數(shù)據(jù)中心機(jī)房母線布局與規(guī)劃設(shè)計(jì)

張娟

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801

摘 要：機(jī)架配電母線—柔性母線正在數(shù)據(jù)中心主機(jī)房內(nèi)逐步推廣。分析了適用于數(shù)據(jù)中心主機(jī)房的機(jī)架配電母線方案，并結(jié)合數(shù)據(jù)中心主機(jī)房空調(diào)方案、通信走線、消防、照明等空間需求，對(duì)主機(jī)房機(jī)架頂部垂直空間進(jìn)行合理規(guī)劃和研究，提出了3種典型場景的高度需求。 

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；主機(jī)房；機(jī)架柔性母線；布局規(guī)劃

1 引言 

       近年互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心建設(shè)在我國**開展。在建設(shè)實(shí)施中，適用于數(shù)據(jù)中心的新技術(shù)如高壓直流、柔性母線等正在逐步推廣和應(yīng)用。這些技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)中心的空間環(huán)境提出了新的要求。 

       母線是數(shù)據(jù)中心末端機(jī)架配電的新型設(shè)備，用以替代精密列頭柜及其輸出電纜，可靈活調(diào)配機(jī)架用電功率，并顯著節(jié)省列頭柜占地、降低建設(shè)成本。目前已在部分?jǐn)?shù)據(jù)中心應(yīng)用和試點(diǎn)。

       柔性母線的應(yīng)用，將使得主機(jī)房機(jī)柜頂上垂直空間的規(guī)劃布局較傳統(tǒng)供電方式產(chǎn)生較大變化。本文將以移動(dòng)數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)化方案為基礎(chǔ)，研究柔性母線應(yīng)用時(shí)，主機(jī)房內(nèi)機(jī)架頂部垂直空間的布局，包括走線架、母線槽、空調(diào)管線等空間布局，提出合理的布局方案，以作為今后柔性母線大規(guī)模應(yīng)用時(shí)的參考。

2 柔性母線供電特點(diǎn) 

       數(shù)據(jù)中心主機(jī)房中，交流UPS供電系統(tǒng)供電場景時(shí)，通常在電力機(jī)房內(nèi)設(shè)置 UPS 雙總線供電系統(tǒng)（2N或3N方式），在主機(jī)房內(nèi)為每列機(jī)架配置 2個(gè)列頭柜，為該列每個(gè)機(jī)架內(nèi)的2個(gè)PDU設(shè)備配電；柔性母線的供電方案是：利用“始端 箱+母線槽+插接箱”，代替“列頭柜+電纜”，為 IT 設(shè)備機(jī)柜供電，柔性母線系統(tǒng)（含2個(gè)始端箱、 2根母線槽及相應(yīng)數(shù)量的插接箱），分別對(duì)該列通信機(jī)架內(nèi)的 2個(gè)PDU設(shè)備配電。傳統(tǒng)列頭柜機(jī)架配電和柔性母線配電模式兩種不同配電模式的供電系統(tǒng)對(duì)比如圖 1 所示。

圖 1 傳統(tǒng)列頭柜機(jī)架配電和柔性母線配電模式對(duì)比

       機(jī)架列頭柜配電模式時(shí)，UPS輸出配電屏至列頭柜、列頭柜至機(jī)架均常用電纜連接沿走線架敷設(shè)；而柔性母線配電時(shí)，UPS輸出配電屏至始端箱采用電纜連接，沿通信機(jī)房電源用主走線架（常用800mm寬）敷設(shè)；始端箱至插接箱采用母線槽供電，插接箱至通信設(shè)備PDU采用電纜連接，其形態(tài)如圖 2 所示。

圖 2 柔性母線配電模式

       本文調(diào)研了市場上主流產(chǎn)品，并對(duì)多個(gè)廠家進(jìn)行了產(chǎn)品調(diào)查。根據(jù)插接箱安裝方式不同，現(xiàn)將機(jī)架母線產(chǎn)品分為兩類：母線槽側(cè)接插接箱和母線槽下接插接箱。其主要產(chǎn)品形態(tài)如圖 3 所示。

（a）母線槽側(cè)接插接箱

（b）母線槽下接插接箱

圖 3 母線產(chǎn)品形態(tài)

3 機(jī)架頂部垂直空間布局要素 

       數(shù)據(jù)中心主機(jī)房層高的組成，一般由建筑結(jié)構(gòu)面層、機(jī)房制冷空調(diào)回風(fēng)空間、氣滅空間、電力走線架、通信走線架、機(jī)架及下送風(fēng)地板空間組成，各部分主要影響因素荷載及建筑結(jié)構(gòu)形式、機(jī)架功率密度和消防要求、機(jī)架高度及走線架高度及機(jī)架功率密度和氣流組織方式，如圖 4 所示。

