新型数据中心低压全母线配电方案分析

［张飘 骆林杰 张海明］

1 概述

随着云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术的快速发展，数据呈现爆炸式增长。在此次新冠肺炎疫情防控工作中，大数据发挥了非常核心的作用。作为储存和计算的重要基础设施，加快建设大数据中心是大势所趋。

现代数据中心正朝着大型化、高密度、绿色环保、模块化方向发展，随着IT 技术的发展，出租机房等商业模式的兴起，机房建设之初机柜密度不确定性大为增加，对其基础设施提出了更高的要求，应同时兼备灵活性、可靠性、经济性及快速部署的特点和要求。

传统数据中心的低压配电系统以电缆方式为主，技术成熟、单根电缆故障影响范围小。但是存在列头柜占用服务器机柜空间、施工复杂和周期较长、末端配电扩展困难等缺点。最近几年数据机架列出现了智能小母线来替代列头柜及电缆的配电方式，增加了服务器机柜空间，施工更简单灵活，但智能小母线前端还是以电缆方式为主，为了进一步提高大型数据中心的配电施工和扩容灵活性，可考虑采用大容量母线替代电缆，实现低压全母线配电。

本文分析了低压全母线配电方案，并和传统母线+电缆+列头柜配电模式进行了对比，并结合典型数据中心机房案例，定量分析了两种模式下可安装服务器机柜数量、建设成本及经济效益等。

2 传统低压电缆配电方式

机房传统低压配电系统一般采用2路10 kV市电接入，经过变压器、低压配电柜分别接入不间断电源设备，再经过不间断电源输出柜连接至各个列头柜，从列头柜敷设电缆接入机柜内PDU，可分为三级配电：变压器输出——低压配电——交流（直流）不间断电源——列头柜——服务器机柜。

第二级一般采用电缆，由交流（直流）UPS——列头柜的机房配电系统。传统数据中心机房内配电方案大多数使用列头柜加电缆的组合方案。数据中心列头柜通常放置于一列服务器机柜的始端，作为该列服务器机柜的电源分配与保护的终端配电柜，列头柜通常以放射式的配电形式与上一级配电柜连接。通常，第二级配电的容量介于100～400 A 之间。

第三级一般采用电缆，由列头柜——服务器机柜的末端配电系统；列头柜的功能是对这一列机柜所带的交直流负载提供电源，起到电能分配、数据的监控、数据的测量、设备的保护、设备的告警等功能。列头柜设计了很多断路器，每个输出断路器与各个服务器机柜的PDU 连接构成数据中心传统的终端供配电系统。通常，第三级配电的容量为25～80 A 之间。近几年也有些机房在末端配电采用智能小母线方式。

传统配电方式技术成熟、单根电缆故障影响范围较小。但是，电缆布放工程量较大、施工周期较长，智能管理能力较差，且列头柜占用机柜空间、电缆电能损耗较大、末端配电扩展困难。

3 低压全母线配电方案

3.1 方案简介

全母线配电方案包括从变压器低压侧干线大电流母线配电到低压配电柜经动力大母线输配电到交流（直流）不间断电源（第一级配电）和交/直流不间断电源到机房每列机架列头（第二级配电），以及每列机架上方的智能小母线到每个服务器机柜（第三级配电），如图1 所示。

图1 机房全母线配电系统

一般来说，通常定义800 A 做为大小母线分界点，800 A 及以上为配电大母线，800 A 以下为机房小母线。多数情况下单列机柜服务器负载总功率很少有超过400 kW，因此多数运用小母线电流都不超过800 A，电流在160 A～630 A 之间，其中大部分在250 A 以下，大小母线容量分界点及典型应用场景，如表1 所示。

表1 大小母线容量分界点及典型应用场景

3.2 大母线系统

大母线配电常用在变压器低压侧到低压配电柜，低压配电柜到交流（直流）不间断电源，以及不间断电源到机房配电柜的路径中，按绝缘方式可分为空气式母线槽、密集绝缘母线槽和高强度母线槽三种，是由金属板（钢板或铝镁合金板）为保护外壳、导电排、绝缘材料及有关附件组成的母线系统。母线槽作为电能的传输介质，可以将电能更可靠、安全地输送到负载侧。母线由工厂成套生产，质量有保证，运行维护工作量小，施工安装简便。

母线供电方式由主干母线、插接箱、机柜端母线始端箱及测量单元、分支母线、机柜末端插接箱及多功能表采集智能终端组成，其特点是各段母线之间有多个连接点，理论上可靠性比整条电缆的可靠性低，但由于其对母线的温升、电流、电压、功率等参数进行监控，可实现主动式配电智能管理。另外，母线槽外壳采用多点接地，使外壳基本处于等电位接地方式，大为简化结构，并杜绝人身触电危险。

