艾默生對交流與直流配電分析
發布時間：2016.05.16 瀏覽次數：1871
多年來，一直有人建議，用直流供配電來替代數據中心交流供配電，而很多錯誤信息和相互矛盾的說法誤導了關于這種作法的探討。詳細的分析和模擬測試表明，一般公認的直流供配電的許多優勢實際上并不存在或被過度夸大了。本文闡述了為什么高效率交流供配電將可能成為數據中心配電的主流選擇的原因。
成本
直流UPS系統的成本一般要比交流UPS低10%到20%。但是，直流UPS的工程設計、特殊斷路器和配電線成本較高，抵消了這一優勢。在一些配電成本很低的低密度部署，如信號發射塔基站等，直流的優勢體現得最為明顯。而在數據中心中，還需要為一些只接受交流電的設備供電，這增加了直流系統的成本。服務器或存儲等直流供電設備的成本也是直流系統的一個弱點。但是，對于48V直流系統來說，最大的成本問題在于連接IT設備的配電線。它需要的配電銅線的重量和成本是交流系統的10倍或更多。將如此多的銅線安裝并端接到IT設備機柜，不僅極為昂貴，而且如果每機柜功率高于20kW，則是不切實際的。如果采用380V直流配電，銅線用量就會大大減少，稍低于最佳交流配電方案。
整體而言，當為數據中心或網絡機房供電時，交流系統對比48V直流系統來說，在設備成本方面略勝一籌。因為380V直流設備很少，所以現在對比交流系統，并無成本優勢，但如果380V直流成為標準，那么它就具備了成本優于交流系統的潛力。
兼容性
用于銅纜環路的語音交換機等電路交換電信設備，過去一直設計為使用48V直流輸入。而服務器、存儲、路由器等分組交換電信設備則幾乎都是使用交流輸入的。因此，設施中究竟選擇交流還是直流，主要取決于它們哪一個能提供更高兼容性。在網絡機房和數據中心，分組設備占主要地位，這意味著采用交流系統能獲得更高兼容性。要想獲得許多產品，如顯示器、NAS存儲設備或PC等的直流版本幾乎是不可能的。如果使用逆變器來為這些設備供電，則效率將會降低。
艾默生如果為數據中心或網絡機房選擇直流供電，則會嚴重限制能夠使用的IT設備的類型。在大多數情況下，如果不增加一個起補充作用的交流供電系統，是不可能投入運行的。如果將部署的應用是一系列經過協調的標準化IT設備，如超級計算機等，則會減少兼容性問題。
此外，在高密度部署中，ASHRAE和其它多個機構都已證實，需要空調風扇不間斷運行。這就是說，在電源故障期間，空調風扇必須持續運行，無法等待發電機啟動，所以需要為其配備不間斷電源。如果采用交流系統，其布線很簡單。但如果選擇直流系統，那么就必須使用與外部直流電兼容的空調。這種設備目前還未面世，即使面世，估計價格也相當不菲。
艾默生可靠性
艾默生交流和直流供電系統的可靠性比較，主要取決于我們的假設前提。直流供電系統由一排直流整流器組成，提供一個或多個并聯電池組。最近推出的UPS產品采用了類似架構，將一排UPS模塊與一組并聯的電池組相連。因為其架構類似，所以采用此類設計的直流和交流系統能夠直接進行比較。從比較的結果可以清楚地看出，電池系統決定了整個系統的可靠性。利用同樣的生命周期成本，能夠創建可靠性與直流UPS電池系統相同的交流UPS電池系統。
在生命周期成本相同的情況下，數據中心或網絡機房采用交流或直流供電的可靠性相當。
諧波
在許多已發表的文章中提到，數據中心選擇直流的一個關鍵優勢是，可以消除“諧波問題”。早期的IT設備會生成電流諧波，造成數據中心發生各種嚴重問題，包括中性線和變壓器過熱。但必須指出的是，自1993年左右，國際規范已禁止生產會生成諧波的IT設備。只有采用了某些1993年前生產的IT設備的數據中心才會有嚴重諧波電流出現。很明顯，任何新數據中心都不會安裝那個年代的IT設備，所以有關直流配電能解決諧波問題的說法，是以對于數據中心供電系統來說，非常錯誤、過時的見解為基礎的。應該認真考察提出這種說法的人士的動機以及他們是否值得信任。
安全性
目前，世界上有很多針對交流配電的法規，標準化程度很高。不僅有國際法規，而且還有國家級法規、地區或州立法規，甚至某些城市也制定了具體法規。這些法規都是總結了將近100年來商用和民用交流配電的經驗教訓后制定的。
對比而言，商用直流配電方面的法規很少。這一方面表示，存在著創建全球直流配電標準的機會，另一方面也說明，在中短期部署直流系統方面有巨大的障礙。例如，本文中介紹的380V直流配電架構在日本是不合法的，因為日本現在規定的最高電壓為300V。目前，如果在數據中心安裝非48V直流系統，會給工程團隊、當地承包商、維修人員和當地建筑物驗收人員帶來極大挑戰。例如，在北美沒有對于商用直流系統電弧的法規，這就導致大家對于空間距離、接入要求等產生各種各樣的理解。
