机架母线槽配电技术在数据中心机房的应用

安科瑞 华楠

摘 要：通过结合机架母线槽系统的使用特点，将“始端箱+母线槽+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，采用“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“l列头柜+电缱”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

采用传统“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，本文提出了采用了“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)。

图1机架母线配电原理

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：100A、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采用两根母线槽的

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交流母线槽主体均采用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，搭配多根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500～600mm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采集参数也比较多，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，将采集结果显示放到主控箱监视屏上进行就地显示和检查。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采用时，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"C、额定负荷状态下，其温升要求如下：

表1温升要求

 

由此可见，当环境温度为26"C，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

柜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分路采集。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。在智能采集电气参数(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，同时外壳采用铝合金材质，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。

4.6导电性好，使用寿命长

由于母线型系统在相同距离的电压损失更低，相较于电力线缆可以提供更好的能源效率。较传统电缆采用的紫铜材料，轨道式母线系统采用铜和银的含量更高的无氧铜，并且母排全长镀锡，阻抗远远小于线缆阻抗，电阻率达到0．01717Q．mill2／m，发热量小，而且系统一次性投资虽然比传统列头柜电缆配电系统高出50％，但是综合考虑到使用寿命因素(母线槽50年，电缆约10～15年)，机架母线技术更为经济可靠。

 

5安科瑞ANDPF精密列头柜介绍

5.1产品介绍

随着数据中心的迅猛发展，数据中心能耗问题也越来越突出，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。

AMC系列数据中心精密配电系统是针对数据机房末端设计的，能够综合采集所有能源数据的智能系统，为交直流电源配电柜提供准确的电参量信息，并可通过通讯将数据上传到动环监控系统，实现对整个数据机房的实时监控和有效管理，为实现全方位绿色IDC提供可靠保证。

5.2安科瑞精密配电产品解决方案

1）交流系统

功能要求

遥测：输入分路的三相电压、三相电流、频率、有功功率、有功电度；

遥信：输入分路的过压/欠压，缺相，过流，频率过高/过低，输入分路的开关状态，具备电流、功率需用量分析和统计，实现电压、电流、频率等参数的越限报警功能。

 

配置方案如图1，

图5 交流系统配置方案

2）直流系统

功能要求

遥测：输入分路的电压、电流、功率、电度；

遥信：输入分路的过压/欠压，输入分路的熔丝状态，具备电流、功率需用量分析和统计，实现电压、电流、功率等参数的越限报警功能。

 

配置方案如图2，

图6 直流系统配置方案

 

5.3产品选型

表2 产品选型表

6 安科瑞智能小母线监控系统介绍

6.1产品介绍

针对数据中心智能小母线的监控要求,安科瑞推出了AMB系列小母线监控解决方案，该方案包括采集模块、配套附件、监控系统,能对母线运行过程中的各种参数进行监控，发生故障则进行告警，以保证系统稳定运行。

AMB检测单元是针对数据中心智能小母线插接箱/始端箱的监控要求新设计的产品，该检测单元安装固定在插接箱/始端箱内部，插接箱/始端箱采用特有的方式与母线连通，它集成全部电力参数的测量(如单相或者三相的电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、频率、功率因数)以及全面的电能监测和考核管理。同时可以实时监控母线接口温度，配合2路Rs45通讯接口（1进1出）或LORA无线通讯，采用MODBUS-RTU协议可以方便可靠的将监测数据上传至主控箱和后台系统，保证系统安全可靠运行。

6.2产品选型

 

安科瑞智能母线测控仪表选型如表2，

表3 产品选型规格

 

注：AMB100用于始端箱、AMB110用于插接箱、A-交流系统、D-直流系统可选配AMB10显示器，显示器只循环显示电压、电流参数。

7结语

数据中心机架配电采用“始端箱+母线槽+终端箱”的机架母线，替代“列头柜+电缆”的传统方式对通信机柜进行柔性配电，不仅灵活解决了客户不断变化的用电需求，提高了数据中心供电方式稳定性，而且节省列头柜占地，避免了容量资源浪费，大大提高了单位空间的装机率，而且便于维护，绿色节能。

 

【参考文献】

[1]王其英.数据中心节能供电系统的规划与设计[M].北京：电子工业出版社，2011.

[2]谢昆.浅析机架母线配电技术在数据中心机房的应用[J].信息通信.2019.10:79-81

[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册. 2019.11版