軌道式PDU與小母線在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

PDU是各行各業(yè),甚至居家過日子都用的大眾性產(chǎn)品,所以生產(chǎn)廠家也遍及全國各地。這里僅就數(shù)據(jù)中心用PDU作以探討,因為數(shù)據(jù)中心是各行業(yè)的“標(biāo)配”構(gòu)成部分,而且它的要求也有其特殊性。

一 前言

PDU是各行各業(yè),甚至居家過日子都用的大眾性產(chǎn)品,所以生產(chǎn)廠家也遍及全國各地。這里僅就數(shù)據(jù)中心用PDU作以探討,因為數(shù)據(jù)中心是各行業(yè)的“標(biāo)配”構(gòu)成部分,而且它的要求也有其特殊性。不但用量大,而且種類繁多,這就為數(shù)據(jù)中心建設(shè)中帶來一些困難。比如在規(guī)劃、設(shè)計和建設(shè)期間,希望有效控制成本的情況下,還存在著如下的實際困難。

1前期采購PDU的難點

1）PDU插座數(shù)量難以確定:

一般情況下數(shù)據(jù)中心可以大概估算機(jī)柜的數(shù)量,比如是幾十個、幾百個、幾千個甚至幾萬個,在此情況下傳統(tǒng)PDU需提前確定方案,一般大都為定制款。數(shù)據(jù)中心在IT設(shè)備的種類和數(shù)量沒有完全確定的情況下,到底總共配多少個插座合適?因為需求不明確,插座往往滿配,增加采購成本,所以訂多少也是一個問題。

2）插座種類難以確定:

PDU和應(yīng)用設(shè)備往往來自不同廠商,需要多方多次確認(rèn)方案,溝通成本高,方案設(shè)計周期長。因為進(jìn)口IT設(shè)備和國產(chǎn)設(shè)備的插頭制式不同,就需要配置多少個不同制式的插座、在什么位置等等也難以確定。

3）以后的發(fā)展難以預(yù)料:

在使用中有時設(shè)備需要升級調(diào)整或更新,如果牽涉到機(jī)柜內(nèi)插座的位置和容量怎么辦?

2后期運(yùn)維的難點

1）因插座模塊數(shù)量變更,會導(dǎo)致需要更換PDU。一是PDU是否存在安裝結(jié)構(gòu)的問題,二是訂貨周期等問題。

2）因插孔使用類型變更,導(dǎo)致需要更換PDU。或因單個插座模塊損壞,導(dǎo)致需要更換整條PDU。

3）一般傳統(tǒng)PDU錯配率高,增加后期投資成本。目前租賃式數(shù)據(jù)中心的比例越來越高,實際投入使用的服務(wù)器數(shù)量和插座類型與設(shè)計難以100%吻合,插座模塊多配、錯配和少配的情況難以避免,增加二次投資與改造成本。

3外觀走線的難點

傳統(tǒng)PDU插座與設(shè)備的位置往往錯位和有距離要求,設(shè)備的電源線需往上或往下繞線到插座位置,形成很多線束,不但影響美觀度,而且也同時增加了布線的人工成本。

圖1是某機(jī)房單機(jī)柜插座使用情況分布圖的例子。該機(jī)房正常使用的機(jī)柜數(shù)量是48個,按照GB50174-2017的標(biāo)準(zhǔn)為2n供電方式。所以A路與B路PDU插座合計是96套。根據(jù)分布曲線可以看出:中位數(shù)是一套應(yīng)用9個插座;最高位是一套應(yīng)用10個插座。插座應(yīng)用數(shù)量，最低一套應(yīng)用2個，最高一套應(yīng)用20個插座。可見空閑了很多而造成了浪費(fèi)。

二 新型模塊化PDU設(shè)計

為了解決以上這些困難和為用戶提供方便,現(xiàn)在有的制造者采用模塊化PDU設(shè)計。新型模塊化設(shè)計理念創(chuàng)新性地將PDU分為電源軌道+可分離的插座模塊。其特點是可增減、可更換和可移動的模塊化設(shè)計,這就為數(shù)據(jù)中心提供了更靈活和更便捷的電源分配管理方案,如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來的好處是:

1快速設(shè)計，快速部署

軌道與插座可分開設(shè)計,交付前只需確定軌道長度,插座數(shù)量和類型可在交付后按需配置,設(shè)計及交付手續(xù)簡單化。

2避免錯配，杜絕浪費(fèi)

插座數(shù)量和類型可在交付后按需配置,幾乎100%杜絕了多配、少配和錯配的情況。

3靈活擴(kuò)容，高效運(yùn)維

1）能夠在不斷電情況下增加、減少和更換插座模塊。

2）快速而靈活地滿足數(shù)據(jù)中心擴(kuò)容需求。

3）便捷而高效地維護(hù)電源分配管理。

4）降低后期因插座數(shù)量變更、類型變更和模塊損壞等潛在風(fēng)險帶來的高運(yùn)維成本。

5）安裝更靈活：一般傳統(tǒng)PDU都是兩端掛耳式安裝。其安裝位置是與機(jī)柜同時設(shè)計完成的，所以后期PDU的安裝孔不能變更，如果PDU的尺寸稍有不同就安裝不上。不同品牌的PDU，安裝孔也有差異，導(dǎo)致通用性不強(qiáng)。圖4所示就是新型軌道PDU在機(jī)柜中的安裝方式圖。

