模塊化配電系統在高密度數據中心的應用

范金暉

（江蘇宜安建設有限公司，江蘇 無錫214200）

1 傳統的數據中心配電架構

在傳統的配電系統當中，數據中心的主進線先至配電柜（配電柜一般額定功率為50～500kW），配電柜一般配有大型電力變壓器用以轉換電壓或改善電力質量。然后，配電柜將主進線分配成一定數量的分支電路（一般額定功率為1．5～15kW）為IT設備配電。每臺IT機柜使用一條或多條分支電路。IT機柜的布線通常要求使用硬管或軟管，一般部署在高架地板之下。

在傳統的配電系統推出之時數據中心內僅有數量非常少的大型IT設備。那時，除了對IT設備進行重要升級時執行計劃宕機外，很少會對此進行變更。這些設施功率密度較低，因此對地板下氣流量的需求并不高，特別是對于每3m2面積內部署的支路數量不足一個的機房。

2 面臨的挑戰

當下，數據中心用電方面已然發生了巨大變化，特別是面臨著功率密度升高、獨立IT設備數量不斷增加、需要在現有IT設施部署的基礎上添減設備等難題，而這些難題給傳統的配電系統帶來了很大的挑戰。

較之過去數據中心內寥寥數個大型IT設備，現代數據中心內可能裝有上千臺帶有獨立電源線的插接設備，這就需要更多的電源插座。在數據中心生命周期內，機柜內的IT設備更換頻繁，常常需要更改功率或在機柜處增減插座。由于功率需求的變化，處于運作中的數據中心時常要在不干擾附近IT負載的情況下添加電路。單位機柜功率密度顯著提高，單位機柜內部的支電路數量也相應增多，大量電線導管充塞地板下的通風空間，會導致氣流阻塞，也加大了更改布線的難度。分支電路斷路器連接的IT設備數量常常遠不只一臺，這就很難估算分支電路尺寸或判斷是否臨界過載。現代數據中心普遍安裝雙路供電系統，必須確保所有電路負載均不超過50%。然而，目前尚沒有任何辦法對其進行監控或規劃。

雖然人們已經普遍意識到了這些問題，市場上也出現了各種相應的產品，但由于仍使用了傳統的配電架構，導致一些新建的數據中心處于以下窘境：數據中心操作員不得不帶電更換電路（熱作業）；操作員無法判斷哪些電路臨界過載，或當一條電路斷電時哪些電路可能過載；地板下的供冷空間被大量的纜線阻塞，減少了現代IT設備的通風量；配電柜的占地面積過大，對地板承重能力要求過高；由于沒有足夠的分支電路，配有大型變壓器的配電柜無法得到充分利用；配有大型變壓器的配電柜產生大量廢熱，必須對其制冷，導致數據中心效率降低。

3 優化配電架構以應對數據中心發展需求

3．1 優化目標

通過優化，可打造高效、可擴展、可重新配置的數據中心配電架構，其具備以下特征：可在運行的系統中安全新增或變更電路；無需在地板下敷設纜線；可對所有的電路功率進行監控；可遠程監控所有斷路器狀態；可隨時對IT區域或相關配電區域進行部署；IT機柜僅通過一根線纜滿足所有功率需求；IT人員可自行更換使用IT機柜上的插座型號；可對每條支電路的容量及冗余進行管理；無需使用過量的銅線；效率高。

3．2 結構圖與系統說明

圖1所示的配電系統代表了可替代的模塊化配電架構，是現代高密度數據中心的理想之選。

圖1 數據中心模塊化配電架構圖

3．3 大型數據中心場景

對于較大的數據中心，如圖1所示，來自UPS的關鍵母線電源被分配至不同的IT機柜行，而這些IT機柜行使用一個或多個吊頂母線槽。這些母線槽都是預先安裝好的，橫跨整個IT機柜行。在安裝一組機柜時，小型的模塊化配電柜也會被同時安裝，并插接上方的母線槽。

