小母線配電模式在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用研究

宋偉男，邵 安，朱述振，李志鵬，劉 鵬

（1.中國郵政儲蓄銀行總行數(shù)據(jù)中心，安徽 合肥 230601；2.中國電子系統(tǒng)工程第二建設(shè)有限公司，江蘇 無錫 214028；3.西門子（上海）電氣傳動設(shè)備有限公司，上海 200120）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和社會信息化水平的提高，包括政府、經(jīng)濟(jì)及社會領(lǐng)域在內(nèi)的各個行業(yè)愈加依賴于信息系統(tǒng)，這對信息系統(tǒng)安全、穩(wěn)定性的運(yùn)行有較高的要求。與此同時，各行業(yè)對計(jì)算及相關(guān)資源的需求依然保持持續(xù)增加的趨勢，計(jì)算設(shè)備和資源數(shù)量仍需要保持快速的增長速度，以滿足大數(shù)據(jù)、5G、人工智能和云計(jì)算等新興技術(shù)發(fā)展需要。因此，在數(shù)據(jù)中心的建設(shè)過程中，限于有限的資源，提高單機(jī)柜裝機(jī)的功率密度，使數(shù)據(jù)中心單位面積產(chǎn)生更大的價值是很有必要的。然而，單機(jī)柜功率的提高，勢必會造成供電、空調(diào)等系統(tǒng)的壓力，比如在傳統(tǒng)配電模式供電系統(tǒng)中，配電線路的載流量需要大幅度提高才能滿足高功率密度機(jī)柜的用電需求，這就使得配電支、干線的電力電纜線徑增大，特別是對于A 級數(shù)據(jù)中心，由于2N 架構(gòu)的需要[1]，更是使得兩倍載流量計(jì)算線徑的電纜方能滿足要求。再加上供電回路數(shù)量較多，這無疑增大了工程施工、運(yùn)維檢查、事故檢修以及后期改造的難度。此外，較多的電纜堆積，會對機(jī)房氣流造成一定影響，不利于IT 設(shè)備的散熱。因此，打破傳統(tǒng)配電模式，驅(qū)動新型數(shù)據(jù)中心配電方式的變革勢在必行。

1 數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)的IT 設(shè)備配電模式

1.1 傳統(tǒng)配電模式簡介

在數(shù)據(jù)中心中傳統(tǒng)的配電模式中，IT 機(jī)房采用列頭柜從總配受電，然后通過不同的開關(guān)回路，用電纜經(jīng)地板下的電纜橋架分配給各個機(jī)柜，是典型的放射式供配電系統(tǒng)[2]。列頭柜的配電模式特點(diǎn)是各負(fù)荷獨(dú)立受電，當(dāng)單臺設(shè)備發(fā)生故障時，其影響范圍只局限于本身，而不會影響到其他回路，能夠滿足國家現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范[1]對重要用電負(fù)荷的相關(guān)技術(shù)要求。此外，在A 級數(shù)據(jù)中心，還采用2N架構(gòu)，即兩臺引自不同電源的列頭柜分別給同一列機(jī)柜供電，以達(dá)到一路電源故障時，另一路仍可支持所有設(shè)備正常運(yùn)行的目的。

1.2 傳統(tǒng)配電模式存在的問題

在早些時候，由于相關(guān)技術(shù)不夠成熟，數(shù)據(jù)中心建設(shè)和規(guī)劃過程中并未考慮到高功率密度的單機(jī)柜需求，傳統(tǒng)的列頭柜配電模式足以支撐1～3 kW 單機(jī)柜功率密度的需求。但隨著信息科技的快速發(fā)展，業(yè)務(wù)量大幅度提升，支撐數(shù)據(jù)存儲與計(jì)算的數(shù)據(jù)中心面臨著巨大壓力，提升單機(jī)柜密度是業(yè)內(nèi)更傾向采取的措施，畢竟對于數(shù)據(jù)中心來說，可謂寸土寸金，提升利用效率需要的造價，遠(yuǎn)低于擴(kuò)大建筑面積產(chǎn)生的成本。根據(jù)一項(xiàng)調(diào)查顯示[3]，在新建數(shù)據(jù)中心中，單機(jī)柜功率密度提升到了4～10 kW，甚至部分?jǐn)?shù)據(jù)中心的最大支持功率達(dá)到了20～30 kW。在如此形勢下，傳統(tǒng)的列頭柜配電模式在數(shù)據(jù)中心工程建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)中存在較多的問題，下面將對這些問題一一展開進(jìn)行分析。

