢査。只在始端箱保留故障指示燈，便于后期運維人員簡單觀察和判斷始端箱是否出現故障。

在實施順序上，建議機柜母線和橋架同時或銜接施工,便于各方溝通相互位置，保證各子系統均有合理充足的操作空間。此次項目實施過程中機柜母線和背板空調管路橋架發生沖突，因此只能將母線安裝在機柜前門位置,導致端接箱至PDU 的電纜變長，且不便于走線。而且可能造成后期維護的不便。

另外，當機柜母線和背板同時釆用時，建議按照"水（冷）/ 電分離"的原則，將背板管路系統放置于地板下或機柜底座中，便于分別維護，減少各系統間的沖突。

3.3后期調試

安裝完畢后，以B02機房樓14模塊A列為例，分別測得不同時段各插接頭與母線槽接觸溫升、插接箱表面溫升、工業插座連接處溫升、插接箱輸出電壓以及各顯示屏狀態如圖所示（如圖2）。

圖2單列機架母線系統測試情況

根據標準，母線槽在平均環境溫度為25℃、額定負荷狀態下，其溫升要求如下：

由此可見,當環境溫度為26℃,機柜負載6KW時,插接頭與母線槽接觸溫升、插接箱表面溫升、工業插座連接處溫升、插接箱輸出電壓以及各顯示屏狀態要求。此外，現場針對整個模塊各列機柜母線做了季度試運行測試（如圖3）, 結果均滿足要求。

圖3機架母線配電系統季度試運行情況

4 “始端箱+母線槽+終端箱"機架母線配電方式的效能分析

4.1節省空間，提高裝機率

相對于傳統“列頭柜+電纜"配電方式，機架母線配電系統無需在機柜頂端布置強電走線架,節省機柜上方空間;更重要的是“始端箱+母線槽+終端箱"機架母線配電方式，節省列頭柜占地，提高裝機率，就中國移動（呼和浩特）數據中心機房為例，一個模塊就能節省8個機柜位置，一個機房32個模塊就能節省出256個機柜的空間，相當于2個模塊。按照一個機柜一年6萬元租金計算，中國移動（呼和浩特）數據中心每個機房每年能增加收入1536萬元。

4.2柔性配電，即插即用

機架母線配電方式是根據每一臺機柜需求單獨配置終端箱（插接箱），這樣便于調整分路及容量，柔性配電，避免容量浪費，較傳統“列頭柜+電纜"一對一供電方式更為靈活，能做到終端箱（插接箱）即插即用，可靈活適用需求；此外,母線槽系統需保證能在不停電的情況下對各部件安裝、連接的緊固程度進行檢查。此外，母線插接箱內的斷路器與機柜PDU直接連接，故障點少，提高系統可用性；對于機柜經常變化的負載容量需求,僅需要增加插接單元，直接帶電安裝于母線上即可完成擴展。

4.3分路釆集，智能監控

較傳統“列頭柜+電纜"配電依靠列頭柜實現監控的方式, 機架母線配電系統中的始端箱具有智能監控模塊，支持多種通訊協議，包括Modbus RTU, Modbus TCP以及無線信號傳輸，可以無縫連接到整個建筑管理系統（BMS）或數據中心基礎設施管理系統（DCIM）中，通過標準協議與后臺監控系統進行集成。在智能釆集電氣參數（例如:輸入分路的電壓、電流、功率、電度，輸出分路電流、功率、電度以及輸入分路的過壓/欠壓、輸入分路的熔絲狀態等）的同時，還能實現電壓、電流、功率、絕緣電阻值等參數的越限報警和重復性告警不阻塞功能, 當維護人員為了消除原已發出的告警信號而關掉了告警聲信號后,如果又產生新的告警，會再次自動發出聲光告警信號（如圖4）。

圖4機架母線配電系統監控

4.4分散散熱，自然冷卻

隨著裝機量的增加,需要布放越來越多的電纜，嚴重阻礙空氣流通，影響制冷效果。機架母線提供同等供電能力的同時，占用體積僅為電纜橋架的35%,能更好的保持空調風道暢通,提高制冷效率，降低電能損耗和數據中心運營成本。始端箱、母線槽、終端箱（插接箱）分開散熱，同時外殼釆用鋁合金材質，利用空氣自然冷卻，散熱效果非常好，運行過程中不產生噪聲或震動。

4.5安裝便捷，節省人工

相對于傳統"列頭柜+電纜"配電方式，省去了走線架及大量電纜敷設的時間,母線安裝全部通過膨脹螺絲及吊桿，母線槽整體吊掛,終端箱（插接箱）安裝只需通過“旋轉-鎖定"的方式即可（如圖5）。據統計，該技術安裝便捷，時間成本節省30%-60%（機架母線5-7天左右，傳統做法直流電纜工期10天左右，交流電纜工期15天左右），較電纜敷設、人工接線節省大量時間；此外母線槽及終端箱（插接箱）產品設計模塊化，安裝快捷的同時大大降低人為安裝錯誤率。

5 安科瑞精密配電及監控系統解決方案

5.1 概述

隨著數據中心的迅猛發展，數據中心的能耗問題也越來越突出，有關數據中心的能源管理和供配電設計已經成為熱門問題，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。要實現數據中心的節能，首先需要監測每個用電負載，而數據中心負載回路非常的多，傳統的測量儀表無法滿足成本、體積、安裝、施工等多方面的要求，因此需要采用適用于數據中心集中監控要求的多回路監控裝置。

5.2 應用場所

適用于運營商、金融、政府、互聯網、企業等數據中心。

5.3 系統結構

1）交流