模塊化配電系統(tǒng)在高密度數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

范金暉

（江蘇宜安建設(shè)有限公司，江蘇 無錫214200）

1 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)

在傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)當(dāng)中，數(shù)據(jù)中心的主進(jìn)線先至配電柜（配電柜一般額定功率為50～500kW），配電柜一般配有大型電力變壓器用以轉(zhuǎn)換電壓或改善電力質(zhì)量。然后，配電柜將主進(jìn)線分配成一定數(shù)量的分支電路（一般額定功率為1．5～15kW）為IT設(shè)備配電。每臺(tái)IT機(jī)柜使用一條或多條分支電路。IT機(jī)柜的布線通常要求使用硬管或軟管，一般部署在高架地板之下。

在傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)推出之時(shí)數(shù)據(jù)中心內(nèi)僅有數(shù)量非常少的大型IT設(shè)備。那時(shí)，除了對(duì)IT設(shè)備進(jìn)行重要升級(jí)時(shí)執(zhí)行計(jì)劃宕機(jī)外，很少會(huì)對(duì)此進(jìn)行變更。這些設(shè)施功率密度較低，因此對(duì)地板下氣流量的需求并不高，特別是對(duì)于每3m2面積內(nèi)部署的支路數(shù)量不足一個(gè)的機(jī)房。

2 面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)下，數(shù)據(jù)中心用電方面已然發(fā)生了巨大變化，特別是面臨著功率密度升高、獨(dú)立IT設(shè)備數(shù)量不斷增加、需要在現(xiàn)有IT設(shè)施部署的基礎(chǔ)上添減設(shè)備等難題，而這些難題給傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)帶來了很大的挑戰(zhàn)。

較之過去數(shù)據(jù)中心內(nèi)寥寥數(shù)個(gè)大型IT設(shè)備，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心內(nèi)可能裝有上千臺(tái)帶有獨(dú)立電源線的插接設(shè)備，這就需要更多的電源插座。在數(shù)據(jù)中心生命周期內(nèi)，機(jī)柜內(nèi)的IT設(shè)備更換頻繁，常常需要更改功率或在機(jī)柜處增減插座。由于功率需求的變化，處于運(yùn)作中的數(shù)據(jù)中心時(shí)常要在不干擾附近IT負(fù)載的情況下添加電路。單位機(jī)柜功率密度顯著提高，單位機(jī)柜內(nèi)部的支電路數(shù)量也相應(yīng)增多，大量電線導(dǎo)管充塞地板下的通風(fēng)空間，會(huì)導(dǎo)致氣流阻塞，也加大了更改布線的難度。分支電路斷路器連接的IT設(shè)備數(shù)量常常遠(yuǎn)不只一臺(tái)，這就很難估算分支電路尺寸或判斷是否臨界過載。現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心普遍安裝雙路供電系統(tǒng)，必須確保所有電路負(fù)載均不超過50%。然而，目前尚沒有任何辦法對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控或規(guī)劃。

雖然人們已經(jīng)普遍意識(shí)到了這些問題，市場(chǎng)上也出現(xiàn)了各種相應(yīng)的產(chǎn)品，但由于仍使用了傳統(tǒng)的配電架構(gòu)，導(dǎo)致一些新建的數(shù)據(jù)中心處于以下窘境：數(shù)據(jù)中心操作員不得不帶電更換電路（熱作業(yè)）；操作員無法判斷哪些電路臨界過載，或當(dāng)一條電路斷電時(shí)哪些電路可能過載；地板下的供冷空間被大量的纜線阻塞，減少了現(xiàn)代IT設(shè)備的通風(fēng)量；配電柜的占地面積過大，對(duì)地板承重能力要求過高；由于沒有足夠的分支電路，配有大型變壓器的配電柜無法得到充分利用；配有大型變壓器的配電柜產(chǎn)生大量廢熱，必須對(duì)其制冷，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心效率降低。

3 優(yōu)化配電架構(gòu)以應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)中心發(fā)展需求

3．1 優(yōu)化目標(biāo)

通過優(yōu)化，可打造高效、可擴(kuò)展、可重新配置的數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)，其具備以下特征：可在運(yùn)行的系統(tǒng)中安全新增或變更電路；無需在地板下敷設(shè)纜線；可對(duì)所有的電路功率進(jìn)行監(jiān)控；可遠(yuǎn)程監(jiān)控所有斷路器狀態(tài)；可隨時(shí)對(duì)IT區(qū)域或相關(guān)配電區(qū)域進(jìn)行部署；IT機(jī)柜僅通過一根線纜滿足所有功率需求；IT人員可自行更換使用IT機(jī)柜上的插座型號(hào)；可對(duì)每條支電路的容量及冗余進(jìn)行管理；無需使用過量的銅線；效率高。

3．2 結(jié)構(gòu)圖與系統(tǒng)說明

圖1所示的配電系統(tǒng)代表了可替代的模塊化配電架構(gòu)，是現(xiàn)代高密度數(shù)據(jù)中心的理想之選。

圖1 數(shù)據(jù)中心模塊化配電架構(gòu)圖

3．3 大型數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景

對(duì)于較大的數(shù)據(jù)中心，如圖1所示，來自UPS的關(guān)鍵母線電源被分配至不同的IT機(jī)柜行，而這些IT機(jī)柜行使用一個(gè)或多個(gè)吊頂母線槽。這些母線槽都是預(yù)先安裝好的，橫跨整個(gè)IT機(jī)柜行。在安裝一組機(jī)柜時(shí)，小型的模塊化配電柜也會(huì)被同時(shí)安裝，并插接上方的母線槽。

