電力數(shù)據(jù)中心機(jī)柜端配電設(shè)計(jì)探討

吳勁松，李光泰，李舒濤，王玉庭，張學(xué)昶

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510663）

0 前言

電力數(shù)據(jù)中心是電力企業(yè)通信、調(diào)度、信息、營(yíng)銷、經(jīng)營(yíng)、綜合管理及分析決策等服務(wù)的公共信息平臺(tái)，是各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和共享平臺(tái)，是電力企業(yè)跨業(yè)務(wù)、跨流程高級(jí)應(yīng)用的重要支持平臺(tái)[1]。電力數(shù)據(jù)中心既包含信息系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)，還包括綜合數(shù)據(jù)通信鏈路、綜合環(huán)境控制基礎(chǔ)設(shè)施，其中配電系統(tǒng)是支撐電力數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行最為關(guān)鍵的設(shè)施之一。

低可靠性供電是造成數(shù)據(jù)中心服務(wù)中斷最主要原因[2,3]。如何優(yōu)化提高配電系統(tǒng)的可用性和安全性，增加設(shè)備更換擴(kuò)容的靈活性，提高運(yùn)維便利性，確保供電系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行，是電力數(shù)據(jù)中心管理者所面臨的重大課題之一。本文將從電力數(shù)據(jù)中心的末端供電可靠性出發(fā)，以南方電網(wǎng)某信息業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中心（以下簡(jiǎn)稱“本數(shù)據(jù)中心”）實(shí)施案例為研究對(duì)象，對(duì)幾種主要的數(shù)據(jù)中心機(jī)柜供電方案進(jìn)行對(duì)比研究，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，以及應(yīng)用場(chǎng)景，提出為電力數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵負(fù)載提供可靠性用電保障的參考方案。

1 數(shù)據(jù)中心末端配電范圍界定

本數(shù)據(jù)中心按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50174-2017）[4]和《電力調(diào)度通信中心工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50980-2014）[5]的要求建設(shè)，采用A、B 雙路系統(tǒng)進(jìn)行供電。

數(shù)據(jù)中心末端配電的范圍指從UPS 輸出配電柜輸出端引出至機(jī)柜PDU 插座端，供電對(duì)象為機(jī)柜承載的IT 設(shè)備和服務(wù)器，相關(guān)配電系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1 所示。

2 機(jī)柜端列頭柜配電方案

2.1 傳統(tǒng)列頭柜供電方式

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心機(jī)柜端配電采用配電列頭柜加電纜的配電方式，同時(shí)每個(gè)機(jī)柜配置兩條PDU 插座，通過(guò)電纜從列頭柜取電。列頭柜與機(jī)柜之間的供電一般有兩種模式。

圖1 數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.1.1 模式一

每個(gè)列頭柜同時(shí)配置A 和B 兩路主輸入開關(guān)及對(duì)應(yīng)饋線開關(guān)，每個(gè)機(jī)柜從1 個(gè)列頭柜取電。如圖2 所示。

圖2 單列頭柜供電模式

2.1.2 模式二

每個(gè)列頭柜配置A 或B 兩路主輸入開關(guān)及對(duì)應(yīng)饋線開關(guān)，每個(gè)機(jī)柜從2 個(gè)列頭柜取電。如圖3 所示。

圖3 雙列頭柜供電模式

2.1.3 模式一和模式二比較

1）可靠性和可用性比較：供配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及配置直接決定了數(shù)據(jù)中心的可用性和可靠性[6]。如果一個(gè)系統(tǒng)是由各子系統(tǒng)組成的，則任何一個(gè)子系統(tǒng)的故障將直接影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

模式一采用1 個(gè)列頭柜向末端設(shè)備提供A、B 路電源，模式二分布在兩個(gè)列頭柜向末端設(shè)備提供A 路或B 路電源。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)A 級(jí)機(jī)房供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)，正常運(yùn)行情況下，模式一和模式二均滿足容錯(cuò)要求，即當(dāng)A、B 路任何一路出現(xiàn)故障時(shí)均不影響末端設(shè)備運(yùn)行。從運(yùn)維管理角度考慮，模式一中的一路出現(xiàn)故障時(shí)，因A、B 兩路供電均在一個(gè)列頭柜內(nèi)，因此需停電維護(hù)，增加了運(yùn)維的難度和可操作性。當(dāng)列頭柜內(nèi)配置較低時(shí)，存在任何一路故障時(shí)有可能對(duì)另外一路造成故障的風(fēng)險(xiǎn)。因此，從可靠性和可用性比較，模式二相對(duì)較高。

2）成本比較：模式一和模式二兩種列頭柜同等配置情況下，列頭柜進(jìn)線電纜長(zhǎng)度相同，列頭柜與機(jī)柜之間電纜（以WDZBYJV3×6 mm2 配置為例），每面機(jī)柜模式二比模式一多3 米，相差不大。

