數據中心機房母線布局與規劃設計

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801

摘 要：機架配電母線—柔性母線正在數據中心主機房內逐步推廣。分析了適用于數據中心主機房的機架配電母線方案，并結合數據中心主機房空調方案、通信走線、消防、照明等空間需求，對主機房機架頂部垂直空間進行合理規劃和研究，提出了3種典型場景的高度需求。 

關鍵詞：數據中心；主機房；機架柔性母線；布局規劃

1 引言 

       近年互聯網業務在快速發展，數據中心建設在我國全面開展。在建設實施中，適用于數據中心的新技術如高壓直流、柔性母線等正在逐步推廣和應用。這些技術的應用，對數據中心的空間環境提出了新的要求。 

       母線是數據中心末端機架配電的新型設備，用以替代精密列頭柜及其輸出電纜，可靈活調配機架用電功率，并顯著節省列頭柜占地、降低建設成本。目前已在部分數據中心應用和試點。

       柔性母線的應用，將使得主機房機柜頂上垂直空間的規劃布局較傳統供電方式產生較大變化。本文將以移動數據中心標準化方案為基礎，研究柔性母線應用時，主機房內機架頂部垂直空間的布局，包括走線架、母線槽、空調管線等空間布局，提出合理的布局方案，以作為今后柔性母線大規模應用時的參考。

2 柔性母線供電特點 

       數據中心主機房中，交流UPS供電系統供電場景時，通常在電力機房內設置 UPS 雙總線供電系統（2N或3N方式），在主機房內為每列機架配置 2個列頭柜，為該列每個機架內的2個PDU設備配電；柔性母線的供電方案是：利用“始端 箱+母線槽+插接箱”，代替“列頭柜+電纜”，為 IT 設備機柜供電，柔性母線系統（含2個始端箱、 2根母線槽及相應數量的插接箱），分別對該列通信機架內的 2個PDU設備配電。傳統列頭柜機架配電和柔性母線配電模式兩種不同配電模式的供電系統對比如圖 1 所示。

圖 1 傳統列頭柜機架配電和柔性母線配電模式對比

       機架列頭柜配電模式時，UPS輸出配電屏至列頭柜、列頭柜至機架均常用電纜連接沿走線架敷設；而柔性母線配電時，UPS輸出配電屏至始端箱采用電纜連接，沿通信機房電源用主走線架（常用800mm寬）敷設；始端箱至插接箱采用母線槽供電，插接箱至通信設備PDU采用電纜連接，其形態如圖 2 所示。

圖 2 柔性母線配電模式

       本文調研了市場上主流產品，并對多個廠家進行了產品調查。根據插接箱安裝方式不同，現將機架母線產品分為兩類：母線槽側接插接箱和母線槽下接插接箱。其主要產品形態如圖 3 所示。

（a）母線槽側接插接箱

（b）母線槽下接插接箱

圖 3 母線產品形態

3 機架頂部垂直空間布局要素 

       數據中心主機房層高的組成，一般由建筑結構面層、機房制冷空調回風空間、氣滅空間、電力走線架、通信走線架、機架及下送風地板空間組成，各部分主要影響因素荷載及建筑結構形式、機架功率密度和消防要求、機架高度及走線架高度及機架功率密度和氣流組織方式，如圖 4 所示。

圖 4 數據中心主機房空間剖面

        本文研究空間為走線架空間（含電力電纜走線架、通信線纜走線架及光纖槽道，通常為兩層）、機房制冷空調回風空間、消防管道等管線的布局空間。

（1）通信線纜 

       通信線纜走線架及管線槽道，通常布放 IT 設備所需的數據線纜、室內光纜等，列通信走線架尺寸一般為600 mm寬，其上方操作空間預留約300mm高。通常還需設置光纖槽道，高度100 mm。

（2）機柜供電線纜 

       電力電纜走線架通常布放IT設備所需的電力電纜，列電力電纜走線架尺寸一般為600mm寬，其上方操作空間預留約 300mm 高。如采用柔性母線配電時，根據調研，母線+插接箱（250 A）高度一般在300～370mm

