مقایسهٔ کمّی میان دو روش توزیع برق مرکزداده: توزیع برق AC پربازده و توزیع برق DC ـ[1]

مقدمه

درخواست برای افزایش بهره‌وری مرکزداده، موجب شکوفایی فناوری‌های نوآورانه در بخش برق و سرمایش شده است. یکی از پیشنهادها برای بهبود بهره‌وری انرژی مرکزداده، تبدیل‌کردن معماری برق AC به DC است که بسیار به آن می‌پردازند. در مطبوعات عمومی و نشریات فنی، مقالات بسیاری منتشر شده که ادعا می‌کنند توزیع برق DC مزایای زیادی دارد. در همین باره شرکت‌هایی همچون اینتل و اشنایدر الکتریک و سان مایکروسیستمز پروژه‌های نمایش فناوری [2] برگزار کرده‌اند.

برای توزیع‌کردن برق در مرکزداده، پنج روش عملیِ پایه وجود دارد. از این پنج روش، دو روش از توزیع برق متناوب (AC) و سه روش از توزیع برق مستقیم (DC) استفاده می‌کند. این پنج روش در مقالهٔ «مقایسهٔ توزیع برق متناوب (AC) و مستقیم (DC) در مرکزداده» [3] بیان و بررسی شده است. از آن مقاله یک نتیجهٔ اصلی به دست می‌آید که بیشتر مقاله‌های دیگر نیز تایید کرده‌اند. اینکه از پنج روش توزیع برق، دو روش بیشترین بهره‌وری را فراهم می‌سازند که یکی با AC و دیگری با DC کار می‌کند. در اینجا ما به مقایسهٔ همین دو روش پربازده می‌پردازیم. چنانچه در فناوری برق مرکزداده هیچ تغییر مهمی رخ ندهد، به‌احتمال زیاد یکی از همین دو روش در مرکزدادهٔ آینده، روش برتر توزیع برق در سطح PoD یا رک خواهد بود. این امکان نیز وجود دارد که در سطح رک یا PoD از هر دو روش استفاده بشود.

عملکرد بهره‌وری سیستم توزیع برق AC که در این مقاله بیان خواهیم کرد، بر پایهٔ مقادیر عددی آماده‌ای محاسبه شده که از تجهیزات واقعی موجود در بازار به دست آمده است. سیستم‌های تجاری توزیع برق ۳۸۰ ولت DC، هنوز چندان پذیرفته نشده‌اند. ازاین‌رو مقادیر بهره‌وری آن‌ها را از داده‌ای که سازندگان ارائه کرده‌اند، همچنین از تخمین‌ها و محاسبات موجود به دست آورده‌ایم. همهٔ مقادیر بهره‌وری در این مقاله ارجاع دارند؛ چنان‌که می‌توان یافته‌ها را به‌شکل مستقل آزمایش و اعتبارسنجی کرد.

تغییرات بهره‌وری توزیع برق، بر مصرف کلی مرکزداده تاثیر می‌گذارد. هرچند به دو دلیل زیر این اثرگذاری از لحاظ ریاضی بسیار پیچیده است:

1. تغییرات بهره‌وری توزیع برق، بر بار گرمایشی و در نتیجه بر مصرف برق دستگاه تهویهٔ مطبوع تاثیر می‌گذارد.
2. مقدار زیادی از مصرف برق مرکزداده، با سیستم توزیع برقی که موضوع مطالعه است تامین نمی‌شود.

این تاثیرگذاری را به‌دقت بررسی می‌کنیم و نشان می‌دهیم چگونه بهبود بهره‌وریِ توزیع برق، به‌شکل کمّی موجب کاهش کل مصرف می‌شود.

پیشینه

امروزه برخی از مراکزداده طراحی ناکارآمد دارند و با فناوری توزیع برق قدیمی کار می‌کنند. بهره‌وری چنین تاسیساتی بسیار کم است. بررسی اشنایدر الکتریک نشان می‌دهد بهره‌وری سیستم برق مرکزدادهٔ در حال کار، بدون بخش سرمایش، ۳۰ درصد یا کمتر است. این اندازه از هدررفت انرژی الکتریکی، مقدار بسیار زیادی است که از بیشتر آن می‌توان پیش‌گیری کرد. چنین ناکارآمدی در اصل به‌دلیل عوامل زیر است:

• ناکارآمدیِ منبع تغذیهٔ دستگاه‌های فاوا
• ناکارآمدی دستگاه‌های توزیع برقِ با ترانسفورماتور (Transformer-based PDUs)
• ناکارآمدی سیستم‌های UPS
• کارکردنِ مصارف، با مقدار بسیار کمتر از ظرفیت مبنای سیستم که هدررفت‌های پیش‌گفته را چند برابر می‌کند