因此，對(duì)于列頭柜兩種供電模式比較，每個(gè)機(jī)柜從兩個(gè)列頭柜取電可用性比從同一個(gè)列頭柜取電可用性高，而成本差異不大。

2.2 傳統(tǒng)列頭柜配置比較

列頭柜作為數(shù)據(jù)中心機(jī)房末端配電管理的核心設(shè)備，需滿足配電、監(jiān)控、測(cè)量、保護(hù)、告警等作用。由于信息化設(shè)備進(jìn)一步集中，數(shù)據(jù)中心對(duì)供電可靠性和可管理性要要求越來(lái)越高，同時(shí)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合，列頭柜高度智能化的技術(shù)也逐步成熟，從第一代簡(jiǎn)單智能列頭柜逐步演進(jìn)到高度智能第四代的技術(shù)。

列頭柜的發(fā)展大致分為四代，如下：

第一代：普通開關(guān)水平安裝，配置機(jī)械表和指示燈，只有配電功能，無(wú)任何檢測(cè)及通訊功能。

第二代：多數(shù)采用開關(guān)豎直安裝，在進(jìn)線端加入數(shù)字電表或觸摸屏和通訊接口，只監(jiān)控主路，未監(jiān)控分路。

第三代：在第二代基礎(chǔ)上增加分路監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)電源監(jiān)控和能源管理。

第四代：在第三代基礎(chǔ)上提高了智能化技術(shù)，集中開關(guān)模塊化、二次元件模塊化、調(diào)相、監(jiān)控與一體。

其中，第一代和第二代為傳統(tǒng)配電柜，第三代為目前數(shù)據(jù)中心常用精密配電柜，第四代為模塊化精密配電柜[7]，從柜體集成、監(jiān)控、維護(hù)等方面進(jìn)行比較，如表1 所示。

表1 各種類型配電列頭柜對(duì)比分析

從表1 所示，相比傳統(tǒng)配電柜，從安全管理、運(yùn)行管理角度看，精密配電柜可提供機(jī)房全面的電源管理功能，將配電系統(tǒng)完全納入機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容除電氣系統(tǒng)主母線及支路所有電氣參數(shù)，為機(jī)房提供更為全面的管理及服務(wù)。同時(shí)，用戶可以及早發(fā)現(xiàn)安全隱患，采取相應(yīng)改進(jìn)措施改善機(jī)房供電情況，有效規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

3 機(jī)柜配電端智能母線槽方案

3.1 智能母線槽概算

機(jī)柜端配電采用智能化母線槽作為機(jī)柜端配電成熟技術(shù)之一，為國(guó)內(nèi)外大型數(shù)據(jù)中心所應(yīng)用[8,9]。目前國(guó)內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心已有多個(gè)應(yīng)用案例，本數(shù)據(jù)中心也采用智能母線槽供電方案，如圖4 所示。

圖4 智能母線槽供電方案

3.2 智能母線槽要求

3.2.1 整體方案

本數(shù)據(jù)中心實(shí)施的機(jī)柜母線槽供電方案滿足A 級(jí)機(jī)房要求，采用2N 供電方式[5,6,10]，如圖5 所示。

圖5 智能母線槽供電方案

主機(jī)房區(qū)各自從UPS 室1 和UPS 室2 中UPS 系統(tǒng)輸出A、B 路主干母線槽（本案采用IP54-1250 A 密集母線）接入至機(jī)房每列機(jī)柜前段通道，每列機(jī)柜端母線槽始端箱通過(guò)電纜與主干母線槽上的插接箱進(jìn)行連接。

3.2.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.2.2.1 主要構(gòu)成

機(jī)柜端智能母線槽包含“進(jìn)線箱、直線段、插接箱”[11]，如圖6 所示。

圖6 智能母線槽構(gòu)成圖

1）進(jìn)線箱：用作整條母線供電，通過(guò)電纜從UPS 主干母線插接箱斷路器連接取電，并在箱體內(nèi)配置測(cè)量單元和通訊單元，監(jiān)測(cè)電流、電壓、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)。

2）直線段：用于承載電流、通過(guò)插接口和插接箱為機(jī)柜供電。根據(jù)插接箱安裝方式分兩種類型，為軌道滑觸式母線槽和固定式母線槽，兩者最大區(qū)別在于軌道式母線槽內(nèi)置滑觸導(dǎo)軌，其插接箱可以直接在母線上滑動(dòng)， 以靈活適應(yīng)機(jī)柜的位置擺放需求。而固定式母線槽直身段標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)密集插接口，間距一般為0.6 米和1.2米， 基本能滿足高密度多變化的機(jī)柜擺放需求。軌道滑觸式母線槽更適合當(dāng)前數(shù)據(jù)中心設(shè)備機(jī)柜布置和變化調(diào)整需求。

3）插接箱：插接箱用于從母線直身段取電，支持熱插拔和調(diào)相，內(nèi)部配置測(cè)量單元、通訊單元、防雷單元及工業(yè)連接器單元等，可監(jiān)測(cè)機(jī)柜端電流、電壓、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)。

