安科瑞 徐浩竣

江蘇安科瑞電器制造有限公司

摘要：數(shù)據(jù)中心機房末端配電的可靠性、穩(wěn)定性和可維護性直接關(guān)系到IT設(shè)備的安全供電。數(shù)據(jù)中心的末端配電技術(shù)主要有兩種，一種采用列頭柜加電纜配電，另一種是智能小母線配電。分別對兩種配電技術(shù)進行了介紹和探討，最后對兩種配電方式進行了對比分析，得出一些有益的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；末端配電；列頭柜；智能小母線

1概述

數(shù)據(jù)中心是國家確定的“新基建”七大領(lǐng)域之一。數(shù)據(jù)中心在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中所起的作用越來越重要，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為了各行各業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，為經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級提供了重要支撐。

數(shù)據(jù)中心要實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定運行，前提是其供電系統(tǒng)應(yīng)穩(wěn)定可靠、不間斷。當(dāng)前，重要程度高的A級數(shù)據(jù)中心一般采用2N架構(gòu)的UPS供電方式，以實現(xiàn)容錯要求，供電系統(tǒng)包括高低壓配電、后備發(fā)電機組、不間斷電源、后備蓄電池、精密配電等子系統(tǒng)，典型的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 典型數(shù)據(jù)中心2N供電系統(tǒng)圖

從圖1可以看出，最終的用電設(shè)備實現(xiàn)了全程雙路由容錯供電。

2末端配電

數(shù)據(jù)中心機房的末端配電一般是指從不間斷電源輸出柜到最終用電設(shè)備的配電部分，最終用電設(shè)備包括IT設(shè)備、動力設(shè)備和照明等。數(shù)據(jù)中心的末端配電最接近用電設(shè)備，是整個供配電系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的安全可靠十分重要。

傳統(tǒng)的末端配電技術(shù)一般采用列頭柜加電纜配電，典型的配電系統(tǒng)如圖 2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)中心典型配電系統(tǒng)圖

注：系統(tǒng)圖中的方框部分即為末端配電部分。

3列頭柜配電技術(shù)探討

按照國家規(guī)范的要求，A級數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施宜按容錯系統(tǒng)配置。當(dāng)數(shù)據(jù)中心的末端配電采用列頭柜加電纜配電時，存在多種方案。以數(shù)據(jù)中心應(yīng)用較多的封閉冷通道為例，配電方案主要有如下4種方案。

3.1方案一

方案一如圖3所示。

圖3 列頭柜雙柜配電方案

注：圖中僅示出了其中一列機柜的配電電纜，另一列機柜同理。

每個封閉冷通道設(shè)置兩個列頭柜，分別位于每列的頭部，每個列頭柜由不同的UPS系統(tǒng)引出，即列頭柜A由2N雙母線系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)A引出，列頭柜B由2N雙母線系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)B引出。

IT機柜的供電方式為：每個IT機柜內(nèi)包括兩路PDU，PDU(A)和PDU(B)，其中PDU（A）通過電纜由列頭柜A取電，PDU(B)通過電纜由列頭柜B取電。

本供電方案的優(yōu)點是實現(xiàn)了全程雙回路供電，無單點故障點，供電架構(gòu)清晰。缺點是IT機柜的供電需要跨列引電，布線有一定難度。

3.2方案二

方案二的機柜布置和方案一相同，如圖3所示，但列頭柜的內(nèi)部配置和配電電纜的敷設(shè)不同。具體方案是：每個封閉冷通道也設(shè)置兩個列頭柜，列頭柜A和列頭柜B，但每個列頭柜內(nèi)部又分為A、B兩路，每路由不同的UPS系統(tǒng)引出，即列頭柜A和列頭柜B內(nèi)的A路由2N雙母線系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)A引出，列頭柜A和列頭柜B內(nèi)的B路由2N雙母線系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)B引出。

IT機柜的供電方式是IT機柜的兩路PDU均來自于本列的列頭柜，其中PDU（A）來自于本列列頭柜中的A路，PDU（B）來自于本列列頭柜中的B路；這種供電方式結(jié)構(gòu)清晰，但當(dāng)列頭柜需要擴容、更換或移位時，后端IT機柜的割接難度和工作量較大。

