浅谈机架母线配电技术在数据中心机房的应用

王丹丹

安科瑞电气股份有限公司上海嘉定 201801

摘要:通过结合机架母线槽系统的使用特点，将“始端箱7线槽+终端箱”机架母线配电方式与现有"列头柜+电缆"配电方式进行使用性能与技术经济指标的对比，分析了机架母线柔，性配电、保护、扩容、监测等多种功能，说明机架母线在提高了数据中心供电方式稳定性、灵活性的同时，大大提高了单位空间的装机率。

关键词：数据中心;机房配电；列头柜;机架母线

0引言

随着大数据的飞速发展，数据机房的传统“列头柜+电缆” 配电方式已经不能满足日新月异的供电需求，于是出现了一种更加灵活的配电方案:机架母线配电技术，釆用“始端箱+母线槽+终端箱”的配电形式，实现对电子信息设备进行柔性配电、保护、扩容、监测等多种功能，提高了数据中心供电稳定性、灵活性的同时，大大提高了单位空间的装机率,为数据中心带来额外的收入。

1传统“列头柜+电缆”配电方式存在的问题

1.1列头柜浪费空间，装机率低下

传统“列头柜+电缆”配电方式需要在每列加装一个电源列头柜及空调列头柜，占用寸土寸金的机房空间，影响数据中心的装机率，制约公司IDC业务的发展。

1.2可靠性低，扩展困难

釆用传统“列头柜+电缆”配电方案，列头柜内布线复杂，故障点较多,降低系统的可靠性;对于机柜经常变化的负载容量需求，需要重新敷设新电缆，增加项目投资、施工复杂且周期长，扩展困难。

1.3列头柜监控系统存在单点隐患

传统“列头柜+电缆”配电方式是由低压电缆进入列头柜，通过主路控制开关控制各分路开关，再由分路开关控制各机柜PDU 供电，且还要实现众多点位的电源监控，但凡列头柜监控模块出现故障，将会导失去整列机柜的电源监控，存在单点隐患，而且此类故障一般只能由厂家工程师现场调试更换后才能恢复，若在此期间发生宕机，将不能及时处理，产生严重后果。

1.4安装工作复杂，易产生维护隐患

传统“列头柜+电缆”配电方式接线工作量大、周期长，施工工艺与水平参差不齐，存在人为接线错误、标签标识错误、动力线监控线虚接等各类问题，对运行维护造成重大隐患。

2总体解决方案描述

为了克服上述问题，本文提出了釆用了 “始端箱+母线槽+终端箱”的机架母线（以下简称机架母线）配电方式实现对数据中心设备的配电、保护、扩容、监测等多种功能，该配电方式由始端箱、导轨式母线槽、终端箱（插接箱）组成，其原理是在机柜顶部预制母线槽,之后根据每一台机柜内设备的需要再单独配置对应的终端箱（插接箱），放置在对应机柜的摆放位置，由终端箱（插接箱）引出电缆为机柜供电（如图1）.

3具体方案实施

3.1方案设计

母线系统有多种电流标准，大多数厂商产品都提供三种规格：10QA、225A和400A.根据项目需求，结合母线槽系统的使用特点，由于建设模块内每列机柜均釆用两根母线槽的双路供电方式，由于机柜负载均为5KW,考虑到现阶段实际应用以及日后扩容变更、单一支路增容、冗余、备份等需求，部署于机房模块内的AC交流母线槽主体均釆用225A规格，可提供单列单路母线槽133KW负载需求.根据该机房柜列长度，措配多根3米及2米AC母线槽主体，以及相应的接插箱、连接件等等，完成母线槽系统配置。

3.2现场实施要点

此次改造项目选取的中国移动（呼和浩特）数据中心B02 机房14模块由于柜顶部空间分别设置了弱电线缆桥架、光纤槽、背板空调管路桥架，个别列端头位置还有空调管理系统的连续转弯，导致空间非常紧张，机柜母线安装困难，甚至出现了空调管路紧贴母线始端箱的情况.考虑到机柜母线合理的安装位置是机柜后门位置，建议前期空调、弱电施工时，在机柜顶部空间的后部位置预留500~600nmi的空间，用于安装两根机柜母线,分别用于机柜A/B路供电。

由于始端箱安装位置比较高，且始端箱内的电气质量釆集参数也比较多，但在始端箱内设置的显示屏很难显示完整并且由于位置过高，无法进行操作切换页面，建议取消显示屏，将釆集结果显示放到主控箱监视屏上进行就地显示和检査。只在始端箱保留故障指示灯，便于后期运维人员简单观察和判断始端箱是否出现故障。

在实施顺序上，建议机柜母线和桥架同时或衔接施工,便于各方沟通相互位置，保证各子系统均有合理充足的操作空间。此次项目实施过程中机柜母线和背板空调管路桥架发生冲突，因此只能将母线安装在机柜前门位置,导致端接箱至PDU 的电缆变长，且不便于走线。而且可能造成后期维护的不便。

