关于智能小母线与列头柜方案的深入分析及对比

关于智能小母线与列头柜方案的深入分析及对比

马见雄王林袁华君

(镇江加勒智慧电力科技股份有限公司212000)

【摘要】：本文基于对目前数据中心机房末端配电的两种形式（智能小母线配电和列头柜配电）的深入分析，从技术性能、投资成本（包括首期投资成本、全生命周期成本）、施工及运维等多方面进行综合对比，并通过案例分析，进而解析两种配电形式对于数据中心的建设和运维带来的影响，最终全面总结出智能小母线方案的应用优势，为国内数据中心末端供电方案上的设计和选择提供切实的依据。

【关键词】：智能小母线、机房小母线、即插式母线、轨道式母线、列头柜、机柜配电

0引言

近年来，我国软件与信息技术行业发展十分迅猛，在国家政策的大力支持下，金融、电信、制造、能源、交通、政府等行业客户不断新建和升级数据中心，以提高数据中心对业务经营的承载能力，提高经营管理效率。我国数据中心IT市场一直保持连续快速增长的态势。国内数据中心的大肆建设和发展，对于的基础设施提出了更高的要求，数据中心智能小母线系统正是在这样的背景下催生出来，并被逐渐广泛使用。

2010年前，国内数据中心机房机柜的配电均采用列头柜进行配电。数据中心列头柜是源于通常放置于一列IT机柜端部的配电机柜，作为一列或若干列IT机柜的电源分配与保护的终端配电柜。列头柜通常以主断路器从前端UPS柜受电，再依靠多个微型输出断路器以放射式与各个IT机柜的PDU连接，从而构成数据中心传统的终端供配电系统。通常，每个列头柜的容量介于100到400A之间。具体见“图1.列头柜配电示意图”。

近五年来，随着数据中心建设的快速发展和更高需求，数据中心智能小母线系统逐渐被应用于机房的末端配电中，智能小母线相对传统的普通低压母线，它具有电流小、插接方便、智能化程度高等特点，电流介于100A～400A之间。小母线系统通过始端箱接受前端UPS来电，以具有金属外壳的母排系统组成输电干线，采用即插式插接箱给各个机柜内的PDU分配电。始端箱和插接箱内设置电能监测模块，并具有通讯至动环监控中心功能。“图2.智能小母线配电示意图”。

图1.列头柜配电示意图

图2.智能小母线配电示意图

2技术性能对比

2.1.两种系统在配电方式上的对比。

数据中心小母线供配电系统是典型的树干式供配电系统，总配电柜至各机柜之间采用一条干线覆盖，再依靠分接单元配电至各机柜PDU。优点是消耗金属导体消耗量少、施工快捷方便、即插即用、易于扩展与变更、相对于电缆，母线可靠性高、使用寿命长并且可重复利用。缺点是干线一旦发生故障时，影响范围大。

数据中心列头柜形式的供配电系统是典型的放射式供配电系统，列头柜直接以电缆发散式供电给各机柜。优点是各负荷独立受电，一旦发生故障只局限于本身而不影响其他回路，充分满足国家现行规范对重要用电负荷的技术要求。缺点是线路多、金属导体消耗量大、施工复杂。系统灵活性差：不具有变更能力、分期实施困难、不可重复利用系统灵活性差。另外，在列头柜形式的供配电系统中，列头柜占用了机柜列的宝贵空间。

2.2.两种系统在数据中心建设和运营上的对比。

较高等级的数据中心在IT设备的末端配电都采用双线相互冗余的供电。

A级数据中心的供配电架构为2N冗余，二套相互独立、相互冗余的电源通过二条独立的供配电线路向各个负载供电。较低等级数据中心采用N+1冗余，具有一定冗余能力的电源通过二条独立的供配电线路向各个负载供电。二种模式都具有不依赖单条线路的特点。因此，以母线为典型代表的树干式供配电系统中干线发生故障时，影响范围大的缺点很大程度上被弱化。

数据中心应用与其它应用相比较，数据中心存在极大的不确定性，无论是区域供电容量方面还是区域的投产时间。采用传统列头柜形式供配电系统只能按照预计进行设计规划，一次到位地进行实施。遇到实际应用与投产时间发生变化，系统难以变更，造成在满足实际需求与资金成本方面存在弱点。