不同于傳統斷路器面板的導線線頭事先未經過處理，模塊化配電柜使用的是安裝有預先端接防電擊斷路器模塊的背板。模塊化配電柜內起初并未安裝分支電路模塊。從模塊化配電柜到IT機柜的電源電路均使用軟線纜連接，這些線纜需在現場插接到模塊化配電柜的正面，以滿足每臺機柜的不同需要。IT機柜的分支電路線纜為預先端接，同時配有可插接模塊化配電柜防電擊背板的斷路器模塊。

對于需要使用專門分支電路的設備而言，例如大多數的刀片服務器，一根配電柜線纜內含有1～3個分支電路，這些線路直接插接刀片服務器，無需額外機柜級配電柜（比如配電盤）。當機柜內的設備進行混合部署時，可使用提供額定電流且可更換插座的機柜式配電柜。在該系統中，新增IT機柜行配備有配電柜以及所有配套分支電路電線、條形機柜插座，可在1h內安裝完成，無需任何切線或端接操作。

3．4 小型數據中心場景

300kW以下的小型數據中心可采用簡化架構，其組成元件及工作原理與大型數據中心相同。對于只允許使用一到兩個配電柜的小型數據中心，用傳統導管及電線將模塊化配電柜直接連接至關鍵母線的方法往往更加經濟。這種情況下，可省去安裝吊頂母線槽的操作。小型數據中心也可以采取一種更為簡化的方案，即將模塊化配電柜直接集成于UPS系統，構成一個可安放于IT房間并與IT機柜排成一行的緊湊部署方案。這樣便可省去利用主母線布線環節，同時也無需額外準備電源安置空間。至于很小的數據中心或形狀不規則的數據中心，采用小型模塊化配電單元則極為適合。

3．5 改造、升級應用場景

現有數據中心的升級往往涉及許多個數據中心項目，擴容或安裝高密度區域項目是其中最為普遍的。相比安裝傳統配電柜，模塊化配電系統的安裝過程要來得簡單方便許多，尤其適用于這些改造項目。在為現有數據中心安裝新的傳統配電柜時會面臨一連串挑戰，而模塊化配電系統卻可將多數的挑戰難題一并“解決”。

隨著數據中心的發展，模塊化配電柜可與現有傳統配電柜共處運行。在這些改造方案中，傳統配電柜的安裝常常受限于各種歷史局限，不使用吊頂母線槽元件，每個配電柜均由傳統管道及電線連接至主母線。模塊化配電柜在升級傳統數據中心時最重要的優勢為：由于線纜均置于吊頂線纜槽之內，其安裝不會加劇地板下氣流阻塞現象。

3．6 配電監控

在數據中心配電系統中，可能有數以百計的斷路器處于負載狀態。而經過優化的配電系統采用更高容量的機柜供電，其斷路器數量較之一般系統減少20%～40%。即使這樣，系統中仍存在諸多電路，這些電路可分為4個級別：UPS主母線、配電柜輸入、分支電路、插座。模塊化配電系統采用內置電流及能源監控，可對各個級別的每條線路做到了如指掌。除此之外，配電柜的分支電路斷路器也處于監控之中，以便實時掌握其工作狀態。所有監控均通過簡單網絡管理協議（SNMP）公開標準協議進行通訊。容量管理軟件可對系統中每條電路實施監控，增強安全系數，驗證冗余并對現有容量進行確認。

4 結語

本文介紹了一種替代配電系統——模塊化配電系統。較之傳統的配電方法，這種系統在可擴展性、效率、可重新配置性、管理性及功率密度等方面都獲得了巨大的進步。事實證明，對于未能提前界定房間布局規劃或需要進行改造的數據中心，以及形狀不規則的房間布局或房內設有障礙物的情況，模塊化配電系統具有無可比擬的優越性。

［1］張廣明，鐘景華，陳眾勵，等．工程師與制造商伙伴們的觀點［J］．電氣應用，2011，30（19）．

［2］楊曉花．《數據中心供配電系統技術白皮書》發布會專家訪談錄［J］．電氣應用，2011，30（19）．