新型數據中心低壓全母線配電方案分析

［張飄 駱林杰 張海明］

1 概述

隨著云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術的快速發展，數據呈現爆炸式增長。在此次新冠肺炎疫情防控工作中，大數據發揮了非常核心的作用。作為儲存和計算的重要基礎設施，加快建設大數據中心是大勢所趨。

現代數據中心正朝著大型化、高密度、綠色環保、模塊化方向發展，隨著IT 技術的發展，出租機房等商業模式的興起，機房建設之初機柜密度不確定性大為增加，對其基礎設施提出了更高的要求，應同時兼備靈活性、可靠性、經濟性及快速部署的特點和要求。

傳統數據中心的低壓配電系統以電纜方式為主，技術成熟、單根電纜故障影響范圍小。但是存在列頭柜占用服務器機柜空間、施工復雜和周期較長、末端配電擴展困難等缺點。最近幾年數據機架列出現了智能小母線來替代列頭柜及電纜的配電方式，增加了服務器機柜空間，施工更簡單靈活，但智能小母線前端還是以電纜方式為主，為了進一步提高大型數據中心的配電施工和擴容靈活性，可考慮采用大容量母線替代電纜，實現低壓全母線配電。

本文分析了低壓全母線配電方案，并和傳統母線+電纜+列頭柜配電模式進行了對比，并結合典型數據中心機房案例，定量分析了兩種模式下可安裝服務器機柜數量、建設成本及經濟效益等。

2 傳統低壓電纜配電方式

機房傳統低壓配電系統一般采用2路10 kV市電接入，經過變壓器、低壓配電柜分別接入不間斷電源設備，再經過不間斷電源輸出柜連接至各個列頭柜，從列頭柜敷設電纜接入機柜內PDU，可分為三級配電：變壓器輸出——低壓配電——交流（直流）不間斷電源——列頭柜——服務器機柜。

第二級一般采用電纜，由交流（直流）UPS——列頭柜的機房配電系統。傳統數據中心機房內配電方案大多數使用列頭柜加電纜的組合方案。數據中心列頭柜通常放置于一列服務器機柜的始端，作為該列服務器機柜的電源分配與保護的終端配電柜，列頭柜通常以放射式的配電形式與上一級配電柜連接。通常，第二級配電的容量介于100～400 A 之間。

第三級一般采用電纜，由列頭柜——服務器機柜的末端配電系統；列頭柜的功能是對這一列機柜所帶的交直流負載提供電源，起到電能分配、數據的監控、數據的測量、設備的保護、設備的告警等功能。列頭柜設計了很多斷路器，每個輸出斷路器與各個服務器機柜的PDU 連接構成數據中心傳統的終端供配電系統。通常，第三級配電的容量為25～80 A 之間。近幾年也有些機房在末端配電采用智能小母線方式。

傳統配電方式技術成熟、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，智能管理能力較差，且列頭柜占用機柜空間、電纜電能損耗較大、末端配電擴展困難。

3 低壓全母線配電方案

3.1 方案簡介

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

圖1 機房全母線配電系統

一般來說，通常定義800 A 做為大小母線分界點，800 A 及以上為配電大母線，800 A 以下為機房小母線。多數情況下單列機柜服務器負載總功率很少有超過400 kW，因此多數運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及典型應用場景，如表1 所示。

表1 大小母線容量分界點及典型應用場景

3.2 大母線系統

大母線配電常用在變壓器低壓側到低壓配電柜，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度母線槽三種，是由金屬板（鋼板或鋁鎂合金板）為保護外殼、導電排、絕緣材料及有關附件組成的母線系統。母線槽作為電能的傳輸介質，可以將電能更可靠、安全地輸送到負載側。母線由工廠成套生產，質量有保證，運行維護工作量小，施工安裝簡便。

母線供電方式由主干母線、插接箱、機柜端母線始端箱及測量單元、分支母線、機柜末端插接箱及多功能表采集智能終端組成，其特點是各段母線之間有多個連接點，理論上可靠性比整條電纜的可靠性低，但由于其對母線的溫升、電流、電壓、功率等參數進行監控，可實現主動式配電智能管理。另外，母線槽外殼采用多點接地，使外殼基本處于等電位接地方式，大為簡化結構，并杜絕人身觸電危險。

