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数据中心机房母线布局与规划设计

更新时间:2020-08-05点击次数:61次
数据中心机房母线布局与规划设计

摘 要:机架配电母线—柔性母线正在数据中心主机房内逐步推广。分析了适用于数据中心主机房的机架配电母线方案,并结合数据中心主机房空调方案、通信走线、消防、照明等空间需求,对主机房机架顶部垂直空间进行合理规划和研究,提出了3种典型场景的高度需求。 

关键词:数据中心;主机房;机架柔性母线;布局规划

1 引言 

       近年互联网业务在快速发展,数据中心建设在我国全面开展。在建设实施中,适用于数据中心的新技术如高压直流、柔性母线等正在逐步推广和应用。这些技术的应用,对数据中心的空间环境提出了新的要求。 

       母线是数据中心末端机架配电的新型设备,用以替代精密列头柜及其输出电缆,可灵活调配机架用电功率,并显著节省列头柜占地、降低建设成本。目前已在部分数据中心应用和试点。

       柔性母线的应用,将使得主机房机柜顶上垂直空间的规划布局较传统供电方式产生较大变化。本文将以移动数据中心标准化方案为基础,研究柔性母线应用时,主机房内机架顶部垂直空间的布局,包括走线架、母线槽、空调管线等空间布局,提出合理的布局方案,以作为今后柔性母线大规模应用时的参考。

2 柔性母线供电特点 

       数据中心主机房中,交流UPS供电系统供电场景时,通常在电力机房内设置 UPS 双总线供电系统(2N或3N方式),在主机房内为每列机架配置 2个列头柜,为该列每个机架内的2个PDU设备配电;柔性母线的供电方案是:利用“始端 箱+母线槽+插接箱”,代替“列头柜+电缆”,为 IT 设备机柜供电,柔性母线系统(含2个始端箱、 2根母线槽及相应数量的插接箱),分别对该列通信机架内的 2个PDU设备配电。传统列头柜机架配电和柔性母线配电模式两种不同配电模式的供电系统对比如图 1 所示。

图 1 传统列头柜机架配电和柔性母线配电模式对比

       机架列头柜配电模式时,UPS输出配电屏至列头柜、列头柜至机架均常用电缆连接沿走线架敷设;而柔性母线配电时,UPS输出配电屏至始端箱采用电缆连接,沿通信机房电源用主走线架(常用800mm宽)敷设;始端箱至插接箱采用母线槽供电,插接箱至通信设备PDU采用电缆连接,其形态如图 2 所示。

图 2 柔性母线配电模式

       本文调研了市场上主产品,并对多个厂家进行了产品调查。根据插接箱安装方式不同,现将机架母线产品分为两类:母线槽侧接插接箱和母线槽下接插接箱。其主要产品形态如图 3 所示。

(a)母线槽侧接插接箱

(b)母线槽下接插接箱

图 3 母线产品形态

3 机架顶部垂直空间布局要素 

       数据中心主机房层高的组成,一般由建筑结构面层、机房制冷空调回风空间、气灭空间、电力走线架、通信走线架、机架及下送风地板空间组成,各部分主要影响因素荷载及建筑结构形式、机架功率密度和消防要求、机架高度及走线架高度及机架功率密度和气流组织方式,如图 4 所示。

图 4 数据中心主机房空间剖面

        本文研究空间为走线架空间(含电力电缆走线架、通信线缆走线架及光纤槽道,通常为两层)、机房制冷空调回风空间、消防管道等管线的布局空间。

(1)通信线缆 

       通信线缆走线架及管线槽道,通常布放 IT 设备所需的数据线缆、室内光缆等,列通信走线架尺寸一般为600 mm宽,其上方操作空间预留约300mm高。通常还需设置光纤槽道,高度100 mm。

(2)机柜供电线缆 

       电力电缆走线架通常布放IT设备所需的电力电缆,列电力电缆走线架尺寸一般为600mm宽,其上方操作空间预留约 300mm 高。如采用柔性母线配电时,根据调研,母线+插接箱(250 A)高度一般在300~370mm

(3)空调系统管线 

       空调管线空间,根据主机房空调末端不同有不同的需求。目前常用的空调末端形式有:冷冻水型机房专用空调(上送风或下送风)、列间空调、水冷冷门、热管冷门4种方式。

       冷冻水型机房专用空调(下送风方式)、列间空调、水冷冷门等方式应用时,在机架列顶部无管线安装需求,但是为提高气流组织效率,采用冷冻水型机房专用空调、列间空调的 主机房内通常封闭冷通道,其典型场景的空间布局如图 5、图6及图7所示。封闭的冷通道上,一般不安装需要经常维护的电力、通信等走线架、管线等。

图 5 冷冻水型机房专用空调(下送风方式时)时主机房空间布局剖面

 

图 6 列间空调方案时主机房空间布局剖面

图 7 水冷冷门方案时主机房空间布局剖面

       热管背板空调末端方式时,空调的冷媒走线架及走线架上冷媒气管占用空间约350 mm(宽)× 150mm(高),冷媒走线架需布置在机柜上方300~400 mm空间以上区域,同时冷媒走线架尽量靠近热管背板上方布置,其典型场景的空间布局如图 8 所示

