數(shù)據(jù)中心機房母線布局與規(guī)劃設計

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801

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

關鍵詞：數(shù)據(jù)中心；主機房；機架柔性母線；布局規(guī)劃

1 引言 

       近年互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務在快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心建設在我國全面開展。在建設實施中，適用于數(shù)據(jù)中心的新技術如高壓直流、柔性母線等正在逐步推廣和應用。這些技術的應用，對數(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)中心末端機架配電的新型設備，用以替代精密列頭柜及其輸出電纜，可靈活調配機架用電功率，并顯著節(jié)省列頭柜占地、降低建設成本。目前已在部分數(shù)據(jù)中心應用和試點。

       柔性母線的應用，將使得主機房機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。本文將以移動數(shù)據(jù)中心標準化方案為基礎，研究柔性母線應用時，主機房內機架頂部垂直空間的布局，包括走線架、母線槽、空調管線等空間布局，提出合理的布局方案，以作為今后柔性母線大規(guī)模應用時的參考。

2 柔性母線供電特點 

       數(shù)據(jù)中心主機房中，交流UPS供電系統(tǒng)供電場景時，通常在電力機房內設置 UPS 雙總線供電系統(tǒng)（2N或3N方式），在主機房內為每列機架配置 2個列頭柜，為該列每個機架內的2個PDU設備配電；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 設備機柜供電，柔性母線系統(tǒng)（含2個始端箱、 2根母線槽及相應數(shù)量的插接箱），分別對該列通信機架內的 2個PDU設備配電。傳統(tǒng)列頭柜機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)對比如圖 1 所示。

圖 1 傳統(tǒng)列頭柜機架配電和柔性母線配電模式對比

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

       本文調研了市場上主流產(chǎn)品，并對多個廠家進行了產(chǎn)品調查。根據(jù)插接箱安裝方式不同，現(xiàn)將機架母線產(chǎn)品分為兩類：母線槽側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 機架頂部垂直空間布局要素 

       數(shù)據(jù)中心主機房層高的組成，一般由建筑結構面層、機房制冷空調回風空間、氣滅空間、電力走線架、通信走線架、機架及下送風地板空間組成，各部分主要影響因素荷載及建筑結構形式、機架功率密度和消防要求、機架高度及走線架高度及機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）、機房制冷空調回風空間、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 設備所需的數(shù)據(jù)線纜、室內光纜等，列通信走線架尺寸一般為600 mm寬，其上方操作空間預留約300mm高。通常還需設置光纖槽道，高度100 mm。

（2）機柜供電線纜 

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

（3）空調系統(tǒng)管線 

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

       冷凍水型機房空調（下送風方式）、列間空調、水冷冷門等方式應用時，在機架列頂部無管線安裝需求，但是為提高氣流組織效率，采用冷凍水型機房空調、列間空調的 主機房內通常封閉冷通道，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)常維護的電力、通信等走線架、管線等。

圖 5 冷凍水型機房空調（下送風方式時）時主機房空間布局剖面

圖 6 列間空調方案時主機房空間布局剖面

圖 7 水冷冷門方案時主機房空間布局剖面

       熱管背板空調末端方式時，空調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柜上方300～400 mm空間以上區(qū)域，同時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 熱管背板方案時主機房空間布局剖面

       部分老機房采用空調風管上送風、下回風氣流組織形式，單獨設置空調區(qū)放置空調，風管布置在機架間通道上方，典型情況下風管尺寸約800mm×320 mm，風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 冷凍水型機房空調（上送風方式）時主機房空間布局剖面

（4）消防系統(tǒng)管線 

       機房內需要設置自動消防系統(tǒng)，消防系統(tǒng)主要采用有管網(wǎng)氣體滅火系統(tǒng)，機房頂部需布置氣滅噴頭和氣滅管路，結構主梁下方需要占用 200mm高空間用于布置管路。 

（5）空調系統(tǒng)配電線纜及動環(huán)監(jiān)控線纜 

       隨著列間空調和機柜級空調系統(tǒng)規(guī)模應用，機柜列內需要配置空調系統(tǒng)配電線纜及其 線槽。動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心維護的重要基礎，該系統(tǒng)也需要機柜列內設置線纜。綜合考慮這兩類線纜系統(tǒng)需求，根據(jù)大量工程實踐統(tǒng)計，其線槽合計尺寸可以按150mm（寬）×100 mm（高）考慮。

