數據中心安科瑞小母線配電系統案例分析

【摘要】數據中心機房建設初期機柜密度的不確定性，造成數據中心供配電難以預估，為應對這種情況，可采用靈活小母線配電系統。本文通過對傳統的數據中心供配電系統與小母線配電系統的特點和優劣勢進行比對，從系統組成以及擴展性、節能性等各方面分析，并結合實際案例，論證了小母線系統技術的可行性和經濟實用性 

【關鍵詞】小母線：數據中心；供配電；母線槽

0 引言 

當前云計算、大數據、人工智能領域技術快速發展，我國數據中心行業也進入了快速發展的階段，數據中心正朝著大型化、密度、綠色環保、模塊化方向發展。數據中心的重要性在各行業日趨明顯，其中配電系統作為數據中心的關鍵環節之一，在某種程度上決定了數據中心運營的安全性和可用性。 伴隨IT技術的發展，機房租賃等商業模式的興起，機房建設初期對機柜密度不確定大為增加，數據中心效運營的需求，對數據中心末端供配電系統在經濟型、持續性、靈活性、可靠性上提出新的要求和挑戰。傳統的列頭柜加電纜的末端配電方式因其局限性而難以適應當今技術的發展。使用靈活的小母線來替代列頭柜及電纜的配電方式，成為解決數據中心內供配電發展的一種新方式。

1傳統配電方案 

如圖1所示，機房傳統配電方式一般采用兩回路10kV市電接入至大樓配電房，經過變壓器、低壓配電柜后輸入2路雙回路市電進入機房雙電源切換箱，雙電源切換箱再引出電纜至UPS電源設備，再經過UPS輸出柜連接至各列機柜配電列頭柜，列頭柜再敷設電纜至機柜內PDU。傳統配電方式技術成熟可靠，單點故障率低。但配電列頭柜占用機柜空間、電纜傳輸損耗 大、施工復雜、可擴展性和靈活性不大。

圖1傳統機柜配電方式

2 智能小母線配電方案 

智能小母線配電系統是一種取代傳統電纜的數據中心末端配電解決方案，它由始端模塊、功能模塊、末端母線干線、干線連接模塊、分接配電模塊、干線防護模塊、干線端封等組成，它具備模塊外側接線、線路保護或控制通斷，浪涌保護、干線電氣參數監測和保護控制模塊的狀態監測，承載電能的主體，實現電能傳輸等功能。如圖2和圖3所示。

圖2智能小母線配電方式

圖3智能小母線組成部件

（1）始端模塊：負責UPS配電柜與小母線的連接，包含電纜進線模塊、塑殼斷路器和600mm母線直線段，電纜在始端模塊中通過塑殼斷路器后接入對應的母線端子排上。通過實現模塊外側接線、線路保護或控制通斷功能，其規格包括160/250/320/400/500/630/800A等。

（2）功能模塊：集成了浪涌保護、干線電氣參數監測和保護控制模塊的狀態監測等功能。

（3）末端母線干線：承載電能的主體，實現電能傳輸，內部基本結構為4根銅排（L1、L2、L3、N）或5根銅排（L1、L2、L3、N、PE），其規格包括160/250/320/400/500/630/800A等。

（4）干線連接：包括可實現干線擴展的連接件和用于改變母線走向的各種彎頭等。 

（5）分接配電模塊：雙觸點取電，采用微型斷路器作為保護元件，是插于母線槽主體上的小型配電模塊，用于為每一個用電設備提供精準的電力，電流為6~100A。

（6）干線保護模塊：防護蓋板可以提干線的防護等級并有效地防止人員接觸帶電導體。 

（7）干線端封：保護干線末端的封蓋，提防護等級。 

（8）配電方式為： 從前端UPS配電柜引出電纜連接至母線槽前端的始端模塊，通過母線槽進行電力傳輸，再根據每個機柜的功率密度選擇相應規格的分接配電模塊，與機柜內PDU連接后即完成對一個機柜配電工作。

3 兩種配電方式的比較 

列頭柜+電纜與智能小母線配電方式的對比如表1所示。

表1傳統列頭柜與智能小母線性對比表

4某數據中心配電方案介紹 

本項目為某數據中心新建項目，平面圖如圖4所示，主機房面積約為320m2，普通機房設計128個IT機柜和32臺精密空調，每列機柜端頭設置始端模塊，從現有樓層配電間UPS配電柜引出WDZA-YJY-4×70mm2+1×35mm2電纜連接至每列機柜的始端模塊，再由始端模塊引至末端母線干線，在母線干線上采用分接配電模塊（插接箱）引出至機柜PDU插座，在干線功能模塊和分接配電模塊（插接箱）都設置智能電量儀監測，同時還設置防浪涌保護器，其選擇參照GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》第4.3.8條相關要求。 

