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數(shù)據(jù)中心機(jī)房末端配電技術(shù)與應(yīng)用

 更新日期:2022-03-21 點(diǎn)擊量:1878

王蘭

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

 

要:數(shù)據(jù)中心機(jī)房末端配電的可靠性、穩(wěn)定性和可維護(hù)性直接關(guān)系到 IT 設(shè)備的安全供電。數(shù)據(jù)中心的末端配電技術(shù)主要有兩種,一種采用列頭柜加電纜配電,另一種是智能小母線配電。分別對兩種配電技術(shù)進(jìn)行了介紹和探討,后對兩種配電方式進(jìn)行了對比分析,得出一些有益的結(jié)論。

 

關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)中心;末端配電;列頭柜;智能小母線

 

 

1 概述

數(shù)據(jù)中心是國家確定的“新基建"七大領(lǐng)域之一。數(shù)據(jù)中心在國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中所起的作用越來越重要,數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為了各行各業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施,為經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型提供了重要支撐。

數(shù)據(jù)中心要實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行,前提是其供電系統(tǒng)應(yīng)穩(wěn)定可靠、不間斷。當(dāng)前,重要程度高的數(shù)據(jù)中心一般采用2N架構(gòu)的UPS供電方式,以實(shí)現(xiàn)容錯要求,供電系統(tǒng)包括高低壓配電、后備發(fā)電機(jī)組、不間斷電源、后備蓄電池、精密配電等子系統(tǒng),典型的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)如圖1所示。

從圖1可以看出,終的用電設(shè)備實(shí)現(xiàn)了全程雙路由容錯供電。

image.png 

 

 

2 末端配電

數(shù)據(jù)中心機(jī)房的末端配電一般是指從不間斷電源輸出柜到終用電設(shè)備的配電部分,終用電設(shè)備包括IT設(shè)備、動力設(shè)備和照明等。數(shù)據(jù)中心的末端配電接近用電設(shè)備,是整個供配電系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),它的安全可靠十分重要。

傳統(tǒng)的末端配電技術(shù)一般采用列頭柜加電纜配電,典型的配電系統(tǒng)如圖2所示。

image.png 

 

 

3 列頭柜配電技術(shù)探討

按照國家規(guī)范的要求,數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施宜按容錯系統(tǒng)配置。當(dāng)數(shù)據(jù)中心的末端配電采用列頭柜加電纜配電時,存在多種方案。以數(shù)據(jù)中心應(yīng)用較多的封閉冷通道為例,配電方案主要有如下4種方案。

    3.1 方案一方案一如圖3所示

每個封閉冷通道設(shè)置兩個列頭柜,分別位于每列的頭部,每個列頭柜由不同的UPS系統(tǒng)引出,即列頭柜A由2N雙母線系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)A引出,列頭柜B由2N雙母線系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)B引出。

IT機(jī)柜的供電方式為:每個IT機(jī)柜內(nèi)包括兩路PDU,PDU(A) 和PDU(B),其中PDU(A)通過電纜由列頭柜A取電,PDU(B)通過電纜由列頭柜B取電。

本供電方案的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了全程雙回路供電,無單點(diǎn)故障點(diǎn),供電架構(gòu)清晰。缺點(diǎn)是 IT 機(jī)柜的供電需要跨列引電,布線有一定難度。

image.png 

3.2 方案二

方案二的機(jī)柜布置和方案一相同,如圖3所示,但列頭柜的內(nèi)部配置和配電電纜的敷設(shè)不同。具體方案是:每個封閉冷通道也設(shè)置兩個列頭柜,列頭柜A和列頭柜B,但每個列頭柜內(nèi)部又分為A、B兩路,每路由不同的UPS系統(tǒng)引出,即列頭柜A和列頭柜B內(nèi)的A路由2N雙母線系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)A引出,列頭柜A和B路由2N雙母線系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)B引出。

IT機(jī)柜的供電方式是IT機(jī)柜的兩路PDU均來自于本列的列頭柜,其中PDU(A)來自于本列列頭柜中的A路,PDU(B)來自于本列列頭柜中的B路;這種供電方式結(jié)構(gòu)清晰,但當(dāng)列頭柜需要擴(kuò)容、更換或移位時,后端IT機(jī)柜的割接難度和工作量較大。

