新型數(shù)據(jù)中心低壓全母線配電方案分析

［張飄 駱林杰 張海明］

1 概述

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。在此次新冠肺炎疫情防控工作中，大數(shù)據(jù)發(fā)揮了非常核心的作用。作為儲(chǔ)存和計(jì)算的重要基礎(chǔ)設(shè)施，加快建設(shè)大數(shù)據(jù)中心是大勢(shì)所趨。

現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心正朝著大型化、高密度、綠色環(huán)保、模塊化方向發(fā)展，隨著IT 技術(shù)的發(fā)展，出租機(jī)房等商業(yè)模式的興起，機(jī)房建設(shè)之初機(jī)柜密度不確定性大為增加，對(duì)其基礎(chǔ)設(shè)施提出了更高的要求，應(yīng)同時(shí)兼?zhèn)潇`活性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性及快速部署的特點(diǎn)和要求。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的低壓配電系統(tǒng)以電纜方式為主，技術(shù)成熟、單根電纜故障影響范圍小。但是存在列頭柜占用服務(wù)器機(jī)柜空間、施工復(fù)雜和周期較長(zhǎng)、末端配電擴(kuò)展困難等缺點(diǎn)。最近幾年數(shù)據(jù)機(jī)架列出現(xiàn)了智能小母線來替代列頭柜及電纜的配電方式，增加了服務(wù)器機(jī)柜空間，施工更簡(jiǎn)單靈活，但智能小母線前端還是以電纜方式為主，為了進(jìn)一步提高大型數(shù)據(jù)中心的配電施工和擴(kuò)容靈活性，可考慮采用大容量母線替代電纜，實(shí)現(xiàn)低壓全母線配電。

本文分析了低壓全母線配電方案，并和傳統(tǒng)母線+電纜+列頭柜配電模式進(jìn)行了對(duì)比，并結(jié)合典型數(shù)據(jù)中心機(jī)房案例，定量分析了兩種模式下可安裝服務(wù)器機(jī)柜數(shù)量、建設(shè)成本及經(jīng)濟(jì)效益等。

2 傳統(tǒng)低壓電纜配電方式

機(jī)房傳統(tǒng)低壓配電系統(tǒng)一般采用2路10 kV市電接入，經(jīng)過變壓器、低壓配電柜分別接入不間斷電源設(shè)備，再經(jīng)過不間斷電源輸出柜連接至各個(gè)列頭柜，從列頭柜敷設(shè)電纜接入機(jī)柜內(nèi)PDU，可分為三級(jí)配電：變壓器輸出——低壓配電——交流（直流）不間斷電源——列頭柜——服務(wù)器機(jī)柜。

第二級(jí)一般采用電纜，由交流（直流）UPS——列頭柜的機(jī)房配電系統(tǒng)。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)配電方案大多數(shù)使用列頭柜加電纜的組合方案。數(shù)據(jù)中心列頭柜通常放置于一列服務(wù)器機(jī)柜的始端，作為該列服務(wù)器機(jī)柜的電源分配與保護(hù)的終端配電柜，列頭柜通常以放射式的配電形式與上一級(jí)配電柜連接。通常，第二級(jí)配電的容量介于100～400 A 之間。

第三級(jí)一般采用電纜，由列頭柜——服務(wù)器機(jī)柜的末端配電系統(tǒng)；列頭柜的功能是對(duì)這一列機(jī)柜所帶的交直流負(fù)載提供電源，起到電能分配、數(shù)據(jù)的監(jiān)控、數(shù)據(jù)的測(cè)量、設(shè)備的保護(hù)、設(shè)備的告警等功能。列頭柜設(shè)計(jì)了很多斷路器，每個(gè)輸出斷路器與各個(gè)服務(wù)器機(jī)柜的PDU 連接構(gòu)成數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)的終端供配電系統(tǒng)。通常，第三級(jí)配電的容量為25～80 A 之間。近幾年也有些機(jī)房在末端配電采用智能小母線方式。

傳統(tǒng)配電方式技術(shù)成熟、單根電纜故障影響范圍較小。但是，電纜布放工程量較大、施工周期較長(zhǎng)，智能管理能力較差，且列頭柜占用機(jī)柜空間、電纜電能損耗較大、末端配電擴(kuò)展困難。

3 低壓全母線配電方案

3.1 方案簡(jiǎn)介

全母線配電方案包括從變壓器低壓側(cè)干線大電流母線配電到低壓配電柜經(jīng)動(dòng)力大母線輸配電到交流（直流）不間斷電源（第一級(jí)配電）和交/直流不間斷電源到機(jī)房每列機(jī)架列頭（第二級(jí)配電），以及每列機(jī)架上方的智能小母線到每個(gè)服務(wù)器機(jī)柜（第三級(jí)配電），如圖1 所示。

