浅谈新型数据中心的智能母线配电系统

发布时间：2022-10-8 11:01 发布者：安科瑞仲晓栋

浅谈新型数据中心的智能母线配电系统

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0 引言

数据现如今对于人们的重要性不亚于人之于空气、水。无论是个人工作生活中产生的各类数字信息，还是企业之间业务往来所需要的数据，亦或是国家层面的安全数据，都离不开在背后承载着连接与计算的基础设施——数据中心。随着云计算、物联网、5G、人工智能等技术领域的兴起，数据中心的需求量呈现出爆炸式的增长。为满足数据中心高效运营的需求，对数据中心末端供配电系统在经济型、持续性、灵活性、可靠性上提出了挑战。数据中心末端母线系统逐步演变为末端供配电的主流产品。能够极大地规避了强电列头柜加电缆早期数据中心末端供配电形式的不足，实现了模块化，硬连接，可重复利用保护投资、供配电设计分离的新型高安全性末端供配电目的。数据中心末端母线系统已经成为解决数据中心内供配电发展的一种新方式。

关键词：数据中心；末端母线系统；供配电；稳定性

1、数据中心的变化

1.1 单机柜功率密度高密化

传统数据中心受限于当时技术的发展，在初期建设规划过程中，并无考虑过多的冗余度，其单机柜功率密度普遍在1~3 kW之间。但随着互联网技术的高速发展，人类进入了信息时代。此时支撑着数据连接与计算的数据中心面临着业务量大幅提升的现状，在新建设的数据中心中，单机柜的功率密度提升到了 4~10 kW，部分数据中心可支持最大的机柜功率达 20~30 kW。为了尽可能地提高 IDC （互联网数据中心）机房单位面积产生的价值，在相同空间内放置更多IT设备成了数据中心技术人员考虑与攻关的方向，机柜高密度的变化给配电与暖通专业带来相应的挑战。在旧机房改造过程中，许多配电与暖通设备需要全部拆除更换全新的设备设施。这不仅造成了资源上的浪费，也增加了企业的运营成本。

1.2 PUE 值呈下降趋势

PUE（电源使用效率）值等于数据中心总设备能耗/IT设备能耗，PUE值越接近1，表示一个数据中心的绿色化程度越高。目前，PUE 值已成为衡量数据中心能源效率的重要指标，我国数据中心的平均PUE值在2~2.5之间。由于2010年之前国家没有绿色数据中心的要求，此前一些数据中心的PUE值高达3.0。2013 年以后新建的数据中心平均 PUE 值1.5~1.8之间。2018年北京市政府公布《北京市新增产业的禁止和限制目录》。目录指出禁止新建和扩建信息处理和存储支持服务中的数据中心（PUE 值在1.4以下的云计算数据中心除外）。这是政府在建设绿色节能的数据中心方面所释放出来的信号，PUE值的下降呈必然趋势。全球能源的紧张，政府的宏观政策的调控，使得数据中心这个耗能大户走上一条可持续发展的道路。

1.3 建设方式的改变

数据中心基础建设在本质上是一项综合性的系统工程。早前的建设方式通过建造一栋整体的楼宇，加上供配电系统、柴油发电系统、空调系统、室内装修系统等数据中心配套设施。这类整体建造方式给后期的扩容带来了不少阻力。缺少灵活性，改造成本不亚于再造一座新的数据中心。现今市场中较为主流的是整体规划、分布实施的模块化建设方式。此种建设方式可根据业务的发展，随用随建，可以有效降低基础设施的经济性贬值和技术性贬值，提升资金的利用率。

1.4 数据中心运营管理的智能化趋势

在物理上建设完成一座数据中心，并不意味着数据中心的生命周期已经结束。对于数据中心的运维才是数据中心生命周期的开始，要真正发挥数据中心的功能和作用，数据中心的运营管理是至关重要的一个环节。传统的数据中心在运维管理上更多地是依靠人工的方式来进行的。根据相关数据表明，在导致数据中心故障的所有因素中，技术问题所占比例很小，但是人为失误引发的故障占近70%的比例。人为的不可控是数据中心安全运营较大的干扰因素之一，随着人工智能技术的发展，机器人将融入更多的运营管理应用场景，代替可控度不确定的人工操作，减少数据中心的故障率。

2、数据中心末端母线介绍

数据中末端母线是指0.69KV，800A以下应用于数据中心内部的末端供配电系统，应用电缆或密集型母排自上级配电柜出线测馈入供电始端单元，通过母线导体实现供电，再由配电单元馈电至机柜测用电设备。

