吳勁松，李光泰，李舒濤，王玉庭，張學昶

（中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，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、營銷、經(jīng)營、綜合管理及分析決策等服務的公共信息平臺，是各業(yè)務應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和共享平臺，是電力企業(yè)跨業(yè)務、跨流程高級應用的重要支持平臺[1]。電力數(shù)據(jù)中心既包含信息系統(tǒng)應用服務，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)備更換擴容的靈活性，提高運維便利性，確保供電系統(tǒng)的不間斷運行，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)務數(shù)據(jù)中心（以下簡稱“本數(shù)據(jù)中心”）實施案例為研究對象，對幾種主要的數(shù)據(jù)中心機柜供電方案進行對比研究，分析其優(yōu)缺點，以及應用場景，提出為電力數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵負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)行國家標準《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》（GB 50174-2017）[4]和《電力調(diào)度通信中心工程設(shè)計規(guī)范》（GB/T 50980-2014）[5]的要求建設(shè)，采用A、B 雙路系統(tǒng)進行供電。

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柜PDU 插座端，供電對象為機柜承載的IT 設(shè)備和服務器，相關(guān)配電系統(tǒng)拓撲圖如圖1 所示。

2 機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)中心機柜端配電采用配電列頭柜加電纜的配電方式，同時每個機柜配置兩條PDU 插座，通過電纜從列頭柜取電。列頭柜與機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)拓撲圖

2.1.1 模式一

每個列頭柜同時配置A 和B 兩路主輸入開關(guān)及對應饋線開關(guān)，每個機柜從1 個列頭柜取電。如圖2 所示。

圖2 單列頭柜供電模式

2.1.2 模式二

每個列頭柜配置A 或B 兩路主輸入開關(guān)及對應饋線開關(guān)，每個機柜從2 個列頭柜取電。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]。如果一個系統(tǒng)是由各子系統(tǒng)組成的，則任何一個子系統(tǒng)的故障將直接影響系統(tǒng)的正常運行。

模式一采用1 個列頭柜向末端設(shè)備提供A、B 路電源，模式二分布在兩個列頭柜向末端設(shè)備提供A 路或B 路電源。按照國家標準A 級機房供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時，正常運行情況下，模式一和模式二均滿足容錯要求，即當A、B 路任何一路出現(xiàn)故障時均不影響末端設(shè)備運行。從運維管理角度考慮，模式一中的一路出現(xiàn)故障時，因A、B 兩路供電均在一個列頭柜內(nèi)，因此需停電維護，增加了運維的難度和可操作性。當列頭柜內(nèi)配置較低時，存在任何一路故障時有可能對另外一路造成故障的風險。因此，從可靠性和可用性比較，模式二相對較高。

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

因此，對于列頭柜兩種供電模式比較，每個機柜從兩個列頭柜取電可用性比從同一個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)中心機房末端配電管理的核心設(shè)備，需滿足配電、監(jiān)控、測量、保護、告警等作用。由于信息化設(shè)備進一步集中，數(shù)據(jù)中心對供電可靠性和可管理性要要求越來越高，同時，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和計算機技術(shù)的融合，列頭柜高度智能化的技術(shù)也逐步成熟，從第一代簡單智能列頭柜逐步演進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，配置機械表和指示燈，只有配電功能，無任何檢測及通訊功能。

第二代：多數(shù)采用開關(guān)豎直安裝，在進線端加入數(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、維護等方面進行比較，如表1 所示。

表1 各種類型配電列頭柜對比分析

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

3 機柜配電端智能母線槽方案

3.1 智能母線槽概算

機柜端配電采用智能化母線槽作為機柜端配電成熟技術(shù)之一，為國內(nèi)外大型數(shù)據(jù)中心所應用[8,9]。目前國內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心已有多個應用案例，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)中心實施的機柜母線槽供電方案滿足A 級機房要求，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）接入至機房每列機柜前段通道，每列機柜端母線槽始端箱通過電纜與主干母線槽上的插接箱進行連接。

3.2.2 設(shè)計要點

3.2.2.1 主要構(gòu)成

機柜端智能母線槽包含“進線箱、直線段、插接箱”[11]，如圖6 所示。

圖6 智能母線槽構(gòu)成圖

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

2）直線段：用于承載電流、通過插接口和插接箱為機柜供電。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)置滑觸導軌，其插接箱可以直接在母線上滑動， 以靈活適應機柜的位置擺放需求。而固定式母線槽直身段標準化設(shè)計密集插接口，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柜擺放需求。軌道滑觸式母線槽更適合當前數(shù)據(jù)中心設(shè)備機柜布置和變化調(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)測機柜端電流、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，可采用機柜上方安裝和地板下安裝兩種方式。機柜上方安裝一般需要預留1 米左右垂直空間，需考慮強弱電橋架、風管、照明等因素；地板下安裝一般需要預留0.6米左右垂直空間，需考慮地板下送風氣流組織因素。如圖7 所示。本案數(shù)據(jù)中心機房梁底4 米，考慮機柜上方綜合管線和下送風等因素，機柜端母線槽采用機柜上安裝方式 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

機柜端智能母線槽通過在進線箱、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時監(jiān)測電流，電壓，功率和電量，實時顯示每個機柜PDU 的運行狀態(tài)，實現(xiàn)對機柜的精密監(jiān)控和能效管理?？蓪崿F(xiàn)故障報警，實時監(jiān)控電能質(zhì)量，包括負載系數(shù)，諧波含量等，所有監(jiān)測參數(shù)將最終匯集到母線系統(tǒng)的監(jiān)控總單元模塊，通過開放通訊協(xié)議接口可與機房綜合監(jiān)控系統(tǒng)進行對接，可實時查看數(shù)據(jù)中心機房運營狀況，任何監(jiān)測點出現(xiàn)故障，均可在系統(tǒng)顯示界面找到其對應編號，以便維護人員迅速作出響應，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

4.1 可靠性對比

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

2）相對傳統(tǒng)列頭柜集中配電管理，當任意一個機柜端供電故障時，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，提高機房整潔度。

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

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

4）系統(tǒng)支持部件級在線熱插拔擴展，可實現(xiàn)根據(jù)業(yè)務發(fā)展需求分期投資擴容。

4.3 成本對比

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機柜，可降低機柜容積比，提升機房內(nèi)部地面空間利用率。本信息中心機房采用智能化插接母線大約可降低大約6%的容積比，按機房面積單位造價可創(chuàng)造約800 萬元空間價值。

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

3）可隨時根據(jù)客戶需要調(diào)整配置，減少技改投資。

5 結(jié)束語

可靠性、可維護性、經(jīng)濟性、可擴展性和節(jié)能環(huán)保是電力數(shù)據(jù)建設(shè)和運維的幾大關(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)進行支撐。本文通過對不同種機柜端配電方式的對比分析，以及結(jié)合實際案例應用分析智能母線槽設(shè)計要求、安裝方式、對比優(yōu)勢，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。