轨道式PDU与小母线在数据中心的应用

PDU是各行各业,甚至居家过日子都用的大众性产品,所以生产厂家也遍及全国各地。这里仅就数据中心用PDU作以探讨,因为数据中心是各行业的“标配”构成部分,而且它的要求也有其特殊性。

一 前言

PDU是各行各业,甚至居家过日子都用的大众性产品,所以生产厂家也遍及全国各地。这里仅就数据中心用PDU作以探讨,因为数据中心是各行业的“标配”构成部分,而且它的要求也有其特殊性。不但用量大,而且种类繁多,这就为数据中心建设中带来一些困难。比如在规划、设计和建设期间,希望有效控制成本的情况下,还存在着如下的实际困难。

1前期采购PDU的难点

1）PDU插座数量难以确定:

一般情况下数据中心可以大概估算机柜的数量,比如是几十个、几百个、几千个甚至几万个,在此情况下传统PDU需提前确定方案,一般大都为定制款。数据中心在IT设备的种类和数量没有完全确定的情况下,到底总共配多少个插座合适?因为需求不明确,插座往往满配,增加采购成本,所以订多少也是一个问题。

2）插座种类难以确定:

PDU和应用设备往往来自不同厂商,需要多方多次确认方案,沟通成本高,方案设计周期长。因为进口IT设备和国产设备的插头制式不同,就需要配置多少个不同制式的插座、在什么位置等等也难以确定。

3）以后的发展难以预料:

在使用中有时设备需要升级调整或更新,如果牵涉到机柜内插座的位置和容量怎么办?

2后期运维的难点

1）因插座模块数量变更,会导致需要更换PDU。一是PDU是否存在安装结构的问题,二是订货周期等问题。

2）因插孔使用类型变更,导致需要更换PDU。或因单个插座模块损坏,导致需要更换整条PDU。

3）一般传统PDU错配率高,增加后期投资成本。目前租赁式数据中心的比例越来越高,实际投入使用的服务器数量和插座类型与设计难以100%吻合,插座模块多配、错配和少配的情况难以避免,增加二次投资与改造成本。

3外观走线的难点

传统PDU插座与设备的位置往往错位和有距离要求,设备的电源线需往上或往下绕线到插座位置,形成很多线束,不但影响美观度,而且也同时增加了布线的人工成本。

图1是某机房单机柜插座使用情况分布图的例子。该机房正常使用的机柜数量是48个,按照GB50174-2017的标准为2n供电方式。所以A路与B路PDU插座合计是96套。根据分布曲线可以看出:中位数是一套应用9个插座;最高位是一套应用10个插座。插座应用数量，最低一套应用2个，最高一套应用20个插座。可见空闲了很多而造成了浪费。

二 新型模块化PDU设计

为了解决以上这些困难和为用户提供方便,现在有的制造者采用模块化PDU设计。新型模块化设计理念创新性地将PDU分为电源轨道+可分离的插座模块。其特点是可增减、可更换和可移动的模块化设计,这就为数据中心提供了更灵活和更便捷的电源分配管理方案,如图2所示。这种结构设计带来的好处是:

1快速设计，快速部署

轨道与插座可分开设计,交付前只需确定轨道长度,插座数量和类型可在交付后按需配置,设计及交付手续简单化。

2避免错配，杜绝浪费

插座数量和类型可在交付后按需配置,几乎100%杜绝了多配、少配和错配的情况。

3灵活扩容，高效运维

1）能够在不断电情况下增加、减少和更换插座模块。

2）快速而灵活地满足数据中心扩容需求。

3）便捷而高效地维护电源分配管理。

4）降低后期因插座数量变更、类型变更和模块损坏等潜在风险带来的高运维成本。

5）安装更灵活：一般传统PDU都是两端挂耳式安装。其安装位置是与机柜同时设计完成的，所以后期PDU的安装孔不能变更，如果PDU的尺寸稍有不同就安装不上。不同品牌的PDU，安装孔也有差异，导致通用性不强。图4所示就是新型轨道PDU在机柜中的安装方式图。

从图4(b)和(c)可以看出轨道PDU既可以轨道两端挂耳式安装。也可以轨道中间任意位置安装,这就为设备的安装带来了方便（公众号：通信电源技术 与你在一起）。

6）PDU的色彩管理:为在安装和使用时的方便及安全起见,这种新型PDU都可根据客户的需求定制颜色,这就最大限度地满足了数据中心色彩管理要求。如图5所示就是几种色彩定制的例子。

三 轨道PDU模块的安装

大电流轨道PDU也称小母线,这也是近些年推出的一种新的配电方式,它的优点就是取消了占地面积和容量受限的数据中心列头柜,如图6所示。实际上这种轨道式PDU用途很广,比如可以应用到各种生产线等。

1接插模块

轨道式PDU通过接插模块向负载供电,所以接插模块与供电轨道连接接触面的接触问题就成了关键,即接触必须是良好的面接触,由于以往大都是硬接触,所以尽管看起来是面接触,实际上在很多时候从微观上测量则是多点的点接触,这样一来就加大了接触电阻,增大了损耗,抬高了出点温度;另一方面（公众号：通信电源技术 与你在一起）,供电轨道的汇流排金属还必须和接插模块的引出端是同一种金属,否则在不同金属之间会形成接触电压,尤其在湿度比较大的时候就会出现电化学反应而腐蚀接触面,使得接触面电阻增大,温度升高,这样一个正反馈反应就会使该配电系统寿命缩短。所以供电轨道的汇流排金属必须和接插模块的引出端要经过特殊处理,如图7所示,在这里不但经过了特殊处理,而且为了加固链接还从结构上采取了特殊措施:

1）旋转式接插:插座以旋转式接插到轨道R型铜条母线内,方便省力,如图7(a)和(b)所示。

2）接插锁定功能:插座旋转接插到轨道后,拨动侧面滑动拨钮,整个插座即可被锁定。这样一来是接触面接触更加紧密,接触电阻明显降低,达到了温升低的目的。

3）插头防脱功能:在插座最上面有一个红色按钮,为防止插头脱落功能,只有按住红色按钮,插头才能拔出,防止理线过程中,人为导致插头脱落断电的风险,如图8所示。

2安全技术的市场验证

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,具有部署简易快捷,投入快,施工周期短等特点。近年来,随着数据中心建设的快速发展和更高需求,智能小母线系统正越来越多地被应用于机房的末端配电中。轨道PDU在母线铜排结构工艺,接插方式及材质上,有了新的改良与亮点。图9所示为机房小母线、接插件与母线接插结构示意图。

如前所述，机房小母线大都是接插件与母线铜排的接触方式为单面接触，通过弹簧压力，使得接触箱的铜柱与母线铜排硬性压接导电，这样难免形成接触不良的弊病。

3新一代小母线工艺结构及材质升级

1）新一代小母线轨道内部不但采用了同样材质的母线铜排,而且在结构上又采用了R型一体结构,如图10所示。目前市场上如图10(c)所示的双面接插结构效果不错,但一般是硬触,时间长了弹力会降低,形成接触不良。而新型设计是软接触,这样一来插座接插件与R型结构不但是双面接触,而且由于软接触的接触面变大应力减小了,使用寿命也延长,同时还增加了摩擦锁定力,两接触面紧凑连接,使得散热效果更加良好。如图10(b)所示。

2）轨道内部母线铜排有整体排列的镂空间隙。这样的设计使得铜排实现了柔性接触,每个接插位置和它们之间互不影响,极大地增加了接插件的插拔次数,延长了使用寿命（公众号：通信电源技术 与你在一起）。而且这种间隙结构的导热能力也加强了,从而降低温升值(在大于额定电流20%的情况下实际测量和环境温度没有差别,即实际效果是没有温升),在大功率应用情况下性能更加稳定。

新一代轨道PDU采用磷铜,从强度、韧性和耐化学腐蚀等性能比常规母线的纯紫铜要强得多,这就有效地控制了长期使用过程中铜的氧化,同时也增强了插座接插能力,啮合力更加稳固。常规母线用的紫铜偏软,接插次数多了容易变形,从而导致接触不良。在这里就解决了这个问题。

经过升级改造后的轨道式PDU参数如表1所示。

四 PDU和小母线在数据中心的应用前景

根据目前的情况来看，数据中心用电由多重隔离通道模式向市电直供模式转化。但是无论用哪种模式供电，IT机柜PDU是不可缺少的。原来IT设备对供电系统提出的稳压、滤波和不间断的要求，由于科学技术的发展,市电直供已可以全部解决。

1稳压问题的解决

目前所有IT设备的标配电源都是开关稳压器电路,这种电路在不考虑整流滤波电容器耐压值的情况下可允许市电±50%以上的波动范围。如一种300kVA/220V容量的高频机UPS采用了开关电源,在输入市电电压低到80V的情况下仍可输出220V.所以输入大幅波动问题已可以轻松化解;

2滤波问题

滤波主要是解决一个干扰问题,这可以在小母线上集中解决,而且所有IT设备的标配电源都有输入滤波器环节,这个问题也可轻松解决;

3不间断问题

现在采用的UPS在市电故障时可以在一定时段内不间断,靠的是储能设备。比如静止变换式UPS中的蓄电池,旋转发电机式UPS靠的是储能飞轮。一般在这种情况下只是一个过渡过程,等后备发电机投入运行后就由发电机供电。所以目前一般数据中心的后备电池大都以10～15min为度。而使用旋转发电机式UPS的后备时间大都是15s。实际上一个MW的发电机一般在10s内就可达到额定转数,所以有后备发电机的地方1min的后备时间也就够了。目前电池技术和材料的发展突飞猛进,高比容电池已经问世,在单个IT设备中加入一个短后备时间的电池已不成问题,尤其是容量很小的刀片服务器就更方便。所以不间断问题也可解决,更何况目前已有不止一家电池上IT机架的应用实例。

以上三大问题的解决,机房中的列头柜也可轻松被小母线代替,如图11所示。从图中可以看出在市电直供的情况下小母线和PDU连接二者不可或缺的通道。

作者简介

闻丽君 ： 纬诚科技董事长，复旦工商管理硕士，国家机械安全标准化技术委员会委员，NIISA标准工作组理事、《数据中心建设+》编委。

主导负责通信网格桥架系统、智能轨道PDU、智能安全防护系统的研发与生产。其中自主开发的环保无晶须镍彩膜技术应用于数据中心网格桥架，解决锌晶须引起线路板短路的宕机隐患。

参与起草了多项通信行业、国家机械安全行业、食品和包装机械行业网格桥架、光纤槽、及设备安全围栏系统的行标和国标。

戴闻杰 ： 纬诚科技市场总监，利兹大学硕士，拥有丰富的国内外市场战略咨询项目经验，曾为华为、OPPO、阿里斯顿等科技行业客户提供消费者细分、产品测试、媒介营销咨询等服务。

陈涛 ：纬诚科技PDU产品经理，主导负责智能轨道PDU的研发与生产。解决了数据中心项目前期PDU模块和数量不确定导致后期更改成本和前期投入成本高的问题。

编辑：黄飞