機房共規劃8列設備，組成4個封閉冷通道，不設置配電列頭柜，在每列機柜后門上方水平布置雙列母線，每條小母線分別來自不同UPS輸出回路，用于該列機柜AB路供電，本次設計采用單列母線長度為2.4m、1.8m、1.2m三種規格的單條母線槽和長度為815mm的始端模塊（進線箱215mm+母線槽600mm）拼接而成，設計母線長度的原則優先選擇多條2.4m拼接，余量選用1.8m或1.2m。 

單列母線槽的長度不超過該列機柜總長度的長度，本機房每列機柜為12m，母線槽的長度=0.815+2.4×4+1.2=11.615m。每列機柜16臺，按每臺功率4kW計算，單列機柜總功率為64kW，選擇160A母線槽與160A始端模塊。本次機柜設備考慮單相供電，選用單相插接箱，選擇32A插接箱，插接箱的數量根據16臺機柜計算為6個（每3口配電模塊為1個）。通過智能小母線方案配電設計，每列省去1個配電列頭柜空間，更多地為IT設備的擴展預留條件。

配電通過插接箱實現，支持在線熱插拔，用電需求可以隨時隨需增減，而不涉及大的工程改動，在不影響其他正在運行的機柜設備的前提下，可在同一條母線槽上實現單相、三相轉換。正因為這些優點，隨著大規模數據中心機房不斷更新送代，智能小母線因其擴展性、重復利用性、全生命周期長、防電磁干擾、組裝靈活等優點，更適用于新型數據中心機房建設。

5安科瑞精密配電及監控系統解決方案

5.1概述

隨著數據中心的迅猛發展，數據中心的能耗問題也越來越突出，有關數據中心的能源管理和供配電設計已經成為熱門問題，效可靠的數據中心配電系統方案，是提數據中心電能使用效率，降低設備能耗的有效方式。要實現數據中心的節能，首先需要監測每個用電負載，而數據中心負載回路非常的多，傳統的測量儀表無法滿足成本、體積、安裝、施工等多方面的要求，因此需要采用適用于數據中心集中監控要求的多回路監控裝置。

5.2應用場所

適用于運營商、金融、、互聯網、企業等數據中心

5.3系統結構

1）交流

5.4系統功能

1）主頁

開機進入主頁，包含進線參數、開關狀態、出線參數、報警查詢等功能，按按鈕可進入各功能界面查看。

2）進線參數監測

監測主路的三相電壓、電流、系統頻率；各項及總的有功功率，無功功率，視在功率，功率因數，有功電能、無功電能；電流、電壓不平衡度；電流、電壓諧波含量；大需量。

3）出線參數監測

分支回路的電壓、電流、有功功率、有功電能、功率因數額定電流設置、各相電流值；

負載百分比；大需量。

4）開關狀態

左側一列為主路開關狀態，主路跳閘SD狀態、主路防雷開關狀態、主路防雷故障點狀態，默認為無源檢測點，分閘為綠色，合閘為紅色。主路右側的皆為支路開關狀態；默認為有源檢測點，合閘為紅色，分閘為綠色。

5）報警查詢

當前報警界面可查看實時報警和歷史報警；開關量動作告警；任意數據的定時存儲；進線過電流2段閥值越限告警，可任意設定告警值；進線過壓、欠壓、缺相、過頻率、低頻率越限告警;聲光告警功能。

5.5系統硬件配置

6安科瑞智能母線監控解決方案

6.1概述

數據中心IT服務器配電傳統采用精密配電柜，占用空間較大，配電線纜多，新增設備不便，為了節省面積，智能小母線方案由于不占用機房面積、可按需靈活插拔，受到很多數據中心的青睞，被越來越多的應用。

安科瑞智能母線監控產品分為交流和直流母線監控兩類，包括始端箱監測模塊、插接箱監測模塊以及觸摸屏，另外還可以搭配母線槽連接器紅外測溫模塊用于監測母線槽的運行溫度，確保母線槽配電安全。通過標準網線手拉手簡單組網，可以實現任意插接箱檢修或更換時不影響其他在線運行的插接箱的數據上傳通訊。