3.3方案三

方案三和方案二的不同之處僅在于IT機柜的取電方式不同，即IT機柜的兩路PDU分別來自于不同的列頭柜，且不同路，第1列的IT機柜的PDU（A）來自于列頭柜A內(nèi)的A路，PDU（B）來自于列頭柜B內(nèi)的B路；第2列的IT機柜的PDU（A）來自于列頭柜B內(nèi)的A路，PDU（B）來自于列頭柜A內(nèi)的B路；這種供電方式保證了IT機柜的供電為全程雙路由，且不存在單點故障點，但布線比較復(fù)雜，現(xiàn)場接線容易發(fā)生錯誤，可能導(dǎo)致IT機柜由假雙路電源供電。

3.4方案四

方案四如圖4所示。

圖4 列頭柜單柜供電方案

每個封閉冷通道只設(shè)置1個列頭柜，位于其中一列的頭部，列頭柜內(nèi)部分為A、B兩路，分別由不同的UPS系統(tǒng)引出。IT機柜的兩路PDU分別由列頭柜內(nèi)的A路和B路取電。

這種方案的優(yōu)點是只占用了一個機柜位置，節(jié)約了寶貴的機房空間資源。缺點是電纜需要跨列敷設(shè)，且當(dāng)列頭柜需要維修、擴容、更換或移位時，將造成后端所有IT機柜斷電。

3.5列頭柜配電方案對比

對上述4種列頭柜配電方案進行對比，如表1所示。

表1 四種列頭柜配電方案對比

綜合列頭柜的上述4種列頭柜配電方案的優(yōu)、缺點，建議采用配電方案一。

3.6列頭柜配電技術(shù)分析

列頭柜配電技術(shù)要占用寶貴的機房資源，每臺列頭柜要占用了一個機柜位置，使得可出租的IT機柜數(shù)量變少。列頭柜配電采用電纜進行出線，出線配置1P或2P空開，每一個出線回路連接一根電纜到一臺機柜，再通過工業(yè)連接器或者直接連接到PDU的端子排上，為服務(wù)器進行供電。列頭柜在設(shè)計中往往會配置一些備用回路，以備日后機柜擴容或者維修，當(dāng)列頭柜方案落地實施后，再進行調(diào)整和更改會非常麻煩，甚至需要停機進行作業(yè)。采用電纜出線，如果雙路配電的方案，會有大量的電纜需要部署，后期維護、增加、減少機柜、調(diào)整機柜布局、增加機柜容量等難度很大。另外，電纜中間沒有監(jiān)控，長期通過大電流出現(xiàn)絕緣老化時無法提前預(yù)警，對運營帶來潛在危險。

4智能小母線配電技術(shù)探討

由于列頭柜要占用寶貴的機房資源，且配電不夠靈活，業(yè)界一直在研究更加靈活可靠的末端配電技術(shù)，智能小母線配電技術(shù)應(yīng)運而生。

智能小母線是相對應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)的大母線而言的，應(yīng)用于機房末端配電，且電流一般在800A以下的小型母線系統(tǒng)。

4.1智能小母線的分類

智能小母線按照結(jié)構(gòu)可以分為滑軌式小母線和直列式小母線。

所謂滑軌式小母線，是指銅排導(dǎo)體采用環(huán)繞式布置，中間形成一個連續(xù)的空間通道，底部連續(xù)開槽，支持在任意點位插接取電的母線形式。

滑軌式小母線具有全程全點位接入分支回路的特點。插接箱在母線槽的下方安裝，即插即用，母線槽無需斷電即可實現(xiàn)插接箱的在線插拔；母線槽為模塊化結(jié)構(gòu)，支持分步實施、延續(xù)、擴展和重構(gòu)，支持部件的按需分項采購和部署。

所謂直列式小母線，是指銅排導(dǎo)體采用上下并列平行布置，母線左右兩側(cè)可間隔或密集布置插孔接入分支回路的母線形式。

直列式母線結(jié)構(gòu)簡單，成本更低。但其插接箱是固定的，不能根據(jù)需求靈活移動，插接箱在母線槽的左右水平方向安裝，插接口的數(shù)量有限，整體擴容性差。另外，插接箱的體積大，占用空間大，不宜更換，維護困難。因此，直列式小母線適合后期方案不進行調(diào)整，大范圍固定配置的部署。