3.3 方案三

方案三和方案二的不同之處僅在于IT機(jī)柜的取電方式不同,即IT機(jī)柜的兩路PDU分別來自于不同的列頭柜,且不同路,第1列的IT機(jī)柜的PDU(A)來自于列頭柜A內(nèi)的A路,PDU(B)來自于列頭柜B內(nèi)的B路;第2列的IT機(jī)柜的PDU(A)來自于列頭柜B內(nèi)的A路,PDU(B)來自于列頭柜A內(nèi)的B路;這種供電方式保證了IT機(jī)柜的供電為全程雙路由,且不存在單點(diǎn)故障點(diǎn),但布線比較復(fù)雜,現(xiàn)場接線容易發(fā)生錯誤,可能導(dǎo)致IT機(jī)柜由假雙路電源供電。

3.4 方案四

方案四如圖4所示。

每個封閉冷通道只設(shè)置1個列頭柜,位于其中一列的頭部,列頭柜內(nèi)部分為A、B兩路,分別由不同的UPS系統(tǒng)引出。IT機(jī)柜的兩路PDU分別由列頭柜內(nèi)的A路和B路取電。

這種方案的優(yōu)點(diǎn)是只占用了一個機(jī)柜位置,節(jié)約了寶貴的機(jī)房空間資源。缺點(diǎn)是電纜需要跨列敷設(shè),且當(dāng)列頭柜需要維修、擴(kuò)容、更換或移位時,將造成后端所有IT機(jī)柜斷電。

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3.5 列頭柜配電方案對比

對上述4種列頭柜配電方案進(jìn)行對比,如表1所示。

綜合列頭柜的上述4種列頭柜配電方案的優(yōu)、缺點(diǎn),建議采用配電方案一。

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3.6 列頭柜配電技術(shù)分析

列頭柜配電技術(shù)要占用寶貴的機(jī)房資源,每臺列頭柜要占用了一個機(jī)柜位置,使得可出租的IT機(jī)柜數(shù)量變少。

列頭柜配電采用電纜進(jìn)行出線,出線配置1P或2P空開,每一個出線回路連接一根電纜到一臺機(jī)柜,再通過工業(yè)連接器或者直接連接到PDU的端子排上,為服務(wù)器進(jìn)行供電。列頭柜在設(shè)計中往往會配置一些備用回路,以備日后機(jī)柜擴(kuò)容或者維修,當(dāng)列頭柜方案落地實(shí)施后,再進(jìn)行調(diào)整和更改會非常麻煩,甚至需要停機(jī)進(jìn)行作業(yè)。采用電纜出線,如果雙路配電的方案,會有大量的電纜需要部署,后期維護(hù)、增加、減少機(jī)柜、調(diào)整機(jī)柜布局、增加機(jī)柜容量等難度很大。另外,電纜中間沒有監(jiān)控,長期通過大電流出現(xiàn)絕緣老化時無法提前預(yù)警,對運(yùn)營帶來潛在危險。

 

 

4 智能小母線配電技術(shù)探討

由于列頭柜要占用寶貴的機(jī)房資源,且配電不夠靈活,業(yè)界一直在研究更加靈活可靠的末端配電技術(shù),智能小母線配電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

智能小母線是相對應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)的大母線而言的,應(yīng)用于機(jī)房末端配電,且電流一般在800A以下的小型母線系統(tǒng)。

4.1 智能小母線的分類

智能小母線按照結(jié)構(gòu)可以分為滑軌式小母線和直列式小母線。

所謂滑軌式小母線,是指銅排導(dǎo)體采用環(huán)繞式布置,中間形成一個連續(xù)的空間通道,底部連續(xù)開槽,支持在任意點(diǎn)位插接取電的母線形式。

滑軌式小母線具有全程全點(diǎn)位接入分支回路的特點(diǎn)。插接箱在母線槽的下方安裝,即插即用,母線槽無需斷電即可實(shí)現(xiàn)插接箱的在線插拔;母線槽為模塊化結(jié)構(gòu),支持分步實(shí)施、延續(xù)、擴(kuò)展和重構(gòu),支持部件的按需分項(xiàng)采購和部署。

