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當(dāng)前位置：首頁 > 新聞資訊 > 行業(yè)動態(tài)艾默生對交流與直流配電分析
發(fā)布時間：2016.05.16 瀏覽次數(shù)：1566
多年來，一直有人建議，用直流供配電來替代數(shù)據(jù)中心交流供配電，而很多錯誤信息和相互矛盾的說法誤導(dǎo)了關(guān)于這種作法的探討。詳細(xì)的分析和模擬測試表明，一般公認(rèn)的直流供配電的許多優(yōu)勢實(shí)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(shù)據(jù)中心配電的主流選擇的原因。
成本
直流UPS系統(tǒng)的成本一般要比交流UPS低10%到20%。但是，直流UPS的工程設(shè)計(jì)、特殊斷路器和配電線成本較高，抵消了這一優(yōu)勢。在一些配電成本很低的低密度部署，如信號發(fā)射塔基站等，直流的優(yōu)勢體現(xiàn)得最為明顯。而在數(shù)據(jù)中心中，還需要為一些只接受交流電的設(shè)備供電，這增加了直流系統(tǒng)的成本。服務(wù)器或存儲等直流供電設(shè)備的成本也是直流系統(tǒng)的一個弱點(diǎn)。但是，對于48V直流系統(tǒng)來說，最大的成本問題在于連接IT設(shè)備的配電線。它需要的配電銅線的重量和成本是交流系統(tǒng)的10倍或更多。將如此多的銅線安裝并端接到IT設(shè)備機(jī)柜，不僅極為昂貴，而且如果每機(jī)柜功率高于20kW，則是不切實(shí)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(dāng)為數(shù)據(jù)中心或網(wǎng)絡(luò)機(jī)房供電時，交流系統(tǒng)對比48V直流系統(tǒng)來說，在設(shè)備成本方面略勝一籌。因?yàn)?80V直流設(shè)備很少，所以現(xiàn)在對比交流系統(tǒng)，并無成本優(yōu)勢，但如果380V直流成為標(biāo)準(zhǔn)，那么它就具備了成本優(yōu)于交流系統(tǒng)的潛力。
兼容性
用于銅纜環(huán)路的語音交換機(jī)等電路交換電信設(shè)備，過去一直設(shè)計(jì)為使用48V直流輸入。而服務(wù)器、存儲、路由器等分組交換電信設(shè)備則幾乎都是使用交流輸入的。因此，設(shè)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(wǎng)絡(luò)機(jī)房和數(shù)據(jù)中心，分組設(shè)備占主要地位，這意味著采用交流系統(tǒng)能獲得更高兼容性。要想獲得許多產(chǎn)品，如顯示器、NAS存儲設(shè)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(shè)備供電，則效率將會降低。
艾默生如果為數(shù)據(jù)中心或網(wǎng)絡(luò)機(jī)房選擇直流供電，則會嚴(yán)重限制能夠使用的IT設(shè)備的類型。在大多數(shù)情況下，如果不增加一個起補(bǔ)充作用的交流供電系統(tǒng)，是不可能投入運(yùn)行的。如果將部署的應(yīng)用是一系列經(jīng)過協(xié)調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)化IT設(shè)備，如超級計(jì)算機(jī)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(jī)構(gòu)都已證實(shí)，需要空調(diào)風(fēng)扇不間斷運(yùn)行。這就是說，在電源故障期間，空調(diào)風(fēng)扇必須持續(xù)運(yùn)行，無法等待發(fā)電機(jī)啟動，所以需要為其配備不間斷電源。如果采用交流系統(tǒng)，其布線很簡單。但如果選擇直流系統(tǒng)，那么就必須使用與外部直流電兼容的空調(diào)。這種設(shè)備目前還未面世，即使面世，估計(jì)價格也相當(dāng)不菲。
艾默生可靠性
艾默生交流和直流供電系統(tǒng)的可靠性比較，主要取決于我們的假設(shè)前提。直流供電系統(tǒng)由一排直流整流器組成，提供一個或多個并聯(lián)電池組。最近推出的UPS產(chǎn)品采用了類似架構(gòu)，將一排UPS模塊與一組并聯(lián)的電池組相連。因?yàn)槠浼軜?gòu)類似，所以采用此類設(shè)計(jì)的直流和交流系統(tǒng)能夠直接進(jìn)行比較。從比較的結(jié)果可以清楚地看出，電池系統(tǒng)決定了整個系統(tǒng)的可靠性。利用同樣的生命周期成本，能夠創(chuàng)建可靠性與直流UPS電池系統(tǒng)相同的交流UPS電池系統(tǒng)。
在生命周期成本相同的情況下，數(shù)據(jù)中心或網(wǎng)絡(luò)機(jī)房采用交流或直流供電的可靠性相當(dāng)。
諧波
