科士达对交流与直流配电分析

直流UPS系统的成本一般要比交流UPS低10%到20%。但是，直流UPS的工程设计、特殊断路器和配电线成本较高，抵消了这一优势。在一些配电成本很低的低密度部署，如信号发射塔基站等，直流的优势体现得最为明显。而在数据中心中，还需要为一些只接受交流电的设备供电，这增加了直流系统的成本。服务器或存储等直流供电设备的成本也是直流系统的一个弱点。但是，对于48V直流系统来说，最大的成本问题在于连接IT设备的配电线。它需要的配电铜线的重量和成本是交流系统的10倍或更多。将如此多的铜线安装并端接到IT设备机柜，不仅极为昂贵，而且如果每机柜功率高于20kW，则是不切实际的。如果采用380V直流配电，铜线用量就会大大减少，稍低于最佳交流配电方案。

整体而言，当为数据中心或网络机房供电时，交流系统对比48V直流系统来说，在设备成本方面略胜一筹。因为380V直流设备很少，所以现在对比交流系统，并无成本优势，但如果380V直流成为标准，那么它就具备了成本优于交流系统的潜力。

兼容性

用于铜缆环路的语音交换机等电路交换电信设备，过去一直设计为使用48V直流输入。而服务器、存储、路由器等分组交换电信设备则几乎都是使用交流输入的。因此，设施中究竟选择交流还是直流，主要取决于它们哪一个能提供更高兼容性。在网络机房和数据中心，分组设备占主要地位，这意味着采用交流系统能获得更高兼容性。要想获得许多产品，如显示器、NAS存储设备或PC等的直流版本几乎是不可能的。如果使用逆变器来为这些设备供电，则效率将会降低。

科士达如果为数据中心或网络机房选择直流供电，则会严重限制能够使用的IT设备的类型。在大多数情况下，如果不增加一个起补充作用的交流供电系统，是不可能投入运行的。如果将部署的应用是一系列经过协调的标准化IT设备，如超级计算机等，则会减少兼容性问题。

此外，在高密度部署中，ASHRAE和其它多个机构都已证实，需要空调风扇不间断运行。这就是说，在电源故障期间，空调风扇必须持续运行，无法等待发电机启动，所以需要为其配备不间断电源。如果采用交流系统，其布线很简单。但如果选择直流系统，那么就必须使用与外部直流电兼容的空调。这种设备目前还未面世，即使面世，估计价格也相当不菲。

科士达可靠性

科士达交流和直流供电系统的可靠性比较，主要取决于我们的假设前提。直流供电系统由一排直流整流器组成，提供一个或多个并联电池组。最近推出的UPS产品采用了类似架构，将一排UPS模块与一组并联的电池组相连。因为其架构类似，所以采用此类设计的直流和交流系统能够直接进行比较。从比较的结果可以清楚地看出，电池系统决定了整个系统的可靠性。利用同样的生命周期成本，能够创建可靠性与直流UPS电池系统相同的交流UPS电池系统。

在生命周期成本相同的情况下，数据中心或网络机房采用交流或直流供电的可靠性相当。

谐波

在许多已发表的文章中提到，数据中心选择直流的一个关键优势是，可以消除“谐波问题”。早期的IT设备会生成电流谐波，造成数据中心发生各种严重问题，包括中性线和变压器过热。但必须指出的是，自1993年左右，国际规范已禁止生产会生成谐波的IT设备。只有采用了某些1993年前生产的IT设备的数据中心才会有严重谐波电流出现。很明显，任何新数据中心都不会安装那个年代的IT设备，所以有关直流配电能解决谐波问题的说法，是以对于数据中心供电系统来说，非常错误、过时的见解为基础的。应该认真考察提出这种说法的人士的动机以及他们是否值得信任。

安全性

目前，世界上有很多针对交流配电的法规，标准化程度很高。不仅有国际法规，而且还有国家级法规、地区或州立法规，甚至某些城市也制定了具体法规。这些法规都是总结了将近100年来商用和民用交流配电的经验教训后制定的。

对比而言，商用直流配电方面的法规很少。这一方面表示，存在着创建全球直流配电标准的机会，另一方面也说明，在中短期部署直流系统方面有巨大的障碍。例如，本文中介绍的380V直流配电架构在日本是不合法的，因为日本现在规定的最高电压为300V。目前，如果在数据中心安装非48V直流系统，会给工程团队、当地承包商、维修人员和当地建筑物验收人员带来极大挑战。例如，在北美没有对于商用直流系统电弧的法规，这就导致大家对于空间距离、接入要求等产生各种各样的理解。

