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數據中心小母線與列頭柜供配電系統的綜合比較

發布時間：

2024-11-18

數據中心小母線與列頭柜供配電系統的綜合比較

數據中心小母線系統是數據中心末端母線供配電系統的俗稱。數據中心小母線只是相對于變電站低壓出線母線或傳統大型建筑物中主干低壓母線單條母線容量較小而已。文中介紹了小母線系統與列頭柜形式供配電系統的技術性能的比較;通過案例進一步引申了小母線系統的特點,并對列頭柜配電方案和母線槽配電方案在全生命周期的成本做了詳細的分析。可供數據中心建設的工程技術人員在設計布線系統時參考。

一、小母線系統與列頭柜
　　數據中心小母線系統是數據中心末端母線供配電系統的俗稱。數據中心小母線只是相對于變電站低壓出線母線或傳統大型建筑物中主干低壓母線單條母線容量較小而已。通常,此類母線始端與大母線對接,通過母線插接箱內的斷路器與每個IT機柜中的PDU連接構成數據中心小母線終端供配電系統,此類母線的容量介于100～400A之間。
　　數據中心列頭柜是源于通常放置于一列IT機柜始端的配電機柜,作為一列或若干列IT機柜的電源分配與保護的終端配電柜。列頭柜通常以放射式的配電形式連接到上游配電柜或與采用樹干狀配電形式采用主干母線與上游電源配電柜連接。列頭柜的每個輸出斷路器與各個IT機柜的PDU連接構成數據中心傳統的終端供配電系統。通常,每個列頭柜的容量介于100～400A之間。
二、小母線系統與列頭柜供配電系統技術性能的比較
　　(1)一般意義上的優缺點
　　數據中心小母線供配電系統是典型的樹干式供配電系統,總配電柜至各機柜之間采用一條干線連接的配電方式。優點是消耗金屬導體消耗量少、施工快捷方便、即插即用、易于擴展與變更、相對于電纜,母線可靠性高、使用壽命長并且可重復利用。缺點是干線一旦發生故障時,影響范圍大。
　　數據中心列頭柜形式的供配電系統是典型的放射式供配電系統,總配電柜直接供電給列頭柜與負載的配電方式。優點是各負荷獨立受電,一旦發生故障只局限于本身而不影響其他回路,充分滿足國家現行規范對重要用電負荷的技術要求。缺點是線路多、金屬導體消耗量大、施工復雜。系統靈活性差:不具有變更能力、分期實施困難、不可重復利用系統靈活性差。另外,在列頭柜形式的供配電系統中,列頭柜占用了機柜列的寶貴空間。
　　(2)數據中心場景中的優缺點
　　較高等級的數據中心在IT設備的末端配電都采用雙線相互冗余的供電。