在許多已發(fā)表的文章中提到，數(shù)據(jù)中心選擇直流的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是，可以消除“諧波問題”。早期的IT設(shè)備會生成電流諧波，造成數(shù)據(jù)中心發(fā)生各種嚴(yán)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(guī)范已禁止生產(chǎn)會生成諧波的IT設(shè)備。只有采用了某些1993年前生產(chǎn)的IT設(shè)備的數(shù)據(jù)中心才會有嚴(yán)重諧波電流出現(xiàn)。很明顯，任何新數(shù)據(jù)中心都不會安裝那個年代的IT設(shè)備，所以有關(guān)直流配電能解決諧波問題的說法，是以對于數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)來說，非常錯誤、過時的見解為基礎(chǔ)的。應(yīng)該認(rèn)真考察提出這種說法的人士的動機(jī)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(guī)，標(biāo)準(zhǔn)化程度很高。不僅有國際法規(guī)，而且還有國家級法規(guī)、地區(qū)或州立法規(guī)，甚至某些城市也制定了具體法規(guī)。這些法規(guī)都是總結(jié)了將近100年來商用和民用交流配電的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后制定的。
對比而言，商用直流配電方面的法規(guī)很少。這一方面表示，存在著創(chuàng)建全球直流配電標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)會，另一方面也說明，在中短期部署直流系統(tǒng)方面有巨大的障礙。例如，本文中介紹的380V直流配電架構(gòu)在日本是不合法的，因?yàn)槿毡粳F(xiàn)在規(guī)定的最高電壓為300V。目前，如果在數(shù)據(jù)中心安裝非48V直流系統(tǒng)，會給工程團(tuán)隊(duì)、當(dāng)?shù)爻邪?、維修人員和當(dāng)?shù)亟ㄖ矧?yàn)收人員帶來極大挑戰(zhàn)。例如，在北美沒有對于商用直流系統(tǒng)電弧的法規(guī)，這就導(dǎo)致大家對于空間距離、接入要求等產(chǎn)生各種各樣的理解。
交流與直流比較總結(jié)
上述討論說明，對大多數(shù)數(shù)據(jù)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(tǒng)遷移到直流系統(tǒng)并非明智選擇。在考察的所有方案中，380V直流系統(tǒng)的理論效率最高，但它同時具有嚴(yán)重的兼容性問題。400/230V交流系統(tǒng)的效率稍低于380V直流系統(tǒng)，但非常普及，兼容性出色?；诖嗽?，400/230V交流系統(tǒng)是一種非常實(shí)用的獲得高效率的方法。
我們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以獲得高效率為目標(biāo)時，北美使用的傳統(tǒng)480V交流配電系統(tǒng)表現(xiàn)不佳，如果數(shù)據(jù)中心采用400/230V交流系統(tǒng)，將能立即提高效率。
電信局站可靠性
人們通常認(rèn)為，電信局站可靠性要比典型的商用數(shù)據(jù)中心的可靠性高出一或兩個數(shù)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(guān)鍵因素。電信局站之所以能夠具備高可靠性，有其它解釋。
實(shí)際上，沒有任何科學(xué)文獻(xiàn)表明，直流電有高于交流電的理論或?qū)嶋H可靠性優(yōu)勢。
網(wǎng)絡(luò)機(jī)房和數(shù)據(jù)中心的宕機(jī)數(shù)據(jù)顯示，網(wǎng)絡(luò)機(jī)房和電信局站間的根本差異在于環(huán)境的穩(wěn)定性。大多數(shù)數(shù)據(jù)中心宕機(jī)是由人為錯誤造成的。在數(shù)據(jù)中心，設(shè)備的平均壽命只有兩到三年，且配置不斷發(fā)生變化。這種變化給系統(tǒng)帶來的后果是無法預(yù)料的，而且在更改配置時也會出錯，這成為導(dǎo)致絕大多數(shù)宕機(jī)的原因。
在電信局站，能夠接入系統(tǒng)、進(jìn)行操作、影響系統(tǒng)的人員數(shù)目十分有限，而且電話系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)化和標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，操作流程已經(jīng)成熟，這些都是重要的可靠性優(yōu)勢。
在實(shí)際安裝和設(shè)計(jì)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(yōu)勢的關(guān)鍵因素。
在數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)機(jī)房中，為提高可用性，急需接入控制系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化，以及監(jiān)控和管理系統(tǒng)。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(shè)施
許多數(shù)據(jù)中心或網(wǎng)絡(luò)機(jī)房有一小部分負(fù)載需要48V直流配電。對于有大量電信設(shè)備的互聯(lián)網(wǎng)托管設(shè)施，48V直流電需求可能是交流電需求的10%。這就出現(xiàn)了如何最好地為這些負(fù)載供電的問題。