6.2應用場所

適用于運營商、金融、、互聯網、企業等數據中心

6.3系統結構

6.4系統功能

1）       實時監測

在主頁點擊數據采集按鈕后，進入系統圖界面：此界面顯示了每個箱子的電壓。

2）       基本參數界面

顯示電壓、電流、功率、電能等電參數數據，在設備地址旁邊的輸入框輸入本箱子對應的儀表地址，即可實現對箱子中儀表數據的采集。

3）       諧波數據

通過點擊“箭頭"來左右切換2-63次諧波數據。

4）       大需量

顯示電壓、電流、功率的大需量的數值及發生時間。

5）       電能查詢

電能情況可以查詢上12月份的每個月用電量、上一年總用電量、本年已用電量、根據選擇不同時間查詢電能值。

6.5系統硬件配置

7 結束語 

近些年，智能小母線配電方案還沒得到大規模的普及和應用，但是隨著目前IDC大型數據中心的建設項目逐年增多，傳統列頭柜配電方式會更加復雜，不利于工程管理和運營維護，智能小母線配電方案不僅靈活地解決了客戶不斷變化的需求，同時節約了列頭柜面積，大大提了數據中心的空間利用率，便于維護，實現綠色節能機房，這與國家“十四五"規劃中碳達峰、碳中和的戰略定位也是一致的。相信在不久的將來，智能小母線配電方式會得到大規模的應用，也會隨著設計的不斷完善成為一種主流。

參考文獻

【1】何鑫.《某數據中心小母線配電系統的應用》

【2】中國電子工程設計院.GB 50174-2017數據中心設計規范[S].北京中國計劃出版社2017.

【3】AcrelEMS-IDC數據中心綜合能效管理解決方案-樣本

【4】數據中心解決方案樣本2022.04版

【公從號：安科瑞能效管理解決方案】

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【樣機測試、技術支持、硬件配套選型、電力組網，佳我：CDD-9888】

【儲能群、電力群、光伏群、消防群、建筑群；找供應商、找客戶、找圈子，佳我：CDD-9888（分享資源 合作共贏）】

1.       云平臺：變電所運維云平臺、分布式光伏運維云平臺、建筑能耗云平臺、企業能源管控平臺、遠程預付費管控云平臺、宿舍預付費管控云平臺、充電樁收費運營云平臺、智慧消防云平臺、安全用電管理云平臺、環保用電監管云平臺；

2.       系統解決方案：變電站綜合自動化系統、電力監控系統、配電室綜合監控系統、能耗管理系統、電能管理系統、馬達保護與監控系統、動環監控及能效分析系統、智能照明監控系統、消防設備電源監控裝置、防火門監控系統、余壓監控系統、消防應急照明和疏散指示系統；無線測溫系統；

3.       中壓測控裝置：環網柜綜合保護裝置、微機保護裝置、開關柜綜合測控裝置、線路保護裝置、配電變保護裝置、電動機保護裝置、備自投保護裝置、電容器保護裝置、PT檢測裝置、低壓備自投裝置、公共測控裝置、防孤島保護裝置、電流互感器過電壓保護器、溫濕度控制器、無源無線測溫傳感器、CT取電無線測溫傳感器；

4.       電力監控與保護：弧光保護裝置、電能質量在線監測裝置、電氣接點在線測溫裝置（智能濕度巡檢儀）、電動機(馬達）保護器、低壓線路保護器、智能剩余電流繼電器、三遙單元；

5.       電能管理：可編程交流電測儀表、可編程直流電測儀表、多功能全電量電表、精度網絡電力儀表、諧波表、電能質量表、海拔儀表、逆電流監測電表、電子式電能表、導軌式電能表、面板表嵌入式電表、預付費表、多用戶計量箱、物聯網儀表、無線多回路計量交流/直流表、無線多回路環保檢測模塊、正反向直流電能表、無線通訊轉換器、智能照明控制裝置；

6.       電能質量治理：有源電力濾波器、中線安防保護器、諧波保護器、靜止無功發生器、濾波補償裝置、電力電容補償裝置、集成式諧波抑制電力電容補償裝置、投切開關、功率因數補償控制器、自愈式低壓并聯電容器、串聯電抗器；

7.       電氣安全：電氣火災監控探測器、剩余電流探測器、電氣火災監控裝置、在線監控路燈計量、無線測溫顯示單元、故障電弧探測器、故障電弧傳感器、隔離電源絕緣監測裝置、醫療機構絕緣報警顯示儀、醫療醫院用隔離變壓器、工業用絕緣監測裝置、電氣防火限流式保護器；

8.       新能源：光伏采集裝置、電瓶車智能充電樁、汽車充電樁、光伏匯流采集裝置；

9.       數據中心/鐵塔基站：數據采集模塊、機房數據柜監控裝置、多回路電表、母線監控裝置、電力監控屏；

10.       智能網關：通信管理機、無線通信終端（無線通訊轉換器）、數據轉換模塊、串口服務器；

11.       電量傳感器：低壓電流互感器、開口式互感器、一次小電流互感器、0.2級電流互感器、低壓電動機保護器專用互感器、剩余電流互感器、霍爾傳感器、羅氏線圈電流變送器、模擬信號隔離器、有功功率變送器、無功功率變送器、直流電壓傳感器、浪涌保護器；

12.       環保監控：油煙在線監測儀、環保數據采集傳輸裝置；