Основы работы и принципы построения стоечных распределителей питания (PDU)

Стоечный распределитель питания (Rack Power Distribution Unit, или Rack PDU) — завершающее звено цепи электроснабжения центра обработки данных. Его основная функция — надёжная и безопасная подача электропитания ко всем устройствам, установленным в ИТ-стойке: серверам, системам хранения, сетевому оборудованию, приборам мониторинга и т. д. От правильного выбора и конфигурации PDU зависит не только бесперебойная работа оборудования, но и эффективность всей энергетической системы ЦОД, включая потери, резервирование, сбор данных и автоматизацию.

Роль и эволюция PDU

Долгое время PDU воспринимался как простая «сеточная розетка» — элемент, обеспечивающий подачу энергии с запасом по мощности и минимальным риском простоев. Инженеры ориентировались лишь на номинальные данные оборудования и резервирование, оставляя запас без учёта энергоэффективности или мониторинга.

Ситуация изменилась по мере роста плотности вычислительных стоек и удорожания электроэнергии. Сегодня PDU — это инструмент управления энергопотреблением, учёта и оптимизации нагрузки в стойках. Он стал частью общей стратегии управления инфраструктурой (DCIM) и влияет на ключевые показатели энергоэффективности, включая PUE.

Современные интеллектуальные распределители питания позволяют:

собирать и передавать телеметрию в реальном времени (ток, напряжение, мощность, температура);
управлять подачей питания удалённо, включая отдельные розетки;
определять неиспользуемые или неэффективные устройства для их консолидации или отключения;
анализировать нагрузку и формировать отчёты для планирования расширения мощностей и расчёта углеродного следа;
обеспечивать точное измерение и биллинг при разделении стоек между клиентами (в колокейшн-ЦОДах).

При росте плотности стойки до 10–20 кВт (а в некоторых случаях — до 30 кВт и выше) PDU должен обеспечивать не только распределение энергии, но и точный контроль за её использованием, включая анализ по фазам и розеткам.

Основные классы PDU

По функциональным возможностям стоечные распределители делятся на две большие группы — неинтеллектуальные и интеллектуальные.

Неинтеллектуальные PDU

Базовые (Basic) — простые распределители питания без каких-либо функций контроля. Выполняют только подачу напряжения и тока к устройствам в стойке. Используются там, где приоритетом является простота и надёжность.
С мониторингом (Monitored) — дополнены встроенным дисплеем, который отображает параметры входного питания (напряжение, ток, мощность). Эти данные доступны локально, но не могут быть переданы по сети.

Интеллектуальные PDU

С измерением на вводе (Metered Input PDU) — контролируют параметры питания на уровне входа устройства. Это позволяет оценивать загрузку фазы, предотвращать перегрузку и планировать подключение нового оборудования.
С измерением на розетках (Metered Outlet PDU) — измеряют потребление каждого подключённого устройства. Такая функция необходима для точного анализа и биллинга.
С функцией коммутации (Switched PDU) — обеспечивают дистанционное включение и выключение отдельных розеток. Это позволяет управлять питанием серверов, проводить перезапуск без физического доступа и сокращать потери при простое.
Комбинированные (Switched & Metered PDU) — объединяют обе функции: измерение и управление розетками. Используются в продвинутых ЦОДах с автоматизированным управлением.

Тип PDU	Измерение ввода	Измерение розеток	Сетевое подключение	Коммутация	Поддержка датчиков среды
Basic	○	×	×	×	×
Monitored	●	×	×	×	○
Metered Input	●	×	●	×	●
Metered Outlet	●	●	●	×	●
Switched	●	×	●	●	●
Switched & Metered	●	●	●	●	●

Электрические основы и расчёты

Питание стойки

Энергия подаётся к стойке по одной или нескольким ветвям цепи (branch circuit). От параметров этих цепей — напряжения, тока и фазности — зависит мощность, доступная для оборудования.

$$P = U \times I$$ $$P_{3\phi} = \sqrt{3} \times U \times I$$

где: - $U$ — номинальное напряжение; - $I$ — ток; - $P$ — мощность.

