数据中心小母线与列头柜供配电系统的综合比较

知识点：配电列头柜

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。数据中心小母线只是相对于变电站低压出线母线或传统大型建筑物中主干低压母线单条母线容量较小而已。文中介绍了小母线系统与列头柜形式供配电系统的技术性能的比较;通过案例进一步引申了小母线系统的特点,并对列头柜配电方案和母线槽配电方案在全生命周期的成本做了详细的分析。可供数据中心建设的工程技术人员在设计布线系统时参考。

小母线系统与列头柜

　　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。数据中心小母线只是相对于变电站低压出线母线或传统大型建筑物中主干低压母线单条母线容量较小而已。通常,此类母线始端与大母线对接,通过母线插接箱内的断路器与每个IT机柜中的PDU连接构成数据中心小母线终端供配电系统,此类母线的容量介于100～400A之间。

　　数据中心列头柜是源于通常放置于一列IT机柜始端的配电机柜,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。列头柜通常以放射式的配电形式连接到上游配电柜或与采用树干状配电形式采用主干母线与上游电源配电柜连接。列头柜的每个输出断路器与各个IT机柜的PDU连接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100～400A之间。

小母线系统与列头柜形式供配电系统技术性能比较

一般意义上的优缺点

　　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连接的配电方式。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,总配电柜直接供电给列头柜与负载的配电方式。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。

数据中心场景中的优缺点

　　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。

　　数据中心应用与其他应用相比较,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的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，能够最大化利用宝贵的数据中心空间，用于实际的生产应用。

案例分析

项目情况(虚拟)

  　机房建设规划机房面积1300平方米,本期建设600平方米(其余面积预留)。本期可用IT机柜为169个,机房内机柜摆放一般为12、18个机柜为一列。

　　每个600宽度机柜功耗3-5kVA配置2路32APDU(单相)。

　　机房供电模式——列头柜供电。

　　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。

基本配置(图1)

　　4kVA/柜,18个机柜总功率4kVA×18=72kVA(每相109A)。列头柜输入160A/3Px2、列头柜输出32A/1P×21路x2台(每台18路+若干路备用)。

列头柜供电特点

　　?采用传统列头集中供电模式,每列机柜一侧配置1台强电列头柜;

　　?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;

　　?机柜下需安装强电走线槽,施工工时量大、未来维护相对麻烦。同时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。

机房供电模式——母线方案

采用小母线方案替代列头柜(图2)

　　在每列机柜顶部铺设2条与机柜等长的轨道式小母线。来自UPS输出的A路与B路。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。

　　4kVA/柜,18个机柜总功率4kVA×18=72kVA/109A,单柜4kVA/18.18A,母线规格160A,长度10.8m;输出插接箱6个(每个3路×25A输出)。

母线方案的特点

　　?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插头可直接插入到母线插接箱中,无复杂接线工作;

　　?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;

　　?支持随时(热)扩充回路数,按需变化适应性高;

　　?供电系统简洁易维护。每列机柜上设立2根母线槽A/B段母线。

小母线系统相对于传统列头柜的比较

1

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。

2

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,每个机柜租赁费6万元/年计算,可增加效益300万元。

3

母线使用寿命长可重复利用

　　轨道式精密母线使用寿命长,可达到20～25年以上。由于采用模块化拼装结构设计,可满足多次拆卸使用,移位使用的特点,使其最大限度的保护用户固定资产投入,间接使该系统增值。而传统的配电列头柜加上线缆的使用周期为8～10年左右,且一旦扩容或搬迁列头和线缆无重复利用的可能。因此母线槽系统的使用周期比列头柜系统要长2～3倍以上,而且可以多次重复使用。降低了长期应用费用。

4

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30～40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7～10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。

全生命周期成本分析

材料成本部分(按照22个2N冗余的4kVA机柜计算)

　　列头柜配电方案与线线槽配电方案的材料成本见表1。

安装成本部分(按照22个2N冗余的4kVA机柜计算)

　　列头柜方案与母线方案安装成本见表2。

总成本的差异(按照22个2N冗余的4kVA机柜计算)

　　①分配到单个机柜的建设成本(未考虑分期投入的财务成本的减少、增加的IT机柜与变更与回收利用部分)见表3。

　　②某个项目采用列头柜是布置有1920个IT机柜,采用小母线方案后取消列头柜后增加了182个IT机柜(见表4)。

　　实际建设中,增加的182个机柜,每个机柜6813.50元,小母线系统的综合成本大部分可以因为系统的边际效应而被节省。因此上述比较表格中母线解决方案的总投入介于1308.192万元到1432.197万元之间。

结束语???--综合评价

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不考虑分期建设在财务成本方面的影响,小母线方案比较列头柜的方案每个机柜在IT终端配电环节将增加20%的成本;

2

如果考虑财务成本,假定项目50%立即投入生产另外50%将在一年后投入生产。如果采用列头柜方案将一次全部投入1086.57万元,采用小母线方案建设50%,投入<7160.98万元。减少370.47万元以上的投入。以年贷款利率7%计算,一年的财务成本减少25.9万元以上;

3

系统由于采用小母线系统增加了182个IT机柜,按照每个机柜租赁费6万元/年计,每年可以实现增加1092万元的营业收入。按照20%利润率考虑,每年增加收入218万元收入,2年内即可以收回小母线方案增加的投入成本。

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