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技術文章

淺談電力數據中心機柜端配電設計方案及監控產品選型

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淮亞利
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801 

摘要:本文從數據中心末端供配電系統的安全性、可行性角度出發,分析當前電力數據中心機柜端供配電系統的設計方案,以及每種設計方案的優缺點。重點分析和研究智能母線槽配電方案,對其可靠性、靈活性以及經濟性角度進行 深入探討,為關鍵電力負載提供可靠性的用電保障。 

 

關鍵詞:數據中心;列頭柜配電;智能母線槽;模塊化列頭柜;可靠性

 

0前言 

       電力數據中心是電力企業通信、調度、信息、營銷、經營、綜合管理及分析決策等服務的公 共信息平臺,是各業務應用系統的數據交換和共享平臺,是電力企業跨業務、跨流程應用的重要支持平臺。電力數據中心既包含信息系統應用服務,還包括綜合數據通信鏈路、綜合環境控制基礎設施,其中配電系統是支撐電力數據中心正常運行關鍵的設施之一。 

       低可靠性供電是造成數據中心服務中斷主要原因。如何優化提高配電系統的可用性和安全性,增加設備更換擴容的靈活性,提高運維便利性,確保的不間斷運行,是電力數據中心管理者所面臨的重大課題之一。本文將從電力數據中心的末端供電可靠性出發,以南方電網某信息業務數據中心(以下簡稱“本數據中心”)實施案例為研究對象,對幾種主要的數據中心機柜供電方案進行對比研究,分析其優缺點,以及應用場景,提出為電力數據中心的關鍵負載提供可靠性用電保障的參考方案。 

 

1 數據中心末端配電范圍界定 

       本數據中心按現行國家標準《數據中心設 計規范》(GB 501 74.2017)和《電力調度通信中心工程設計規范》(GB/T 50980—2014)的要求建設,采用A、B雙路系統進行供電。  

數據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設備和服務器,相關配電系統 拓撲圖如圖1所示

圖1 數據中心配電系統拓撲圖

 

2機柜端列頭柜配電方案 

2.1 傳統列頭柜供電方式

       傳統數據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

2.1.1模式一 

       每個列頭柜同時配置A和B兩路主輸人開關及對應饋線開關,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兩路主輸入開關及對應饋線開關,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:供配電系統的結構及配置直接決定了數據中心的可用性和可靠性。如果一個系統是由各子系統組成的,則任何一個子系統的故障將直接影響系統的正常運行。模式一采用1個列頭柜向末端設備提供A、B路電源,模式二分布在兩個列頭柜向末端設備提供A路或B路電源。按照國家標準*機房供配電系統結構時,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路任何一路出現故障時均不影響末端設備運行。從運維管理角度考慮,模式一中的一路出x故障時,因A、B兩路供電均在一個列頭柜內,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WDZB.YJV3×6 mm: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傳統列頭柜配置比較 

       列頭柜作為數據中心機房末端配電管理的核心設備,需滿足配電、監控、測量、保護、告警等作用。由于信息化設備進一步集中,數據中心對供電可靠性和可管理性要要求越來越高,同時,隨著電力電子技術的發展和計算機技術的融合,列頭柜高度智能化的技術也逐步成熟,從代簡單智能列頭柜逐步演進到高度智能第四代的技術。

       列頭柜的發展大致分為四代,如下: 

      代:普通開關水平安裝,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:多數采用開關豎直安裝,在進線端加人數字電表或觸摸屏和通訊接口,只監控主路,未監控分路。 

       第三代:在第二代基礎上增加分路監控,實現電源監控和能源管理。 

       第四代:在第三代基礎上提高了智能化技術,集中開關模塊化、二次元件模塊化、調相、 監控與一體。

       其中,第二代為傳統配電柜,第三代為目前數據中心常用精密配電柜,第四代為模塊化精密配電柜口,從柜體集成、監控、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,將配電系統完全納入機房監控系統,監測內容除電氣系統主母線及支路所有電氣參數,為機房提供更為全面的管理及服務。同時,用戶可以及早發現安全隱患,采取相應改進措施改善機房供電情況,有效規避風險。 

 

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之一,為國內外大型數據中心所應用。目前國內大型數據中心已有多個應用案例,本數據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 

      本數據中心實施的機柜母線槽供電方案滿足機房要求,采用2N供電方式,如圖5所示。

 

圖5智能母線槽供電方案

       主機房區各自從UPS室I和UPS室2中UPS系統輸出A、B路主干母線槽(本案采用 IP54.1250 A密集母線)接人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設計要點 

3.2.2.1主要構成 

      機柜端智能母線槽包含“進線箱、直線段、插接箱”如圖6所示。

 

 

圖6智能母線槽構成圖

 

       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,并在箱體內配置測量單元和通訊單元,監測電流、電壓、功率因數等數據。

       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,兩者區別在于軌道式母線槽內置滑觸導軌,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據中心設備機柜布置和變化調整需求。