圖1 機(jī)房全母線配電系統(tǒng)

一般來說，通常定義800 A 做為大小母線分界點(diǎn)，800 A 及以上為配電大母線，800 A 以下為機(jī)房小母線。多數(shù)情況下單列機(jī)柜服務(wù)器負(fù)載總功率很少有超過400 kW，因此多數(shù)運(yùn)用小母線電流都不超過800 A，電流在160 A～630 A 之間，其中大部分在250 A 以下，大小母線容量分界點(diǎn)及典型應(yīng)用場(chǎng)景，如表1 所示。

表1 大小母線容量分界點(diǎn)及典型應(yīng)用場(chǎng)景

3.2 大母線系統(tǒng)

大母線配電常用在變壓器低壓側(cè)到低壓配電柜，低壓配電柜到交流（直流）不間斷電源，以及不間斷電源到機(jī)房配電柜的路徑中，按絕緣方式可分為空氣式母線槽、密集絕緣母線槽和高強(qiáng)度母線槽三種，是由金屬板（鋼板或鋁鎂合金板）為保護(hù)外殼、導(dǎo)電排、絕緣材料及有關(guān)附件組成的母線系統(tǒng)。母線槽作為電能的傳輸介質(zhì)，可以將電能更可靠、安全地輸送到負(fù)載側(cè)。母線由工廠成套生產(chǎn)，質(zhì)量有保證，運(yùn)行維護(hù)工作量小，施工安裝簡(jiǎn)便。

母線供電方式由主干母線、插接箱、機(jī)柜端母線始端箱及測(cè)量單元、分支母線、機(jī)柜末端插接箱及多功能表采集智能終端組成，其特點(diǎn)是各段母線之間有多個(gè)連接點(diǎn)，理論上可靠性比整條電纜的可靠性低，但由于其對(duì)母線的溫升、電流、電壓、功率等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式配電智能管理。另外，母線槽外殼采用多點(diǎn)接地，使外殼基本處于等電位接地方式，大為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，并杜絕人身觸電危險(xiǎn)。

我去公共泳池游泳的時(shí)候，水溫都達(dá)不到精子生存的溫度即32～36攝氏度之間，室內(nèi)的恒溫泳池一般也就在26～28攝氏度。

相比于傳統(tǒng)的電纜而言，母線槽具有載流量大，防護(hù)等級(jí)高，施工方便快捷，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 智能小母線配電

智能小母線配電系統(tǒng)是典型的樹干式供配電系統(tǒng)，配電柜至各機(jī)柜之間采用一條干線連接的配電方式，中間不需要配置列頭柜，如圖2 所示。相較于傳統(tǒng)列頭柜+電纜的配電方式，可節(jié)省列頭柜投資及安裝空間，便于提前預(yù)制及現(xiàn)場(chǎng)安裝，也便于后續(xù)維護(hù)和靈活擴(kuò)容改造。

圖2 智能小母線配電方案

在每列機(jī)柜的列頭，第三級(jí)小母線始端與第二級(jí)大母線對(duì)接，通過母線插接箱內(nèi)的斷路器與每個(gè)服務(wù)器機(jī)柜中的PDU 連接構(gòu)成數(shù)據(jù)中心全母線配電系統(tǒng)，如圖3 所示。

圖3 機(jī)房全母線配電方案示意圖

3.4 全母線配電方案優(yōu)勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品不斷地創(chuàng)新，傳統(tǒng)放射式電纜敷設(shè)方式雖然供電可靠性比樹干式高，但存在工藝要求高、施工難度大、不易擴(kuò)展和調(diào)整等諸多弊端，電纜也無法重復(fù)利用。近年來大母線配電技術(shù)和智能小母線技術(shù)的不斷改進(jìn)，無論是搭接還是插接方式，母線接頭的穩(wěn)定性都有很大的提高，結(jié)合定期維護(hù)保養(yǎng)和儀器設(shè)備對(duì)母線接頭溫升、電流進(jìn)行監(jiān)控，可以大幅減小事故發(fā)生的概率；母線可根據(jù)不同機(jī)柜負(fù)載大小不同靈活分配，如需擴(kuò)容、調(diào)相（三相不平衡時(shí)），只需調(diào)整對(duì)應(yīng)的插接箱，而無需對(duì)線路做任何調(diào)整；同時(shí)母線采用模塊化功能元件和可擴(kuò)展的預(yù)制布線系統(tǒng)，易于擴(kuò)容。