3.2.2.2 安裝方式

母線槽安裝方便快捷，可采用機(jī)柜上方安裝和地板下安裝兩種方式。機(jī)柜上方安裝一般需要預(yù)留1 米左右垂直空間，需考慮強(qiáng)弱電橋架、風(fēng)管、照明等因素；地板下安裝一般需要預(yù)留0.6米左右垂直空間，需考慮地板下送風(fēng)氣流組織因素。如圖7 所示。本案數(shù)據(jù)中心機(jī)房梁底4 米，考慮機(jī)柜上方綜合管線和下送風(fēng)等因素，機(jī)柜端母線槽采用機(jī)柜上安裝方式 并A、B 垂直上下安裝。

圖7 智能母線槽安裝示意圖

3.2.3 監(jiān)控管理

機(jī)柜端智能母線槽通過(guò)在進(jìn)線箱、插接箱配置電能儀表、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控單元、通訊接口單元等元件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流，電壓，功率和電量，實(shí)時(shí)顯示每個(gè)機(jī)柜PDU 的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)柜的精密監(jiān)控和能效管理?？蓪?shí)現(xiàn)故障報(bào)警，實(shí)時(shí)監(jiān)控電能質(zhì)量，包括負(fù)載系數(shù)，諧波含量等，所有監(jiān)測(cè)參數(shù)將最終匯集到母線系統(tǒng)的監(jiān)控總單元模塊，通過(guò)開放通訊協(xié)議接口可與機(jī)房綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，可實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)中心機(jī)房運(yùn)營(yíng)狀況，任何監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)故障，均可在系統(tǒng)顯示界面找到其對(duì)應(yīng)編號(hào)，以便維護(hù)人員迅速作出響應(yīng)，大大減少檢修工作量。如圖8 所示。

圖8 智能母線槽監(jiān)控圖

4 智能母線槽配電方案優(yōu)勢(shì)

4.1 可靠性對(duì)比

1）智能化插接母線相對(duì)傳統(tǒng)的“列頭柜+電纜”，既避免電纜所帶來(lái)的諸如電纜接頭容易氧化、松動(dòng)和接觸不良等施工工藝問(wèn)題，將傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電工程安裝最大程度轉(zhuǎn)化為工廠預(yù)制產(chǎn)品拼接，提升整體系統(tǒng)成品質(zhì)量可靠性。

2）相對(duì)傳統(tǒng)列頭柜集中配電管理，當(dāng)任意一個(gè)機(jī)柜端供電故障時(shí)，采用智能化插接母線方案可減少供電故障影響范圍。

4.2 靈活性對(duì)比

1）智能化插接母線不需要敷設(shè)橋架和電纜，供電架構(gòu)清晰明朗，提高機(jī)房整潔度。

2）智能化插接母線可根據(jù)機(jī)柜數(shù)量、位置、功率密度的變化靈活地調(diào)整母線的長(zhǎng)度、走向、機(jī)柜端開關(guān)容量或相位。

3）智能化插接母線在進(jìn)行巡檢或故障維護(hù)時(shí)，可降低系統(tǒng)維護(hù)影響范圍和檢修工作量。

4）系統(tǒng)支持部件級(jí)在線熱插拔擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展需求分期投資擴(kuò)容。

4.3 成本對(duì)比

1）智能化插接母線降低了空間占用率，采用智能母線槽可省去配電列頭柜，并且不占用任何地面面積，節(jié)省的地板空間可用于擺放IT機(jī)柜，可降低機(jī)柜容積比，提升機(jī)房?jī)?nèi)部地面空間利用率。本信息中心機(jī)房采用智能化插接母線大約可降低大約6%的容積比，按機(jī)房面積單位造價(jià)可創(chuàng)造約800 萬(wàn)元空間價(jià)值。

2）采用智能化插接母線可降低運(yùn)行維護(hù)成本，規(guī)避了傳統(tǒng)方式所帶來(lái)的后期運(yùn)維工作量大、運(yùn)維周期不可控以及人為干預(yù)帶來(lái)的安全性降低等問(wèn)題。

3）可隨時(shí)根據(jù)客戶需要調(diào)整配置，減少技改投資。

5 結(jié)束語(yǔ)

可靠性、可維護(hù)性、經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)展性和節(jié)能環(huán)保是電力數(shù)據(jù)建設(shè)和運(yùn)維的幾大關(guān)鍵要素，供配電系統(tǒng)更是數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著電網(wǎng)IT 信息系統(tǒng)快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心末端配電應(yīng)采用具備更高可用性、更高安全性和靈活性的配電結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐。本文通過(guò)對(duì)不同種機(jī)柜端配電方式的對(duì)比分析，以及結(jié)合實(shí)際案例應(yīng)用分析智能母線槽設(shè)計(jì)要求、安裝方式、對(duì)比優(yōu)勢(shì)，智能母線槽是電力數(shù)據(jù)中心末端配電的優(yōu)選方案之一。