       3)插接箱:插接箱用于從母線直身段取電,支持熱插拔和調相,內部配置測量單元、通訊單元、防雷單元及工業連接器單元等,可監測機柜端電流、電壓、功率因數等數據。

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。本案數據中心機房梁底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、開關狀態監控單元、通訊接口單元等元件實時監測電流,電壓,功率和電量,實時顯示每個機柜PDU的運行狀態,實現對機柜的精密監控和能效管理??蓪崿F故障報警,實時監控電能質量,包括負載系數,諧波含量等,所有監測參數將匯集到母線系統的監控總單元模塊,通過開放通訊協議接口可與機房綜合監控系統進行對接,可實時查看數據中心機房運營狀況,任何監測點出現故障,均可在系統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智能母線槽監控圖

 

4 智能母線槽配電方案優勢

4.1 可靠性對比

       1)智能化插接母線相對傳統的“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,將傳統現場機電工程安裝轉化為工廠預

制產品拼接,提升整體系統成品質量可靠性。

       2)相對傳統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橋架和電纜,供電架構清晰明朗,提高機房整潔度。

      2)智能化插接母線可根據機柜數量、位置、功率密度的變化靈活地調整母線的長度、走向、機柜端開關容量或相位。

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

      4)系統支持部件級在線熱插拔擴展,可實現根據業務發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,規避了傳統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)可隨時根據客戶需要調整配置,減少技改投資。

 

5安科瑞列頭柜及監測產品介紹

       隨著數據中心的迅猛發展,數據中心能耗問題也越來越突出,高效可靠的數據中心配電系統方案,是提高數據中心電能使用效率,降低設備能耗的有效方式。

       AMC系列數據中心精密配電系統是針對數據機房末端設計的,能夠綜合采集所有能源數據的智能系統,為交直流電源配電柜提供的電參量信息,并可通過通訊將數據上傳到動環監控系統,實現對整個數據機房的實時監控和有效管理,為實現綠色IDC提供可靠保證。

5.1精密配電管理解決方案

5.1.1交流系統

       1)功能要求:

       遙測:輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度;輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度;遙信:輸入分路的過壓/欠壓,缺相,過流,輸入分路和輸出分路的開關狀態,具備電流、功率需用量分析和統計,實現電壓、電流、功率等參數的越限報警功能。

       2)配置方案-示意圖

 

 

配置方案 

多功能儀表       PZ72L-E4

電流互感器       AKH-0.66-30I-XXA/5A

5.1.2直流系統

       1) 功能要求

       遙測:輸入分路的電壓、電流、功率、電度;

       遙信:輸入分路的過壓/欠壓,輸入分路的熔絲狀態,具備電流、功率需用量分析和統計,實現電壓、電流、功率等參數的越限功能。

       2)配置方案-示意圖

 

配置方案

多功能儀表          PZ72L-DE

 霍爾傳感器          AHKC-F-  XXA/5V

 開關電源            SBD-30  (48V)

 

 

 

5.2產品規格

 

說明:■為標配功能。

 

5.3配套附件

 

6安科瑞母線槽監測產品介紹

6.1概述

       數據中心小母線系統是數據中心末端母線供配電系統的俗稱。近年來,隨著數據中心建設的快速發展和更高需求,智能小母線系統逐漸被應用于機房的末端配電中,具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點,即插式插接箱給各個機柜內的PDU分配電。始端箱和插接箱內可設置監測模塊,將數據上傳至動環監控中心。

6.2  AMB智能小母線管理系統

       1)交流系統功能:

       遙測:三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、有功電能、無功電能、電纜溫度,系統頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態、電壓/電流諧波含量、電流/功率;

       遙信:過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、過頻率、欠頻率越限、零地電壓、零線電流、溫/濕度告警,開關狀態、開關跳閘;    

       2)直流系統功能:

      遙測:電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態、電流/功率;

      遙信:過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、溫/濕度告警,開關狀態、開關跳閘;                             

 

6.3產品介紹

    

    

 

說明:■為標配功能。

 

7結束語

       可靠性、可維護性、經濟性、可擴展性和節能環保是電力數據建設和運維的幾大關鍵要素,供配電系統更是數據中心基礎設施中的關鍵環節。隨著電網IT信息系統快速發展,數據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構進行支撐。本文通過對不同種機柜端配電方式的對比分析,以及結合實際案例應用分析智能母線槽設計要求、安裝方式、對比優勢,智能母線槽是電力數據中心末端配電的優選方案之一。

 

參考文獻: 

【1】王德文.劉揚.一種電力云數據中心的任務調度策略[J].電力系統自動化,2014(8):61-66.

【2】吳勁松、李光泰、李舒濤、王玉庭、張學昶.電力數據中心機柜端配電設計探討.

【3】安科瑞數據中心IDC配電監控解決方案.2020.03版

 

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