小母线系统是数据中心末端母线供配电系统的俗称。与变电站低压出线母线或传统大型建筑相比，数据中心的小母线容量较小。本文介绍了小母线系统与列头柜供配电系统的技术性能比较；通过案例进一步延伸了小母线系统的特点，详细分析了列头柜配电方案和母线槽配电方案在整个生命周期中的成本。在设计布线系统时，可供数据中心建设的工程技术人员参考。
小母线系统和列头柜
小母线系统是数据中心末端母线供配电系统的俗称。与变电站低压出线母线或传统大型建筑相比，数据中心的小母线容量较小。通常，这种母线始端与大母线连接，通过母线插入箱内的断路器与每个母线连接IT机柜中的PDU连接构成数据中心小母线终端供配电系统，该母线容量为100~400A之间。
数据中心的头柜通常放在一列IT配电机柜作为机柜的一列或几列IT终端配电柜的电源分配和保护。列头柜通常以放射式的配电形式连接到上游配电柜或与采用树干状配电形式采用主干母线与上游电源配电柜连接。每个输出断路器和每个列头柜IT机柜的PDU连接构成传统的数据中心终端供配电系统。通常，每个头柜的容量介于100~400A之间。
小母线系统和排头柜供配电系统的技术性能
数据中心小母线供配电系统是典型的干式供配电系统，总配电柜与机柜之间采用干线连接的配电方式。其优点是金属导体消耗少，施工快捷方便，即插即用，易于扩展和变更。与电缆相比，母线可靠性高，使用寿命长，可重复使用。缺点是干线一旦出现故障，影响范围大。
数据中心列头柜的供配电系统是典型的放射式供配电系统，总配电柜直接供给列头柜和负载。优点是每个负荷都是独立的，一旦故障仅限于自身而不影响其他电路，就充分满足国家现行规范对重要电力负荷的技术要求。缺点是线路多，金属导体消耗大，施工复杂。系统灵活性差：无变更能力，分期实施困难，不能重复使用。此外，在列头柜的供配电系统中，列头柜占据了机柜的宝贵空间。
高级数据中心在IT设备的端配电采用双线冗余供电。
A级数据中心的供配电架构为2N冗余，两套独立冗余的电源通过两条独立的供配电线路向各负荷供电。低等级数据中心采用N 1冗余，具有一定冗余能力的电源通过两条独立的供配电线路向各负荷供电。两种模式都具有不依赖单线的特点。因此，以母线为典型代表的干线供配电系统发生故障时，影响范围大的缺点大大削弱。
与其他应用程序相比，数据中心在区域供电容量和区域生产时间方面存在很大的不确定性。传统的头柜供配电系统只能按预期设计规划，一次到位实施。当实际应用和生产时间发生变化时，系统难以变化，导致满足实际需求和资本成本的弱点。
由于适应数据中心存在很大的不确定性，数据中心小母线供配电系统弱化了干线故障影响范围较大的问题。在按需灵活配置、按投产进度适时配置以及变更后的利旧有很大的天然势。因此，甚至有个别企业在怀孕数据中心租赁小母线产品。同时，数据中心小母线供配电系统不占用地面空间，可最大限度地利用宝贵的数据中心空间进行实际生产应用。
案例分析
项目情况(虚拟)
机房建设规划机房面积1300平方米，本期建设600平方米(其余预留面积)。本期可用IT机柜为169个，机房内机柜一般为12、18个。
600宽度机柜功耗3-5kVA配置2路32APDU(单相)。
机房供电模式-列头柜供电。
列头柜按双回路供电设计，列头柜输入来自UPS的A、B两路电源。A/B路列头柜到各IT机柜配电通过地板下的强电线槽引线到每个机柜，并与机柜内的机柜配电PDU工业连接器连接实现供电。
基本配置(图1)
4kVA18个机柜总功率4kVA×18=72kVA(每相109A)。列头柜输入160A/3Px2、列头柜输出32A/1P×21路x2台(每台18路 几条路备用)。
列头柜的供电特点
?采用传统列头集中供电模式，每列机柜一侧配有强电列头柜；
?大量供电电缆采用放射性敷设方式，将头柜连接到每个机柜；
?机柜下应安装强电线槽，施工时间大，未来维护相对麻烦。同时，线槽的存在对机房空调下的送风有一定的影响，系统不具备灵活变化的能力。
机房供电模式-母线方案
用小母线方案代替头柜(图2)
在每列机柜顶部铺设两条等长的轨道式小母线。UPS输出A路和B路。每个路。IT机柜配电安装在其顶部A/B段母线的插接箱分别引电到机柜内A/B路PDU机柜双路取电完成。母线插接箱的位置可根据机柜的位置灵活变化和设置。
4kVA/柜,18个机柜总功率4kVA×18=72kVA/109A,单柜4kVA/18.18A,母线规格160A,长度10.8m;6个输出插件(每3个)×25A输出)。
母线方案的特点