滑軌式小母線和直列式小母線的特點對比如表2所示。

表2 滑軌式小母線和直列式小母線

由于滑軌式小母線的插接箱在母線槽的下方向下安裝，兩條智能小母線間距可以控制在150mm以內(nèi)，占用IT機柜上方的水平空間較小，一般可以在500mm以內(nèi)。插接箱朝向機柜后側(cè)，便于操作和觀察。而直列式小母線占用IT機柜上方的水平空間較大，一般都600mm以上，不便于安裝，且不便于后期的操作和觀察。因此，智能小母線推薦采用滑軌式小母線，不建議采用直列式小母線。

5安科瑞精密配電及監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

5.1概述

隨著數(shù)據(jù)中心的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的能耗問題也越來越突出，有關(guān)數(shù)據(jù)中心的能源管理和供配電設(shè)計已經(jīng)成為熱門問題，高效可靠的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案，是提高數(shù)據(jù)中心電能使用效率，降低設(shè)備能耗的有效方式。要實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能，首先需要對每個用電負(fù)載實現(xiàn)精確的監(jiān)測，而數(shù)據(jù)中心負(fù)載回路非常的多，傳統(tǒng)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(shù)據(jù)中心集中監(jiān)控要求的多回路監(jiān)控裝置。

該裝置適用于單路輸入、單段輸出、單點檢測；雙路輸入、單段輸出、單點檢測；雙路輸入、單段輸出、雙點檢測的系統(tǒng)電源輸入方式。能夠精確地測量配電系統(tǒng)各項參數(shù)，包括三相進線的母線電壓、頻率和2路三相進線的電流、分相和總有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能。以及精確測量36個出線（單相）支路的電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能、支路的通斷狀態(tài)等電參量，并可通過遠(yuǎn)程通訊，實現(xiàn)機房數(shù)據(jù)的集中監(jiān)控。

5.2 設(shè)計思路

要實現(xiàn)采用單個裝置就能夠集成測量相當(dāng)于14個三相多功能電力儀表的功能，需要采用非常規(guī)的硬件設(shè)計思路才行。我們知道目前三相多功能電力儀表的實現(xiàn)方式最常見的一般有三相電能芯片+CPU、高精度ADC芯片+CPU、三相SOC芯片和單芯片（內(nèi)部帶有ADC的CPU）等方式。而單個裝置來實現(xiàn)14個三相多功能儀表的功能，采用以上任意一種方式的多個組合都不是很合適，考慮到硬件的成本和軟件實現(xiàn)的難易程度，我們選擇采用多個電子開關(guān)+單芯片（內(nèi)部帶有ADC的CPU）的設(shè)計方法。

5.3 整體硬件系統(tǒng)設(shè)計

考慮到裝置所使用的場合為數(shù)據(jù)中心精密電源配電柜，并需要實現(xiàn)對2路三相進線和36個出線的各種電參量的測量，而進線回路由于電流一般都比較大，能夠達(dá)到幾百安培，出線回路電流都比較小，一般都在63安培以下，因此裝置的進線部分電流采用5A電流輸入，內(nèi)置小型5A電流互感器，出線部分采用20mA電流輸入，外置100A/20mA互感器。裝置由于安裝于機柜內(nèi)部，因此裝置本身不帶有顯示，需要顯示則采用觸摸屏方式，通過RS485通訊連接，將數(shù)據(jù)傳輸給觸摸屏進行顯示。整體硬件系統(tǒng)如圖1所示。主要分為信號處理部分、電源部分、通訊部分、設(shè)置部分、數(shù)據(jù)存儲部分及CPU部分。

圖1

5.3.1信號處理

信號處理部分最關(guān)鍵的在于交流采樣的信號處理及電子開關(guān)的切換。由于本設(shè)計采用的是交流采樣的方式，ADC的采樣只能針對正信號，而交流信號是一個正弦波信號，信號有正有負(fù)，因此需要將信號進行抬高，以保證信號的最低點也能被ADC進行采樣處理。這里采用的是TL431進行信號抬高，將所采的電流信號抬高到最低點也能由ADC進行采樣。如圖2所示。所有電流信號總共有42個，本設(shè)計中將其分為7組，每組6個電流信號，每組電流信號通過一個電子開關(guān)CD4051進行選擇，圖3，電子開關(guān)由CPU控制進行分時導(dǎo)通，在同一時間內(nèi)有7個電流信號流入CPU的ADC進行AD轉(zhuǎn)換。

