[協會技術文章] 數據資料中心末端配電方式探討
Universal Electric Corporation (UEC)-台灣代表處 匯明有限公司 總經理 賴顯明
【摘 要】隨著雲端服務、互聯網、大數據等信息技術的快速發展,現代數據中心正朝著大型化、高密度、綠色環保、模組化方向發展;隨著IT技術的發展出租機房等商業模式的興起,機房建設之初機櫃密度不確定性大為增加,對機房內末端供配電系統在經濟性、持續性、靈活性、可靠性上提出了新的挑戰,列頭櫃加電纜的傳統末端配電方式因其侷限性而難以適應當今技術的發展。使用1200A以下的靈活小匯流槽來替代配電列頭櫃及電纜的配電方式,成為解決數據中心內供配電發展的一種發展趨勢, 靈活小匯流槽可在機櫃密度不確定的情況下進行分階段的快速部署,必將成為現今數據中心內供配電的一種發展趨勢,為客戶的關鍵負載提供更可靠的保障。新模式帶來新價值,新的配電方式將使數據中心降低總體投資,提高設備的用電可靠性使數據中心更加綠色環保。
引言
隨著互聯網技術的快速發展,雲端計算、電子商務、電子政務、電子金融、網路遊戲、雲端存儲等網路服務相繼出現,使得當今社會變成雲端時代大數據的資訊化新時代,數據中心成為資訊化的重要載體承擔著對電子資訊的傳輸、運算、存儲等功能。為了適應當今網路服務的快速發展,以及協力廠商託管型資料中心的興起,除了建設充足、穩定、經濟、可靠的資料中心外,還應追求它的高效、綠色、靈活、低能耗。“高效"實現在應以最小的投資換取最大的收益,比如採用高壓直流供電來代替傳統的交流供電;再比如數據中心的管理人員會根據伺服器的使用情況,重新劃定高密區及低密區,以便達到最佳的製冷效果。“綠色”則實現在數據中心應盡可能多採用一些可二次回收再利用的產品。”靈活”實現在數據中心內的產品應該盡可能地做到熱插拔、標準化、模組化、集成化、隨插即用,將工程化的工作變成產品化的服務,即可快速地安裝部署,又可減少人為施工帶來的失誤,還可在更換伺服器的時候快速做出回應。
2.數據中心末端配電的界定
如圖1所示,機房內末端配電的範圍應該從UPS的配電盤引出至機櫃內的PDU止,這一段的電流在800A以下,主要供電物件為IT設備,A級資料中心一般採用A,B雙路系統進行供電。
圖1機房末端配電系統框圖
3.數據中心採用傳統配電方式分析
3.1機房傳統配電方式
機房配電系統一般採用雙迴路市電引入,經低壓配電盤分別接入兩組UPS設備,UPS配電盤再分配到各個PDU盤列頭櫃後,最後接入IT設備(見圖2)。
圖2採用列頭櫃的機房配電模式
機房傳統配電方式採用電纜從UPS輸出盤至機房內的每個PDU列頭櫃的方式;經PDU列頭櫃配電後,再採用電纜接至各機櫃PDU的方式。列頭櫃是一列機櫃設備最頂端的一個機櫃,主要功能是對這一列機櫃的交流或者直流負載提供電源,起到配電、監控、測量、保護、警告等作用。配電列頭櫃的內部主要由5根銅排(Ll,L2,L3、N、PE)以及斷路器組成,從前端的UPS配電盤引出的電纜首先會通過機櫃內的塑殼斷路器(MCB),之後從塑殼斷路器上引出3根相線接入3根銅排。銅排壓接導線後接入每個斷路器,再與N排及PE排引出的導線匯成1根電纜為機櫃供電。
3.2機房傳統配電監控模式
配電列頭櫃的監控方式是通過CT,PT及各種輔助觸點測量出每一路的電壓、電流,之後通過電腦主機板內自帶的公式演算法演算出各種電參量;再通過RS485等通信線與機櫃上的人機交互介面進行傳輸,之後人機顯示器再通過RS485等通訊線將各列頭櫃的監控資訊統一收集後上傳至閘道器Gateway;最終用戶從主控室或移動式電子設備上讀取數據