所謂直列式小母線,是指銅排導(dǎo)體采用上下并列平行布置,母線左右兩側(cè)可間隔或密集布置插孔接入分支回路的母線形式。

直列式母線結(jié)構(gòu)簡單,成本更低。但其插接箱是固定的,不能根據(jù)需求靈活移動,插接箱在母線槽的左右水平方向安裝,插接口的數(shù)量有限,整體擴(kuò)容性差。另外,插接箱的體積大,占用空間大,不易更換,維護(hù)困難。因此,直列式小母線適合后期方案不進(jìn)行調(diào)整,大范圍固定配置的部署。

滑軌式小母線和直列式小母線的特點(diǎn)對比如表2所示。

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由于滑軌式小母線的插接箱在母線槽的下方向下安裝,兩條智能小母線間距可以控制在 150mm以內(nèi),占用IT機(jī)柜上方的水平空間較小, 一般可以在500mm以內(nèi)。插接箱朝向機(jī)柜后側(cè),便于操作和觀察。而直列式小母線占用IT機(jī)柜上方的水平空間較大,一般都600 mm 以上,不便于安裝,且不便于后期的操作和觀察。因此,智能小母線推薦采用滑軌式小母線,不建議采用直列式小母線。

4.2 智能小母線的配置方式探討

對于封閉冷通道,智能小母線有單列單母線和單列雙母線兩種配置方式。

單列單母線配置圖如圖5所示。

image.png 

由于采用單列單母線方式,需要跨列橋架,布線難度很大,不建議采用此種配置方式,推薦采用單列雙母線配置方式。

4.3 智能小母線插接箱配置方式探討

IT機(jī)柜通過插接箱從母線取電,即母線通過插接箱將電送至IT機(jī)柜內(nèi)的PDU。插接箱有單路輸出和三路輸出兩種,單路輸出的插接箱一般為單相,有的具備調(diào)相功能。三路輸出的插接箱輸入一般為三相,輸出自然分相,有利于三相平衡。

image.png 

因此,插接箱的配置方式可以分為一對一模式和一對三模式。一對一模式的配置圖如圖 6所示,一對三模式如圖7所示。

image.png 

兩種插接箱配置方式對比如表4所示。

雖然插接箱一對一的配置方式清晰方便,發(fā)生故障時只影響一個機(jī)架,但成本較高??紤]到IT機(jī)柜有兩路供電,兩路供電同時發(fā)生故障的可能性很低,而且,一對三方式采用一般三相輸入,輸出到三個機(jī)柜自然分相,不需要額外考慮三相平衡問題,因此推薦采用一對三的配置方式。

 

 

5 末端配電技術(shù)對比分析

5.1 列頭柜配電技術(shù)與智能小母線配電技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的機(jī)房末端配電技術(shù)采用列頭柜加電纜的配電方式,列頭柜需要占用機(jī)柜安裝位置;需要安裝走線架,施工難度大,電纜較多,且一般需要一次性建成;IT機(jī)柜的配電容量是固定的,無法進(jìn)行靈活調(diào)整;若機(jī)房搬遷,列頭柜、電纜、走線架等一般無法重復(fù)利用。

智能小母線配電技術(shù)采用了進(jìn)線箱、母線槽和插接箱,為模塊化結(jié)構(gòu),不需要占用寶貴的機(jī)柜安裝位置;無需走線架,施工工期短;若IT機(jī)柜容量調(diào)整,插接箱可熱插拔,只需更換插接箱即可;若機(jī)房搬遷,設(shè)備均可重復(fù)利用。

但智能小母線也存在如下缺點(diǎn)。

1)對機(jī)房高度要求更高。采用列頭柜配電方式,為滿足走線要求,一般要求IT機(jī)柜上方有不小于500mm的高度,而智能小母線,要求上方不小于800mm的高度。

2)維護(hù)操作不方便。智能小母線的安裝位置較高,操作人員如果要對開關(guān)進(jìn)行分合閘等操作,比較不方便。

3)設(shè)置復(fù)雜。若插接箱內(nèi)的空氣開關(guān)故障,就要更換插接箱,而且插接箱更換后需要廠家重新設(shè)置通訊地址。兩種配電方式的特點(diǎn)對比如表5所示。

綜上所述,如果是一次性部署服務(wù)器或是方案固定的數(shù)據(jù)中心,一般會采用列頭柜加電纜的配電方案。如果是需要分批次部署服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心,或后期需要進(jìn)行末端負(fù)荷調(diào)整的數(shù)據(jù)中心,推薦采用全點(diǎn)位、滑軌式的智能小母線配電方案。