交流與直流比較總結
上述討論說明，對大多數數據中心用戶來說，綜合考慮效率、成本、兼容性、可靠性和安全性，從交流系統遷移到直流系統并非明智選擇。在考察的所有方案中，380V直流系統的理論效率最高，但它同時具有嚴重的兼容性問題。400/230V交流系統的效率稍低于380V直流系統，但非常普及，兼容性出色。基于此原因，400/230V交流系統是一種非常實用的獲得高效率的方法。
我們還發現，當以獲得高效率為目標時，北美使用的傳統480V交流配電系統表現不佳，如果數據中心采用400/230V交流系統，將能立即提高效率。
電信局站可靠性
人們通常認為，電信局站可靠性要比典型的商用數據中心的可靠性高出一或兩個數量級。但本文指出，在電信局站中使用直流電并非是獲得此高可靠性的關鍵因素。電信局站之所以能夠具備高可靠性，有其它解釋。
實際上，沒有任何科學文獻表明，直流電有高于交流電的理論或實際可靠性優勢。
網絡機房和數據中心的宕機數據顯示，網絡機房和電信局站間的根本差異在于環境的穩定性。大多數數據中心宕機是由人為錯誤造成的。在數據中心，設備的平均壽命只有兩到三年，且配置不斷發生變化。這種變化給系統帶來的后果是無法預料的，而且在更改配置時也會出錯，這成為導致絕大多數宕機的原因。
在電信局站，能夠接入系統、進行操作、影響系統的人員數目十分有限，而且電話系統具有結構化和標準化的特點，操作流程已經成熟，這些都是重要的可靠性優勢。
在實際安裝和設計中，不需要活動地板、功率密度低、通常使用對流冷卻等，都是電信局站獲得基本可靠性優勢的關鍵因素。
在數據中心和網絡機房中，為提高可用性，急需接入控制系統、基礎設施標準化，以及監控和管理系統。使用交流還是直流，對于這些問題影響極小。
直流交流混用設施
許多數據中心或網絡機房有一小部分負載需要48V直流配電。對于有大量電信設備的互聯網托管設施，48V直流電需求可能是交流電需求的10%。這就出現了如何最好地為這些負載供電的問題。
建議在交流電系統中采用小型無電池直流整流器。借助這種方法，能夠在負載需要直流電的任何地點，部署小型機柜安裝整流器。藉此，無需再保留一個或多個直流電池組，也不必在運行系統中增刪直流配電線。實際上，完全不需要制訂任何直流配電計劃。艾默生對交流與直流配電分析艾默生對交流與直流配電分析艾默生對交流與直流配電分析艾默生對交流與直流配電分析艾默生對交流與直流配電分析
成本
直流UPS系統的成本一般要比交流UPS低10%到20%。但是，直流UPS的工程設計、特殊斷路器和配電線成本較高，抵消了這一優勢。在一些配電成本很低的低密度部署，如信號發射塔基站等，直流的優勢體現得最為明顯。而在數據中心中，還需要為一些只接受交流電的設備供電，這增加了直流系統的成本。服務器或存儲等直流供電設備的成本也是直流系統的一個弱點。但是，對于48V直流系統來說，最大的成本問題在于連接IT設備的配電線。它需要的配電銅線的重量和成本是交流系統的10倍或更多。將如此多的銅線安裝并端接到IT設備機柜，不僅極為昂貴，而且如果每機柜功率高于20kW，則是不切實際的。如果采用380V直流配電，銅線用量就會大大減少，稍低于最佳交流配電方案。
整體而言，當為數據中心或網絡機房供電時，交流系統對比48V直流系統來說，在設備成本方面略勝一籌。因為380V直流設備很少，所以現在對比交流系統，并無成本優勢，但如果380V直流成為標準，那么它就具備了成本優于交流系統的潛力。
兼容性
用于銅纜環路的語音交換機等電路交換電信設備，過去一直設計為使用48V直流輸入。而服務器、存儲、路由器等分組交換電信設備則幾乎都是使用交流輸入的。因此，設施中究竟選擇交流還是直流，主要取決于它們哪一個能提供更高兼容性。在網絡機房和數據中心，分組設備占主要地位，這意味著采用交流系統能獲得更高兼容性。要想獲得許多產品，如顯示器、NAS存儲設備或PC等的直流版本幾乎是不可能的。如果使用逆變器來為這些設備供電，則效率將會降低。
艾默生如果為數據中心或網絡機房選擇直流供電，則會嚴重限制能夠使用的IT設備的類型。在大多數情況下，如果不增加一個起補充作用的交流供電系統，是不可能投入運行的。如果將部署的應用是一系列經過協調的標準化IT設備，如超級計算機等，則會減少兼容性問題。
此外，在高密度部署中，ASHRAE和其它多個機構都已證實，需要空調風扇不間斷運行。這就是說，在電源故障期間，空調風扇必須持續運行，無法等待發電機啟動，所以需要為其配備不間斷電源。如果采用交流系統，其布線很簡單。但如果選擇直流系統，那么就必須使用與外部直流電兼容的空調。這種設備目前還未面世，即使面世，估計價格也相當不菲。