（3）空調系統管線 

       空調管線空間，根據主機房空調末端不同有不同的需求。目前常用的空調末端形式有：冷凍水型機房空調（上送風或下送風）、列間空調、水冷冷門、熱管冷門4種方式。

       冷凍水型機房空調（下送風方式）、列間空調、水冷冷門等方式應用時，在機架列頂部無管線安裝需求，但是為提高氣流組織效率，采用冷凍水型機房空調、列間空調的 主機房內通常封閉冷通道，其典型場景的空間布局如圖 5、圖6及圖7所示。封閉的冷通道上，一般不安裝需要經常維護的電力、通信等走線架、管線等。

圖 5 冷凍水型機房空調（下送風方式時）時主機房空間布局剖面

圖 6 列間空調方案時主機房空間布局剖面

圖 7 水冷冷門方案時主機房空間布局剖面

       熱管背板空調末端方式時，空調的冷媒走線架及走線架上冷媒氣管占用空間約350 mm（寬）× 150mm（高），冷媒走線架需布置在機柜上方300～400 mm空間以上區域，同時冷媒走線架盡量靠近熱管背板上方布置，其典型場景的空間布局如圖 8 所示

圖 8 熱管背板方案時主機房空間布局剖面

       部分老機房采用空調風管上送風、下回風氣流組織形式，單獨設置空調區放置空調，風管布置在機架間通道上方，典型情況下風管尺寸約800mm×320 mm，風管在頂部氣滅管道區域以下200mm處布置，其典型場景的空間布局如圖 9 所示。

圖 9 冷凍水型機房空調（上送風方式）時主機房空間布局剖面

（4）消防系統管線 

       機房內需要設置自動消防系統，消防系統主要采用有管網氣體滅火系統，機房頂部需布置氣滅噴頭和氣滅管路，結構主梁下方需要占用 200mm高空間用于布置管路。 

（5）空調系統配電線纜及動環監控線纜 

       隨著列間空調和機柜級空調系統規模應用，機柜列內需要配置空調系統配電線纜及其 線槽。動環監控系統是數據中心維護的重要基礎，該系統也需要機柜列內設置線纜。綜合考慮這兩類線纜系統需求，根據大量工程實踐統計，其線槽合計尺寸可以按150mm（寬）×100 mm（高）考慮。

（6）線槽燈具 

       為便于維護每個機柜列通道內，都需要設置線槽燈。線槽燈帶需要的空間按100mm（寬）× 100mm（高）考慮。

       根據上述分析，常規情況下機架頂部各類管線的凈高度（未含管線間距要求）見表 1。在設計中，還需要考慮其維護間距隔離間距等要求（如走線架與機架間距200mm、母線槽與走線架間距50～100mm、氣滅管線與其他管線間距等），垂直高度需求更大。因此合理規劃機架頂部垂直空間，優化管線布局，能有效降低生產凈高要求。

       如果考慮合理維護間距，表 1 中高度應調整到 1900mm及以上。

表 1 主機房內各類常用管線高度典型值

4 柔性母線空間布局方案 

       在常規情況下，主機房內通信線纜走線架與電力電纜走線架上下對齊吊掛設置。當采用柔性母線方案時，主機房內原電力電纜走線架空間則將調整為母線及其接插箱的空間。因母線及其接插箱空間可以與通信線纜走線架分離設置，此時機架頂部垂直空間需要良好規劃，以適應不同方案的需求。 

       本文通過調研在用的柔性母線機房情況，并結合中國移動數據中心標準化成果，研究分析了 5 種空調末端形式、兩類母線產品應用的組合場景，得出如下 3 種常用的主機房空間布局方案。