数据中心小母线供配电系统在弱化了干线发生故障影响范围大的问题后，由于具有适应数据中心存在极大不确定性的实际情况。在按需灵活配置、按投产进度适时配置以及变更后的利旧有很大的天然优势。因此，甚至已有个别企业在孕酿数据中心小母线产品租赁的商业模式。同时，数据中心小母线供配电系统不占用地面空间，能够最大化将宝贵的数据中心空间用于实际的生产应用。

3案例分析

3.1项目情况

某数据中心机房面积1500m2，布置600×1200×2200标准IT机柜502台，其中400台单机柜容量4KW，每40台机柜组成一个模块（单列20台），每机柜配置2路25A单相PDU；102台单机柜容量6KW，每34台机柜组成一个模块（单列17台），每机柜配置2路40A单相PDU.

3.2列头柜配电方案

列头柜按双回路供电设计，列头柜输入来自UPS的A、B两路电源。A/B路列头柜至各IT机柜配电通过地板下强电线槽分别引线至每台机柜并与机柜内PDU的工业连接器连接实现供电。

对于4KW/柜，单列20个机柜，总功率4KW×20=80KW。则每列机柜配置：列头柜输入160A×2、列头柜输出25A/1P*23路×2台（每台20路+3路备用）。

对于6KW/柜，单列17个机柜，总功率6KW×17=102KW。则每列机柜配置：列头柜输入200A×2、列头柜输出40A/1P*20路×2台（每台17路+3路备用）。

图3.列头柜配电拓扑图1

4.图列头柜配电拓扑图2

3.3列头柜供电特点

（1）采用传统列头柜集中供电模式，每列机柜端部配置1台强电双回路列头柜，至少占用一个机柜位。

（2）电能监测模块布置于列头柜内，数据采集较为集中且方便。

（3）大量的供电电缆采用放射性铺设方式，连接列头柜至每台机柜，分支回路较长较多，线损较大。

（4）机柜下（或机柜上）需安装强电线槽，施工工时量大、未来维护相对麻烦。

（5）走线槽的存在对机房空调下送风有一定影响，系统不具有灵活变更的能力。

（6）大量线缆堆积在强电线槽内，容易聚集温升，使用寿命及安全性受限。

（7）电缆线路出现问题，很难查具体原因，一般采用直接更换，更换很不方便。

3.4智能小母线方案

在每列机柜顶部铺设2条与机柜等长的轨道式小母线，每条线路始端箱对接来自UPS输出的A路与B路的电源。

各IT机柜配电通过其安装在其顶部的A/B段母线的插接箱分别引电至机柜内的A/B路PDU完成机柜双路取电。母线插接箱位置可根据机柜位置灵活改变和设置。

对于4KW/柜，单列20个机柜，总功率4KW×20=80KW。则每列机柜上方配置A/B两条160A小母线，每条母线采用7只3回路25A插接箱给各个机柜PDU供电。

对于6KW/柜，单列17个机柜，总功率6KW×17=102KW。则每列机柜上方配置A/B两条200A小母线，每条母线采用6只3回路40A插接箱给各个机柜PDU供电。

