数据中心机房配电架构系统分析

随着移动电信等运营商的集中采购和腾讯等大、中型数据中心的规模应用,小母线市场会继续阶跃式发展,并且逐渐呈现出取代列头柜的一个趋势。根据行业人员调研预估,小母线2019年约为3亿元市场,2021年规模约为5亿,此后每年大约保持在30%的一个增长速度,预计到2025年市场规模将达到一个20亿元左右。

1 数据中心机房配电架构

数据中心的配电结构是由中压配电、变压器、低压配电、动力母线、UPS、列头柜机房母线、工业连接器与PDU电源线七部分组成。我们可以把数据中心配电架构再进行细分,可分为三个层次:
　　第一层为接入层配电,是由高低压配电柜、变压器、柴油发电机组成数据中心总配电系统。　　
　　第二层为机房配电,是由低压配电柜和UPS、UPS配电柜和精密空调柜等组成。　　
　　第三层为机柜配电,也被称之为末端配电系统,该部分由列头柜或机房专用母线系统(交流方案,交直流方案)、PDU电力适配器、工业连接器及服务器自锁电源线组成。

2 小母线市场情况

2.1应用趋势
　　
　　随着移动电信等运营商的集中采购和腾讯等大、中型数据中心的规模应用,小母线市场会继续阶跃式发展,并且逐渐呈现出取代列头柜的一个趋势。根据行业人员调研预估,小母线2019年约为3亿元市场,2021年规模约为5亿,此后每年大约保持在30%的一个增长速度,预计到2025年市场规模将达到一个20亿元左右。
　
　　2.2小母线部署契机
　　
　　在数据中心生命周期内,机柜内的IT设备更新频繁,需要进行临时负荷调整。处于运作中的数据中心,需要在不干扰附近IT负载情况下调整回路。
　　
　　对于传统配电方案在已经完成的IT基础设施基础上,再添减和调整设备就变的尤其困难。亟需要一种灵活部署的解决方案来适应不断变化的需求。再加上高热密集型机柜和服务器排布快速增快趋势,详见图1。
　　

　　1.传统的“列头柜+线缆”方案,带来大电缆成本的急剧增加,同时也使得运维难度陡然上升。部署复杂,后期维护成本高,电缆发热老化等情况存在于老旧机房改造和新机房运维中。
　　
　　2.随着《数据中心设计规范》GB50174-2017自2018年1月1日起正式实施,标志着机房末端配电小母线正式进入国家数据中心标准。由此并确立了机房用母线槽配电系统的地位和发展趋势!GB50174-2017第8.1.9条内容:当机柜容量或位置变化时,专用配电母线应能够灵活进行容量和位置调整,即插即用!
　　
　　伴随着小母线行业标准ODCC、CDCC推出小母线白皮书,移动制定企业标准,详见图2。
　　

3 小母线的发展趋势

突破的小母线具有三个特点:稳定、绿色、智能。
　　
　　1.稳定——可靠性和多重设计;
　　
　　滑动盖板设计,导体散热设计,三重加强设计,放错连接设计。　　
　　突破的独特设计,冗余柔性触指配合弹性触头系统(详见图3):
　　

　　1）铍铜镀银触头高导电性;2）双重弹力提供柔性大接触面;3）冗余多触头灭弧栅设计;4）接地极先接触后脱离设计人身安全防护。

　　2.绿色——低温升设计

　　绿色低温升,突破小母线采用创新型结构及电气设计可以将母线整体温升控制在40k以下,母线槽外壳温升控制在10k以下。连接器采用柔性触指结构,有效避免直线段刚性连接,提升产品稳定性。散热板设计极大增强连接器处的散热能力。

　　连接器采用弹夹式插入,400A以下的工作环境通用结构。柔性触指结构有效降低连接处温升,测温模块置于母线直线段连接处,可监测重点节点温升情况,可实现带电热插拔,详见图4所示。
　　

　　3.智能——多重控制

　　主要体现在:温升监控、电参数控制、开关量控制、总控和分控。

　　智能监控,智能电表以高性能工业级微处理器为核心,采用高精度电量采集方案,能够提供三相电压、电流、功率等基本数据测量,并具有不平衡度计算、谐波计算等功能。

　　智能平台,详见表1:①始端箱表、接插接箱表、测温模块、HMI屏幕、智能母线管理平台。②接插箱表、测温模块依次级联,汇聚到始端箱表,上传到交换机,集中显示在HMI屏幕上,或上传动环系统。③可以对整条母线各个节点的电量和温升进行实时监控。