2.1数据中心末端配电结构

传统数据中心根据负荷容量选用35KV或10KV作为进线，根据不同等级配置单路或者双路变压器及UPS，为IT设备供电，而制冷和辅助设备一般会有单独的配电回路。UPS配电后端的设备，称之为数据中心末端配电。

传统末端配电设备包括：列头柜，精密配电柜，PDU等。随着数据中心进一步发展，对大功率，高可靠，模块化的需求日益加剧，机房末端母线产品，逐渐成为一种替代列头柜的优势方案，为更多客户所接受。

机房末端母线系统方案很好地解决了传统列头柜施工困难、增容困难、寿命短等问题，特备是对于大容量、高压直流的配电方案和面对机柜使用客户需要经常变化配置的机房应用中具有更大的优势。

2.2末端母线供电模式

末端母线配电的工作形式可以分为双路热备份和一主一备的冷备份方式，目前采用的主流方案是双路热备份的配电方案。

1.2.1双路热备份

采用两路母线供电，两路母线分别来自不同的UPS和变压器。平时各占50%负荷，一旦一路失电需要一路带100%的负荷。此种方式可以在发生断电故障时候进行快速切换，是目前比较常用的一种母线配电形式。

1.2.2一主一备（冷备份）

采用两路母线供电，两路母线分别来自不同的UPS和变压器。分为主备回路，平时主回路承载100%负荷容量，备用回路不带电，主回路失电后，备用回路自动切换。此种配电形式比较直观，一路设备相对线路损耗比较少。但是主路负荷即是全部负荷，对设备要求比较高，对母线温升需要进行特殊规范，需要比双路热备份要求更低才不会由于母线温升导致对己方环境产生影响。冷备份的方案适合对供电可靠性要求比相对比较低的场景

3、智能母线槽方案优势

3.1智能母线槽具有高度的灵活性

传统列头柜方案，其配电方式为UPS出线柜之后接配电列头柜，之后通过线缆为每台机柜内设备供电。采用放射状供配电结构，即每个机柜通过一根电缆与列头配电柜线缆一对一连接，今后新增或机柜扩容变更提升功率时需要重新排放电缆。

智能小母线摆脱了传统列头柜布线困难的问题，部署简易快捷，仅需将母线槽安装到所有的预期机柜上方即可完成部署，可以依据用户的进驻实现即需即安装。个别机柜增加输出容量或者回路数量无需对母线槽做出变更，仅需增加或者变更插接箱即可，而且可以带电插拔。

3.2智能母线槽投入快，施工周期短

采用轨道式小母线系统安装部署快速，如使用传统列头柜加线缆模式，完成一个机房典型施工工期约为40-50天涉及到配电柜就位，电缆桥架安装，电缆裁剪铺设，电缆对接等多个繁琐工序。而部署母线系统只需10-15天就可以完成一个机房的交付，节约大量的施工时间和人工投入同时也节省了桥架和电缆的需求。可提前近1个月交付客户使用。

3.3智能母线槽系统安全性更高、使用寿命更长

由于小母线主要结构为“铝合金外壳+B级及以上绝缘护套+铜母排”，一方面使得整个输电干线的电气稳定性（包括短时耐受电流、过载能力)更强:另一方面，整条母线系统的散热性极好，有效防止因热量堆积造成的短路隐患，较大程度提高了使用寿命。母线使用寿命在30年左右，而电缆使用寿命一般在10-15年。

3.4母线增加了机房的利用率和收益

采用母线方式由于省去了强电列头柜，原列头柜的位置可增加配置1个IT机柜。一般每20个左右IT机柜配置1台强电列头柜，去掉列头柜后可增加1/20左右的IT机柜数量，按一个机房1000个机柜为例，原需要50个列头柜，采用母线后机房IT机柜可达1050个，每个机柜租赁利润2万/年计算，可增加年利润100万。

因此，智能小母线作为数据中心机房末端配电的后期之秀，能够逐渐对传统的列头柜方案形成冲击，并能以每年20%以上的速度持续增长，正是由于以上优点做支撑。

4、安科瑞智能小母线解决方案

安科瑞智能母线监控产品分为交流和直流母线监控两类，包括始端箱监测模块、插接箱监测模块以及触摸屏，另外还可以搭配母线槽连接器红外测温模块用于监测母线槽的运行温度，确保母线槽配电安全。

4.1、系统结构