淺談智能母線在數據中心低壓配電中的應用與選型

摘 要：針對數據中心末端配電方式展開了討論研究了機房傳統配電方式構成及其優缺點，從提高數據中心配電系統的可靠性、可用性、擴展性以及維護性等角度 、分析了智能母線的結構和技術特點。結合智能母在江寧數據中心建設項目的實際應用，對以往機房采用傳統配電解決方案帶來的技術和管理層面上問題提出了智能母線解決方案。

關鍵詞：智能母線；數據中心；末端配電

1  引 言

  數據中心作為電力行業的信息中心樞紐 ，承載著關系電力行業核心信息的服務器 ，是一整套復雜的綜合設施 。它不僅僅包括計算機系統和其他與 之配套的設備 ，還包含配電系統 、 空調系統、環境監控系統 、消防系統等 。配電系統作為數據中心的關鍵環節之一 ， 在某種程度上決定了數據中心運營的安全和可用性 。 斷電或低質量供電是造成數據中心服務器宕機的主要因素之一 。 因此 ，保證數據中心電力持續而穩定的供應是工作的重中之重， 對 比傳統列柜配電方案，母線槽技術更先進 、可靠性更高 ，近幾年在數據中心末端配電中得到廣泛應用 。 

2  數據中心末端配電的界定

  數據中心配電系統存在３個層次。 

  主配電區 ：中壓配電柜、變壓器、備用發電機、低壓配電柜 。 

  干線配電區：UPS(不間斷電源）、低壓二級配電柜 。

  終端配電區：列頭柜、機架、IT設備。

  數據中心末端配電范圍是指從ups輸出柜引出 至機柜內部PDU（ 電源分配單元），主要供電對象為IT設備。 由于機房內物理跨度在10-50M, 這一區域是數據中心配電系統的核心環節, 稱為”后50M”。

3  傳統配電方案

  機房傳統配電系統一般采用2回10KV市電接 入， 經過變壓器、低壓配電柜分別接入兩組UPS電源設備 ，再經過UPS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 。 傳統配電方式技術成熟、單根電纜故障影響范圍小 。但是，列頭柜占用機柜空間大、 電纜電能損耗較大、施工復雜、隱患排查和末端配電擴展困難 。機房傳統配電方如 圖1所示

 4  智能母線配電方案 

4.1 概念

  智能母線系統是一種取代傳統電纜的數據中心末端配電解決方案，由始端箱、 干線單元、轉接單元、插接箱、連餅和綱組成，具有主路和支路電壓、電流、頻率、 開關狀態、 母排溫度檢測等功能。 母線 槽由 保護外殼 （ 鋼板或鋁板） 、 導電排、 絕緣材料及 有關附件組成 智 能母線組成部件如圖 2所示 。

 4.2 技術特點 

  （1） 安全可靠母線槽采用銅或鋁作為導電體， 電流容量大 電氣和機械性能好。同 時 ， 使用金屬槽作為保護外殼， 不會燃燒 。通過緊密接觸的金屬外殼散發熱量 ，散熱性能好。

  （2）安裝便捷 母線 槽配有標準 的 安裝支架， 無需單獨橋架支 撐， 采用 插接方式把主干線 電源分接至支線 ， 結 構 緊湊， 插拔方便 。

  （3）維護方便 母線 槽 日 常維護通常僅需測量外殼、 穿心螺栓 和接頭溫升， 維護量少 。

  （4）各個功能單元為模塊化定制， 靈活應對功率變化 ，并且可 以 隨需擴容

  （5）智 能監控 終端箱及插接箱均采用智 能化設計 ， 可實現集 成監控 ， 監測整個數據中 心的 運行狀況 

4.3智能母線配電方式 

智能母線在數據中心末端配電中連接方式如圖3所示。 干線母線槽接自二級配電柜 ，通過終端箱分接至次級母線槽 ，機柜采用雙路PDU供電,分別接入不同次級母線槽插接箱

圖3 智能母線配電方式

4.4 智能監控

  智能母線的數據采集 點分散于整個機房供配電系統的每個機柜插接箱 ，采集每個機柜的每一回路的用電信息 ，包含負載的電壓 、電流 、功率等 ；每一路母線干線的電能參數 ，包含電流 、電壓 、功率 ,干線能耗 、諧波畸變率及功率因數等 。通過開放式通信協議將數據傳輸至后臺監控系統 ，集中監控顯示 ，便于運維人員獲取數據

   同時 ，智能母線監控系 統還能通過數據采集實現母線槽溫度 、濕度和水浸智能化實時顯示和控制 ，預警由安裝、維護不當，表面積水或水滲入內部引起的母線故障 ，提升智能母線的安全性，實現全生命周期管理 。智能母線系統監控網絡拓撲如圖４所示

圖4 智能母線系統監控網絡拓撲

4.5 性能比較數據中心末端配電傳統方式與智能母線配電方式性能比較見表１ 

  表1末端配電傳統方式與智能母線配電方式性能比較

5 系統方案 

5.1 項目介紹

  江寧數據中心建設項目主要完成機房基礎環境建設 ，包括土建裝修、電源系統、空調系統、動環監控系統、消防系統 、數據配套等 。按照國網公司機房建設標準，將江寧機房建成符合模塊化 、虛擬化、智能化、綠色節能 、安全可靠的數據中心 。 其中，電源系統是整體數據中心機房髙可用性的后盾 。

5.2 設計方案

  采用智能母線取代傳統電纜的數據中心配電解決方案，IT設備由UPS供電 ，制冷機組、末端空調 、照明等其他負荷由市電直供。經核算 ，3層中密度機房可安裝機架208架 ，新增兩套獨立的800KV UPS系統 ，共配置４臺400KVA UPS主機，每臺主機配置 1組 480/1000AH蓄電池組 。采用2N雙母線配電架構，每個機柜安裝雙路PDU，分別由兩條獨立母線上的插接箱供電 ，其中，UPS配電柜至始端箱智能母線采用 1250A規格，始端箱至封閉冷通道各機柜智能母線采用160A規格 。中密度機房末端配電方式如 圖5所示。

6 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。     

  6.1精密配電管理解決方案

  6.1.1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

6.1.2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）

 6.2產品規格

  說明：■為標配功能。

6.3配套附件

7  安科瑞母線槽監測產品介紹

7.1 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。

7.2  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；                             

7.3 產品介紹

  說明：■為標配功能。

8 結束語 

  江寧數據中心建設項目在末端配電中采用智能母線系統方案取代傳統列頭柜＋電纜方案 ，可靠性髙、易于安裝維護，提高了數據中心配電系統的可用性、節能性、經濟性以及靈活性，確保了服務器、計算機等設備的穩定運行。

參考文獻： 

  【1】級凡.母線槽的選用【Ｊ】．科技信息，2013（4）：402-404.

  【2】談軍、戴勇、李偉，李沛 .智能母線在數據中心末端配電中的應用研究.

  【3】安科瑞數據中心IDC配電監控解決方案.2020.03版.

  【4】安科瑞企業微電網設計應用手冊.2019.11版.