1.2.1 供電線纜、橋架金屬消耗量大

在列頭柜配電模式中，列頭柜至機(jī)柜存在多條回路，以10 列*20 臺機(jī)柜的機(jī)房為例，在A 級數(shù)據(jù)中心，兩路電源共需要400 個配電回路，且每條回路電纜長度在2～20 m 之間。若以單機(jī)柜功率8 kW 計(jì)算，則意味著每一回路的銅芯電纜線徑需在6 mm2以上。同時，按照三相平均分配，單臺列頭柜單相功率需保持在53 kW 左右，列頭柜供電主電纜線徑更是達(dá)到了4*120+1*70（銅芯）之巨。若要完成對以上電纜的敷設(shè)，所需要的配電橋架尺寸或數(shù)量也要相應(yīng)的增大，這無疑使電纜和橋架等材料金屬的消耗量會大大增加。

1.2.2 施工難度大

由于每條回路路徑不盡相同，導(dǎo)致每一條回路都需要現(xiàn)場完成電纜敷設(shè)和電纜頭制作安裝，而電纜與電纜、電纜與開關(guān)以及電纜與母線等連接位置，是最容易出現(xiàn)質(zhì)量和安全事故的地方，這就要求現(xiàn)場施工人員有較高的專業(yè)技術(shù)能力。同時，電纜回路較多，現(xiàn)場作業(yè)人員的工作量也較大。此外，由于單機(jī)柜功率密度的增加所帶來的電纜線徑、橋架尺寸變大，也增加了施工的難度。

1.2.3 占用機(jī)房空間

列頭柜的存在，必然會占用機(jī)房空間，其配電橋架及配電電纜在地板下夾層或吊頂上夾層也會占據(jù)一定的空間，這使得在寸土寸金的數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)，空間上顯得更加擁擠，同時也減少了機(jī)柜的可安裝數(shù)量。

1.2.4 使用壽命短

使用年限方面，列頭柜一般在10-15 年之間[3]，低于建筑的使用壽命，這也就意味著當(dāng)運(yùn)行一定時間后，需將列頭柜上所有設(shè)備下架或暫時下架，對機(jī)柜進(jìn)行全面更換，這將不利于IT 系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2.5 系統(tǒng)靈活性差

列頭柜通常在出廠前，便已根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定其內(nèi)部配置，當(dāng)投入運(yùn)行后，若在后續(xù)有改造方面的需求時，則會呈現(xiàn)出明顯的短板。例如，若需要對列頭柜擴(kuò)容或者變更，其難度是非常大的，必須要斷電才能完成斷路器或線路的改造工作，而且由于橋架內(nèi)電纜數(shù)量較多，其拆除難度較大，使用過的電纜也無法重復(fù)利用，整個系統(tǒng)缺少靈活性。

1.2.6 維護(hù)檢修難度大

一方面，列頭柜分支開關(guān)和配電回路眾多，在日常巡檢時，會增加巡檢耗時，不利于提高巡檢效率；另一方面，列頭柜的配電電纜敷設(shè)在地板下或吊頂上的橋架內(nèi)，往往可操作空間較小，再加上電纜回路眾多，當(dāng)某一分支回路電纜發(fā)生故障時，很難及時將損壞的電纜抽出更換，這將增加故障的修復(fù)時間，使數(shù)據(jù)中心的可用性下降[4]。

1.2.7 影響氣流組織

在采用地板下送風(fēng)模式的機(jī)房內(nèi)，由于電纜和橋架占據(jù)了地板下的空間，會導(dǎo)致送風(fēng)阻力的變大，從而使得系統(tǒng)能耗增加。此外，由于空間的限制，靜電地板高度的提升有限，特別是在擴(kuò)容改造時，會導(dǎo)致送風(fēng)量不夠，無法滿足機(jī)房制冷需求。

2 小母線配電模式及其優(yōu)勢

2.1 小母線配電模式簡介

小母線配電模式，就是利用高載流量的母線槽取代傳統(tǒng)的列頭柜+線纜的配電模式，直接由母線本體的插接口接出供電回路至服務(wù)器機(jī)柜。以美國Starline 產(chǎn)品為例，如圖1 所示，在IT 機(jī)房內(nèi)，通過在機(jī)柜上方安裝小母線，然后從母線的插接口引出分支回路連接至機(jī)柜的配電模塊，無需占據(jù)地板下方空間。同時，該產(chǎn)品支持熱插拔，即插即用的靈活供配電方式，可以實(shí)現(xiàn)在帶電狀況下、在任何地方快速安裝使用，無論是安裝或檢修維護(hù)，均可極大地提升工作效率。

圖1 StartLine 小母線供電模式

如圖2 所示，小母線由端口母線槽、連接件、母線直線段、T 型件、吊裝件、末端蓋、轉(zhuǎn)彎件和分接單元等部件組成，每個部件承擔(dān)不同的功能。端口母線槽在整條母線的初始位置，用于和上端總配電柜引來的電纜或母線相連接；連接件負(fù)責(zé)直線段、端口母線槽、T 型件及轉(zhuǎn)彎件等部件的相互連接作用；直線段又可以分為饋線段和插接段，饋線段用于傳導(dǎo)電能，插接段用于連接分接單元；吊裝件在與母線支吊架連接時起到作用，便于安裝；末端蓋保持母線末端的封閉性，防止進(jìn)入灰塵、水分等；由于母線槽不便彎曲，需借助于轉(zhuǎn)彎件和T 型件來達(dá)到轉(zhuǎn)彎和分流的目的；分接單元又叫做母線插接箱，用于小母線和列頭柜的連接。