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

相比于傳統的電纜而言，母線槽具有載流量大，防護等級高，施工方便快捷，安全可靠等優點。

3.3 智能小母線配電

智能小母線配電系統是典型的樹干式供配電系統，配電柜至各機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。相較于傳統列頭柜+電纜的配電方式，可節省列頭柜投資及安裝空間，便于提前預制及現場安裝，也便于后續維護和靈活擴容改造。

圖2 智能小母線配電方案

在每列機柜的列頭，第三級小母線始端與第二級大母線對接，通過母線插接箱內的斷路器與每個服務器機柜中的PDU 連接構成數據中心全母線配電系統，如圖3 所示。

圖3 機房全母線配電方案示意圖

3.4 全母線配電方案優勢

隨著科學技術的發展進步，新技術、新工藝、新產品不斷地創新，傳統放射式電纜敷設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、不易擴展和調整等諸多弊端，電纜也無法重復利用。近年來大母線配電技術和智能小母線技術的不斷改進，無論是搭接還是插接方式，母線接頭的穩定性都有很大的提高，結合定期維護保養和儀器設備對母線接頭溫升、電流進行監控，可以大幅減小事故發生的概率；母線可根據不同機柜負載大小不同靈活分配，如需擴容、調相（三相不平衡時），只需調整對應的插接箱，而無需對線路做任何調整；同時母線采用模塊化功能元件和可擴展的預制布線系統，易于擴容。

全母線方式具有以下優點：

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

（2）支持隨時(熱)擴充回路數，按需變化適應性高；

（3）供電系統簡潔易維護，可實現全程智能監控。

（4）更加綠色、環保和節能：全母線方式極大的提升了配電的實用性，為運維帶來了極大的可擴展性和靈活性，可以隨時根據客戶的需要進行在線擴容、重新部署和升級設備配電，無需進行列頭柜和線纜的改造工程，可以極大的降低數據中心的運維成本，保證數據中心持續穩定的運行。

（5）快速部署：母線槽方式因采用模塊化設計，且布放簡單，大大提升了安裝效率并降低了安裝故障率，一個標準模塊的部署只需要5 天；而列頭柜加線纜方式需要15 天，同時傳統方式工人現場作業，人工成本及人為故障因素較高。

傳統電纜配電段全母線配電特點對比如表2 所示。

表2 電纜配電和全母線配電特點對比

4 典型方案對比分析

某典型機房規劃建設面積600 平方米，單機柜功耗5 kVA（同時系數取0.8）。

方案一：全母線供電模式，動力母線+智能小母線，由于取消列頭柜，機房內可擺放212 個機柜，采用母線配電方案的機房布局方案如圖4 所示。在每列機柜頂部鋪設2 條與機柜等長的軌道式小母線，來自UPS 輸出的A 路與B 路，UPS 輸出柜內2 000 A 開關采用母線槽連接至小母線始端箱，各服務器機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柜內的A/B 路PDU 完成機柜雙路取電。母線插接箱位置可根據機柜位置靈活改變和設置。每條小母線規格160 A，輸出插接箱6 個（每個3 路×32 A 輸出）。

圖4 采用母線配電方案的機房布局方案

方案二：傳統機房供電模式，列頭柜+電纜供電，機房內擺放202 個機柜，采用傳統電纜配電方案的機房布局如圖5 所示。列頭柜按雙回路供電設計，列頭柜輸入來自UPS 的A 路與B 路，UPS 輸出柜內160 A 開關輸出至列頭柜采用4×70+1×35 mm2電纜，A/B 路列頭柜分別引電纜至各服務器機柜內PDU 的連接實現供電，列頭柜輸出32 A/1P×24 路×2 臺。每個機柜配置2 路32 A（單相）開關，電纜采用3×6 mm2。

圖5 采用傳統電纜配電方案的機房布局

兩個方案造價及經濟效益對比分析如表3 所示。

表3 造價及經濟效益對比分析

本案例兩種方案造價對比：動力母線+智能小母線方案造價較電纜+列頭柜方案總造價約高77 萬元，收益增加約51 萬元，投資回收期約為1.51 年（在所有機柜都滿負荷安裝了服務器的情況下。）

5 結論

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，數據中心低壓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。本文通過對全母線方案和傳統電纜配電方案的定性和定量對比分析可以看出，全母線配電方案具有更高的靈活性，同時其具有施工周期短、使用壽命長、可重復利用等特點，增加了機房的利用率和收益，投資回收期較短，因此隨著今后技術逐步成熟、成本進一步降低，可考慮逐步推廣使用。