小母線配電模式在數(shù)據(jù)中心的應用研究

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)工程第二建設有限公司，江蘇 無錫 214028；3.西門子（上海）電氣傳動設備有限公司，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)定性的運行有較高的要求。與此同時，各行業(yè)對計算及相關(guān)資源的需求依然保持持續(xù)增加的趨勢，計算設備和資源數(shù)量仍需要保持快速的增長速度，以滿足大數(shù)據(jù)、5G、人工智能和云計算等新興技術(shù)發(fā)展需要。因此，在數(shù)據(jù)中心的建設過程中，限于有限的資源，提高單機柜裝機的功率密度，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，會對機房氣流造成一定影響，不利于IT 設備的散熱。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是各負荷獨立受電，當單臺設備發(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)行設計規(guī)范[1]對重要用電負荷的相關(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柜供電，以達到一路電源故障時，另一路仍可支持所有設備正常運行的目的。

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)中心建設和規(guī)劃過程中并未考慮到高功率密度的單機柜需求，傳統(tǒng)的列頭柜配電模式足以支撐1～3 kW 單機柜功率密度的需求。但隨著信息科技的快速發(fā)展，業(yè)務量大幅度提升，支撐數(shù)據(jù)存儲與計算的數(shù)據(jù)中心面臨著巨大壓力，提升單機柜密度是業(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，遠低于擴大建筑面積產(chǎn)生的成本。根據(jù)一項調(diào)查顯示[3]，在新建數(shù)據(jù)中心中，單機柜功率密度提升到了4～10 kW，甚至部分數(shù)據(jù)中心的最大支持功率達到了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)中心工程建設和運行維護中存在較多的問題，下面將對這些問題一一展開進行分析。

1.2.1 供電線纜、橋架金屬消耗量大

在列頭柜配電模式中，列頭柜至機柜存在多條回路，以10 列*20 臺機柜的機房為例，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。若以單機柜功率8 kW 計算，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到了4*120+1*70（銅芯）之巨。若要完成對以上電纜的敷設，所需要的配電橋架尺寸或數(shù)量也要相應的增大，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，導致每一條回路都需要現(xiàn)場完成電纜敷設和電纜頭制作安裝，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 占用機房空間

列頭柜的存在，必然會占用機房空間，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)中心機房內(nèi)，空間上顯得更加擁擠，同時也減少了機柜的可安裝數(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，這也就意味著當運行一定時間后，需將列頭柜上所有設備下架或暫時下架，對機柜進行全面更換，這將不利于IT 系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

1.2.5 系統(tǒng)靈活性差

列頭柜通常在出廠前，便已根據(jù)設計圖紙確定其內(nèi)部配置，當投入運行后，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利用，整個系統(tǒng)缺少靈活性。

1.2.6 維護檢修難度大

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

在采用地板下送風模式的機房內(nèi)，由于電纜和橋架占據(jù)了地板下的空間，會導致送風阻力的變大，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，特別是在擴容改造時，會導致送風量不夠，無法滿足機房制冷需求。

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器機柜。以美國Starline 產(chǎn)品為例，如圖1 所示，在IT 機房內(nèi)，通過在機柜上方安裝小母線，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，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；連接件負責直線段、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行，又節(jié)約了大量的分支電纜敷設及電纜頭的制作工作，預制化的產(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)省機房空間

小母線體積緊湊，占用空間少，可在機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IT 設備的服務器機柜騰出了更多空間，還對降低地板高度創(chuàng)造了一定條件，節(jié)省機房的建設成本。若是對外租賃的機房，還可通過增加機柜數(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)定運行。而小母線的使用壽命一般可達40 年[3]，可以更好地與建筑使用年限相匹配，而不用頻繁更換設備、下架信息系統(tǒng)服務器，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)機柜實際負載大小進行靈活分配。在安裝小母線時，可以預留一定的插接口，以便后續(xù)容量調(diào)整、容量增加。當需要擴容時，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，當需要進行調(diào)相、維修等相關(guān)操作時，只需對小母線上的插接箱進行相關(guān)調(diào)整即可，無需在線路上進行任何操作。

2.2.5 安裝方式靈活

在安裝方式上，除了常見的在機柜上方吊裝或支架固定，也可以根據(jù)實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，提高機房冷卻效益

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

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)約建設工程造價和運維花費兩個方面，一方面，小母線使用壽命長、擴容改造方便，降低了后期機房改造的工程建設成本；另一方面，日常運維時，檢查及檢修方便，節(jié)省人力并大大降低平均可修復時間，提升數(shù)據(jù)中心的可用性[4]。

3 結(jié)束語

在IT 設備運行場所的數(shù)據(jù)中心，供配電系統(tǒng)作為機房中一個重要的子系統(tǒng)，其穩(wěn)定性和可用性，是保障IT設備正常運轉(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時期加快工期、提高空間利用效率，在運維階段，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。