圖2 小母線的組成部分

2.2 小母線的優(yōu)勢

小母線的應(yīng)用，從某些程度上避免了傳統(tǒng)列頭柜配電模式的弊端，在新的數(shù)據(jù)中心建設(shè)形勢下，有著巨大的優(yōu)勢。

2.2.1 安裝方便、可靠性高

與架空地板下走線方式需鋪設(shè)電力橋架和成百上千條電纜線相對比，小母線的安裝既不需要在空間狹小的地板下進(jìn)行，又節(jié)約了大量的分支電纜敷設(shè)及電纜頭的制作工作，預(yù)制化的產(chǎn)品到場直接對接安裝，其安裝方式簡單又省時省力。此外，由于省去了電纜頭的制作，還可以避免電纜接頭氧化、接觸不良等問題，提高了供電的可靠性和安全性。

2.2.2 節(jié)省機(jī)房空間

小母線體積緊湊，占用空間少，可在機(jī)柜上方通過支架或吊架連接安裝，省去了列頭柜和地板下電纜及電纜橋架所占用的空間，既為裝設(shè)IT 設(shè)備的服務(wù)器機(jī)柜騰出了更多空間，還對降低地板高度創(chuàng)造了一定條件，節(jié)省機(jī)房的建設(shè)成本。若是對外租賃的機(jī)房，還可通過增加機(jī)柜數(shù)量，來創(chuàng)造額外收益。

2.2.3 使用壽命較長

使用年限方面，由于傳統(tǒng)的配電模式中，列頭柜壽命一般在10-15 年之間，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。而小母線的使用壽命一般可達(dá)40 年[3]，可以更好地與建筑使用年限相匹配，而不用頻繁更換設(shè)備、下架信息系統(tǒng)服務(wù)器，可徹底擺脫傳統(tǒng)列頭柜配電模式末端電力調(diào)整的不連續(xù)性、工程化和周期長等問題。

2.2.4 配電靈活、檢修方便

相對于固定配電模式的列頭柜，小母線可根據(jù)機(jī)柜實(shí)際負(fù)載大小進(jìn)行靈活分配。在安裝小母線時，可以預(yù)留一定的插接口，以便后續(xù)容量調(diào)整、容量增加。當(dāng)需要擴(kuò)容時，只需要增加或更換插接箱即可。再加上插接口可支持熱插拔，當(dāng)需要進(jìn)行調(diào)相、維修等相關(guān)操作時，只需對小母線上的插接箱進(jìn)行相關(guān)調(diào)整即可，無需在線路上進(jìn)行任何操作。

2.2.5 安裝方式靈活

在安裝方式上，除了常見的在機(jī)柜上方吊裝或支架固定，也可以根據(jù)實(shí)際需要選擇地板下安裝、吊頂上安裝、嵌入天花板安裝等方式。母線槽的形式和分支單元也可以根據(jù)客戶的需求專門定制，如單獨(dú)接地或?qū)Ｓ媒拥兀嗨木€制或三相五線制等。

2.2.6 減少氣流阻力，提高機(jī)房冷卻效益

在機(jī)柜上方安裝的小母線，可以為地板下方騰出較多的空間，對于下送風(fēng)系統(tǒng)來說，大大減少了空氣流通的阻力，降低了空調(diào)設(shè)備的功耗。同時，防止橋架、電纜等對氣流組織的影響，提高了冷風(fēng)氣流的可用性，提高了機(jī)房的冷卻效益。

2.2.7 后繼成本低，可提升數(shù)據(jù)中心的可用性

后繼成本低體現(xiàn)在節(jié)約建設(shè)工程造價和運(yùn)維花費(fèi)兩個方面，一方面，小母線使用壽命長、擴(kuò)容改造方便，降低了后期機(jī)房改造的工程建設(shè)成本；另一方面，日常運(yùn)維時，檢查及檢修方便，節(jié)省人力并大大降低平均可修復(fù)時間，提升數(shù)據(jù)中心的可用性[4]。

3 結(jié)束語

在IT 設(shè)備運(yùn)行場所的數(shù)據(jù)中心，供配電系統(tǒng)作為機(jī)房中一個重要的子系統(tǒng)，其穩(wěn)定性和可用性，是保障IT設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要因素。通過采用小母線供電模式，不僅可以在工程建設(shè)時期加快工期、提高空間利用效率，在運(yùn)維階段，也可大大提高數(shù)據(jù)中心的可用性，維持配電系統(tǒng)的持續(xù)性和供電的穩(wěn)定性。