  A級數據中心的供配電架構為2N冗余,二套相互獨立、相互冗余的電源通過二條獨立的供配電線路向各個負載供電。較低等級數據中心采用N+1冗余,具有一定冗余能力的電源通過二條獨立的供配電線路向各個負載供電。二種模式都具有不依賴單條線路的特點。因此,以母線為典型代表的樹干式供配電系統中干線發生故障時,影響范圍大的缺點很大程度上被弱化。
　　數據中心應用與其他應用相比較,數據中心存在極大的不確定性,無論是區域供電容量方面還是區域的投產時間。采用傳統列頭柜形式供配電系統只能按照預計進行設計規劃,一次到位地進行實施。遇到實際應用與投產時間發生變化,系統難以變更,造成在滿足實際需求與資金成本方面存在弱點。
　　數據中心小母線供配電系統在弱化了干線發生故障影響范圍大的問題后,由于具有適應數據中心存在極大的不確定性的實際情況。在按需靈活配置、按投產進度適時配置以及變更后的利舊有很大的天然勢。因此,甚至已有個別企業在孕釀數據中心小母線產品租賃的商業模式。同時,數據中心小母線供配電系統不占用地面空間，能夠最大化利用寶貴的數據中心空間，用于實際的生產應用。
三、案例分析
　　(1)項目情況(虛擬)
　　機房建設規劃機房面積1300平方米,本期建設600平方米(其余面積預留)。本期可用IT機柜為169個,機房內機柜擺放一般為12、18個機柜為一列。
　　每個600寬度機柜功耗3-5kVA配置2路32APDU(單相)。
　　機房供電模式——列頭柜供電。
　　列頭柜按雙回路供電設計,列頭柜輸入來自UPS的A、B兩路電源。A/B路列頭柜至各IT機柜配電通過地板下強電線槽分別引線至每臺機柜并與機柜內PDU的工業連接器連接實現供電。
　　4kVA/柜,18個機柜總功率4kVA×18=72kVA(每相109A)。列頭柜輸入160A/3Px2、列頭柜輸出32A/1P×21路x2臺(每臺18路+若干路備用)。
　　②列頭柜供電特點
　　?采用傳統列頭集中供電模式,每列機柜一側配置1臺強電列頭柜;
　　?大量的供電電纜采用放射性鋪設方式,連接列頭柜至每臺機柜;
　　?機柜下需安裝強電走線槽,施工工時量大、未來維護相對麻煩。同時走線槽的存在對機房空調下送風有一定影響,系統不具有靈活變更的能力。
　　(2)機房供電模式——母線方案
　　①采用小母線方案替代列頭柜
　　在每列機柜頂部鋪設2條與機柜等長的軌道式小母線。來自UPS輸出的A路與B路。各IT機柜配電通過其安裝在其頂部的A/B段母線的插接箱分別引電至機柜內的A/B路PDU完成機柜雙路取電。母線插接箱位置可根據機柜位置靈活改變和設置。
　　4kVA/柜,18個機柜總功率4kVA×18=72kVA/109A,單柜4kVA/18.18A,母線規格160A,長度10.8m;輸出插接箱6個(每個3路×25A輸出)。
　　②母線方案的特點
　　?無需鋪設大量電纜,可通過插接箱就近供電(插接箱位置可調),IT機柜PDU插頭可直接插入到母線插接箱中,無復雜接線工作;
　　?機柜強電供電由原來的地板下供電改為,頂置供電模式。地板下和機柜上無需鋪設強電線槽,也減少了空調送風阻力;
　　?支持隨時(熱)擴充回路數,按需變化適應性高;
　　?供電系統簡潔易維護。每列機柜上設立2根母線槽A/B段母線。
　　(3)小母線系統相對于傳統列頭柜的比較
　　①母線具有高度的靈活性
　　傳統的配電方式為UPS出線柜之后接配電列頭柜,之后通過線纜為每臺機柜內設備供電。采用放射狀供配電結構,即每個機柜通過一根電纜與列頭配電柜線纜一對一連接，今后新增或機柜擴容變更提升功率時需要重新排放電纜。小母線部署簡易快捷，僅需將母線槽安裝到所有的預期機柜上方(無論是否是現在部署的機柜還是遠期規劃的機柜)，即可完成部署，可以依據用戶的進駐實現即需即安裝的安裝安排。個別機柜增加輸出容量或者回路數量無需對母線槽做出變更，僅需增加或者變更插接箱即可(可帶電插拔)適合IT業務不確定的發展的需求，滿足規劃趕得上今后變化的長遠訴求。
　　②母線增加了機房的利用率和收益
　　采用母線方式由于省去了強電列頭柜,原列頭柜的位置可增加配置1個IT機柜。一般每20個左右IT機柜配置1臺強電列頭柜,去掉列頭柜后可增加1/20左右的IT機柜數量,按一個機房1000個機柜為例,原需要50個列頭柜,采用母線后機房IT機柜可達1050個,每個機柜租賃費6萬元/年計算,可增加效益300萬元。
　　
　　③母線使用壽命長可重復利用
　　軌道式精密母線使用壽命長,可達到20～25年以上。由于采用模塊化拼裝結構設計,可滿足多次拆卸使用,移位使用的特點,使其最大限度的保護用戶固定資產投入,間接使該系統增值。而傳統的配電列頭柜加上線纜的使用周期為8～10年左右,且一旦擴容或搬遷列頭和線纜無重復利用的可能。因此母線槽系統的使用周期比列頭柜系統要長2～3倍以上,而且可以多次重復使用。降低了長期應用費用。
　　④系統投入快,施工周期短
　　采用軌道式小母線系統安裝部署快速，如使用傳統列頭柜加線纜模式，完成一個機房典型施工工期約為30～40天涉及到配電柜就位，電纜橋架安裝，電纜裁剪鋪設，電纜對接等多個繁瑣工序。而部署母線系統只需7～10天就可以完成一個機房的交付，節約大量的施工時間和人工投入同時也節省了橋架和電纜的需求。可提前近1個月交付客戶使用。
四、評價
　　①不考慮分期建設在財務成本方面的影響,小母線方案比較列頭柜的方案每個機柜在IT終端配電環節將增加20%的成本;
　　②如果考慮財務成本,假定項目50%立即投入生產另外50%將在一年后投入生產。如果采用列頭柜方案將一次全部投入1086.57萬元,采用小母線方案建設50%,投入<7160.98萬元。減少370.47萬元以上的投入。以年貸款利率7%計算,一年的財務成本減少25.9萬元以上;
　　③系統由于采用小母線系統增加了182個IT機柜,按照每個機柜租賃費6萬元/年計,每年可以實現增加1092萬元的營業收入。按照20%利潤率考慮,每年增加收入218萬元收入,2年內即可以收回小母線方案增加的投入成本。

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