Во многих ЦОДах используется трёхфазное питание, поскольку оно обеспечивает более равномерную нагрузку и позволяет подключать мощные стойки без увеличения сечения проводов.

Типы цепей и напряжения

Номинальное напряжение	Регион применения	Количество проводов	Напряжение на розетке
120 В	Северная Америка	2 (фаза + нейтраль)	120 В
208 В	Северная Америка	2 (фаза + фаза)	208 В
230 В	Европа, Азия, Россия	2 (фаза + нейтраль)	230 В
400 В (3Ф)	Европа, Азия, Россия	4 (3 фазы + нейтраль)	230 В

В российских ЦОДах на вход PDU, как правило, подаётся трёхфазное питание 400 В с нейтралью и заземлением. Это даёт возможность равномерно распределять нагрузку между фазами и питать 230-вольтовое оборудование.

Плаги, розетки и кабели

Наиболее распространённые стандарты соединений:

IEC 60320 (C13/C14, C19/C20) — для большинства серверов и коммутаторов;
IEC 60309 (4H, 6H) — для трёхфазных цепей и мощных нагрузок;
NEMA — используется в Северной Америке.

При проектировании важно учитывать количество розеток, их тип, токовую нагрузку и соответствие стандартам безопасности. Ошибки выбора могут привести к перегреву кабеля или разъёма.

Расчёт допустимой мощности ветви

$$P = U \times I_{derated}$$

Рабочий ток ($I_{derated}$) принимается равным 80 % от номинала автоматического выключателя, согласно стандарту UL 60950-1.

Регион	Напряжение	Номинальный ток, А	Рабочий ток, А	Максимальная мощность, кВт
Северная Америка	120 В	20	16	1.9
Северная Америка	208 В	20	16	3.3
Международный	230 В	16	16	3.7
Международный	400 В (3Ф)	32	32	22.1

Стандарты и сертификация

Для обеспечения безопасности и электромагнитной совместимости применяются международные стандарты:

Обозначение	Область	Стандарт	Примечание
UL	Безопасность	UL 60950-1	США
cUL/CSA	Безопасность	CAN/CSA-C22.2	Канада
CB	Безопасность	IEC 60950-1	Международный
CE	ЭМС	EN 55022:2006	Европа
FCC-A / FCC-B	ЭМС	47 CFR Part 15	США
ICES-003	ЭМС	Issue-004	Канада

Использование несертифицированных PDU в составе ЦОД может привести к отказу оборудования и несоответствию требованиям пожарной безопасности и энергоаудита.

Защита и надежность

Современные PDU включают в себя встроенные устройства защиты — автоматические выключатели или плавкие предохранители.

UL 489 — промышленный стандарт для выключателей с высокой способностью отключения (до 5000 А).
UL 1077 — стандарт для вспомогательных автоматов (до 1000 А), применяемых в менее критичных цепях.

Корректно подобранные устройства защиты различают кратковременные пусковые токи серверов и длительные перегрузки, предотвращая ложные отключения и повреждение оборудования.

Заземление

Все металлические части стойки, корпуса PDU и оборудования должны быть соединены в единый контур заземления. В большинстве моделей PDU предусмотрены:

контакт заземления в сетевой вилке;
отдельная точка подключения заземляющего провода к корпусу стойки.

Надёжное заземление снижает риск поражения электрическим током, обеспечивает защиту от электростатических разрядов и выравнивание потенциалов между элементами стойки.

Ключевые идеи

PDU — не просто распределитель, а элемент интеллектуальной энергетической системы ЦОД.
Ключевые функции: мониторинг, удалённое управление, анализ и защита.
Трёхфазное питание (400 В) — оптимальное решение для мощных стоек.
При расчётах используется 80 % от номинального тока автомата.
Сертификация UL/IEC — обязательное требование для промышленной эксплуатации.
Интеллектуальные PDU позволяют оптимизировать загрузку и сократить энергопотребление на уровне ИТ-инфраструктуры.