5.2 兩種配電方式的造價對比

我們?nèi)砸猿R姷姆忾]冷通道來進(jìn)行對比,該封閉冷通道采用2N雙母線UPS供電方式。一般來說,封閉冷通道內(nèi)的單列IT機(jī)柜數(shù)量在25個以內(nèi),現(xiàn)假設(shè)為單列18個機(jī)柜,若采用列頭柜配電方式,則單列IT機(jī)柜數(shù)為17個,單個IT 機(jī)柜額定功率為4 kW。采用智能小母線方案,則單列機(jī)柜數(shù)為18個機(jī)柜。

列頭柜配電方案如圖3所示,智能小母線配電方案如圖7所示。

列頭柜配電方案的造價如表6所示。智能小母線配電方案的造價如表7所示。

從表6和表7可以看出,兩種配電方式的造價相差105840元,但智能小母線配電方式可以多安裝2個IT機(jī)柜,假設(shè)每機(jī)柜的月租金(不含電費(fèi))為2500元,則多花的投資部分,其回收期約為1.76年。在10年的運(yùn)營期內(nèi),小母線配電方式可以為增加租金收入約49.4 萬。

 

 

6安科瑞為數(shù)據(jù)中心提供的能效監(jiān)控解決方案

6.1 精密配電管理解決方案

AMC系列數(shù)據(jù)中心精密配電系統(tǒng)是針對數(shù)據(jù)機(jī)房末端設(shè)計的,能夠綜合采集所有能源數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng),為交直流電源配電柜提供精確的電參量信息,并可通過通訊將數(shù)據(jù)上傳到動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對整個數(shù)據(jù)機(jī)房的實(shí)時監(jiān)控和有效管理,為實(shí)現(xiàn)綠色I(xiàn)DC提供可靠保證。

6.1.1交流系統(tǒng)

1)功能要求:

遙測: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,實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限報警功能。

2)配置方案-示意圖

 

image.png 

 

配置方案

多功能儀表       PZ72L-E4

電流互感器       AKH-0.66-30I-XXA/5A

6.1.2直流系統(tǒng)

1) 功能要求

遙測: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,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

image.png 

 

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)

 

 

 

產(chǎn)品規(guī)格

型號

功能

AMC16Z-ZA

AMC16Z-FAK48

AMC16Z-FAK24

AMC16Z-ZD

AMC16Z-FDK48

AMC16Z-FDK24

AMC16Z-KA

AMC16Z-KD

測量系統(tǒng)

交流




直流





進(jìn)線

電壓

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電流

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有功功率

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無功功率

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/

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功率因數(shù)

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/

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/

有功電能

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無功電能

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零地電壓零序電流

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/


漏電流

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/



溫度濕度

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/

/

/

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/

出線回路

路數(shù)

2

24+24

12+12

2

24+24

12+12

48

48

電壓

/

/

/

電流

/

/

/

/

有功功率

/

/

/

/

無功功率

/

/

/

/

/

/

功率因數(shù)

/

/

/

/

/

/

有功電能

/

/

/

/

無功電能

/

/

/

/

/

/

電力質(zhì)量分析

進(jìn)線回路

電壓電流總諧波

/

/

/

/

/

/

/

電流、電壓2~31次分次諧波

/

/

/

/

/

/

/

出線回路

電壓、電流總諧波

/

/

/

/

/

/

電流、電壓2~31次分次諧波

/

/

/

/

/

/

開關(guān)量輸入

無源

6

/

/

6

/

/

/

24+24

有源

/

24+24

12+12

/

24+24

12+12

24+24

/

繼電器輸出

■(2路)

/

/

■(2路)

/

/

/

/

通訊

Modbus-RTU

1路

 

           型號

功能

AMC16Z-ZJY

AMC16Z-FJY

測量系統(tǒng)

DC240/DC336


進(jìn)線

電壓

/

絕緣電阻

/

出線回路

路數(shù)

2

12+12

絕緣電阻

/

繼電器輸出

■(2路)

/

通訊

Modbus-RTU


2路

1路

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

說明:■為標(biāo)配功能。

 