艾默生可靠性
艾默生交流和直流供電系統的可靠性比較，主要取決于我們的假設前提。直流供電系統由一排直流整流器組成，提供一個或多個并聯電池組。最近推出的UPS產品采用了類似架構，將一排UPS模塊與一組并聯的電池組相連。因為其架構類似，所以采用此類設計的直流和交流系統能夠直接進行比較。從比較的結果可以清楚地看出，電池系統決定了整個系統的可靠性。利用同樣的生命周期成本，能夠創建可靠性與直流UPS電池系統相同的交流UPS電池系統。
在生命周期成本相同的情況下，數據中心或網絡機房采用交流或直流供電的可靠性相當。
諧波
在許多已發表的文章中提到，數據中心選擇直流的一個關鍵優勢是，可以消除“諧波問題”。早期的IT設備會生成電流諧波，造成數據中心發生各種嚴重問題，包括中性線和變壓器過熱。但必須指出的是，自1993年左右，國際規范已禁止生產會生成諧波的IT設備。只有采用了某些1993年前生產的IT設備的數據中心才會有嚴重諧波電流出現。很明顯，任何新數據中心都不會安裝那個年代的IT設備，所以有關直流配電能解決諧波問題的說法，是以對于數據中心供電系統來說，非常錯誤、過時的見解為基礎的。應該認真考察提出這種說法的人士的動機以及他們是否值得信任。
安全性
目前，世界上有很多針對交流配電的法規，標準化程度很高。不僅有國際法規，而且還有國家級法規、地區或州立法規，甚至某些城市也制定了具體法規。這些法規都是總結了將近100年來商用和民用交流配電的經驗教訓后制定的。
對比而言，商用直流配電方面的法規很少。這一方面表示，存在著創建全球直流配電標準的機會，另一方面也說明，在中短期部署直流系統方面有巨大的障礙。例如，本文中介紹的380V直流配電架構在日本是不合法的，因為日本現在規定的最高電壓為300V。目前，如果在數據中心安裝非48V直流系統，會給工程團隊、當地承包商、維修人員和當地建筑物驗收人員帶來極大挑戰。例如，在北美沒有對于商用直流系統電弧的法規，這就導致大家對于空間距離、接入要求等產生各種各樣的理解。
交流與直流比較總結
上述討論說明，對大多數數據中心用戶來說，綜合考慮效率、成本、兼容性、可靠性和安全性，從交流系統遷移到直流系統并非明智選擇。在考察的所有方案中，380V直流系統的理論效率最高，但它同時具有嚴重的兼容性問題。400/230V交流系統的效率稍低于380V直流系統，但非常普及，兼容性出色。基于此原因，400/230V交流系統是一種非常實用的獲得高效率的方法。
我們還發現，當以獲得高效率為目標時，北美使用的傳統480V交流配電系統表現不佳，如果數據中心采用400/230V交流系統，將能立即提高效率。
電信局站可靠性
人們通常認為，電信局站可靠性要比典型的商用數據中心的可靠性高出一或兩個數量級。但本文指出，在電信局站中使用直流電并非是獲得此高可靠性的關鍵因素。電信局站之所以能夠具備高可靠性，有其它解釋。
實際上，沒有任何科學文獻表明，直流電有高于交流電的理論或實際可靠性優勢。
網絡機房和數據中心的宕機數據顯示，網絡機房和電信局站間的根本差異在于環境的穩定性。大多數數據中心宕機是由人為錯誤造成的。在數據中心，設備的平均壽命只有兩到三年，且配置不斷發生變化。這種變化給系統帶來的后果是無法預料的，而且在更改配置時也會出錯，這成為導致絕大多數宕機的原因。
在電信局站，能夠接入系統、進行操作、影響系統的人員數目十分有限，而且電話系統具有結構化和標準化的特點，操作流程已經成熟，這些都是重要的可靠性優勢。
在實際安裝和設計中，不需要活動地板、功率密度低、通常使用對流冷卻等，都是電信局站獲得基本可靠性優勢的關鍵因素。
在數據中心和網絡機房中，為提高可用性，急需接入控制系統、基礎設施標準化，以及監控和管理系統。使用交流還是直流，對于這些問題影響極小。
直流交流混用設施
許多數據中心或網絡機房有一小部分負載需要48V直流配電。對于有大量電信設備的互聯網托管設施，48V直流電需求可能是交流電需求的10%。這就出現了如何最好地為這些負載供電的問題。
建議在交流電系統中采用小型無電池直流整流器。借助這種方法，能夠在負載需要直流電的任何地點，部署小型機柜安裝整流器。藉此，無需再保留一個或多個直流電池組，也不必在運行系統中增刪直流配電線。實際上，完全不需要制訂任何直流配電計劃。艾默生對交流與直流配電分析艾默生對交流與直流配電分析艾默生對交流與直流配電分析艾默生對交流與直流配電分析艾默生對交流與直流配電分析