全母線方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）無需鋪設(shè)大量電纜，可通過插接箱就近供電（插接箱位置可調(diào)），服務(wù)器機(jī)柜PDU 插頭可直接插入到母線插接箱中，無復(fù)雜接線工作；

（2）支持隨時(shí)(熱)擴(kuò)充回路數(shù)，按需變化適應(yīng)性高；

（3）供電系統(tǒng)簡(jiǎn)潔易維護(hù)，可實(shí)現(xiàn)全程智能監(jiān)控。

（4）更加綠色、環(huán)保和節(jié)能：全母線方式極大的提升了配電的實(shí)用性，為運(yùn)維帶來了極大的可擴(kuò)展性和靈活性，可以隨時(shí)根據(jù)客戶的需要進(jìn)行在線擴(kuò)容、重新部署和升級(jí)設(shè)備配電，無需進(jìn)行列頭柜和線纜的改造工程，可以極大的降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)維成本，保證數(shù)據(jù)中心持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。

（5）快速部署：母線槽方式因采用模塊化設(shè)計(jì)，且布放簡(jiǎn)單，大大提升了安裝效率并降低了安裝故障率，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊的部署只需要5 天；而列頭柜加線纜方式需要15 天，同時(shí)傳統(tǒng)方式工人現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，人工成本及人為故障因素較高。

傳統(tǒng)電纜配電段全母線配電特點(diǎn)對(duì)比如表2 所示。

表2 電纜配電和全母線配電特點(diǎn)對(duì)比

4 典型方案對(duì)比分析

某典型機(jī)房規(guī)劃建設(shè)面積600 平方米，單機(jī)柜功耗5 kVA（同時(shí)系數(shù)取0.8）。

方案一：全母線供電模式，動(dòng)力母線+智能小母線，由于取消列頭柜，機(jī)房?jī)?nèi)可擺放212 個(gè)機(jī)柜，采用母線配電方案的機(jī)房布局方案如圖4 所示。在每列機(jī)柜頂部鋪設(shè)2 條與機(jī)柜等長(zhǎng)的軌道式小母線，來自UPS 輸出的A 路與B 路，UPS 輸出柜內(nèi)2 000 A 開關(guān)采用母線槽連接至小母線始端箱，各服務(wù)器機(jī)柜配電通過其安裝在其頂部的A/B 段小母線的插接箱分別引電至機(jī)柜內(nèi)的A/B 路PDU 完成機(jī)柜雙路取電。母線插接箱位置可根據(jù)機(jī)柜位置靈活改變和設(shè)置。每條小母線規(guī)格160 A，輸出插接箱6 個(gè)（每個(gè)3 路×32 A 輸出）。

圖4 采用母線配電方案的機(jī)房布局方案

方案二：傳統(tǒng)機(jī)房供電模式，列頭柜+電纜供電，機(jī)房?jī)?nèi)擺放202 個(gè)機(jī)柜，采用傳統(tǒng)電纜配電方案的機(jī)房布局如圖5 所示。列頭柜按雙回路供電設(shè)計(jì)，列頭柜輸入來自UPS 的A 路與B 路，UPS 輸出柜內(nèi)160 A 開關(guān)輸出至列頭柜采用4×70+1×35 mm2電纜，A/B 路列頭柜分別引電纜至各服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)PDU 的連接實(shí)現(xiàn)供電，列頭柜輸出32 A/1P×24 路×2 臺(tái)。每個(gè)機(jī)柜配置2 路32 A（單相）開關(guān)，電纜采用3×6 mm2。

圖5 采用傳統(tǒng)電纜配電方案的機(jī)房布局

兩個(gè)方案造價(jià)及經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析如表3 所示。

表3 造價(jià)及經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析

本案例兩種方案造價(jià)對(duì)比：動(dòng)力母線+智能小母線方案造價(jià)較電纜+列頭柜方案總造價(jià)約高77 萬(wàn)元，收益增加約51 萬(wàn)元，投資回收期約為1.51 年（在所有機(jī)柜都滿負(fù)荷安裝了服務(wù)器的情況下。）

5 結(jié)論

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)中心低壓配電應(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。本文通過對(duì)全母線方案和傳統(tǒng)電纜配電方案的定性和定量對(duì)比分析可以看出，全母線配電方案具有更高的靈活性，同時(shí)其具有施工周期短、使用壽命長(zhǎng)、可重復(fù)利用等特點(diǎn)，增加了機(jī)房的利用率和收益，投資回收期較短，因此隨著今后技術(shù)逐步成熟、成本進(jìn)一步降低，可考慮逐步推廣使用。