交流与直流比较总结

上述讨论说明，对大多数数据中心用户来说，综合考虑效率、成本、兼容性、可靠性和安全性，从交流系统迁移到直流系统并非明智选择。在考察的所有方案中，380V直流系统的理论效率最高，但它同时具有严重的兼容性问题。400/230V交流系统的效率稍低于380V直流系统，但非常普及，兼容性出色。基于此原因，400/230V交流系统是一种非常实用的获得高效率的方法。

我们还发现，当以获得高效率为目标时，北美使用的传统480V交流配电系统表现不佳，如果数据中心采用400/230V交流系统，将能立即提高效率。

电信局站可靠性

人们通常认为，电信局站可靠性要比典型的商用数据中心的可靠性高出一或两个数量级。但本文指出，在电信局站中使用直流电并非是获得此高可靠性的关键因素。电信局站之所以能够具备高可靠性，有其它解释。

实际上，没有任何科学文献表明，直流电有高于交流电的理论或实际可靠性优势。

网络机房和数据中心的宕机数据显示，网络机房和电信局站间的根本差异在于环境的稳定性。大多数数据中心宕机是由人为错误造成的。在数据中心，设备的平均寿命只有两到三年，且配置不断发生变化。这种变化给系统带来的后果是无法预料的，而且在更改配置时也会出错，这成为导致绝大多数宕机的原因。

在电信局站，能够接入系统、进行操作、影响系统的人员数目十分有限，而且电话系统具有结构化和标准化的特点，操作流程已经成熟，这些都是重要的可靠性优势。

在实际安装和设计中，不需要活动地板、功率密度低、通常使用对流冷却等，都是电信局站获得基本可靠性优势的关键因素。

在数据中心和网络机房中，为提高可用性，急需接入控制系统、基础设施标准化，以及监控和管理系统。使用交流还是直流，对于这些问题影响极小。

直流交流混用设施

许多数据中心或网络机房有一小部分负载需要48V直流配电。对于有大量电信设备的互联网托管设施，48V直流电需求可能是交流电需求的10%。这就出现了如何最好地为这些负载供电的问题。

建议在交流电系统中采用小型无电池直流整流器。借助这种方法，能够在负载需要直流电的任何地点，部署小型机柜安装整流器。藉此，无需再保留一个或多个直流电池组，也不必在运行系统中增删直流配电线。实际上，完全不需要制订任何直流配电计划。

科士达应用领域：
■通信系统；
■金融系统；
■工业自动化系统；
■互联网数据中心（IDC）；
■多媒体数据中心（MDC）；
■其他重要负载系统。

·科士达方案特点：
■具有高可用性：双总线（N+1）系统能完善地解决UPS系统的可维护性问题；
■具有高可靠性：降低了供电系统输入、输出部分发生故障的可能性，为关键负载提供可靠电源保护；
■具有高容错功能：没有“瓶颈故障”点，即在整个UPS供电系统中，在任何节点均不存在瓶颈故障隐患；
■具有高抗干扰性：保证无论来自市电或UPS供电本身的“电源干扰”尽可能地被消除，包括传导干扰与辐射干扰。

·科士达双总线（N+1）方案概述：
互联网数据中心(IDC)和多媒体数据中心(MDC)是高速互联网的调控中心。用户对它们所承担的对信息资源(数据、语音和图像信息)的远程处理、存储和转送的“时效性”要求极高。哪怕是仅几秒钟的“停机”均会给整个互联网的安全运行和用户的生产经营带来无法估量的损失。严重时，甚至会造成社会和经济生活的严重瘫痪。因此，IDC必须向用户提供365×24h连续不断的高速、安全和可靠的信息资源增值服务。为达此目的，从设计原则上讲，承担着向IDC机房供电任务的整个电源系统都必须采用具有高度“容错”功能的冗余式的供电方案，以确保无论是在市电电网出故障时或是在某台“双变换、在线式UPS电源”的逆变器发生故障时，还是在进行日常维护/检修操作时或因故致使保险丝烧毁/断路器开关“跳闸”时，互联设备均应由“在线式UPS”的逆变器电源来供电，而不应进入由普通的市电电源/应急备用发电机组经UPS的交流旁路来供电的状态。这是因为只有“在线式UPS”的逆变器电源才有可能向用户的负载提供同时具有稳压、无频率“突变”，无干扰和波形失真度极小的高质量正弦波电源。对于包括后备式UPS，在线互动式UPS在内的“非在线式UPS”来说，它们主要对输入电源的电压进行调整，对输入电压的频率波动，各种电源干扰和电压失真度并无“实质性”的改善。这就意味着，在整个供电系统中，不应存在单点“瓶颈”故障隐患。为此，应尽可能地配置具有高度“容错”功能的UPS冗余供电系统。也就是说，在这种UPS供电系统的运行中，即使遇到某些“部件”偶然发生“故障”时，整个UPS供电系统必须仍能正常工作。
根据当今UPS产业的技术发展水平，以选用具有“双总线输入”和“双总线输出”供电功能的UPS冗余供电系统为宜。它是由如下几部分供电系统所构成的：

