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試談PDU和小母線的發展
  • 本文從數據中心的選型和應用實際要求出發,闡述了當今PDU和小母線存在的一些問題,并介紹了為了解決這些問題從技術、材料和結構上推出的解決方案,以及實現的良好效果。
  •  一、前言
      
      PDU是各行各業,甚至居家過日子都用的大眾性產品,所以生產廠家也遍及全國各地。這里僅就數據中心用PDU作以探討,因為數據中心是各行業的“標配”構成部分,而且它的要求也有其特殊性。不但用量大,而且種類繁多,這就為數據中心建設中帶來一些困難。比如在規劃、設計和建設期間,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插座數量難以確定:
      
      一般情況下數據中心可以大概估算機柜的數量,比如是幾十個、幾百個、幾千個甚至幾萬個,在此情況下傳統PDU需提前確定方案,一般大都為定制款。數據中心在IT設備的種類和數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和應用設備往往來自不同廠商,需要多方多次確認方案,溝通成本高,方案設計周期長。因為進口IT設備和國產設備的插頭制式不同,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)以后的發展難以預料:
      
      在使用中有時設備需要升級調整或更新,如果牽涉到機柜內插座的位置和容量怎么辦?
      
      2.后期運維的難點
      
      1)因插座模塊數量變更,會導致需要更換PDU。一是PDU是否存在安裝結構的問題,二是訂貨周期等問題。
      
      2)因插孔使用類型變更,導致需要更換PDU?;蛞騿蝹€插座模塊損壞,導致需要更換整條PDU。
      
      3)一般傳統PDU錯配率高,增加后期投資成本。目前租賃式數據中心的比例越來越高,實際投入使用的服務器數量和插座類型與設計難以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PDU插座與設備的位置往往錯位和有距離要求,設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是某機房單機柜插座使用情況分布圖的例子。該機房正常使用的機柜數量是48個,按照GB50174-2017的標準為2n供電方式。所以A路與B路PDU插座合計是96套。根據分布曲線可以看出:中位數是一套應用9個插座;最高位是一套應用10個插座。插座應用數量,最低一套應用2個,最高一套應用20個插座??梢娍臻e了很多而造成了浪費。
      
      二、新型模塊化PDU設計
      
      為了解決以上這些困難和為用戶提供方便,現在有的制造者采用模塊化PDU設計。新型模塊化設計理念創新性地將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計,這就為數據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。這種結構設計帶來的好處是:
      
      1.快速設計,快速部署
      
      軌道與插座可分開設計,交付前只需確定軌道長度,插座數量和類型可在交付后按需配置,設計及交付手續簡單化。
      
      2.避免錯配,杜絕浪費
      
      插座數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.靈活擴容,高效運維
      
      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據中心擴容需求。
      
      3)便捷而高效地維護電源分配管理。
      
      4)降低后期因插座數量變更、類型變更和模塊損壞等潛在風險帶來的高運維成本。
      
      5)安裝更靈活:一般傳統PDU都是兩端掛耳式安裝。其安裝位置是與機柜同時設計完成的,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,導致通用性不強。圖4所示就是新型軌道PDU在機柜中的安裝方式圖。
      
      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,這就為設備的安裝帶來了方便。
      
      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都可根據客戶的需求定制顏色,這就最大限度地滿足了數據中心色彩管理要求。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,它的優點就是取消了占地面積和容量受限的數據中心列頭柜,如圖6所示。實際上這種軌道式PDU用途很廣,比如可以應用到各種生產線等。
      
      1.接插模塊
      
      軌道式PDU通過接插模塊向負載供電,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,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電化學反應而腐蝕接觸面,使得接觸面電阻增大,溫度升高,這樣一個正反饋反應就會使該配電系統壽命縮短。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過特殊處理,如圖7所示,在這里不但經過了特殊處理,而且為了加固鏈接還從結構上采取了特殊措施:
      
      1)旋轉式接插:插座以旋轉式接插到軌道R型銅條母線內,方便省力,如圖7(a)和(b)所示。
      
      2)接插鎖定功能:插座旋轉接插到軌道后,撥動側面滑動撥鈕,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,人為導致插頭脫落斷電的風險,如圖8所示。
      