建議在交流電系統(tǒng)中采用小型無電池直流整流器。借助這種方法，能夠在負(fù)載需要直流電的任何地點(diǎn)，部署小型機(jī)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(yùn)行系統(tǒng)中增刪直流配電線。實(shí)際上，完全不需要制訂任何直流配電計(jì)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(tǒng)的成本一般要比交流UPS低10%到20%。但是，直流UPS的工程設(shè)計(jì)、特殊斷路器和配電線成本較高，抵消了這一優(yōu)勢。在一些配電成本很低的低密度部署，如信號發(fā)射塔基站等，直流的優(yōu)勢體現(xiàn)得最為明顯。而在數(shù)據(jù)中心中，還需要為一些只接受交流電的設(shè)備供電，這增加了直流系統(tǒng)的成本。服務(wù)器或存儲等直流供電設(shè)備的成本也是直流系統(tǒng)的一個弱點(diǎn)。但是，對于48V直流系統(tǒng)來說，最大的成本問題在于連接IT設(shè)備的配電線。它需要的配電銅線的重量和成本是交流系統(tǒng)的10倍或更多。將如此多的銅線安裝并端接到IT設(shè)備機(jī)柜，不僅極為昂貴，而且如果每機(jī)柜功率高于20kW，則是不切實(shí)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(dāng)為數(shù)據(jù)中心或網(wǎng)絡(luò)機(jī)房供電時，交流系統(tǒng)對比48V直流系統(tǒng)來說，在設(shè)備成本方面略勝一籌。因?yàn)?80V直流設(shè)備很少，所以現(xiàn)在對比交流系統(tǒng)，并無成本優(yōu)勢，但如果380V直流成為標(biāo)準(zhǔn)，那么它就具備了成本優(yōu)于交流系統(tǒng)的潛力。
兼容性
用于銅纜環(huán)路的語音交換機(jī)等電路交換電信設(shè)備，過去一直設(shè)計(jì)為使用48V直流輸入。而服務(wù)器、存儲、路由器等分組交換電信設(shè)備則幾乎都是使用交流輸入的。因此，設(shè)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(wǎng)絡(luò)機(jī)房和數(shù)據(jù)中心，分組設(shè)備占主要地位，這意味著采用交流系統(tǒng)能獲得更高兼容性。要想獲得許多產(chǎn)品，如顯示器、NAS存儲設(shè)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(shè)備供電，則效率將會降低。
艾默生如果為數(shù)據(jù)中心或網(wǎng)絡(luò)機(jī)房選擇直流供電，則會嚴(yán)重限制能夠使用的IT設(shè)備的類型。在大多數(shù)情況下，如果不增加一個起補(bǔ)充作用的交流供電系統(tǒng)，是不可能投入運(yùn)行的。如果將部署的應(yīng)用是一系列經(jīng)過協(xié)調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)化IT設(shè)備，如超級計(jì)算機(jī)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(jī)構(gòu)都已證實(shí)，需要空調(diào)風(fēng)扇不間斷運(yùn)行。這就是說，在電源故障期間，空調(diào)風(fēng)扇必須持續(xù)運(yùn)行，無法等待發(fā)電機(jī)啟動，所以需要為其配備不間斷電源。如果采用交流系統(tǒng)，其布線很簡單。但如果選擇直流系統(tǒng)，那么就必須使用與外部直流電兼容的空調(diào)。這種設(shè)備目前還未面世，即使面世，估計(jì)價格也相當(dāng)不菲。
艾默生可靠性
艾默生交流和直流供電系統(tǒng)的可靠性比較，主要取決于我們的假設(shè)前提。直流供電系統(tǒng)由一排直流整流器組成，提供一個或多個并聯(lián)電池組。最近推出的UPS產(chǎn)品采用了類似架構(gòu)，將一排UPS模塊與一組并聯(lián)的電池組相連。因?yàn)槠浼軜?gòu)類似，所以采用此類設(shè)計(jì)的直流和交流系統(tǒng)能夠直接進(jìn)行比較。從比較的結(jié)果可以清楚地看出，電池系統(tǒng)決定了整個系統(tǒng)的可靠性。利用同樣的生命周期成本，能夠創(chuàng)建可靠性與直流UPS電池系統(tǒng)相同的交流UPS電池系統(tǒng)。
在生命周期成本相同的情況下，數(shù)據(jù)中心或網(wǎng)絡(luò)機(jī)房采用交流或直流供電的可靠性相當(dāng)。
諧波
在許多已發(fā)表的文章中提到，數(shù)據(jù)中心選擇直流的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是，可以消除“諧波問題”。早期的IT設(shè)備會生成電流諧波，造成數(shù)據(jù)中心發(fā)生各種嚴(yán)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(guī)范已禁止生產(chǎn)會生成諧波的IT設(shè)備。只有采用了某些1993年前生產(chǎn)的IT設(shè)備的數(shù)據(jù)中心才會有嚴(yán)重諧波電流出現(xiàn)。很明顯，任何新數(shù)據(jù)中心都不會安裝那個年代的IT設(shè)備，所以有關(guān)直流配電能解決諧波問題的說法，是以對于數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)來說，非常錯誤、過時的見解為基礎(chǔ)的。應(yīng)該認(rèn)真考察提出這種說法的人士的動機(jī)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(guī)，標(biāo)準(zhǔn)化程度很高。不僅有國際法規(guī)，而且還有國家級法規(guī)、地區(qū)或州立法規(guī)，甚至某些城市也制定了具體法規(guī)。這些法規(guī)都是總結(jié)了將近100年來商用和民用交流配電的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后制定的。