图5.小母线配电拓扑图1

图5.小母线配电拓扑图1

3.5母线方案特点

（1）无需铺设大量电缆，可通过插接箱就近供电（插接箱位置可调），IT机柜PDU工业插头可直接插入到母线插接箱中，相序自动对应，无复杂接线工作。

（2）机柜强电供电由原来的地板下供电改为顶置供电模式，地板下和机柜上无需铺设强电线槽，也减少了空调送风阻力。

（3）支持随时（热）扩充回路数，按需变化适应性高。

（4）供电系统简洁易维护。每列机柜上开放设立2条母线槽A/B段母线，有无问题一目了然，且方便温升巡检。

（5）电能监测模块分布于各个插接箱内，相对分散，需要通讯布线。

（6）插接箱安装快捷，一般在1分钟以内可完成更换或增加，减少单路供电时间，减小风险。

4全生命周期成本分析

4.1材料成本部分（按照2N冗余计算）

列头柜方案材料成本表

智能小母线方案材料成本表

4.2安装成本部分（按照2N冗余计算）

列头柜安装成本

智能小母线安装成本

4.3首次投资成本分析

a.采用智能小母线系统，为经营者节约出26台盈利性机柜位

b.首次投资总成本表：

4.4全生命周期成本分析

（1）.按使用寿命均摊：

列头柜系统，由于线缆的使用寿命受限，使用年限在15年左右；

智能小母线系统，因其铝合金外壳及全长铜排结构，使用年限在30年左右；

所以，全生命周期算下来，智能小母线系统更加经济，在均摊投资成本上，列头柜相对小母线，单机柜全生命周期分摊投入高出：

（3206.3/15-4746.6/30）/（4746.6/30）=35%

（2）.考虑采用小母线方案而节约出的盈利性机柜带来收益：

对于该项目，500台机柜的中小型数据中心，采用智能小母线节约出26台机柜位变成盈利性机柜，按照目前市场上单机柜租金12万/年、利润率15%计算，26台机柜每年所增加的利润为12×15%×26=46.8万。

因此，如果考虑小母线方案带来的机柜增加，则2年内即能填平两者首次投资成本上的差距。

5综合对比

经分析对比，智能小母线方案相对传统的列头柜方案，具有显著优势，主要体现在一下几个方面：

5.1小母线具有高度的灵活性

传统的配电方式为UPS出线柜之后接配电列头柜,之后通过线缆为每台机柜内设备供电。采用放射状供配电结构，即每个机柜通过一根电缆与列头配电柜线缆一对一连接，今后新增或机柜扩容变更提升功率时需要重新排放电缆。小母线部署简易快捷，仅需将母线槽安装到所有的预期机柜上方（无论是否是现在部署的机柜还是远期规划的机柜），即可完成部署，可以依据用户的进驻实现即需即安装的安装安排。个别机柜增加输出容量或者回路数量无需对母线槽做出变更，仅需增加或者变更插接箱即可（可带电插拔）适合IT业务不确定的发展的需求，满足规划赶得上今后变化的长远诉求。

5.2小母线系统投入快，施工周期短

采用轨道式小母线系统安装部署快速，如使用传统列头柜加线缆模式，完成一个机房典型施工工期约为40-50天涉及到配电柜就位，电缆桥架安装，电缆裁剪铺设，电缆对接等多个繁琐工序。而部署母线系统只需10-15天就可以完成一个机房的交付，节约大量的施工时间和人工投入同时也节省了桥架和电缆的需求。可提前近1个月交付客户使用。

5.3小母线系统安全性更高、使用寿命更长

由于小母线主要结构为“铝合金外壳+B级及以上绝缘护套+铜母排”，一方面使得整个输电干线的电气稳定性(包括短时耐受电流、过载能力)更强；另一方面，整条母线系统的散热性极好，有效防止因热量堆积造成的短路隐患，较大程度提高了使用寿命。母线使用寿命在30年左右，而电缆使用寿命一般在10-15年。

5.4母线增加了机房的利用率和收益

采用母线方式由于省去了强电列头柜，原列头柜的位置可增加配置1个IT机柜。一般每20个左右IT机柜配置1台强电列头柜，去掉列头柜后可增加1/20左右的IT机柜数量，按一个机房1000个机柜为例，原需要50个列头柜，采用母线后机房IT机柜可达1050个，每个机柜租赁利润2万/年计算，可增加年利润100万。

因此，智能小母线作为数据中心机房末端配电的后期之秀，能够逐渐对传统的列头柜方案形成冲击，并能以每年20%以上的速度持续增长，正是由于以上优点做支撑。

最后不难分析出：作为一个着眼于长远的数据中心建设者和运营者，无论是从技术性能，还是从全生命周期成本上考虑，都会将智能小母线系统作为数据中心最后50米配电的优先选择方案。笔者希望此文能为数据中心设计提供微薄参考之力之外，也希望智能小母线系统提供商对未来的数据中心市场充满信心，继续改进和研发出更加先进更加安全的小母线产品，为国家数据中心的建设和发展助力。

参考文献:

[1]郭怡磊.数据中心的未来发展.2016.

[2]王智民.数据中心建设基础知识.2014.

[3]张雷.如何应对新一代数据中心全面管理.2017.

[4]吴铁刚.数据中心基础设施运维管理.2012.

[5]GB50174-2008.电子信息系统机房设计规范.

[6]GB50462-2008.电子信息系统机房施工及验收规范.

同时，感谢上海邮电院张大红老师的分享和指导！