      2.安全技術的市場驗證
      
      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,具有部署簡易快捷,投入快,施工周期短等特點。近年來,隨著數據中心建設的快速發展和更高需求,智能小母線系統正越來越多地被應用于機房的末端配電中。軌道PDU在母線銅排結構工藝,接插方式及材質上,有了新的改良與亮點。圖9所示為機房小母線、接插件與母線接插結構示意圖。
      
      如前所述,機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電,這樣難免形成接觸不良的弊病。
      
      3.新一代小母線工藝結構及材質升級
      
      1)新一代小母線軌道內部不但采用了同樣材質的母線銅排,而且在結構上又采用了R型一體結構,如圖10所示。目前市場上如圖10(c)所示的雙面接插結構效果不錯,但一般是硬觸,時間長了彈力會降低,形成接觸不良。而新型設計是軟接觸,這樣一來插座接插件與R型結構不但是雙面接觸,而且由于軟接觸的接觸面變大應力減小了,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)軌道內部母線銅排有整體排列的鏤空間隙。這樣的設計使得銅排實現了柔性接觸,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,延長了使用壽命。而且這種間隙結構的導熱能力也加強了,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境溫度沒有差別,即實際效果是沒有溫升),在大功率應用情況下性能更加穩定。
      
      新一代軌道PDU采用磷銅,從強度、韌性和耐化學腐蝕等性能比常規母線的純紫銅要強得多,這就有效地控制了長期使用過程中銅的氧化,同時也增強了插座接插能力,嚙合力更加穩固。常規母線用的紫銅偏軟,接插次數多了容易變形,從而導致接觸不良。在這里就解決了這個問題。
      
      經過升級改造后的軌道式PDU參數如表1所示。
      
      四、PDU和小母線在數據中心的應用前景
      
      根據目前的情況來看,數據中心用電由多重隔離通道模式向市電直供模式轉化。但是無論用哪種模式供電,IT機柜PDU是不可缺少的。原來IT設備對供電系統提出的穩壓、濾波和不間斷的要求,由于科學技術的發展,市電直供已可以全部解決。
      
      1.穩壓問題的解決
      
      目前所有IT設備的標配電源都是開關穩壓器電路,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UPS采用了開關電源,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設備的標配電源都有輸入濾波器環節,這個問題也可輕松解決;
      
      3.不間斷問題
      
      現在采用的UPS在市電故障時可以在一定時段內不間斷,靠的是儲能設備。比如靜止變換式UPS中的蓄電池,旋轉發電機式UPS靠的是儲能飛輪。一般在這種情況下只是一個過渡過程,等后備發電機投入運行后就由發電機供電。所以目前一般數據中心的后備電池大都以10~15min為度。而使用旋轉發電機式UPS的后備時間大都是15s。實際上一個MW的發電機一般在10s內就可達到額定轉數,所以有后備發電機的地方1min的后備時間也就夠了。目前電池技術和材料的發展突飛猛進,高比容電池已經問世,在單個IT設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機架的應用實例。
      
      以上三大問題的解決,機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,復旦工商管理碩士,國家機械安全標準化技術委員會委員,NIISA標準工作組理事、《數據中心建設+》編委。
      
      主導負責通信網格橋架系統、智能軌道PDU、智能安全防護系統的研發與生產。其中自主開發的環保無晶須鎳彩膜技術應用于數據中心網格橋架,解決鋅晶須引起線路板短路的宕機隱患。
      
      參與起草了多項通信行業、國家機械安全行業、食品和包裝機械行業網格橋架、光纖槽、及設備安全圍欄系統的行標和國標。
      
      戴聞杰,緯誠科技市場總監,利茲大學碩士,擁有豐富的國內外市場戰略咨詢項目經驗,曾為華為、OPPO、阿里斯頓等科技行業客戶提供消費者細分、產品測試、媒介營銷咨詢等服務。
      
      陳濤,緯誠科技PDU產品經理,主導負責智能軌道PDU的研發與生產。解決了數據中心項目前期PDU模塊和數量不確定導致后期更改成本和前期投入成本高的問題。
      
      編輯:Harris
      
      

     

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