艾默生对交流与直流配电分析
发布时间：2016.05.16 浏览次数：1505
多年来，一直有人建议，用直流供配电来替代数据中心交流供配电，而很多错误信息和相互矛盾的说法误导了关于这种作法的探讨。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。
艾默生可靠性
艾默生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。艾默生对交流与直流配电分析艾默生对交流与直流配电分析艾默生对交流与直流配电分析艾默生对交流与直流配电分析艾默生对交流与直流配电分析
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。
艾默生可靠性
艾默生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。艾默生对交流与直流配电分析艾默生对交流与直流配电分析艾默生对交流与直流配电分析艾默生对交流与直流配电分析艾默生对交流与直流配电分析