3.3機房傳統配電方式的優點
採用列頭櫃加電纜的傳統配電方式有以下優點:
(1) 技術成熟,適用於事先已確定容量的機櫃配電。
(2) 採用放射式結構,可減小故障的影響範圍。
(3) 集中監控,便於運維人員在現場獲取數據。
(4) 當“零點”電壓不滿足IT設備使用要求時,可在配電列頭櫃中安裝隔離變壓器,降低“零點”電壓。
3.4機房傳統配電方式的缺點
列頭櫃加電纜的配電方式雖然還在沿用,但已不符合當今數據中心對靈活性和可靠性的要求,其缺點如下:
(1) 列頭櫃佔用的面積約占機房地板面積的7%,即機櫃數量減少7%。
(2) 由於線纜較多,電能損耗較大。
(3) 電纜佔據地板下大量空間,對地板下的氣流形成干擾。導致空調的效率降低。
(4) 故障率高,由於電纜接頭容易氧化,鬆動和接觸不良,造成電阻增大,產生過熱或起火而引發建築火災事故。
(5) 配電設計受到限制,需要在確定最終功率密度後確定配電櫃的數量和位置。
(6) 由於線路複雜,IT設備又不能斷電,因而造成線路和設備維護檢修困難。
(7) 由於列頭櫃的容量和出線路數已固定,無法滿足新增機櫃和容量。
4.數據中心採用匯流排槽配電方式的分析
4.1機房匯流排槽配電方式
採用匯流排槽配電方式是為了減少傳統配電方式的缺點。利用匯流排槽及配電接插箱來完成,對每一個機櫃的精準配電,(見圖3所示)。
圖3 為匯流排槽基本結構圖
(1) 電力端口箱(Power Feed):負責UPS配電盤與匯流排槽的連接,電纜在電力端口箱中通過塑殼斷路器後分別接入對應的銅線端子排上。
(2) 匯流排槽主體(Housing Section):是傳導電力的主體,內部基本結構為4根銅排(Ll、L2、L3、N)或5根銅排(LI、L2、L3、N、PE)。
(3) 配電接插箱(Plug-in Units):是插於匯流排槽主體上的小型配電箱,一般由監控設備,輸出端口,保護設備等組成,主要用於為每一個用電設備提供精準的電力,有的接插箱還配有相位選擇旋鈕,以保證三相負載平衡。
(4) 連接的輔件:90度彎頭(Elbow),連接件(Housing Coupler),T型接頭(Tee),末端封蓋(End Cap)等,用來完成匯流排槽主體連接。
(5) 配電的方式為:從前端UPS配電櫃引出電纜連線至匯流排槽最前端的電力端口箱,通過匯流排槽主體進行電力傳輸,再根據每一個機櫃的功率密度選擇相應規格的接插箱,與機櫃內的PDU連接後即完成了對一個機櫃的配電工作,(見圖4)。
圖4為匯流排槽現場效果圖
4.2匯流排槽配電監控模式
匯流排槽配電方式的中心理念是採用隨插即用的模組化產品來替代列頭櫃及大量電纜,達到簡化安裝步驟,靈活部署等目地。
圖5 匯流排槽配電監控模式
故為匯流排槽所做的監控也應符合這個理念,即採用無線通信、模組化的監控方案(見圖5)
匯流排槽電力分配監控系統應具備多重的通訊協議及無線網路,且可以無縫集成到建築管理系統或數據中心基礎設施管理系統中,通過提供優化管理所必須的關鍵信息,為數據中心電力分配系統的管理奠定基礎。
電力信號採集與監控能透過每個接插箱體上的RS485接口或無線監控模組來採集數據。再通過SNMP協議或MODBUS協議傳輸至上行端環控系統,從而簡化了監控的過程。
在監控電力信息的同時,通過傳感器可監測到每個機櫃內的溫度及濕度,且與電力監控信息集成,通過統一閘道器Gateway收集採集到的電力和環境數據,實現對電力,環境數據的統一管理。