图 8 热管背板方案时主机房空间布局剖面

       部分老机房采用空调风管上送风、下回风气流组织形式,单独设置空调区放置空调,风管布置在机架间通道上方,典型情况下风管尺寸约800mm×320 mm,风管在顶部气灭管道区域以下200mm处布置,其典型场景的空间布局如图 9 所示。

图 9 冷冻水型机房专用空调(上送风方式)时主机房空间布局剖面

(4)消防系统管线 

       机房内需要设置自动消防系统,消防系统主要采用有管网气体灭火系统,机房顶部需布置气灭喷头和气灭管路,结构主梁下方需要占用 200mm高空间用于布置管路。 

(5)空调系统配电线缆及动环监控线缆 

       随着列间空调和机柜级空调系统规模应用,机柜列内需要配置空调系统配电线缆及其 线槽。动环监控系统是数据中心维护的重要基础,该系统也需要机柜列内设置线缆。综合考虑这两类线缆系统需求,根据大量工程实践统计,其线槽合计尺寸可以按150mm(宽)×100 mm(高)考虑。

(6)线槽灯具 

       为便于维护每个机柜列通道内,都需要设置线槽灯。线槽灯带需要的空间按100mm(宽)× 100mm(高)考虑。

       根据上述分析,常规情况下机架顶部各类管线的净高度(未含管线间距要求)见表 1。在设计中,还需要考虑其维护间距隔离间距等要求(如走线架与机架间距200mm、母线槽与走线架间距50~100mm、气灭管线与其他管线间距等),垂直高度需求更大。因此合理规划机架顶部垂直空间,优化管线布局,能有效降低生产净高要求。

       如果考虑合理维护间距,表 1 中高度应调整到 1900mm及以上。

表 1 主机房内各类常用管线高度典型值

4 柔性母线空间布局方案 

       在常规情况下,主机房内通信线缆走线架与电力电缆走线架上下对齐吊挂设置。当采用柔性母线方案时,主机房内原电力电缆走线架空间则将调整为母线及其接插箱的空间。因母线及其接插箱空间可以与通信线缆走线架分离设置,此时机架顶部垂直空间需要良好规划,以适应不同方案的需求。 

       本文通过调研在用的柔性母线机房情况,并结合中国移动数据中心标准化成果,研究分析了 5 种空调末端形式、两类母线产品应用的组合场景,得出如下 3 种常用的主机房空间布局方案。

4.1 布局方案一 

(1)布置形式 

       特点:封闭冷通道场景,在热通道安装母线槽。

      本方案是将母线槽设置在热通道,列通信线缆走线架设置在列机柜顶。其供电方案是,热通道内设置两条母线装置 I、II。母线I为临近机架列A提供主供电电源,为临近机架列B提供备用电源,母线 II 为机架列 B 提供主供电电源,为机架列 A 提供备用电源。这样提高投资效益,有效利用空间。本方案拟将水平布置如图10所示。

图 10 走线架和母线槽布局方案一(平面示意)

       目前标准机柜尺寸为600 mm(宽)×1200mm(深)×2200 mm(高)。机柜深度 1200mm处,可以设置通信线缆走线架(一般宽度为600mm)。热通道宽度一般为800~1200 mm。

(2)机柜上部垂直空间规划及高度分析本方案以列间空调方式、封闭冷通道的机架布局为例。机架顶部到梁下需要考虑的管线及高度需求见表 2。  

表 2 主机房内各类常用管线高度典型值(列间空调场景)

        本方案将通信走线架和光纤槽道、空调配电及动环监控线槽并列设置在机架顶部,母线及接插箱(主次两条)设置在热通道。这样合理利用 了机架顶部空间。考虑各种管线的高度、管线间距及维护空间要求,优化后的方案是:机架顶至结构梁下需要的高度为1170 mm。垂直空间的具体布局规划如图 11 所示

图 11 走线架和母线槽布局方案一(剖面示意)

       图 11 中以母线槽侧接插接箱式产品为主,当为母线槽下接插接箱式产品时,母线槽及插接箱的高度加大,此时机架顶距梁底高度至少需要 1 270 mm。

4.2 布局方案二 

(1)布置形式  

       特点:无封闭通道场景,在每个列通道内均 安装一组母线槽装置。应用热管空调、水冷冷门等机柜级空调末端方式时,主机房机柜列不需封闭通道。此时安装方案是在每个通道内设置一组母线槽装置,母线 I 为临近机架列 A 提供主供电电源,为临近机架列 B 提供备用电源。本方案拟将水平布置图 12 所示

图 12 走线架和母线槽布局方案二(平面示意)

(2)机柜上部垂直空间规划及高度分析 

         本方案以热管调方式的机架布局为例。机架顶部到梁下需要考虑的管线及高度需求见表 3。 

表 3 主机房内各类常用管线高度典型值(热管空调场景)