圖2

圖3

5.3.2電源

裝置采用開關(guān)電源模塊。電源模塊輸入電壓為AC85V～265V，輸入頻率45Hz～60Hz，具有多路隔離電壓輸出，滿足多種功能對不同供電電壓的要求。輸出電壓穩(wěn)定、故障率小，輸出紋波 <1％，轉(zhuǎn)換效率≥75％。具有過壓、過流保護。該模塊經(jīng)實際現(xiàn)場使用，具有很高的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。

裝置可選配雙路電源供電模式，可選雙路交流、雙路直流或一路交流+一路直流供電模式，便于精密配電柜在割接或檢修時，裝置仍能正常工作。

5.3.3 通訊

通訊接口模塊采用通用的RS-485、Modbus RTU通訊規(guī)約，能實現(xiàn)遙測、遙控、遙信等功能。在本設(shè)計中，由于裝置沒有顯示，安裝于柜內(nèi)后，本地顯示需要通過通訊將數(shù)據(jù)傳給觸摸屏，需占用掉一個通訊口，因此在裝置上設(shè)計為雙通訊方式，可以與2個系統(tǒng)進行通訊。

5.3.4 設(shè)置

由于裝置不帶有顯示，因此涉及到一些參數(shù)的設(shè)置就不是很方便，在此選用撥碼開關(guān)進行通訊地址、波特率等參數(shù)的設(shè)置。

5.3.5 數(shù)據(jù)存儲

本設(shè)計采用FM31256帶有時鐘的鐵電存儲器，在實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的基礎(chǔ)上集成有實時時鐘，進行各種故障或是狀態(tài)的記錄。

5.3.6 CPU

結(jié)合本設(shè)計的硬件方式及軟件處理方式，本設(shè)計中的CPU采用ST公司的基于ARM最新的、進行架構(gòu)Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器STM32F103VBT6，時鐘頻率最高可達(dá)72MHz，內(nèi)置128K的Flash、20K的RAM、12位AD、4個16位定時器、3路USART通訊口等多種資源，具有極高的性價比，能夠滿足本設(shè)計的應(yīng)用。

6總結(jié)

末端配電是數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的末梢環(huán)節(jié)，它的可靠性、穩(wěn)定性和可維護性直接關(guān)系到IT設(shè)備的安全供電。數(shù)據(jù)中心的末端配電方式主要包括兩種，一種是采用列頭柜加電纜的配電方式，另一種是智能小母線配電方式。本文通過分析，得出如下結(jié)論：

（1）對于封閉冷通道，如果采用列頭柜加電纜的配電方式，建議采用上文中的方案一，即每個冷通道配置2個列頭柜，每個IT機柜分別從2個列頭柜各取1路電源。

（2）智能小母線分為滑軌式小母線和直列式小母線，考慮到機房的實際應(yīng)用環(huán)境，推薦采用滑軌式小母線，不建議采用直列式小母線。

（3）智能小母線推薦采用單列雙母線方案。

（4）智能小母線的插接箱推薦采用一拖三方案。

（5）對于分批次部署服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心，或后期需要進行末端負(fù)荷調(diào)整的數(shù)據(jù)中心，強烈建議采用滑軌式的智能小母線配電方案；如果是一次性部署服務(wù)器或是方案固定的數(shù)據(jù)中心，可采用列頭柜加電纜的配電方案。

（6）智能小母線造價相對較高，投資回收期約為2年。

總的來說，由于智能小母線具有不占用機柜位置、配電回路清晰、模塊化結(jié)構(gòu)、工期短、可重復(fù)利用等優(yōu)點，雖然其造價相對較高，但在整個運營期內(nèi)可以為投資方帶來更大的收益。因此，建議在數(shù)據(jù)中心內(nèi)推廣應(yīng)用智能小母線末端配電技術(shù)。

（7）本文思路所設(shè)計的多回路監(jiān)測裝置是一款專用于數(shù)據(jù)中心精密電源配電柜的產(chǎn)品，該產(chǎn)品能夠符合精密電源柜對多回路配電的需求。產(chǎn)品硬件設(shè)計簡單，在性能和成本上達(dá)到了較高的性價比，是數(shù)據(jù)中心用電管理中理想的監(jiān)控裝置。