?无需铺设大量电缆，可通过插接箱就近供电(插接箱位置可调)，IT机柜PDU插头可直接插入母线插接箱，无复杂接线；
?机柜强电源由原地板下供电改为顶置供电模式。地板下和机柜上不需要铺设强电线槽，也降低了空调的送风阻力；
?支持随时(热)扩大回路数，适应性高；
?供电系统简单易维护。每列机柜上设置两个母线槽A/B段母线。
与传统的头柜相比，小母线系统比较
1
传统的配电方式是UPS出线柜接配电列头柜，然后通过电缆为每个机柜内的设备供电。采用放射性供配电结构，即每个机柜通过电缆与柱头配电柜电缆一对一连接，未来需要重新排放电缆。小母线部署简单快捷，只需将母线槽安装在所有预期机柜上方（无论是目前部署的机柜还是长期规划的机柜）即可完成部署，并根据用户的进入实现即时安装的安装安排。个别机柜增加输出容量或电路数量不需要改变母线槽，只需增加或改变插接箱（可带电插拔）IT业务不确定的发展需求满足了规划能够赶上未来变化的长远需求。
2
由于采用母线方式省去了强电列头柜，原列头柜的位置可以增加一个配置IT机柜。一般每20个左右IT机柜配有一个强电列头柜，去掉列头柜后可增加约1/20IT机柜数量，以机房1000个机柜为例，原需50个头柜，采用母线后机房IT机柜可达1050个，每台机柜租赁费6万元/年计算，可增加效益300万元。
3
轨道精密母线使用寿命长，可达20~25年以上。由于采用模块化组装结构设计，可以满足多次拆卸和移位的特点，最大限度地保护用户的固定资产投资，间接增加系统的价值。传统的配电柱头柜和电缆的使用周期约为8~10年，一旦电缆扩大或移动，就不可能重复使用。因此，母线槽系统的使用周期是头柜系统的2~3倍以上，可多次重复使用。降低长期应用成本。
4
采用轨道小母线系统快速安装部署。例如，采用传统的头柜和电缆模式，机房典型施工周期约为30~40天，涉及配电柜到位、电缆桥架安装、电缆切割铺设、电缆对接等繁琐工序。部署母线系统只需7~10天即可完成机房交付，节省了大量的施工时间和人工投资，也节省了桥梁和电缆的需求。可提前近一个月交付给客户。
全生命周期成本分析
材料成本部分(22N冗余的4kVA机柜计算)
材料成本见表1。
安装成本部分(22N冗余的4kVA机柜计算)
安装成本见表2。
总成本的差异(根据22N冗余的4kVA机柜计算)
①分配给单个机柜的建设成本(不考虑分期投资的财务成本降低和增加IT机柜及变更及回收部分)见表3。
②某项目采用1920个列头柜布置IT机柜采用小母线方案取消头柜后，增加182个IT机柜(见表4)。
在实际施工中，每个机柜6813增加了182个机柜.50元，由于系统的边际效应，可以节省小母线系统的综合成本。因此，上述比较表中母线解决方案的总投资介于1308.192万元到1432.197万元之间。
结论-综合评价
1
不考虑分期建设对财务成本的影响，小母线方案比较头柜方案IT成本将增加20%；
2
如果考虑财务成本,假定项目50%立即投入生产另外50%将在一年后投入生产。如采用列头柜方案将一次全部投入1086.57万元,采用小母线方案建设50%,投入<7160.98万元。减少370.47万元以上的投入。以年贷款利率7%计算,一年的财务成本减少25.9万元以上;
3
系统由于采用小母线系统增加了182个IT机柜,按照每个机柜租赁费6万元/年计,每年可以实现增加1092万元的营业收入。按照20%利润率考虑,每年增加收入218万元收入,2年内即可以收回小母线方案增加的投入成本。
作者简介
张大红,毕业于华东师范大学。曾长期任职于施耐德电气担任数据中心事业部东区与中区技术总监,从事于关键电力供应系统与数据中心制冷系统的规划研究与实施工作。长期从事于数据中心能效优化的相关工作,参与了上海市建筑上海市民用建筑电气防火设计规程和数据中心能耗标准的参编。
中国工程建设标准化协会信通专委数据中心专家组成员。美国UL数据中心事业部数据中心验证业务技术顾问。参与过众多大型数据中心项目。
另外还致力与协助用户提升运维水平和从事数据中心关键电力供应系统的安全性、可测试性方面的工作。
（来源》《UPS应用》杂志）
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史上最全，数据中心机房标准及规范汇总（下载）数据中心运维管理 | 资料汇总（2017.7.2版本）
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