4.1 布局方案一 

（1）布置形式 

       特點：封閉冷通道場景，在熱通道安裝母線槽。

      本方案是將母線槽設置在熱通道，列通信線纜走線架設置在列機柜頂。其供電方案是，熱通道內設置兩條母線裝置 I、II。母線I為臨近機架列A提供主供電電源，為臨近機架列B提供備用電源，母線 II 為機架列 B 提供主供電電源，為機架列 A 提供備用電源。這樣提高投資效益，有效利用空間。本方案擬將水平布置如圖10所示。

圖 10 走線架和母線槽布局方案一（平面示意）

       目前標準機柜尺寸為600 mm（寬）×1200mm（深）×2200 mm（高）。機柜深度 1200mm處，可以設置通信線纜走線架（一般寬度為600mm）。熱通道寬度一般為800～1200 mm。

（2）機柜上部垂直空間規劃及高度分析本方案以列間空調方式、封閉冷通道的機架布局為例。機架頂部到梁下需要考慮的管線及高度需求見表 2。  

表 2 主機房內各類常用管線高度典型值（列間空調場景）

        本方案將通信走線架和光纖槽道、空調配電及動環監控線槽并列設置在機架頂部，母線及接插箱（主次兩條）設置在熱通道。這樣合理利用 了機架頂部空間。考慮各種管線的高度、管線間距及維護空間要求，優化后的方案是：機架頂至結構梁下需要的高度為1170 mm。垂直空間的具體布局規劃如圖 11 所示

圖 11 走線架和母線槽布局方案一（剖面示意）

       圖 11 中以母線槽側接插接箱式產品為主，當為母線槽下接插接箱式產品時，母線槽及插接箱的高度加大，此時機架頂距梁底高度至少需要 1 270 mm。

4.2 布局方案二 

（1）布置形式  

       特點：無封閉通道場景，在每個列通道內均 安裝一組母線槽裝置。應用熱管空調、水冷冷門等機柜級空調末端方式時，主機房機柜列不需封閉通道。此時安裝方案是在每個通道內設置一組母線槽裝置，母線 I 為臨近機架列 A 提供主供電電源，為臨近機架列 B 提供備用電源。本方案擬將水平布置圖 12 所示

圖 12 走線架和母線槽布局方案二（平面示意）

(2)機柜上部垂直空間規劃及高度分析 

         本方案以熱管調方式的機架布局為例。機架頂部到梁下需要考慮的管線及高度需求見表 3。 

表 3 主機房內各類常用管線高度典型值（熱管空調場景）

       本方案將通信走線架和光纖槽道、空調配電及動環監控線槽并列設置在機架頂部，每列的母 線及接插箱與冷媒管線共用高度，這樣合理利用了機架頂部空間。考慮各種管線的高度、管線間距及維護空間高度需求，優化后的方案是：機架頂至結構梁下需要的高度為1270 mm。垂直空間的具體布局規劃如圖13所示。

圖 13 走線架和母線槽布局方案二（剖面示意）

       圖中13以母線槽側接插接箱式產品為主，當為母線槽下接插接箱式產品時，母線槽及插接箱的高度加大，此時機架頂距梁底高度至少需要1370 mm。

4.3 布局方案三 

（1）布置形式 

       特點：無封閉通道、空調上送風場景，在每個列通道內均安裝一組母線槽裝置。

       在傳統的老舊機房中，還存在部分上送風的形式，上送風風管占用了機架頂部空間，與其他管線共用空間難度大。因此單獨列出這個方案。

       此時，佳的安裝方案是在每個通道內設置一組母線槽裝置，母線I為臨近機架列A提供主供電電源，為臨近機架列B提供備用電源。本方案母線的水平布局示意圖同方案二圖12所示相同

（2）機柜上部垂直空間規劃及高度分析

       本方案以熱管調方式的機架布局為例，機架頂部到梁下需要考慮的管線及高度需求見表4。  

表 4 主機房內各類常用管線高度典型值（上送風空調場景）

       本方案將通信走線架和光纖槽道、空調配電及動環監控線槽并列設置在機架頂部，母線及接插箱（主次兩條）設置在熱通道。考慮各種管線的高度、管線間距及維護空間高度需求，優化后方案是：機架頂至結構梁下需要的高度為1690mm。垂直空間的具體布局規劃如圖14所示