每一個監控模組不僅是一個信號的發送端,更應是一個信號的傳送者。因為現在的機房總面積越來越大,且會有很多的遮擋,如果所有的無線模組發來的信號只能靠一個閘道器Gateway來接受,勢必會影響信號傳輸,所以每一個監控模組都應能對相鄰的幾個模組發出的信號進行中轉,以保證距離閘道器Gateway最遠的那些模組所發出的信號可以完整,同步地傳輸給閘道器Gateway。
對於處在不同房間裡的閘道器Gateway,監控網路應能支援自動負載均衡,使得每一個閘道器Gateway與其他閘道器Gateway形成更佳的帶寬利用率以及線性的可擴展性。系統可以自動使用所有可用的閘道器Gateway,為多個閘道器Gateway的安裝提供冗餘設備。
4.3匯流排槽配電優點
(一) 提高配電的可靠性
即插即用的匯流排槽替代了傳統的電纜,可避免電纜所帶來的諸如電纜接頭容易氧化、鬆動和接觸不良等問題,提高了機房裡的可靠性和安全性。
(二) 增強配電的靈活性
(1) 配電方式的靈活性:在機櫃容量事先無法準確確定的時候,可以採用這種匯流排槽,配電容量可隨時調整。匯流排槽和接插箱可根據實際情況分期部署,即針對現在數據中心裡出現的白空間及測試機房,匯流排槽可做到供配電分離,在機櫃的容量和位置不確定的時候先期部署匯流排槽主體,之後等機櫃一旦確定容量和位置,即可選擇接插箱進行配電。
(2) 匯流排槽可帶電熱插拔:在數據中心正常運行情況下,匯流排槽可在帶電的情況下隨時加載或卸載,即可隨時增加或減少機櫃數量或容量而不影響其他設備的運行。機櫃容量可從16A到63A,單相、三相任意選擇,有的放矢地為用電設備提供準確的電力供給。
(3) 安裝方式的靈活性:支援多種安裝方式,可在機櫃頂部安裝,地板下安裝,嵌入天花板安裝等。匯流排槽式樣和接插箱單元可以按照客戶的需求定制,例如:採用2N系統、單獨接地或者專用接地,選擇不同的插座或懸垂電纜。
(4) 隨業務發展的可擴展性:整體架構既能支援初始電力需求,又可在使用過程中根據需求的變化快速擴展,達到一種“隨需而建”的效果。
(三) 採用匯流排槽可降低機房配電的綜合成本
(1) 降低運行維護成本:採用匯流排槽方式規避了傳統方式所帶來的後期運維工作量大,運維週期不可控及人為干預帶來的安全性降低等問題,同時匯流排槽方式可任意插拔,拼接,可實現多次重複使用,提高資金效率3倍以上。匯流排槽方式可隨時根據客戶需要調整配置,在25年中可隨時遷移,複用,減少重複投資。
(2) 增加資料中心營運收入:採用匯流排槽可省掉列頭櫃,為機房騰出更多的空間放置機櫃,平均可增加7%的機櫃數量,對於機櫃出租業主來說會是一筆不小的收入。
4.4匯流排槽配電的缺點
(1) 匯流排槽配電方式是將列頭櫃集中配電方式改變為隨機櫃的分散配電方式,對機櫃中各種電參數(電流,電壓、頻率等)的檢測採用分散測量、控制室集中顯示的方式,因此不方便在機房現場對各機櫃的電參數進行集中顯示,故對運維人員可能會造成不便。
(2) 由於匯流排槽外殼大量採用鋁合金型材,故對機櫃功率密度低的機房來說,在成本上會有所增加。
(3) 如果採用在兩列機櫃間佈置匯流排槽,從接插箱上引出的工業連接器可能會影響機房美觀。
5.配電方式對比
列頭櫃+電纜與匯流排槽配電方式的對比如表1所示。
6.結語
數據資料中心建設和運維注重可靠性、可維護性、靈活性、經濟性、可擴展性和節能環保等要求,通過對“列頭櫃+電纜”配電方式和“匯流排槽”配電方式的綜合分析,以及國際上數據中心配電方式的發展趨勢,證明採用匯流排槽配電方式更有利於資料中心今後發展。
表1兩種配電方式的對比
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