配套附件

圖片

名稱

型號

輸入

輸出

備注

image.png 

進(jìn)線電流互感器

AKH-0.66I

XXA

5A

測量型

image.png 

出線電流互感器

AKH-0.66-W-9N

50A

50mA

內(nèi)孔徑Φ9mm

AKH-0.66-W-12N

100A

內(nèi)孔徑Φ12mm

image.png 

AKH-0.66-W-20

200A

50mA

內(nèi)孔徑Φ20mm

image.png 

AKH-0.66-W-30N

200A~400A

50mA

內(nèi)孔徑31*13mm

image.png 

AKH-0.66K-φ10

50A

50mA

內(nèi)孔徑Φ10mm

AKH-0.66K-φ16

100A

內(nèi)孔徑Φ16mm

AKH-0.66K-φ24

200-300A

內(nèi)孔徑Φ24mm

AKH-0.66K-φ36

300-600A

內(nèi)孔徑Φ36mm

image.png 

AKH-0.66Z-10

50A

50mA

內(nèi)孔徑Φ10mm

image.png 

AKH-0.66/EMS

50A

10mA

直接式

image.png 

霍爾電流傳感器

AHKC-F

XXA

5V

42.5*12.5

image.png 

霍爾電流傳感器

AHKC-BS

100A

5V

20.5*10.5

image.png 

直流漏電流傳感器

AHLC-LTA

10mA-2A

5V

內(nèi)孔徑Φ20mm

image.png 

開關(guān)電源

D-20

220V

±15V

霍爾傳感器配套使用

image.png 

SBD-30

±48V

±15V

圖片

KDYA-DG75-24

AC220V

DC24V

觸摸屏配套使用

 


6.2 AMB智能小母線管理系統(tǒng)

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)測模塊,將數(shù)據(jù)上傳至動環(huán)監(jiān)控中心。

1)交流系統(tǒng)功能:

遙測: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、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: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;                             


產(chǎn)品介紹

         型號

功能

AMB100-A

AMB100-A/W

AMB110-A

AMB110-A/W

AMB100-D

AMB100-D/W

AMB110-D

AMB110-D/W

測量系統(tǒng)

交流





直流






電參量

電壓

電流

有功功率

無功功率

/

/

/

/

功率因數(shù)

/

/

/

/

有功電能

無功電能

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電參量

零地電壓、零序電流

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漏電流


電力質(zhì)量分析

電壓、電流總諧波

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電流、電壓2~63次分次諧波

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機(jī)柜溫度、濕度


電纜溫度

■(8路)

■(8路)

■(4路)

■(4路)

■(4路)

■(4路)

■(4路)

■(4路)

開關(guān)量輸入

無源

2

2

2

2

4

4

4

4

有源

3

3

3

3

3

3

3

3

繼電器輸出

■(2路)

■(2路)

■(2路)

■(2路)

■(2路)

■(2路)

■(2路)

■(2路)


Modbus-RTU

1路

 

 

說明:■為標(biāo)配功能。

 

 

7總結(jié)

末端配電是數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的末梢環(huán)節(jié),它的可靠性、穩(wěn)定性和可維護(hù)性直接關(guān)系到IT設(shè)備的安全供電。數(shù)據(jù)中心的末端配電方式主要包括兩種,一種是采用列頭柜加電纜的配電方式,另一種是智能小母線配電方式。本文通過分析,得出如下結(jié)論:

1)對于封閉冷通道,如果采用列頭柜加電纜的配電方式,建議采用上文中的方案一,即每個冷通道配置2個列頭柜,每個IT機(jī)柜分別從2個列頭柜各取1路電源。

2)智能小母線分為滑軌式小母線和直列式小母線,考慮到機(jī)房的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境,推薦采用滑軌式小母線,不建議采用直列式小母線。

3)智能小母線推薦采用單列雙母線方案。

4)智能小母線的插接箱推薦采用一拖三方案。

5)對于分批次部署服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心,或后期需要進(jìn)行末端負(fù)荷調(diào)整的數(shù)據(jù)中心,強(qiáng)烈建議采用滑軌式的智能小母線配電方案;如果是一次性部署服務(wù)器或是方案固定的數(shù)據(jù)中心,可采用列頭柜加電纜的配電方案。

6)智能小母線造價相對較高,投資回收期約為2年。

總的來說,由于智能小母線具有不占用機(jī)柜位置、配電回路清晰、模塊化結(jié)構(gòu)、工期短、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn),雖然其造價相對較高,但在整個運(yùn)營期內(nèi)可以為投資方帶來更大的收益。因此,建議在數(shù)據(jù)中心內(nèi)推廣應(yīng)用智能小母線末端配電技術(shù)。