我去公共泳池游泳的时候，水温都达不到精子生存的温度即32～36摄氏度之间，室内的恒温泳池一般也就在26～28摄氏度。

相比于传统的电缆而言，母线槽具有载流量大，防护等级高，施工方便快捷，安全可靠等优点。

3.3 智能小母线配电

智能小母线配电系统是典型的树干式供配电系统，配电柜至各机柜之间采用一条干线连接的配电方式，中间不需要配置列头柜，如图2 所示。相较于传统列头柜+电缆的配电方式，可节省列头柜投资及安装空间，便于提前预制及现场安装，也便于后续维护和灵活扩容改造。

图2 智能小母线配电方案

在每列机柜的列头，第三级小母线始端与第二级大母线对接，通过母线插接箱内的断路器与每个服务器机柜中的PDU 连接构成数据中心全母线配电系统，如图3 所示。

图3 机房全母线配电方案示意图

3.4 全母线配电方案优势

随着科学技术的发展进步，新技术、新工艺、新产品不断地创新，传统放射式电缆敷设方式虽然供电可靠性比树干式高，但存在工艺要求高、施工难度大、不易扩展和调整等诸多弊端，电缆也无法重复利用。近年来大母线配电技术和智能小母线技术的不断改进，无论是搭接还是插接方式，母线接头的稳定性都有很大的提高，结合定期维护保养和仪器设备对母线接头温升、电流进行监控，可以大幅减小事故发生的概率；母线可根据不同机柜负载大小不同灵活分配，如需扩容、调相（三相不平衡时），只需调整对应的插接箱，而无需对线路做任何调整；同时母线采用模块化功能元件和可扩展的预制布线系统，易于扩容。

全母线方式具有以下优点：

（1）无需铺设大量电缆，可通过插接箱就近供电（插接箱位置可调），服务器机柜PDU 插头可直接插入到母线插接箱中，无复杂接线工作；

（2）支持随时(热)扩充回路数，按需变化适应性高；

（3）供电系统简洁易维护，可实现全程智能监控。

（4）更加绿色、环保和节能：全母线方式极大的提升了配电的实用性，为运维带来了极大的可扩展性和灵活性，可以随时根据客户的需要进行在线扩容、重新部署和升级设备配电，无需进行列头柜和线缆的改造工程，可以极大的降低数据中心的运维成本，保证数据中心持续稳定的运行。

（5）快速部署：母线槽方式因采用模块化设计，且布放简单，大大提升了安装效率并降低了安装故障率，一个标准模块的部署只需要5 天；而列头柜加线缆方式需要15 天，同时传统方式工人现场作业，人工成本及人为故障因素较高。

传统电缆配电段全母线配电特点对比如表2 所示。

表2 电缆配电和全母线配电特点对比

4 典型方案对比分析

某典型机房规划建设面积600 平方米，单机柜功耗5 kVA（同时系数取0.8）。

方案一：全母线供电模式，动力母线+智能小母线，由于取消列头柜，机房内可摆放212 个机柜，采用母线配电方案的机房布局方案如图4 所示。在每列机柜顶部铺设2 条与机柜等长的轨道式小母线，来自UPS 输出的A 路与B 路，UPS 输出柜内2 000 A 开关采用母线槽连接至小母线始端箱，各服务器机柜配电通过其安装在其顶部的A/B 段小母线的插接箱分别引电至机柜内的A/B 路PDU 完成机柜双路取电。母线插接箱位置可根据机柜位置灵活改变和设置。每条小母线规格160 A，输出插接箱6 个（每个3 路×32 A 输出）。

图4 采用母线配电方案的机房布局方案

方案二：传统机房供电模式，列头柜+电缆供电，机房内摆放202 个机柜，采用传统电缆配电方案的机房布局如图5 所示。列头柜按双回路供电设计，列头柜输入来自UPS 的A 路与B 路，UPS 输出柜内160 A 开关输出至列头柜采用4×70+1×35 mm2电缆，A/B 路列头柜分别引电缆至各服务器机柜内PDU 的连接实现供电，列头柜输出32 A/1P×24 路×2 台。每个机柜配置2 路32 A（单相）开关，电缆采用3×6 mm2。

图5 采用传统电缆配电方案的机房布局

两个方案造价及经济效益对比分析如表3 所示。

表3 造价及经济效益对比分析

本案例两种方案造价对比：动力母线+智能小母线方案造价较电缆+列头柜方案总造价约高77 万元，收益增加约51 万元，投资回收期约为1.51 年（在所有机柜都满负荷安装了服务器的情况下。）

5 结论

可靠性、可维护性、经济性、可扩展性和节能环保是电力数据建设和运维的几大关键要素，供配电系统更是数据中心基础设施中的关键环节。随着电网IT 信息系统快速发展，数据中心低压配电应采用具备更高可用性、更高安全性和灵活性的配电结构进行支撑。本文通过对全母线方案和传统电缆配电方案的定性和定量对比分析可以看出，全母线配电方案具有更高的灵活性，同时其具有施工周期短、使用寿命长、可重复利用等特点，增加了机房的利用率和收益，投资回收期较短，因此随着今后技术逐步成熟、成本进一步降低，可考虑逐步推广使用。