圖 4 數(shù)據(jù)中心主機(jī)房空間剖面

        本文研究空間為走線架空間（含電力電纜走線架、通信線纜走線架及光纖槽道，通常為兩層）、機(jī)房制冷空調(diào)回風(fēng)空間、消防管道等管線的布局空間。

（1）通信線纜 

       通信線纜走線架及管線槽道，通常布放 IT 設(shè)備所需的數(shù)據(jù)線纜、室內(nèi)光纜等，列通信走線架尺寸一般為600 mm寬，其上方操作空間預(yù)留約300mm高。通常還需設(shè)置光纖槽道，高度100 mm。

（2）機(jī)柜供電線纜 

       電力電纜走線架通常布放IT設(shè)備所需的電力電纜，列電力電纜走線架尺寸一般為600mm寬，其上方操作空間預(yù)留約 300mm 高。如采用柔性母線配電時(shí)，根據(jù)調(diào)研，母線+插接箱（250 A）高度一般在300～370mm

（3）空調(diào)系統(tǒng)管線 

       空調(diào)管線空間，根據(jù)主機(jī)房空調(diào)末端不同有不同的需求。目前常用的空調(diào)末端形式有：冷凍水型機(jī)房專用空調(diào)（上送風(fēng)或下送風(fēng)）、列間空調(diào)、水冷冷門、熱管冷門4種方式。

       冷凍水型機(jī)房專用空調(diào)（下送風(fēng)方式）、列間空調(diào)、水冷冷門等方式應(yīng)用時(shí)，在機(jī)架列頂部無管線安裝需求，但是為提高氣流組織效率，采用冷凍水型機(jī)房專用空調(diào)、列間空調(diào)的 主機(jī)房內(nèi)通常封閉冷通道，其典型場景的空間布局如圖 5、圖6及圖7所示。封閉的冷通道上，一般不安裝需要經(jīng)常維護(hù)的電力、通信等走線架、管線等。

圖 5 冷凍水型機(jī)房專用空調(diào)（下送風(fēng)方式時(shí)）時(shí)主機(jī)房空間布局剖面

圖 6 列間空調(diào)方案時(shí)主機(jī)房空間布局剖面

圖 7 水冷冷門方案時(shí)主機(jī)房空間布局剖面

       熱管背板空調(diào)末端方式時(shí)，空調(diào)的冷媒走線架及走線架上冷媒氣管占用空間約350 mm（寬）× 150mm（高），冷媒走線架需布置在機(jī)柜上方300～400 mm空間以上區(qū)域，同時(shí)冷媒走線架盡量靠近熱管背板上方布置，其典型場景的空間布局如圖 8 所示

圖 8 熱管背板方案時(shí)主機(jī)房空間布局剖面

       部分老機(jī)房采用空調(diào)風(fēng)管上送風(fēng)、下回風(fēng)氣流組織形式，單獨(dú)設(shè)置空調(diào)區(qū)放置空調(diào)，風(fēng)管布置在機(jī)架間通道上方，典型情況下風(fēng)管尺寸約800mm×320 mm，風(fēng)管在頂部氣滅管道區(qū)域以下200mm處布置，其典型場景的空間布局如圖 9 所示。

圖 9 冷凍水型機(jī)房專用空調(diào)（上送風(fēng)方式）時(shí)主機(jī)房空間布局剖面

（4）消防系統(tǒng)管線 

       機(jī)房內(nèi)需要設(shè)置自動(dòng)消防系統(tǒng)，消防系統(tǒng)主要采用有管網(wǎng)氣體滅火系統(tǒng)，機(jī)房頂部需布置氣滅噴頭和氣滅管路，結(jié)構(gòu)主梁下方需要占用 200mm高空間用于布置管路。 

（5）空調(diào)系統(tǒng)配電線纜及動(dòng)環(huán)監(jiān)控線纜 

       隨著列間空調(diào)和機(jī)柜級(jí)空調(diào)系統(tǒng)規(guī)模應(yīng)用，機(jī)柜列內(nèi)需要配置空調(diào)系統(tǒng)配電線纜及其 線槽。動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心維護(hù)的重要基礎(chǔ)，該系統(tǒng)也需要機(jī)柜列內(nèi)設(shè)置線纜。綜合考慮這兩類線纜系統(tǒng)需求，根據(jù)大量工程實(shí)踐統(tǒng)計(jì)，其線槽合計(jì)尺寸可以按150mm（寬）×100 mm（高）考慮。

（6）線槽燈具 

       為便于維護(hù)每個(gè)機(jī)柜列通道內(nèi)，都需要設(shè)置線槽燈。線槽燈帶需要的空間按100mm（寬）× 100mm（高）考慮。

       根據(jù)上述分析，常規(guī)情況下機(jī)架頂部各類管線的凈高度（未含管線間距要求）見表 1。在設(shè)計(jì)中，還需要考慮其維護(hù)間距隔離間距等要求（如走線架與機(jī)架間距200mm、母線槽與走線架間距50～100mm、氣滅管線與其他管線間距等），垂直高度需求更大。因此合理規(guī)劃機(jī)架頂部垂直空間，優(yōu)化管線布局，能有效降低生產(chǎn)凈高要求。

