数据中心机房末端配电技术与应用探讨

［谢拥华］

1 概述

数据中心是国家确定的“新基建”七大领域之一。数据中心在国民经济和社会发展中所起的作用越来越重要，数据中心已经成为了各行各业的关键基础设施，为经济转型升级提供了重要支撑。

数据中心要实现持续稳定运行，前提是其供电系统应稳定可靠、不间断。当前，重要程度最高的A 级数据中心一般采用2N 架构的UPS 供电方式，以实现容错要求，供电系统包括高低压配电、后备发电机组、不间断电源、后备蓄电池、精密配电等子系统，典型的数据中心供电系统如图1 所示。

从图1 可以看出，最终的用电设备实现了全程双路由容错供电。

图1 典型数据中心2N 供电系统图

2 末端配电

数据中心机房的末端配电一般是指从不间断电源输出柜到最终用电设备的配电部分，最终用电设备包括IT设备、动力设备和照明等。数据中心的末端配电最接近用电设备，是整个供配电系统中的关键环节，它的安全可靠十分重要。

传统的末端配电技术一般采用列头柜加电缆配电，典型的配电系统如图2 所示。

图2 数据中心典型配电系统图

3 列头柜配电技术探讨

按照国家规范的要求，A 级数据中心的基础设施宜按容错系统配置。当数据中心的末端配电采用列头柜加电缆配电时，存在多种方案。以数据中心应用较多的封闭冷通道为例，配电方案主要有如下4 种方案。

3.1 方案一

方案一如图3 所示。

图3 列头柜双柜配电方案

每个封闭冷通道设置两个列头柜，分别位于每列的头部，每个列头柜由不同的UPS 系统引出，即列头柜A 由2N 双母线系统的UPS 系统A 引出，列头柜B 由2N 双母线系统的UPS 系统B 引出。

IT 机柜的供电方式为：每个IT机柜内包括两路PDU，PDU(A) 和PDU(B)，其中PDU（A）通过电缆由列头柜A 取电，PDU(B)通过电缆由列头柜B 取电。

本供电方案的优点是实现了全程双回路供电，无单点故障点，供电架构清晰。缺点是IT 机柜的供电需要跨列引电，布线有一定难度。

3.2 方案二

方案二的机柜布置和方案一相同，如图3 所示，但列头柜的内部配置和配电电缆的敷设不同。具体方案是：每个封闭冷通道也设置两个列头柜，列头柜A 和列头柜B，但每个列头柜内部又分为A、B 两路，每路由不同的UPS系统引出，即列头柜A 和列头柜B 内的A 路由2N 双母线系统的UPS 系统A 引出，列头柜A 和列头柜B 内的B路由2N 双母线系统的UPS 系统B 引出。

IT 机柜的供电方式是IT 机柜的两路PDU 均来自于本列的列头柜，其中PDU（A）来自于本列列头柜中的A路，PDU（B）来自于本列列头柜中的B 路；这种供电方式结构清晰，但当列头柜需要扩容、更换或移位时，后端IT 机柜的割接难度和工作量较大。

3.3 方案三

方案三和方案二的不同之处仅在于IT 机柜的取电方式不同，即IT 机柜的两路PDU 分别来自于不同的列头柜，且不同路，第1 列的IT 机柜的PDU（A）来自于列头柜A 内的A 路，PDU（B）来自于列头柜B 内的B 路；第2 列的IT 机柜的PDU（A）来自于列头柜B 内的A 路，PDU（B）来自于列头柜A 内的B 路；这种供电方式保证了IT 机柜的供电为全程双路由，且不存在单点故障点，但布线比较复杂，现场接线容易发生错误，可能导致IT机柜由假双路电源供电。

3.4 方案四

方案四如图4 所示。

图4 列头柜单柜供电方案

每个封闭冷通道只设置1 个列头柜，位于其中一列的头部，列头柜内部分为A、B 两路，分别由不同的UPS 系统引出。IT 机柜的两路PDU 分别由列头柜内的A 路和B路取电。