منابع تغذیهٔ دستگاه‌های فاوا و سیستم‌های UPS، پس از سال ۲۰۰۷ به پیشرفت چشمگیری در بهره‌وری دست یافته‌اند. سیستم‌های توزیع برق AC که امروزه نصب می‌شوند، معمولا بسیار کارآمدتر از طراحی‌های قبل از سال ۲۰۰۷ هستند. دست‌یافتن به برآوردِ درست دربارهٔ میزان مصرف UPS نیز، با بهره‌گرفتن از سیستم‌های ماژولار و توسعه‌پذیر ساده‌تر شده است. همچنین با آن می‌توان از ناکارآمدیِ الکتریکی جلوگیری کرد که ناشی از استفادهٔ ناچیز از سیستم است؛ مشکلی که در گذشته مشاهده می‌شد. دستگاه‌های «PDU با ترانسفورماتور» همچنان در آمریکای شمالی یکی از منابع اصلی هدررفت به شمار می‌روند؛ ولی در دیگر کشورها چنین نیست. سیستم AC که در این مقاله بررسی می‌شود، مطابق با استاندارد اروپاییِ توزیع برق ۲۳۰/۴۰۰ ولت است. برای مطالعه دربارهٔ استفاده از توزیع برق AC با ولتاژ ۲۳۰/۴۰۰ که در آمریکای شمالی به کار می‌رود، به مقالهٔ «افزایش بهره‌وری مرکزداده با استفاده از توزیع برق بهبودیافته و پرظرفیت» [4] مراجعه کنید.

توزیع برق DC بر پایهٔ سه نکتهٔ زیر، به‌عنوان راهی برای دست‌یافتن به بهره‌وریِ بیشتر پیشنهاد شده است:

1. می‌توان UPS برق DC ساخت؛ که از UPS برق AC بهره‌وری بیشتری دارد.
2. می‌توان ترانسفورماتورهای PDU را حذف کرد؛ که هدررفت الکتریکی را کاهش می‌دهد.
3. می‌توان بهره‌وری خودِ منابع تغذیه تجهیزات فاوا را بهبود داد. این موضوع از دیگر بهبودهای ممکن در طراحی ورودی برق AC جدا است.

در اینجا همهٔ مفاهیم پیش‌گفته را برای روشن‌کردن موارد زیر بررسی خواهیم کرد:

• هدررفت آخرین نسل از سیستم‌های UPS برق AC، از نسل‌های پیشین ۵ برابر کمتر است. اکنون دیگر دلیلی وجود ندارد بهره‌وری سیستم UPS که با برق DC کار می‌کند، از آن بیشتر باشد.
• ترانسفورماتور PDU منبع مهم ناکارآمدی است. از این ترانسفورماتور بیرون از آمریکای شمالی استفاده نمی‌شود. در معماری‌های جدید و پربازدهِ توزیع برق AC، می‌توان از این ترانسفورماتورها استفاده نکرد.
• امروزه ثابت شده است مقدار بهبود بهره‌وریِ منبع تغذیهٔ تجهیزات فاوا با برق ورودی DC، در عمل بسیار کمتر از آن است که در ابتدا تصور می‌شد.

بسیاری از مقالات چنین ادعا می‌کنند که بهره‌وریِ معماری توزیع DC، از معماری AC به‌مقدار ۱۰ تا ۳۰ درصد بیشتر است. اما چنان‌که نمی‌توان عملکرد فناوری سرور جدید را با عملکرد سرورهای ده سال پیش مقایسه کرد، مقایسه‌کردنِ بهره‌وری توزیع برق DC فرضی با سیستم‌های سنتی توزیع برق AC نادرست است. مقایسهٔ اصلی در واقع بین گزینه‌های پیشین و آینده نیست؛ بلکه باید گزینه‌های کنونی را با آینده مقایسه کرد.

دادهٔ این مقاله نشان خواهد داد بهره‌وریِ بهترین سیستم‌های توزیع برق AC امروزی، به بهره‌وری سیستم‌های DC رسیده است و بیشتر آن ادعاهایی که دربارهٔ مزایای بهره‌وری سیستم DC بیان می‌شود، گمراه‌کننده و نادقیق یا نادرست هستند. این مقاله برخلاف تقریبا همگی مقاله‌های دیگری که در این زمینه منتشر شده است، هرگاه دادهٔ کمّی (Data) بیان می‌کند، مستندات و ارجاع‌های آن را نیز ارائه می‌دهد.

دو گزینهٔ پربازده توزیع برق

چنان‌که در مقدمه گفتیم، برای مرکزدادهٔ پربازدهِ آینده دو سیستم توزیع برق پیشنهادی وجود دارد. یکی از آن‌ها بر پایهٔ سیستم‌های غالب ۲۳۰/۴۰۰ ولتِ برق متناوب کنونی است که کمابیش همگی مراکزدادهٔ خارج از آمریکای شمالی و ژاپن از آن بهره می‌گیرند. دیگری بر پایهٔ توزیع برق DC با ولتاژ ۳۸۰ است و تجهیزات فاوایی را تغذیه می‌کند که برای کار با برق مستقیم اصلاح شده‌اند. نمودار این سیستم‌ها را در شکل ۱ و ۲ مشاهده می‌کنید.