圖 14 走線架和母線槽布局方案三（剖面示意） 

       圖14中以母線槽側接插接箱式產品為主，當為母線槽下接插接箱式產品時，母線槽及插接箱的高度加大，此時機架頂距梁底高度至少需要1790mm

       上述3種方案，根據典型應用場景的分析，得出相應的機柜頂至結構梁下的高度需求，此高度保障了維護的高度需求。為方便維護，在實際工程應適當提高本文中總結的高度需求，滿足管線安裝、拆除、線纜維護等需求

5安科瑞列頭柜及監測產品介紹

       隨著數據中心的迅猛發展，數據中心能耗問題也越來越突出，高效可靠的數據中心配電系統方案，是提高數據中心電能使用效率，降低設備能耗的有效方式。

       AMC系列數據中心精密配電系統是針對數據機房末端設計的，能夠綜合采集所有能源數據的智能系統，為交直流電源配電柜提供精確的電參量信息，并可通過通訊將數據上傳到動環監控系統，實現對整個數據機房的實時監控和有效管理，為實現綠色IDC提供可靠保證。5.1精密配電管理解決方案

5.1.1交流系統

       1）功能要求：

       遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度；輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度；

       遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相,過流，輸入分路和輸出分路的開關狀態,具備電流、功率需用量分析和統計，實現電壓、電流、功率等參數的越限報警功能。

       2）配置方案-示意圖

 配置方案 

                           多功能儀表       PZ72L-E4

                                              電流互感器       AKH-0.66-30I-XXA/5A

5.1.2直流系統

       1) 功能要求

       遙測：輸入分路的電壓、電流、功率、電度；

       遙信：輸入分路的過壓/欠壓，輸入分路的熔絲狀態,具備電流、功率需用量分析和統計，實現電壓、電流、功率等參數的越限功能。

       2)配置方案-示意圖

配置方案

                              多功能儀表          PZ72L-DE

                                           霍爾傳感器          AHKC-F-  XXA/5V

                                          開關電源             SBD-30  （48V）

5.2產品規格

說明：■為標配功能。

5.3配套附件

6安科瑞母線槽監測產品介紹

6.1概述
       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。近年來，隨著數據中心建設的快速發展和更高需求，智能小母線系統逐漸被應用于機房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點，即插式插接箱給各個機柜內的PDU分配電。始端箱和插接箱內可設置監測模塊，將數據上傳至動環監控中心。

6.2 AMB智能小母線管理系統
       1）交流系統功能：
       遙測：三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、有功電能、無功電能、電纜溫度，系統頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態、電壓/電流諧波含量、電流/功率；
       遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、過頻率、欠頻率越限、零地電壓、零線電流、溫/濕度告警，開關狀態、開關跳閘； 
       2）直流系統功能：
       遙測：電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態、電流/功率；
       遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、溫/濕度告警，開關狀態、開關跳閘；

6.3產品介紹

說明：■為標配功能。

7 結束語 
       本文通過對柔性母線的實地案例多次調研，結合數據中心主機房空調末端方案、柔性母線方案及通信走線、消防、照明等管線對空間的需求，對IT主機房內柔性母線水平布局和機架頂部垂直空間進行合理規劃和研究。本文提出 3 種典型場景下的應用方案，確定了機柜頂至梁下的凈空間要求，為今后機房內配電母線空間布局提供參考。相信隨著柔性母線應用的普及，本文的研究將推動數據中心機房建設的深化和優化，為機房管線合理布局提供基礎,為數據中心主機房的標準化設計安裝提供參考。

參考文獻： 
【1】張廣明.數據中心基礎設施設計與建設[M]. 北京: 電子工業出版社, 2012
【2】孫麗玫、王改紅、李舒濤、姜宇光、趙黎明.數據中心主機房柔性母線布局規劃.
【3】安科瑞數據中心IDC配電監控解決方案.2020.03版