另外，当机柜母线和背板同时釆用时，建议按照"水（冷）/ 电分离”的原则，将背板管路系统放置于地板下或机柜底座中，便于分别维护，减少各系统间的冲突。

3.3后期调试

安装完毕后，以B02机房楼14模块A列为例，分别测得不同时段各插接头与母线槽接触温升、插接箱表面温升、工业插座连接处温升、插接箱输出电压以及各显示屏状态如图所示（如图2）。

图2单列机架母线系统测试情况

根据标准，母线槽在平均环境温度为25℃、额定负荷状态下，其温升要求如下：

由此可见,当环境温度为26℃,机柜负载6KW时,插接头与母线槽接触温升、插接箱表面温升、工业插座连接处温升、插接箱输出电压以及各显示屏状态完全满足要求。此外，现场针对整个模块各列机柜母线做了季度试运行测试（如图3）, 结果均满足要求。

图3机架母线配电系统季度试运行情况

4 “始端箱+母线槽+终端箱”机架母线配电方式的效能分析

4.1节省空间，提高装机率

相对于传统“列头柜+电缆”配电方式，机架母线配电系统无需在机柜顶端布置强电走线架,节省机柜上方空间;更重要的是“始端箱+母线槽+终端箱”机架母线配电方式，节省列头柜占地，提高装机率，就中国移动（呼和浩特）数据中心机房为例，一个模块就能节省8个机柜位置，一个机房32个模块就能节省出256个机柜的空间，相当于2个模块。按照一个机柜一年6万元租金计算，中国移动（呼和浩特）数据中心每个机房每年能增加收入1536万元。

4.2柔性配电，即插即用

机架母线配电方式是根据每一台机柜需求单独配置终端箱（插接箱），这样便于调整分路及容量，柔性配电，避免容量浪费，较传统“列头柜+电缆”一对一供电方式更为灵活，能做到终端箱（插接箱）即插即用，可灵活适用需求；此外,母线槽系统需保证能在不停电的情况下对各部件安装、连接的紧固程度进行检查。此外，母线插接箱内的断路器与机柜PDU直接连接，故障点少，提高系统可用性；对于机柜经常变化的负载容量需求,仅需要增加插接单元，直接带电安装于母线上即可完成扩展。

4.3分路釆集，智能监控

较传统“列头柜+电缆”配电依靠列头柜实现监控的方式, 机架母线配电系统中的始端箱具有智能监控模块，支持多种通讯协议，包括Modbus RTU, Modbus TCP以及无线信号传输，可以无缝连接到整个建筑管理系统（BMS）或数据中心基础设施管理系统（DCIM）中，通过标准协议与后台监控系统进行集成。在智能釆集电气参数（例如:输入分路的电压、电流、功率、电度，输出分路电流、功率、电度以及输入分路的过压/欠压、输入分路的熔丝状态等）的同时，还能实现电压、电流、功率、绝缘电阻值等参数的越限报警和重复性告警不阻塞功能, 当维护人员为了消除原已发出的告警信号而关掉了告警声信号后,如果又产生新的告警，会再次自动发出声光告警信号（如图4）。

图4机架母线配电系统监控

4.4分散散热，自然冷却

随着装机量的增加,需要布放越来越多的电缆，严重阻碍空气流通，影响制冷效果。机架母线提供同等供电能力的同时，占用体积仅为电缆桥架的35%,能更好的保持空调风道畅通,提高制冷效率，降低电能损耗和数据中心运营成本。始端箱、母线槽、终端箱（插接箱）分开散热，同时外壳釆用铝合金材质，利用空气自然冷却，散热效果非常好，运行过程中不产生噪声或震动。

4.5安装便捷，节省人工

相对于传统"列头柜+电缆”配电方式，省去了走线架及大量电缆敷设的时间,母线安装全部通过膨胀螺丝及吊杆，母线槽整体吊挂,终端箱（插接箱）安装只需通过“旋转-锁定”的方式即可（如图5）。据不完全统计，该技术安装便捷，时间成本节省30%-60%（机架母线5-7天左右，传统做法直流电缆工期10天左右，交流电缆工期15天左右），较电缆敷设、人工接线节省大量时间；此外母线槽及终端箱（插接箱）产品设计模块化，安装快捷的同时大大降低人为安装错误率。

5 安科瑞精密配电及监控系统解决方案

5.1 概述

随着数据中心的迅猛发展，数据中心的能耗问题也越来越突出，有关数据中心的能源管理和供配电设计已经成为热门问题，高效可靠的数据中心配电系统方案，是提高数据中心电能使用效率，降低设备能耗的有效方式。要实现数据中心的节能，首先需要监测每个用电负载，而数据中心负载回路非常的多，传统的测量仪表无法满足成本、体积、安装、施工等多方面的要求，因此需要采用适用于数据中心集中监控要求的多回路监控装置。

5.2 应用场所

适用于运营商、金融、政府、互联网、企业等数据中心。

5.3 系统结构

1）交流