數據中心末端配電的數字化方案及設備選型

安科瑞 劉秋霞

引自微信公眾號“數據中心運維管理"2023年3月13日《為什么智能PDU對數據中心很重要？》，原文如下：

　　“作為 IT 買家，您可能希望在選擇合適的 PDU 時找到價值。一個基本的 PDU 能夠提供可靠的配電，而智能 PDU除了提供可靠的配電還能夠提供更多功能，這些功能包括功率計、環境監測和遠程插座控制等等。

　　普通PDU和智能PDU有什么區別？

　　機架安裝配電盤或機架配電單元 (PDU) 是一種配備許多插座的設備，可將電力分配給位于數據中心機架或機柜內的服務器、存儲設備和網絡設備。分析公司 IHS 將它們分為兩大類：

　　1) 基本 PDU 提供可靠的配電。

　　2) 智能 PDU 提供功能，如電能計量、環境監控和遠程插座控制智能 PDU 可分為以下子類別：

　　a) 計量入口 PDU——計量入口 PDU 在 PDU 級別計量功率，并在本地和網絡上顯示數據。計量可幫助用戶確定為機架供電的電路的用電量和可用容量，從而更容易配置設備。通過在入口級進行計量，用戶可以避免電路過載并輕松計算電源使用效率 (PUE) 等效率指標。

　　b) 計量出口PDU——與計量入口 PDU 一樣，出口計量PDU可幫助用戶確定機架的用電量和可用容量，并促進配置。最主要的是使用戶能夠了解設備或服務器級的實際功耗，從而可以比較效率并將成本分配給特定的業務部門或客戶。

　　c) 開關式 PDU—— 開關  式PDU 具有計量入口 PDU 的功能，還提供對單個插座或插座組的受控開/關切換。它們使授權用戶能夠按特定順序遠程重啟設備，提供電源排序延遲以減少浪涌電流，并防止未經授權的設備配置。它們在遠程和托管設施部署中至關重要，因為它們允許您通過重啟服務器來快速恢復服務。可以遠程關閉不使用的設備以節省能源。

　　d) 帶出口計量的開關式PDU——帶出口計量的開關式 PDU 將開關式 PDU 的所有功能與出口計量式 PDU 的功能結合在一起。智能 PDU 的每個子類別都具有可幫助數據中心降低運營成本、增加正常運行時間/可用性、改善平均修復時間 (MTTR)、提高能源效率和管理現有容量的功能。

　　為什么選擇合適的 PDU 很重要？

　　尋找更好的長期價值

　　由于 IT 購買者正在為較小的預算而苦苦掙扎，較低的價格往往是一個決定性因素。由于基本 PDU 的零售價較低，因此購買它們似乎更劃算。其他人可能不相信智能機架 PDU 的功能可以提供額外的價值，或者他們的組織沒有時間或資源從中受益。因此，許多購買者選擇基本型 PDU，盡管從長遠來看，智能型 PDU 可以提供更大的價值和成本節約。

　　要了解為什么智能 PDU 是更好的選擇，我們須首先檢查它們可以解決的常見問題。幾乎所有數據中心現在都面臨的主要挑戰

　　數據中心最主要的一個目標是確保業務連續性。機架 PDU 通過為插入其中的所有設備（服務器、存儲和網絡設備）提供穩定、可靠和充足的電力來幫助實現這一點。但是，也要考慮數據中心面臨的其他一些主要挑戰。

　　• 電源容量管理和配置

　　• 能源管理

　　• 環境管理

　　• 物理和網絡安全

　　• 計算能力需求

　　• 資產和變更管理

　　電源容量管理和配置——許多數據中心以混亂和無計劃的方式增長。技術人員經常將新設備插入第一個可用的插座，而對可用的電容量知之甚少。這可能會導致保險絲熔斷并導致停機。據統計，在2013 年，停機的平均成本就高達到驚人的每分鐘 7908 美元。

　　能源管理——許多數據中心支持比需要更多的基礎設施。一份研究報告發現，平均服務器僅以12-18%的容量運行。因此，采用幾種實踐可以將電力消耗減少多達 40%。

　　環境管理——雖然 IT 設備占能源成本的 50%，但另有 37% 用于冷卻和循環空氣。數據中心通常會過冷以防止設備故障，但將恒溫器溫度每升高華氏度，可節省高達 3% 的當前能源費用。

　　物理和網絡安全——對機柜和過道的安全訪問控制的需求正在上升。2011 年，美國上市醫療保健公司 Health Net, Inc. 報告稱，由于其管理的數據中心的多個服務器驅動器丟失，導致全國多達 190 萬人的個人健康記錄受到損害。