这种方案的优点是只占用了一个机柜位置，节约了宝贵的机房空间资源。缺点是电缆需要跨列敷设，且当列头柜需要维修、扩容、更换或移位时，将造成后端所有IT机柜断电。

3.5 列头柜配电方案对比

对上述4 种列头柜配电方案进行对比，如表1 所示。

表1 四种列头柜配电方案对比

综合列头柜的上述4 种列头柜配电方案的优、缺点，建议采用配电方案一。

3.6 列头柜配电技术分析

列头柜配电技术要占用宝贵的机房资源，每台列头柜要占用了一个机柜位置，使得可出租的IT 机柜数量变少。

列头柜配电采用电缆进行出线，出线配置1P 或2P空开，每一个出线回路连接一根电缆到一台机柜，再通过工业连接器或者直接连接到PDU 的端子排上，为服务器进行供电。列头柜在设计中往往会配置一些备用回路，以备日后机柜扩容或者维修，当列头柜方案落地实施后，再进行调整和更改会非常麻烦，甚至需要停机进行作业。采用电缆出线，如果双路配电的方案，会有大量的电缆需要部署，后期维护、增加、减少机柜、调整机柜布局、增加机柜容量等难度很大。另外，电缆中间没有监控，长期通过大电流出现绝缘老化时无法提前预警，对运营带来潜在危险。

4 智能小母线配电技术探讨

由于列头柜要占用宝贵的机房资源，且配电不够灵活，业界一直在研究更加灵活可靠的末端配电技术，智能小母线配电技术应运而生。

智能小母线是相对应用于低压配电系统的大母线而言的，应用于机房末端配电，且电流一般在800 A 以下的小型母线系统。

4.1 智能小母线的分类

智能小母线按照结构可以分为滑轨式小母线和直列式小母线。

所谓滑轨式小母线，是指铜排导体采用环绕式布置，中间形成一个连续的空间通道，底部连续开槽，支持在任意点位插接取电的母线形式。

滑轨式小母线具有全程全点位接入分支回路的特点。插接箱在母线槽的下方安装，即插即用，母线槽无需断电即可实现插接箱的在线插拔；母线槽为模块化结构，支持分步实施、延续、扩展和重构，支持部件的按需分项采购和部署。

所谓直列式小母线，是指铜排导体采用上下并列平行布置，母线左右两侧可间隔或密集布置插孔接入分支回路的母线形式。

直列式母线结构简单，成本更低。但其插接箱是固定的，不能根据需求灵活移动，插接箱在母线槽的左右水平方向安装，插接口的数量有限，整体扩容性差。另外，插接箱的体积大，占用空间大，不易更换，维护困难。因此，直列式小母线适合后期方案不进行调整，大范围固定配置的部署。

滑轨式小母线和直列式小母线的特点对比如表2所示。

表2 滑轨式小母线和直列式小母线

由于滑轨式小母线的插接箱在母线槽的下方向下安装，两条智能小母线间距可以控制在150 mm 以内，占用IT 机柜上方的水平空间较小，一般可以在500 mm 以内。插接箱朝向机柜后侧，便于操作和观察。而直列式小母线占用IT 机柜上方的水平空间较大，一般都600 mm 以上，不便于安装，且不便于后期的操作和观察。因此，智能小母线推荐采用滑轨式小母线，不建议采用直列式小母线。

4.2 智能小母线的配置方式探讨

对于封闭冷通道，智能小母线有单列单母线和单列双母线两种配置方式。

单列单母线配置图如图5 所示。

图5 智能小母线单列单母线配置图

单列双母线配置图如图6 所示。

图6 智能小母线单列双母线配置图

两种母线配置方式的对比如表3 所示。

表3 单列单母线和单列双母线对比

由于采用单列单母线方式，需要跨列桥架，布线难度很大，不建议采用此种配置方式，推荐采用单列双母线配置方式。

4.3 智能小母线插接箱配置方式探讨

IT 机柜通过插接箱从母线取电，即母线通过插接箱将电送至IT 机柜内的PDU。插接箱有单路输出和三路输出两种，单路输出的插接箱一般为单相，有的具备调相功能。三路输出的插接箱输入一般为三相，输出自然分相，有利于三相平衡。

因此，插接箱的配置方式可以分为一对一模式和一对三模式。一对一模式的配置图如图6 所示，一对三模式如图7 所示。

图7 智能小母线插接箱一对三配置图

两种插接箱配置方式对比如表4 所示。

表4 插接箱一对一和一对三配置方式对比

虽然插接箱一对一的配置方式清晰方便，发生故障时只影响一个机架，但成本较高。考虑到IT 机柜有两路供电，两路供电同时发生故障的可能性很低，而且，一对三方式采用一般三相输入，输出到三个机柜自然分相，不需要额外考虑三相平衡问题，因此推荐采用一对三的配置方式。