（6）線槽燈具 

       為便于維護每個機柜列通道內，都需要設置線槽燈。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)情況下機架頂部各類管線的凈高度（未含管線間距要求）見表 1。在設計中，還需要考慮其維護間距隔離間距等要求（如走線架與機架間距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。

       如果考慮合理維護間距，表 1 中高度應調整到 1900mm及以上。

表 1 主機房內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，主機房內通信線纜走線架與電力電纜走線架上下對齊吊掛設置。當采用柔性母線方案時，主機房內原電力電纜走線架空間則將調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置，此時機架頂部垂直空間需要良好規(guī)劃，以適應不同方案的需求。 

       本文通過調研在用的柔性母線機房情況，并結合中國移動數(shù)據(jù)中心標準化成果，研究分析了 5 種空調末端形式、兩類母線產(chǎn)品應用的組合場景，得出如下 3 種常用的主機房空間布局方案。

4.1 布局方案一 

（1）布置形式 

       特點：封閉冷通道場景，在熱通道安裝母線槽。

      本方案是將母線槽設置在熱通道，列通信線纜走線架設置在列機柜頂。其供電方案是，熱通道內設置兩條母線裝置 I、II。母線I為臨近機架列A提供主供電電源，為臨近機架列B提供備用電源，母線 II 為機架列 B 提供主供電電源，為機架列 A 提供備用電源。這樣提高投資效益，有效利用空間。本方案擬將水平布置如圖10所示。

圖 10 走線架和母線槽布局方案一（平面示意）

       目前標準機柜尺寸為600 mm（寬）×1200mm（深）×2200 mm（高）。機柜深度 1200mm處，可以設置通信線纜走線架（一般寬度為600mm）。熱通道寬度一般為800～1200 mm。

（2）機柜上部垂直空間規(guī)劃及高度分析本方案以列間空調方式、封閉冷通道的機架布局為例。機架頂部到梁下需要考慮的管線及高度需求見表 2。  

表 2 主機房內各類常用管線高度典型值（列間空調場景）

        本方案將通信走線架和光纖槽道、空調配電及動環(huán)監(jiān)控線槽并列設置在機架頂部，母線及接插箱（主次兩條）設置在熱通道。這樣合理利用 了機架頂部空間。考慮各種管線的高度、管線間距及維護空間要求，優(yōu)化后的方案是：機架頂至結構梁下需要的高度為1170 mm。垂直空間的具體布局規(guī)劃如圖 11 所示

圖 11 走線架和母線槽布局方案一（剖面示意）

       圖 11 中以母線槽側接插接箱式產(chǎn)品為主，當為母線槽下接插接箱式產(chǎn)品時，母線槽及插接箱的高度加大，此時機架頂距梁底高度至少需要 1 270 mm。

4.2 布局方案二 

（1）布置形式  

       特點：無封閉通道場景，在每個列通道內均 安裝一組母線槽裝置。應用熱管空調、水冷冷門等機柜級空調末端方式時，主機房機柜列不需封閉通道。此時安裝方案是在每個通道內設置一組母線槽裝置，母線 I 為臨近機架列 A 提供主供電電源，為臨近機架列 B 提供備用電源。本方案擬將水平布置圖 12 所示

圖 12 走線架和母線槽布局方案二（平面示意）

(2)機柜上部垂直空間規(guī)劃及高度分析 

         本方案以熱管調方式的機架布局為例。機架頂部到梁下需要考慮的管線及高度需求見表 3。 

表 3 主機房內各類常用管線高度典型值（熱管空調場景）

       本方案將通信走線架和光纖槽道、空調配電及動環(huán)監(jiān)控線槽并列設置在機架頂部，每列的母 線及接插箱與冷媒管線共用高度，這樣合理利用了機架頂部空間。考慮各種管線的高度、管線間距及維護空間高度需求，優(yōu)化后的方案是：機架頂至結構梁下需要的高度為1270 mm。垂直空間的具體布局規(guī)劃如圖13所示。