　　計算能力需求——盡管數據中心在不斷縮小和擴張，但在可預見的未來，一個不變的趨勢是對更多計算能力的需求，這種快速擴張將比數據中心過去經歷過的電力需求大得多。

　　資產和變更管理——對于正在擴展的數據中心，手動跟蹤資產可能很麻煩且成本很高。一項研究指出，庫存收集、庫存核對、查找錯放資產、手動存儲庫更新和更換錯放資產的過程每年花費 71.4 萬美元和大約 706 個工作日。

　　解決這些挑戰需要一種智能方法

　　簡而言之，數據中心面臨著巨大的挑戰。需要解決這些挑戰，以控制運營成本并滿足新的業務需求。數據中心將需要優化利用電力、空間、冷卻和人員。智能 PDU 是可以解決所有這些問題的平臺。現在我們將討論如何為您的數據中心選擇合適的機架 PDU，如何為您的機架提供可靠的電力，以及如何為現在和未來創建一個可靠且環保的數據中心。"

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　　摘要：數據中心最主要的目標之一是確保業務連續性。數據中心的供電上從高壓電源入口到末端配電采用了很多高可靠性的設計，比如多路獨立高壓市電電源、大容量中壓柴油發電機組，UPS的冗余配置等等，這往往意味著高昂的成本，都是為了提高供配電系統容錯能力。配電柜(也稱列頭柜)或母線槽承擔為數據中心服務器、存儲和網絡等IT設備提供穩定可靠的電源的末端配電環節，其運行穩定性也尤為重要。在這個環節，幾乎所有的數據中心都面臨著一些共性的挑戰，包括電源容量管理和配置、數據中心能源管理、環境管理、安全管理、計算能力需求擴張、資產和變更管理等等，本文通過數據中心末端配電的數字化解決方案，配合數據中心能效管理系統來探討如何應對這些挑戰。

　　1 數據中心末端配電面臨的挑戰

　　電源容量管理和配置：許多數據中心缺乏有計劃的增長擴容，工程師經常將新設備接入看似可用的回路，而對回路可用的負荷容量知之甚少。這可能會導致回路過負荷保險絲熔斷并導致停機并導致很大的經濟損失，服務中斷的損失是以秒來計算的。

　　能源管理：數據中心最主要的能效指標PUE的計算涉及到所有IT設備的耗能，而IT設備的耗能計量都集中在末端配電，所以在末端需要具備能源計量和管理。

　　環境管理：雖然IT設備耗能占能源成本的50%以上，但另有36%用于冷卻和循環空氣。數據中心通常會將機房溫度調到過冷以防止設備故障，但將機房溫度升高1攝氏度，最多可節省高達7%的冷卻耗能成本，所以需要在溫度控制和能耗之間找到平衡點。

　　安全管理：不管供配電前端在可靠性上做了多少冗余，如果忽視了末端的配電安全管理都是無用功，對末端的電源插接點接觸以及溫升情況也需要關注。

　　計算能力需求：在可預見的未來，一個不變的趨勢是對更多計算能力的需求，這種快速擴張將導致數據中對的電力需求越來越大。

　　資產和變更管理：對于正在擴展的數據中心，手動跟蹤資產可能很繁瑣且成本很高。研究指出，庫存收集、庫存核對、查找錯放資產、手動存儲庫更新和更換錯放資產的過程每年花費的人力和資金成本巨大。

　　2 數據中心末端配電的數字化方案

　　需要解決這些挑戰，提高業務連續性、控制運營成本并滿足新的業務發展需求，數據中心將需要對末端配電環節有監測和管理。智能化的配電柜和智慧小母線系統可以提供解決方案。接下來將討論如何為數據中心選擇合適的末端配電數字化解決方案，創建可靠且環保的數據中心。

　　2.1 配電柜數字化方案

　　配電柜是為數據中心的IT設備機柜提供電源的末端配電設備，一般采用雙回路供電，電源分別來自兩臺冗余的UPS，分為交流和直流供電，一般放置在機柜陣列的兩端，也稱列頭柜，如圖1所示。

圖1 ANDPF配電柜

　　安科瑞配電監控解決方案針對配電柜監控數字化要求，方案包括交流（AC220V）、直流（DC-48V/240V/336V）系統。由觸摸式液晶顯示屏、綜合信息處理主機模塊、開關狀態采集模塊、電流互感器(交流)或霍爾傳感器(直流)采集單元模塊等組成。監測兩路主進線和A+B雙面饋線回路電量參數、開關狀態、諧波含量、柜內溫濕度等數據，可以在本地觸摸屏顯示，同時可以上傳AcrelEMS-IDC數據中心能效管理系統顯示和報警。產品方案見表1。