　　
 

4 小母线设计与施工过程Q&A

1.大母线与小母线始端箱的连接方式铜排、电缆;　　
　　2.小母线母线槽(直线段)之间的连接方式螺栓硬连接、连接件软连接;　　
　　3.HMI交互屏的配置方式小母线始端箱监控屏、单独HMI屏;　　
　　4.小母线系统与机柜承重天花板吊装不承重、柜顶安装平均10-12kg/机柜;　　
　　5.小母线系统安装方式及空间机柜上方安装、机柜下方安装(不推荐);　　
　　6.小母线系统容量计算参考列头柜配置、机柜负载功率;　　
　　7.小母线弹性配电组合方式智能小母线+普通PDU、智能小母线+表计/智能PDU;　　
　　8.强弱电隔离;　　
　　外部隔离：给组网连接的网线使用专用敷设通道，6类网线本身也有做好屏蔽，内部隔离：物理结构设计分离，屏蔽排线，强电和弱点间距80mm。

5 适合小母线运用的常见场景

　　5.1机房建筑结构
　　
　　钢筋混凝土框架结构——适用于小母线方案。　　
　　钢筋混凝土框架加剪力墙结构——适用于小母线方案。　　
　　活动板房框架结构——适用于小母线方案。　　

设计咨询点:房屋承重。
　　
　　5.2机房供电形式
　　
　　一类供电:需建立不间断供电系统——适用于小母线方案。　　
　　二类供电:需建立带备用的供电系统——适用于小母线方案。　　
　　三类供电:按一般用户供电考虑——适用于小母线方案。
　　
　　设计咨询点:供电形式。
　　
　　5.3机房制冷模式
　　
　　机柜及周围空间,机房层高由建筑结构面层、机房制冷空调回风空间、气灭空间、电力走线架、通信走线架、机架及下送风地板空间组成。
　　
　　机柜模块带底板-适用于小母线方案;　　
　　机柜模块不带底板-适用于小母线方案;　　
　　冷冻水管-不适用于小母线方案;　　
　　封闭冷通道-不适用于小母线方案;　　
　　风管-不适用于小母线方案;　　
   　封闭热通道-不适用于小母线方案。

　　5.4小母线供电模式分为两种

　　小母线供电模式分为两种,双路热备份方式,平时各占50%负荷,一旦一路失电需要一路带100%的负荷。

　　一主一备(冷备份)方式,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。

　　5.5小母线布置方式详解

　　母线机柜顶端的布置方式:

　　按母线供电回路划分,机房母线布置方式分为两种(2路,4路电源)

　　方案一,AB-4路I字型结构对置部署

　　4路母线供电,此种方式采用双路电源4路母线架设在两排微模块机柜后上方,直接为下方PDU配电,详见图5所示(简单,清晰,多数采用此部署方案)。
　　

　　方案二,AB-2路布置中置式部署

　　2路母线单独供电,此种方式减少了始端箱数量及供电电缆根数,母线整体性更强。但是单路母线负荷更高。另外,母线需要跨过冷通道天窗,需要单独设计。(不推荐)

　　方案三,AB-2路布置U字型部署

　　2路母线环线供电,在单列机柜末端环绕布置形成单列机柜双路模式,双列机柜假四路供电模式,此种方式减少了始端箱数量及供电电缆根数,母线整体性更强。但是增加了弯头及非标准长度母线段,可延伸扩展数列机柜的S形弯母线供电方式(可推荐)

6 遵循标准和检测报告

　　1)《低压成套开关设备和控制设备第1部分:型式试验和部分型式试验成套设备》(GB7251.1-2005/lEC60439-1:1999)

　　2)《低压成套开关设备和控制设备第2部分:对母线干线系统(母线槽)的特殊要求》(GB7251.2-2006/lEC60439-:2000)

　　3)《电工用铜线坯》(GB/T3952-2008)

　　4)《电工用铜、铝及其合金母线第1部分:铜和铜合金母线》(GB/T5585.1-2005)

　　6)《外壳防护等级(IP代码)》(GB4208-2008)

　　7)GB/T156-2007标准电压

　　8)GB/T762-2002标准电流等级

　　9)GB/T13384-2008机电产品包装通用技术条件

　　10)UL857-2001 Busways

　　11) IEC61439-1:2011 Low-voltageswitchgear and controlgear assemblies Part 1:General rules　检测报告详见表2。

编辑：黄飞