對比而言，商用直流配電方面的法規(guī)很少。這一方面表示，存在著創(chuàng)建全球直流配電標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)會，另一方面也說明，在中短期部署直流系統(tǒng)方面有巨大的障礙。例如，本文中介紹的380V直流配電架構(gòu)在日本是不合法的，因?yàn)槿毡粳F(xiàn)在規(guī)定的最高電壓為300V。目前，如果在數(shù)據(jù)中心安裝非48V直流系統(tǒng)，會給工程團(tuán)隊(duì)、當(dāng)?shù)爻邪?、維修人員和當(dāng)?shù)亟ㄖ矧?yàn)收人員帶來極大挑戰(zhàn)。例如，在北美沒有對于商用直流系統(tǒng)電弧的法規(guī)，這就導(dǎo)致大家對于空間距離、接入要求等產(chǎn)生各種各樣的理解。
交流與直流比較總結(jié)
上述討論說明，對大多數(shù)數(shù)據(jù)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(tǒng)遷移到直流系統(tǒng)并非明智選擇。在考察的所有方案中，380V直流系統(tǒng)的理論效率最高，但它同時具有嚴(yán)重的兼容性問題。400/230V交流系統(tǒng)的效率稍低于380V直流系統(tǒng)，但非常普及，兼容性出色?；诖嗽?，400/230V交流系統(tǒng)是一種非常實(shí)用的獲得高效率的方法。
我們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以獲得高效率為目標(biāo)時，北美使用的傳統(tǒng)480V交流配電系統(tǒng)表現(xiàn)不佳，如果數(shù)據(jù)中心采用400/230V交流系統(tǒng)，將能立即提高效率。
電信局站可靠性
人們通常認(rèn)為，電信局站可靠性要比典型的商用數(shù)據(jù)中心的可靠性高出一或兩個數(shù)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(guān)鍵因素。電信局站之所以能夠具備高可靠性，有其它解釋。
實(shí)際上，沒有任何科學(xué)文獻(xiàn)表明，直流電有高于交流電的理論或?qū)嶋H可靠性優(yōu)勢。
網(wǎng)絡(luò)機(jī)房和數(shù)據(jù)中心的宕機(jī)數(shù)據(jù)顯示，網(wǎng)絡(luò)機(jī)房和電信局站間的根本差異在于環(huán)境的穩(wěn)定性。大多數(shù)數(shù)據(jù)中心宕機(jī)是由人為錯誤造成的。在數(shù)據(jù)中心，設(shè)備的平均壽命只有兩到三年，且配置不斷發(fā)生變化。這種變化給系統(tǒng)帶來的后果是無法預(yù)料的，而且在更改配置時也會出錯，這成為導(dǎo)致絕大多數(shù)宕機(jī)的原因。
在電信局站，能夠接入系統(tǒng)、進(jìn)行操作、影響系統(tǒng)的人員數(shù)目十分有限，而且電話系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)化和標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，操作流程已經(jīng)成熟，這些都是重要的可靠性優(yōu)勢。
在實(shí)際安裝和設(shè)計(jì)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(yōu)勢的關(guān)鍵因素。
在數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)機(jī)房中，為提高可用性，急需接入控制系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化，以及監(jiān)控和管理系統(tǒng)。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(shè)施
許多數(shù)據(jù)中心或網(wǎng)絡(luò)機(jī)房有一小部分負(fù)載需要48V直流配電。對于有大量電信設(shè)備的互聯(lián)網(wǎng)托管設(shè)施，48V直流電需求可能是交流電需求的10%。這就出現(xiàn)了如何最好地為這些負(fù)載供電的問題。
建議在交流電系統(tǒng)中采用小型無電池直流整流器。借助這種方法，能夠在負(fù)載需要直流電的任何地點(diǎn)，部署小型機(jī)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(yùn)行系統(tǒng)中增刪直流配電線。實(shí)際上，完全不需要制訂任何直流配電計(jì)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