详细的分析和模拟测试表明,一般公认的直流供配电的许多优势实际上并不存在或被过度夸大了。本文阐述了为什么高效率交流供配电将可能成为数据中心配电的主流选择的原因。
成本
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。
艾默生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。
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。