從圖4(b)和(c)可以看出軌道PDU既可以軌道兩端掛耳式安裝。也可以軌道中間任意位置安裝,這就為設(shè)備的安裝帶來了方便（公眾號：通信電源技術(shù) 與你在一起）。

6）PDU的色彩管理:為在安裝和使用時的方便及安全起見,這種新型PDU都可根據(jù)客戶的需求定制顏色,這就最大限度地滿足了數(shù)據(jù)中心色彩管理要求。如圖5所示就是幾種色彩定制的例子。

三 軌道PDU模塊的安裝

大電流軌道PDU也稱小母線,這也是近些年推出的一種新的配電方式,它的優(yōu)點就是取消了占地面積和容量受限的數(shù)據(jù)中心列頭柜,如圖6所示。實際上這種軌道式PDU用途很廣,比如可以應(yīng)用到各種生產(chǎn)線等。

1接插模塊

軌道式PDU通過接插模塊向負(fù)載供電,所以接插模塊與供電軌道連接接觸面的接觸問題就成了關(guān)鍵,即接觸必須是良好的面接觸,由于以往大都是硬接觸,所以盡管看起來是面接觸,實際上在很多時候從微觀上測量則是多點的點接觸,這樣一來就加大了接觸電阻,增大了損耗,抬高了出點溫度;另一方面（公眾號：通信電源技術(shù) 與你在一起）,供電軌道的匯流排金屬還必須和接插模塊的引出端是同一種金屬,否則在不同金屬之間會形成接觸電壓,尤其在濕度比較大的時候就會出現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)而腐蝕接觸面,使得接觸面電阻增大,溫度升高,這樣一個正反饋反應(yīng)就會使該配電系統(tǒng)壽命縮短。所以供電軌道的匯流排金屬必須和接插模塊的引出端要經(jīng)過特殊處理,如圖7所示,在這里不但經(jīng)過了特殊處理,而且為了加固鏈接還從結(jié)構(gòu)上采取了特殊措施:

1）旋轉(zhuǎn)式接插:插座以旋轉(zhuǎn)式接插到軌道R型銅條母線內(nèi),方便省力,如圖7(a)和(b)所示。

2）接插鎖定功能:插座旋轉(zhuǎn)接插到軌道后,撥動側(cè)面滑動撥鈕,整個插座即可被鎖定。這樣一來是接觸面接觸更加緊密,接觸電阻明顯降低,達(dá)到了溫升低的目的。

3）插頭防脫功能:在插座最上面有一個紅色按鈕,為防止插頭脫落功能,只有按住紅色按鈕,插頭才能拔出,防止理線過程中,人為導(dǎo)致插頭脫落斷電的風(fēng)險,如圖8所示。

2安全技術(shù)的市場驗證

數(shù)據(jù)中心小母線系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心末端母線供配電系統(tǒng)的俗稱,具有部署簡易快捷,投入快,施工周期短等特點。近年來,隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)的快速發(fā)展和更高需求,智能小母線系統(tǒng)正越來越多地被應(yīng)用于機(jī)房的末端配電中。軌道PDU在母線銅排結(jié)構(gòu)工藝,接插方式及材質(zhì)上,有了新的改良與亮點。圖9所示為機(jī)房小母線、接插件與母線接插結(jié)構(gòu)示意圖。

如前所述，機(jī)房小母線大都是接插件與母線銅排的接觸方式為單面接觸，通過彈簧壓力，使得接觸箱的銅柱與母線銅排硬性壓接導(dǎo)電，這樣難免形成接觸不良的弊病。

3新一代小母線工藝結(jié)構(gòu)及材質(zhì)升級

1）新一代小母線軌道內(nèi)部不但采用了同樣材質(zhì)的母線銅排,而且在結(jié)構(gòu)上又采用了R型一體結(jié)構(gòu),如圖10所示。目前市場上如圖10(c)所示的雙面接插結(jié)構(gòu)效果不錯,但一般是硬觸,時間長了彈力會降低,形成接觸不良。而新型設(shè)計是軟接觸,這樣一來插座接插件與R型結(jié)構(gòu)不但是雙面接觸,而且由于軟接觸的接觸面變大應(yīng)力減小了,使用壽命也延長,同時還增加了摩擦鎖定力,兩接觸面緊湊連接,使得散熱效果更加良好。如圖10(b)所示。