5 末端配电技术对比分析

5.1 列头柜配电技术与智能小母线配电技术的优缺点

传统的机房末端配电技术采用列头柜加电缆的配电方式，列头柜需要占用机柜安装位置；需要安装走线架，施工难度大，电缆较多，且一般需要一次性建成；IT 机柜的配电容量是固定的，无法进行灵活调整；若机房搬迁，列头柜、电缆、走线架等一般无法重复利用。

智能小母线配电技术采用了进线箱、母线槽和插接箱，为模块化结构，不需要占用宝贵的机柜安装位置；无需走线架，施工工期短；若IT 机柜容量调整，插接箱可热插拔，只需更换插接箱即可；若机房搬迁，设备均可重复利用。

但智能小母线也存在如下缺点。

（1）对机房高度要求更高。采用列头柜配电方式，为满足走线要求，一般要求IT 机柜上方有不小于500 mm的高度，而智能小母线，要求上方不小于800 mm 的高度。

（2）维护操作不方便。智能小母线的安装位置较高，操作人员如果要对开关进行分合闸等操作，比较不方便。

（3）设置复杂。若插接箱内的空气开关故障，就要更换插接箱，而且插接箱更换后需要厂家重新设置通讯地址。

两种配电方式的特点对比如表5 所示。

表5 列头柜配电与智能小母线配电技术对比

综上所述，如果是一次性部署服务器或是方案固定的数据中心，一般会采用列头柜加电缆的配电方案。如果是需要分批次部署服务器的数据中心，或后期需要进行末端负荷调整的数据中心，推荐采用全点位、滑轨式的智能小母线配电方案。

5.2 两种配电方式的造价对比

我们仍以最常见的封闭冷通道来进行对比，该封闭冷通道采用2N 双母线UPS 供电方式。一般来说，封闭冷通道内的单列IT 机柜数量在25 个以内，现假设为单列18个机柜，若采用列头柜配电方式，则单列IT机柜数为17个，单个IT 机柜额定功率为4 kW。采用智能小母线方案，则单列机柜数为18 个机柜。

列头柜配电方案如图3 所示，智能小母线配电方案如图7 所示。

列头柜配电方案的造价如表6 所示。

表6 列头柜配电方案造价

智能小母线配电方案的造价如表7 所示。

表7 智能小母线配电方案造价

从表6 和表7 可以看出，两种配电方式的造价相差105 840 元，但智能小母线配电方式可以多安装2 个IT 机柜，假设每机柜的月租金（不含电费）为2 500 元，则多花的投资部分，其回收期约为1.76 年。在10 年的运营期内，小母线配电方式可以为增加租金收入约49.4 万。

6 总结

末端配电是数据中心供配电系统的末梢环节，它的可靠性、稳定性和可维护性直接关系到IT 设备的安全供电。数据中心的末端配电方式主要包括两种，一种是采用列头柜加电缆的配电方式，另一种是智能小母线配电方式。本文通过分析，得出如下结论：

（1）对于封闭冷通道，如果采用列头柜加电缆的配电方式，建议采用上文中的方案一，即每个冷通道配置2个列头柜，每个IT 机柜分别从2 个列头柜各取1 路电源。

（2）智能小母线分为滑轨式小母线和直列式小母线，考虑到机房的实际应用环境，推荐采用滑轨式小母线，不建议采用直列式小母线。

（3）智能小母线推荐采用单列双母线方案。

（4）智能小母线的插接箱推荐采用一拖三方案。

（5）对于分批次部署服务器的数据中心，或后期需要进行末端负荷调整的数据中心，强烈建议采用滑轨式的智能小母线配电方案；如果是一次性部署服务器或是方案固定的数据中心，可采用列头柜加电缆的配电方案。

（6）智能小母线造价相对较高，投资回收期约为2年。

总的来说，由于智能小母线具有不占用机柜位置、配电回路清晰、模块化结构、工期短、可重复利用等优点，虽然其造价相对较高，但在整个运营期内可以为投资方带来更大的收益。因此，建议在数据中心内推广应用智能小母线末端配电技术。