不同于傳統(tǒng)斷路器面板的導(dǎo)線線頭事先未經(jīng)過處理，模塊化配電柜使用的是安裝有預(yù)先端接防電擊斷路器模塊的背板。模塊化配電柜內(nèi)起初并未安裝分支電路模塊。從模塊化配電柜到IT機(jī)柜的電源電路均使用軟線纜連接，這些線纜需在現(xiàn)場(chǎng)插接到模塊化配電柜的正面，以滿足每臺(tái)機(jī)柜的不同需要。IT機(jī)柜的分支電路線纜為預(yù)先端接，同時(shí)配有可插接模塊化配電柜防電擊背板的斷路器模塊。

對(duì)于需要使用專門分支電路的設(shè)備而言，例如大多數(shù)的刀片服務(wù)器，一根配電柜線纜內(nèi)含有1～3個(gè)分支電路，這些線路直接插接刀片服務(wù)器，無需額外機(jī)柜級(jí)配電柜（比如配電盤）。當(dāng)機(jī)柜內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行混合部署時(shí)，可使用提供額定電流且可更換插座的機(jī)柜式配電柜。在該系統(tǒng)中，新增IT機(jī)柜行配備有配電柜以及所有配套分支電路電線、條形機(jī)柜插座，可在1h內(nèi)安裝完成，無需任何切線或端接操作。

3．4 小型數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景

300kW以下的小型數(shù)據(jù)中心可采用簡(jiǎn)化架構(gòu)，其組成元件及工作原理與大型數(shù)據(jù)中心相同。對(duì)于只允許使用一到兩個(gè)配電柜的小型數(shù)據(jù)中心，用傳統(tǒng)導(dǎo)管及電線將模塊化配電柜直接連接至關(guān)鍵母線的方法往往更加經(jīng)濟(jì)。這種情況下，可省去安裝吊頂母線槽的操作。小型數(shù)據(jù)中心也可以采取一種更為簡(jiǎn)化的方案，即將模塊化配電柜直接集成于UPS系統(tǒng)，構(gòu)成一個(gè)可安放于IT房間并與IT機(jī)柜排成一行的緊湊部署方案。這樣便可省去利用主母線布線環(huán)節(jié)，同時(shí)也無需額外準(zhǔn)備電源安置空間。至于很小的數(shù)據(jù)中心或形狀不規(guī)則的數(shù)據(jù)中心，采用小型模塊化配電單元?jiǎng)t極為適合。

3．5 改造、升級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景

現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的升級(jí)往往涉及許多個(gè)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目，擴(kuò)容或安裝高密度區(qū)域項(xiàng)目是其中最為普遍的。相比安裝傳統(tǒng)配電柜，模塊化配電系統(tǒng)的安裝過程要來得簡(jiǎn)單方便許多，尤其適用于這些改造項(xiàng)目。在為現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心安裝新的傳統(tǒng)配電柜時(shí)會(huì)面臨一連串挑戰(zhàn)，而模塊化配電系統(tǒng)卻可將多數(shù)的挑戰(zhàn)難題一并“解決”。

隨著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，模塊化配電柜可與現(xiàn)有傳統(tǒng)配電柜共處運(yùn)行。在這些改造方案中，傳統(tǒng)配電柜的安裝常常受限于各種歷史局限，不使用吊頂母線槽元件，每個(gè)配電柜均由傳統(tǒng)管道及電線連接至主母線。模塊化配電柜在升級(jí)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心時(shí)最重要的優(yōu)勢(shì)為：由于線纜均置于吊頂線纜槽之內(nèi)，其安裝不會(huì)加劇地板下氣流阻塞現(xiàn)象。

3．6 配電監(jiān)控

在數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)中，可能有數(shù)以百計(jì)的斷路器處于負(fù)載狀態(tài)。而經(jīng)過優(yōu)化的配電系統(tǒng)采用更高容量的機(jī)柜供電，其斷路器數(shù)量較之一般系統(tǒng)減少20%～40%。即使這樣，系統(tǒng)中仍存在諸多電路，這些電路可分為4個(gè)級(jí)別：UPS主母線、配電柜輸入、分支電路、插座。模塊化配電系統(tǒng)采用內(nèi)置電流及能源監(jiān)控，可對(duì)各個(gè)級(jí)別的每條線路做到了如指掌。除此之外，配電柜的分支電路斷路器也處于監(jiān)控之中，以便實(shí)時(shí)掌握其工作狀態(tài)。所有監(jiān)控均通過簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）公開標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行通訊。容量管理軟件可對(duì)系統(tǒng)中每條電路實(shí)施監(jiān)控，增強(qiáng)安全系數(shù)，驗(yàn)證冗余并對(duì)現(xiàn)有容量進(jìn)行確認(rèn)。

4 結(jié)語

本文介紹了一種替代配電系統(tǒng)——模塊化配電系統(tǒng)。較之傳統(tǒng)的配電方法，這種系統(tǒng)在可擴(kuò)展性、效率、可重新配置性、管理性及功率密度等方面都獲得了巨大的進(jìn)步。事實(shí)證明，對(duì)于未能提前界定房間布局規(guī)劃或需要進(jìn)行改造的數(shù)據(jù)中心，以及形狀不規(guī)則的房間布局或房?jī)?nèi)設(shè)有障礙物的情況，模塊化配電系統(tǒng)具有無可比擬的優(yōu)越性。

［1］張廣明，鐘景華，陳眾勵(lì)，等．工程師與制造商伙伴們的觀點(diǎn)［J］．電氣應(yīng)用，2011，30（19）．

［2］楊曉花．《數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)技術(shù)白皮書》發(fā)布會(huì)專家訪談錄［J］．電氣應(yīng)用，2011，30（19）．