2）軌道內(nèi)部母線銅排有整體排列的鏤空間隙。這樣的設(shè)計使得銅排實現(xiàn)了柔性接觸,每個接插位置和它們之間互不影響,極大地增加了接插件的插拔次數(shù),延長了使用壽命（公眾號：通信電源技術(shù) 與你在一起）。而且這種間隙結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱能力也加強(qiáng)了,從而降低溫升值(在大于額定電流20%的情況下實際測量和環(huán)境溫度沒有差別,即實際效果是沒有溫升),在大功率應(yīng)用情況下性能更加穩(wěn)定。

新一代軌道PDU采用磷銅,從強(qiáng)度、韌性和耐化學(xué)腐蝕等性能比常規(guī)母線的純紫銅要強(qiáng)得多,這就有效地控制了長期使用過程中銅的氧化,同時也增強(qiáng)了插座接插能力,嚙合力更加穩(wěn)固。常規(guī)母線用的紫銅偏軟,接插次數(shù)多了容易變形,從而導(dǎo)致接觸不良。在這里就解決了這個問題。

經(jīng)過升級改造后的軌道式PDU參數(shù)如表1所示。

四 PDU和小母線在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用前景

根據(jù)目前的情況來看，數(shù)據(jù)中心用電由多重隔離通道模式向市電直供模式轉(zhuǎn)化。但是無論用哪種模式供電，IT機(jī)柜PDU是不可缺少的。原來IT設(shè)備對供電系統(tǒng)提出的穩(wěn)壓、濾波和不間斷的要求，由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,市電直供已可以全部解決。

1穩(wěn)壓問題的解決

目前所有IT設(shè)備的標(biāo)配電源都是開關(guān)穩(wěn)壓器電路,這種電路在不考慮整流濾波電容器耐壓值的情況下可允許市電±50%以上的波動范圍。如一種300kVA/220V容量的高頻機(jī)UPS采用了開關(guān)電源,在輸入市電電壓低到80V的情況下仍可輸出220V.所以輸入大幅波動問題已可以輕松化解;

2濾波問題

濾波主要是解決一個干擾問題,這可以在小母線上集中解決,而且所有IT設(shè)備的標(biāo)配電源都有輸入濾波器環(huán)節(jié),這個問題也可輕松解決;

3不間斷問題

現(xiàn)在采用的UPS在市電故障時可以在一定時段內(nèi)不間斷,靠的是儲能設(shè)備。比如靜止變換式UPS中的蓄電池,旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)式UPS靠的是儲能飛輪。一般在這種情況下只是一個過渡過程,等后備發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行后就由發(fā)電機(jī)供電。所以目前一般數(shù)據(jù)中心的后備電池大都以10～15min為度。而使用旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)式UPS的后備時間大都是15s。實際上一個MW的發(fā)電機(jī)一般在10s內(nèi)就可達(dá)到額定轉(zhuǎn)數(shù),所以有后備發(fā)電機(jī)的地方1min的后備時間也就夠了。目前電池技術(shù)和材料的發(fā)展突飛猛進(jìn),高比容電池已經(jīng)問世,在單個IT設(shè)備中加入一個短后備時間的電池已不成問題,尤其是容量很小的刀片服務(wù)器就更方便。所以不間斷問題也可解決,更何況目前已有不止一家電池上IT機(jī)架的應(yīng)用實例。

以上三大問題的解決,機(jī)房中的列頭柜也可輕松被小母線代替,如圖11所示。從圖中可以看出在市電直供的情況下小母線和PDU連接二者不可或缺的通道。

作者簡介

聞麗君 ： 緯誠科技董事長，復(fù)旦工商管理碩士，國家機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員，NIISA標(biāo)準(zhǔn)工作組理事、《數(shù)據(jù)中心建設(shè)+》編委。

主導(dǎo)負(fù)責(zé)通信網(wǎng)格橋架系統(tǒng)、智能軌道PDU、智能安全防護(hù)系統(tǒng)的研發(fā)與生產(chǎn)。其中自主開發(fā)的環(huán)保無晶須鎳彩膜技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)格橋架，解決鋅晶須引起線路板短路的宕機(jī)隱患。

參與起草了多項通信行業(yè)、國家機(jī)械安全行業(yè)、食品和包裝機(jī)械行業(yè)網(wǎng)格橋架、光纖槽、及設(shè)備安全圍欄系統(tǒng)的行標(biāo)和國標(biāo)。

戴聞杰 ： 緯誠科技市場總監(jiān)，利茲大學(xué)碩士，擁有豐富的國內(nèi)外市場戰(zhàn)略咨詢項目經(jīng)驗，曾為華為、OPPO、阿里斯頓等科技行業(yè)客戶提供消費(fèi)者細(xì)分、產(chǎn)品測試、媒介營銷咨詢等服務(wù)。

陳濤 ：緯誠科技PDU產(chǎn)品經(jīng)理，主導(dǎo)負(fù)責(zé)智能軌道PDU的研發(fā)與生產(chǎn)。解決了數(shù)據(jù)中心項目前期PDU模塊和數(shù)量不確定導(dǎo)致后期更改成本和前期投入成本高的問題。

編輯：黃飛