　　表1 安科瑞配電柜數字化方案產品選型

　　2.2 母線槽數字化方案

　　近年來，隨著數據中心建設的快速發展，智能母線槽的方案運用越來越多。相比傳統精密配電柜，數據中心母線槽架空鋪設，具有安裝檢修方便、不占地、散熱快、易增容等優勢。母線槽通過始端箱從前端UPS取電，以母排系統組成輸電結構，采用即插即用的方式，通過插接箱給各個IT機柜內的PDU供電。

圖2 智能母線槽數據采集方案示意圖

　　安科瑞智能母線槽方案在始端箱和插接箱內配置AMB100/AMB110監測單元，測量始端箱、插接箱電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數、有功電能、無功電能、諧波畸變、溫濕度、漏電電流等數據，可以通過有線或無線方式傳輸數據，在本地觸摸屏顯示，同時可以上傳數據中心能效管理系統，實現母線槽的數據展示和異常預警。

　　另外由于母線槽是由銅制母排搭接而成，接頭部位可能會由于接觸不良而異常發熱，所以需要對母線槽接頭溫度進行實時監測，安科瑞AMB200母線接頭溫度監測裝置進行接觸式測溫，AMB300通過紅外非接觸式測溫方式監測母線溫度，數據通過有線或無線方式傳輸本地觸摸屏顯示，同時可以上傳數據中心能效管理系統，實現母線槽溫度的實時預警，設備選型如表2所示。

　　表2 智能母線槽解決方案選型表

　　3 AcrelEMS-IDC數據中心能效管理系統

　　AcrelEMS-IDC數據中心能效管理系統搭建基于高、中、低壓配電系統、柴油發電機、UPS的實時監控和末端配電系統數據采集的電力監控、PUE分析以及動環監測，幫助數據中心管理者了解數據中心能源運行情況，并關注消防和電氣安全，及時預警異常情況，保障數據中心穩定可靠運行。除了變電站、柴油發電機和UPS運行監控以外，特別是針對數據中心的末端配電環節，系統數據跟蹤到每一個回路的電氣參數和開關狀態、溫濕度數據等。

　　3.1 電源容量管理和配置

　　系統監測每路饋線回路的電流、功率、開關狀態和用電量，還可以配置溫度、濕度傳感器用于監測線路接點溫度和柜內濕度，設置參數高低越限告警，避免回路超負荷運行而導致意外斷電。

　　3.2 能源管理

　　數據中心最主要的能效指標PUE的計算涉及到所有IT設備的耗能，系統從高壓到末端采集數據中心用電量，并按照IT設備、制冷系統(冷凍水機組、空調末端、新風等)、供電系統(變壓器、UPS、發電機、開關)、照明及辦公用能進行分類，計算數據中心PUE值、制冷負載系數CLF、供電負載系數PLF等，為數據中心能效診斷提供數據支持。

　　3.3 環境管理

　　系統根據數據中心不同溫度數據下計算數據中心PUE和CLF值的變化，來協助管理者尋找運行溫度，在溫度控制和能耗之間找到平衡點。同時系統監測數據中心溫濕度、浸水、煙霧等影響數據中心正常運行的因素，并及時提供預警。

　　3.4 安全管理

　　系統監測配電柜或母線槽系統電氣接點溫度以及漏電電流，并設置溫度、漏電越限告警，及時消除系統隱患。同時針對數據中心大量的UPS蓄電池內阻、溫度、可燃氣體含量也進行實時在線監測預警，保障數據中心運行安全。

　　   3.5 資產和變更管理

　　系統為數據中心提供設備管理和運維管理功能，包括設備臺賬、設備保養、工單管理、巡檢記錄、缺陷管理、搶修記錄等功能，告別依靠手工記賬，降低人力和時間成本。

　　4 結束語

　　隨著對算力的需求增長，數據中心也將加速發展。為了保障數據中心穩定可靠運行，除了在電源和前端變配電系統上下功夫外，數據中心的末端配電系統數字化管理更為重要。安科瑞AcrelEMS-IDC數據中心能效管理系統配合安科瑞配電柜系統、智能母線槽系統為數據中心的末端配電提供負荷監測、能效管理、安全預警和設備運維管理，為數據中心連續穩定運行提供保駕護航。