1）双总线输入供电系统
双总线输入供电系统基本配置为：由市电输入电源＋备用发电机组＋“自动切换”控制柜＋输入配电柜。自动切换控制系统时刻监视着各种输入电源的实时运行状态，并确保总是将其中最可靠的一路电源送到UPS的输入端。对于某些重要的IDC机房而言，其“应急发电机”电源实际上是一套由多台柴油发电机＋发电机并机控制柜所组成的冗余式发电机供电系统。为确保后接的“N＋1”型UPS冗余供电系统能绝对安全可靠地运行，必须高度重视位于上述冗余输入电源供电系统中的各种设备之间的“技术兼容性”和“切换参数”的正确设置。

2）双总线输出配电系统
为了消除可能出现在UPS并机系统输出端与用户端之间的“单点瓶颈”故障隐患，有必要配置UPS的双总线输出配电系统。其基本配置是由“N＋1”型UPS冗余供电系统(优选“1＋1”或“2＋1”型并机供电方案)＋输出配电柜＋负载自动切换开关(LTS)所组成的UPS输出供电系统。对于某些要求极高的场所，还应配置由负载同步控制器（LBS）＋两套“N＋1”型UPS冗余供电系统所组成的具有极高“容错”功能的供电系统。鉴于目前在IDC机房中所用的服务器和磁盘阵列机等产品中有（30～50）％为采用“双电源输入供电”体制的产品，对于这些设备，可以直接将分别来自两套“N＋1”型并机系统的电源连接到这种“双电源输入设备”的两个输入端上。对于采用“单电源输入供电”方式的关键负载，则是将分别来自两套“N＋1”型并机系统的电源首先连接到“负载自动切换开关”(常见的是STS型的静态开关和SS型的快速切换开关)的两个输入端上，然后再将用户的关键设备连接到“负载自动切换开关”的输出端上。

·科士达双总线N＋1系统高可靠性分析
要想让互联网数据中心具有365×24h的“全天候”运行特性，对于向它提供电源的UPS产品的可靠性的要求是非常苛刻的。这是因为对于可靠性仅达99.999％的UPS产品来说，它在一年中可能造成的互联网的停机时间长达316s，即使将UPS产品的可靠性提高到99.999999％，在一年中可能造成的停机时间仍有320ms之长。对于IDC机房而言，如果真的发生长达320ms的停机故障，它会带来很大的损失。这是因为当前多数计算机所允许的瞬间供电中断时间为10～18ms。否则，就会造成用户的网控操作系统或运行软件遭到破坏。因此，要想让IDC机房真正具备能提供365×24h的连续不间断的运行特性，绝不是当今的UPS产业可提供的UPS单机所能达到的。迄今为止，我们只能制造出故障率越来越低的UPS产品。然而，还制造不出“故障率为零”的UPS产品。在当今的技术条件下，采用“N＋1”型UPS冗余并机供电系统是消除单点“瓶颈”故障的最佳供电方案。它是在确保各台UPS单机的逆变器输出电压处于同幅度、同频率和同相位的条件下(出现在各种UPS单机之间的“环流”等于零)，将“N＋1”台具有相同输出功率的UPS单机置于并联输出状态来运行的供电系统。
为使UPS并机供电系统具有必要的“容错”功能，要求用户的最大负载量不应超过N台UPS单机的总输出功率。当UPS并机系统正常工作时，由“N＋1”台UPS单机来平均分担负载电流。当某台UPS出故障时，发生故障的那台UPS通过执行“选择性跳闸”操作而自动脱机，此时,由剩下的N台UPS继续为用户提供高质量的逆变器电源。
随着位于UPS冗余系统中的UPS单机数量的增加，它不但会造成整套UPS冗余并机供电系统的可靠性逐渐地下降，而且还会导致整套UPS冗余并机系统的“输出功率的余量”也逐渐地减小(这意味着：UPS并机系统的抗输出过载能力也在逐渐地降低)。因此，从应用技术的角度看，用户应尽量地选用最可靠的“1＋1”型或“2＋1”型UPS冗余供电系统。
·选配同IDC的集中监控系统“兼容性”好的UPS冗余供电系统
为了满足信息网络对IDC和MDC机房实现无人或少人值守管理和远程集中监控的需求，从而提高对UPS供电系统的“可管理性”，对互联网数据中心来说，除本身应配置对它的所有IT设备进行实时监控的网络管理系统之外，还应建立一套对“非IT设备”的集中监控体系，以便对诸如空调机、配电柜、电池组、发电机组、漏水警报、安全系统和消防系统等设备的运行情况进行实时的监控和分析。为此，要求所选用的UPS冗余供电系统应配置有如下通信接口：
1）在UPS上配置RS232/RS485接口，Modem或SNMP适配器；
2）用于显示UPS的工作状态/报警信息的“继电器干接点”型的输出通信接口；
3）“用户自定义”输入信号(门禁、烟雾、温度、湿度等报警信号)的“继电器干接点”型的输入通信接口；
4）对各种“非IT设备”配置必要的数据采集器；
5）配置相应的集中监控和管理软件包或通信协议。
利用上述的输入/输出通信接口和相应的电源管理软件或用户现有的网管集中监控系统,就可以组成所谓的智能化IDC和MDC机房的集中监控系统。在这样的网管系统中，可实现的主要调控功能有：
1）调阅在UPS的LED/LCD显示屏上所能观察到的UPS的实时运行参数(例如：输入/输出电压、电流、频率、有功功率/视在功率、功率因数及电池组的充放电电压/电流等参数)；
2）“互联网数据中心”所用的各种“机房环境调控设备”的“运行大事记”(自各种设备开机以来，按时序排列的，曾出现过的故障/报警/用户所执行过的操作等信息)；
3）万一发生故障时，执行网络广播报警(弹出报警窗口)，电话或手机的自动拨号、自动传呼或发E－Mail等操作，以便通知值班人员及时到现场排除故障或维修；
4）对UPS的备用电池组执行可编程的电池容量“自测试”操作，如果发现电池的“实有容量（Ah）”偏低时，还应自动发出“电池需要更换”的预报警信号；
5）将“用户的自定义”报警信号(例如：温度/湿度、门禁、消防等报警信号)经UPS的输入通信接口被纳入IDC机房或智能化楼宇的统一的集中监控系统；
6）由IDC和MDC的主管当局所指定的人员，根据不同的授权权限，分级“重新调整”/设置各种相应设备的运行参数或执行远程的故障分析/诊断操作。