       本方案将通信走线架和光纤槽道、空调配电及动环监控线槽并列设置在机架顶部,每列的母 线及接插箱与冷媒管线共用高度,这样合理利用了机架顶部空间。考虑各种管线的高度、管线间距及维护空间高度需求,优化后的方案是:机架顶至结构梁下需要的高度为1270 mm。垂直空间的具体布局规划如图13所示。

图 13 走线架和母线槽布局方案二(剖面示意)

       图中13以母线槽侧接插接箱式产品为主,当为母线槽下接插接箱式产品时,母线槽及插接箱的高度加大,此时机架顶距梁底高度至少需要1370 mm。

4.3 布局方案三 

(1)布置形式 

       特点:无封闭通道、空调上送风场景,在每个列通道内均安装一组母线槽装置。

       在传统的老旧机房中,还存在部分上送风的形式,上送风风管占用了机架顶部空间,与其他管线共用空间难度大。因此单独列出这个方案。

       此时,佳的安装方案是在每个通道内设置一组母线槽装置,母线I为临近机架列A提供主供电电源,为临近机架列B提供备用电源。本方案母线的水平布局示意图同方案二图12所示相同

(2)机柜上部垂直空间规划及高度分析

       本方案以热管调方式的机架布局为例,机架顶部到梁下需要考虑的管线及高度需求见表4。  

表 4 主机房内各类常用管线高度典型值(上送风空调场景)

       本方案将通信走线架和光纤槽道、空调配电及动环监控线槽并列设置在机架顶部,母线及接插箱(主次两条)设置在热通道。考虑各种管线的高度、管线间距及维护空间高度需求,优化后方案是:机架顶至结构梁下需要的高度为1690mm。垂直空间的具体布局规划如图14所示

图 14 走线架和母线槽布局方案三(剖面示意) 

       图14中以母线槽侧接插接箱式产品为主,当为母线槽下接插接箱式产品时,母线槽及插接箱的高度加大,此时机架顶距梁底高度至少需要1790mm

       上述3种方案,根据典型应用场景的分析,得出相应的机柜顶至结构梁下的高度需求,此高度保障了维护的高度需求。为方便维护,在实际工程应适当提高本文中总结的高度需求,满足管线安装、拆除、线缆维护等需求

5安科瑞列头柜及监测产品介绍

       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精确的电参量信息,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,为实现绿色IDC提供可靠保证。5.1精密配电管理解决方案

5.1.1交流系统

       1)功能要求:

       遥测:输入分路的三相电压、三相电流、有功功率、有功电度;输出分路的单相电压、单相电流、有功功率、有功电度;

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

       2)配置方案-示意图

 

 配置方案 

                           多功能仪表       PZ72L-E4

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

5.1.2直流系统

       1) 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、功率等参数的越限功能。

       2)配置方案-示意图

配置方案

                              多功能仪表          PZ72L-DE

                                           霍尔传感器          AHKC-F-  XXA/5V

                                          开关电源             SBD-30  (48V)

  

5.2产品规格

说明:■为标配功能。

5.3配套附件

6安科瑞母线槽监测产品介绍

6.1概述
       数据中心小母线系统是数据中心末端母线供配电系统的俗称。近年来,随着数据中心建设的快速发展和更高需求,智能小母线系统逐渐被应用于机房的末端配电中,具有电流小、插接方便、智能化程度高等特点,即插式插接箱给各个机柜内的PDU分配电。始端箱和插接箱内可设置监测模块,将数据上传至动环监控中心。

6.2 AMB智能小母线管理系统
       1)交流系统功能:
       遥测:三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电能、无功电能、电缆温度,系统频率、零序电流、零地电压、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电压/电流谐波含量、电流/功率;
       遥信:过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、过频率、欠频率越限、零地电压、零线电流、温/湿度告警,开关状态、开关跳闸; 
       2)直流系统功能:
       遥测:电压、电流、功率、电能、电缆温度、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电流/功率;
       遥信:过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、温/湿度告警,开关状态、开关跳闸;

6.3产品介绍

说明:■为标配功能。

7 结束语 
       本文通过对柔性母线的实地案例多次调研,结合数据中心主机房空调末端方案、柔性母线方案及通信走线、消防、照明等管线对空间的需求,对IT主机房内柔性母线水平布局和机架顶部垂直空间进行合理规划和研究。本文提出 3 种典型场景下的应用方案,确定了机柜顶至梁下的净空间要求,为今后机房内配电母线空间布局提供参考。相信随着柔性母线应用的普及,本文的研究将推动数据中心机房建设的深化和优化,为机房管线合理布局提供基础,为数据中心主机房的标准化设计安装提供参考。

参考文献: 
【1】张广明.数据中心基础设施设计与建设[M]. 北京: 电子工业出版社, 2012
【2】孙丽玫、王改红、李舒涛、姜宇光、赵黎明.数据中心主机房柔性母线布局规划.
【3】安科瑞数据中心IDC配电监控解决方案.2020.03版

作者简介:缪建梅,女,安科瑞电气股份有限公司,主要从事电气防火限流式保护器的研发与应用

作者简介:缪建梅,女,安科瑞电气股份有限公司,主要从事电气防火限流式保护器的研发与应用

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