圖 13 走線架和母線槽布局方案二（剖面示意）

       圖中13以母線槽側接插接箱式產(chǎn)品為主，當為母線槽下接插接箱式產(chǎn)品時，母線槽及插接箱的高度加大，此時機架頂距梁底高度至少需要1370 mm。

4.3 布局方案三 

（1）布置形式 

       特點：無封閉通道、空調上送風場景，在每個列通道內均安裝一組母線槽裝置。

       在傳統(tǒng)的老舊機房中，還存在部分上送風的形式，上送風風管占用了機架頂部空間，與其他管線共用空間難度大。因此單獨列出這個方案。

       此時，佳的安裝方案是在每個通道內設置一組母線槽裝置，母線I為臨近機架列A提供主供電電源，為臨近機架列B提供備用電源。本方案母線的水平布局示意圖同方案二圖12所示相同

（2）機柜上部垂直空間規(guī)劃及高度分析

       本方案以熱管調方式的機架布局為例，機架頂部到梁下需要考慮的管線及高度需求見表4。  

表 4 主機房內各類常用管線高度典型值（上送風空調場景）

       本方案將通信走線架和光纖槽道、空調配電及動環(huán)監(jiān)控線槽并列設置在機架頂部，母線及接插箱（主次兩條）設置在熱通道。考慮各種管線的高度、管線間距及維護空間高度需求，優(yōu)化后方案是：機架頂至結構梁下需要的高度為1690mm。垂直空間的具體布局規(guī)劃如圖14所示

圖 14 走線架和母線槽布局方案三（剖面示意） 

       圖14中以母線槽側接插接箱式產(chǎn)品為主，當為母線槽下接插接箱式產(chǎn)品時，母線槽及插接箱的高度加大，此時機架頂距梁底高度至少需要1790mm

       上述3種方案，根據(jù)典型應用場景的分析，得出相應的機柜頂至結構梁下的高度需求，此高度保障了維護的高度需求。為方便維護，在實際工程應適當提高本文中總結的高度需求，滿足管線安裝、拆除、線纜維護等需求

5安科瑞列頭柜及監(jiān)測產(chǎn)品介紹

       隨著數(shù)據(jù)中心的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心能耗問題也越來越突出，高效可靠的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案，是提高數(shù)據(jù)中心電能使用效率，降低設備能耗的有效方式。

       AMC系列數(shù)據(jù)中心精密配電系統(tǒng)是針對數(shù)據(jù)機房末端設計的，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)，實現(xiàn)對整個數(shù)據(jù)機房的實時監(jiān)控和有效管理，為實現(xiàn)綠色IDC提供可靠保證。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：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狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(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

 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：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

                                          開關電源             SBD-30  （48V）

5.2產(chǎn)品規(guī)格

說明：■為標配功能。

5.3配套附件

6安科瑞母線槽監(jiān)測產(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)中心建設的快速發(fā)展和更高需求，智能小母線系統(tǒng)逐漸被應用于機房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點，即插式插接箱給各個機柜內的PDU分配電。始端箱和插接箱內可設置監(jiān)測模塊，將數(shù)據(jù)上傳至動環(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：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、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態(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，開關狀態(tài)、開關跳閘； 
       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、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態(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，開關狀態(tài)、開關跳閘；

6.3產(chǎn)品介紹

說明：■為標配功能。

7 結束語 
       本文通過對柔性母線的實地案例多次調研，結合數(shù)據(jù)中心主機房空調末端方案、柔性母線方案及通信走線、消防、照明等管線對空間的需求，對IT主機房內柔性母線水平布局和機架頂部垂直空間進行合理規(guī)劃和研究。本文提出 3 種典型場景下的應用方案，確定了機柜頂至梁下的凈空間要求，為今后機房內配電母線空間布局提供參考。相信隨著柔性母線應用的普及，本文的研究將推動數(shù)據(jù)中心機房建設的深化和優(yōu)化，為機房管線合理布局提供基礎,為數(shù)據(jù)中心主機房的標準化設計安裝提供參考。

參考文獻： 
【1】張廣明.數(shù)據(jù)中心基礎設施設計與建設[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