购买者对ups电源产品的认知和应用得出人们都认为ups电源主要用来保护it设备及精密仪器设备。市电供电异常中断时，用ups电源保持it设备供电。最初为防止关键数据丢失让管理人员有时间保存数据，但随着数据中心7×24小时不中断运行的业务需求，ups电源的存在也显得尤为重要，需保证系统不停机，具备高可用性、稳定性。 

根据市场需求目前ups电源的作用不单是在停电时才需要发挥，国内电力环境越来越好的情况下，停电已经是小概率事件。更多的情况是供电不中断，电网中会存在着尖峰、频率畸变、电压下陷、瞬时中断、干扰和电压瞬变等瑕疵，也会影响it设备的可用性。在这种情况下，ups电源负责为it设备提供洁净的电力供应环境。 
 
科士达研发人员表示ups电源是可以用来保护空调的，甚至还可以用来带电梯。金融行业用户已经有非常多这样的案例且不存在争论。 
 
ups是否可以保护空调的，问题是这样的应用是否最经济最适用呢？与it设备不同，空调、电梯均属感性负载，其特点是启动时电流特别大，这就是感性负载给ups电源带来的困惑，计算ups电源功率的时候需正常工作的6-10倍。针对这样的负载，学会选择ups容量显得尤为关键。 
 
从空调产品系统类型来看。空调有冷冻水型与风冷型，其中，冷冻水系统用冷冻水作为制冷剂，通过泵和末端风机进行循环制冷。冷冻水由冷冻水机组提供，意外断电后，冷冻水机组重启需要一定时间，少则也需要几分钟时间。这个过程中，如果泵系统、风机保持运转，仍然可以满足一定时间内的制冷需求，水温度的上升是一个相对缓慢的过程。因此对于冷冻水系统的保护，配合蓄冷罐，只需要ups电源对泵和末端风机进行保护就可以了。对于大型数据中心，就可以这么做，但如果配备了柴油发电机，就没有必要了。 
 
冷冻水型与风冷型的区别是风冷型主要依靠压缩机，借助制冷剂在蒸发器、冷凝器的循环来提供制冷，一旦电力中断，it设备所产生热量带不走，温度上升会很快。对于风冷系统，厂商不建议采用ups电源进行保护，其原因是成本太高。此观点有代表性，也很典型。