       如果考慮合理維護(hù)間距，表 1 中高度應(yīng)調(diào)整到 1900mm及以上。

表 1 主機(jī)房內(nèi)各類常用管線高度典型值

4 柔性母線空間布局方案 

       在常規(guī)情況下，主機(jī)房內(nèi)通信線纜走線架與電力電纜走線架上下對(duì)齊吊掛設(shè)置。當(dāng)采用柔性母線方案時(shí)，主機(jī)房內(nèi)原電力電纜走線架空間則將調(diào)整為母線及其接插箱的空間。因母線及其接插箱空間可以與通信線纜走線架分離設(shè)置，此時(shí)機(jī)架頂部垂直空間需要良好規(guī)劃，以適應(yīng)不同方案的需求。 

       本文通過調(diào)研在用的柔性母線機(jī)房情況，并結(jié)合中國移動(dòng)數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)化成果，研究分析了 5 種空調(diào)末端形式、兩類母線產(chǎn)品應(yīng)用的組合場景，得出如下 3 種常用的主機(jī)房空間布局方案。

5.1精密配電管理解決方案

5.1.1交流系統(tǒng)

       1）功能要求：

       遙測(cè)：輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度；輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度；

       遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相,過流，輸入分路和輸出分路的開關(guān)狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限報(bào)警功能。

       2）配置方案-示意圖

 配置方案 

                           多功能儀表       PZ72L-E4

                                              電流互感器       AKH-0.66-30I-XXA/5A

5.1.2直流系統(tǒng)

       1) 功能要求

       遙測(cè)：輸入分路的電壓、電流、功率、電度；

       遙信：輸入分路的過壓/欠壓，輸入分路的熔絲狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限功能。

       2)配置方案-示意圖

配置方案

                              多功能儀表          PZ72L-DE

                                           霍爾傳感器          AHKC-F-  XXA/5V

                                          開關(guān)電源             SBD-30  （48V）

5.2產(chǎn)品規(guī)格

說明：■為標(biāo)配功能。

5.3配套附件

6安科瑞母線槽監(jiān)測(cè)產(chǎn)品介紹

6.1概述
       數(shù)據(jù)中心小母線系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心末端母線供配電系統(tǒng)的俗稱。近年來，隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)的快速發(fā)展和更高需求，智能小母線系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用于機(jī)房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點(diǎn)，即插式插接箱給各個(gè)機(jī)柜內(nèi)的PDU分配電。始端箱和插接箱內(nèi)可設(shè)置監(jiān)測(cè)模塊，將數(shù)據(jù)上傳至動(dòng)環(huán)監(jiān)控中心。

6.2 AMB智能小母線管理系統(tǒng)
       1）交流系統(tǒng)功能：
       遙測(cè)：三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能、電纜溫度，系統(tǒng)頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機(jī)柜溫度、機(jī)柜濕度、開關(guān)狀態(tài)、電壓/電流諧波含量、電流/功率；
       遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、過頻率、欠頻率越限、零地電壓、零線電流、溫/濕度告警，開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)跳閘； 
       2）直流系統(tǒng)功能：
       遙測(cè)：電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機(jī)柜溫度、機(jī)柜濕度、開關(guān)狀態(tài)、電流/功率；
       遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、溫/濕度告警，開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)跳閘；

6.3產(chǎn)品介紹

說明：■為標(biāo)配功能。

7 結(jié)束語 
       本文通過對(duì)柔性母線的實(shí)地案例多次調(diào)研，結(jié)合數(shù)據(jù)中心主機(jī)房空調(diào)末端方案、柔性母線方案及通信走線、消防、照明等管線對(duì)空間的需求，對(duì)IT主機(jī)房內(nèi)柔性母線水平布局和機(jī)架頂部垂直空間進(jìn)行合理規(guī)劃和研究。本文提出 3 種典型場景下的應(yīng)用方案，確定了機(jī)柜頂至梁下的凈空間要求，為今后機(jī)房內(nèi)配電母線空間布局提供參考。相信隨著柔性母線應(yīng)用的普及，本文的研究將推動(dòng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房建設(shè)的深化和優(yōu)化，為機(jī)房管線合理布局提供基礎(chǔ),為數(shù)據(jù)中心主機(jī)房的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)安裝提供參考。

參考文獻(xiàn)： 
【1】張廣明.數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)與建設(shè)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2012
【2】孫麗玫、王改紅、李舒濤、姜宇光、趙黎明.數(shù)據(jù)中心主機(jī)房柔性母線布局規(guī)劃.
【3】安科瑞數(shù)據(jù)中心IDC配電監(jiān)控解決方案.2020.03版

作者簡介：張娟，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電，Email: 2885050128@qq.com  QQ:2885050128