شکل ۱: توزیع پربازده برق AC؛ رایج در خارج از آمریکای شمالی

گزینهٔ اول را در شکل ۱ می‌بینید. این سیستمِ توزیع برق متناوب، در کشورهای غیر از آمریکای شمالی و ژاپن رایج است. توجه کنید UPS در سیستم استاندارد امروزی آمریکای شمالی، فراهم‌کنندهٔ برق متناوب ۴۸۰ ولت است. ازاین‌رو در نمودار مربوط به آن، یک واحدِ اضافی وجود دارد که نماد ترانسفورماتور PDU است و برق ۴۸۰ ولت را به ۱۲۰/۲۰۸ ولت متناوب تبدیل می‌کند. در شکل ۱ ترانسفورماتور PDU و هدررفت مرتبط با آن حذف شده‌اند؛ زیرا نیاز نیست پیش از تغذیه‌کردنِ مصارف فاوا، ولتاژ خروجی UPS به ۲۳۰ ولت کاهش یابد.

شکل ۲: توزیع پربازده برق DC؛ به‌شکل فرضی

شکل ۲ گزینهٔ دوم را نمایش می‌دهد که سیستم توزیع برق مستقیم ۳۸۰ ولت است. برای به‌کاربردن این سیستم می‌باید دستگاه‌های فاوا دارای طراحی برق مستقیم ۳۸۰ ولت باشند. برای استفاده از این سیستم، ادبیات موضوع [*] چندین ولتاژ گوناگون برق DC را پیشنهاد می‌کند؛ همچون ۳۰۰، ۳۸۰، ۴۰۰، ۵۷۵ ولت. با این حال بیشتر پژوهش‌ها با ۳۸۰ ولت به‌عنوان استاندارد مناسب هم‌رای هستند و ما نیز در این مقاله بررسی‌ها را بر پایهٔ همین ولتاژ انجام می‌دهیم. مطابق استاندارد بین‌المللی ETSI ـ[5] که برای توزیع برق DC مرکزداده توصیه شده است، در تولید برق مستقیم ۳۸۰ ولت، در واقع نقطهٔ میانیِ ولتاژ زمین را در نظر گرفته‌اند تا بیشینهٔ اختلاف پتانسیلِ سیستم با زمین، در بازهٔ ۱۹۰± ولت باقی بماند.

پیش‌زمینهٔ تحلیل

در این قسمت برای درک بهترِ مدل، به ساختار کلی و دادهٔ کمیّت‌سازی‌شدهٔ آن می‌پردازیم.

سه بخش مسیر برق

شکل ۳ مسیر اصلی برق مرکزدادهٔ معمول را نشان می‌دهد که از معماری پربازدهِ توزیع برق بهره می‌گیرد. توجه کنید PDUهایی که در این دو روش توزیع برق به آن‌ها نیاز نبوده است حذف شده‌اند. مسیر برق به سه بخش تقسیم می‌شود:

• UPS
• کابل‌های توزیع‌کننده
• منبع تغذیهٔ دستگاه‌های فاوا (PSU) ـ[6]

دادهٔ بهره‌وری مدل

در قسمت‌های بعدی این مقاله، به بررسی و کمیت‌سازیِ دادهٔ بهره‌وری هریک از بخش‌های مسیر برق می‌پردازیم. هدف در این قسمت، بهره‌گرفتن از دادهٔ بهره‌وری به‌عنوان تابعی از مصرف است تا بتوان منحنی بهره‌وری را برای هر بخش از مسیر برق ترسیم کرد (بخش زیرین شکل ۳). دادهٔ بهره‌وری در مدل به کار می‌رود و برای مقایسهٔ بهره‌وریِ پیکربندی‌های برق استفاده می‌شود.

نقطهٔ مصرف ۵۰ درصد در منحنی بهره‌وری مشخص شده است. زیرا مورد مبنا در مدل، از مقادیر بهره‌وری در هنگام به‌کارگرفتن ظرفیت ۵۰ درصدی استفاده می‌کنند.

شکل ۳: مسیر برق مرکزداده: سه بخش با سه منحنی بهره‌وری

مصرف عملیاتی مبنا، در مدل (۵۰ درصد)

داده به‌روشنی نشان می‌دهد مقادیر بهره‌وری دستگاه‌های سیستمِ توزیع برق ثابت نیست؛ بلکه متناسب با مصرفی که اعمال می‌شود تغییر می‌کند. به همین دلیل است که بهره‌وری را به‌جای مقدار عددی با منحنی نمایش داده‌ایم. بنابراین هر نوع محاسبهٔ بهره‌وری توزیع برق که بدون درنظرگرفتن مصرف واقعی عملیاتیِ هر بخش از مسیر باشد، نادرست است.

بیشتر پژوهش‌هایی که به موضوع بهره‌وریِ توزیع برق پرداخته‌اند، اطلاعات کافی دربارهٔ تاثیر تغییر مصرف ارائه نکرده‌اند؛ موضوعی که بسیار بااهمیت است. در این مقاله، ما سطح مبنایی را برای مصارف انتخاب کرده‌ایم که نمایندهٔ نصب‌های متداول است؛ سپس تغییرات بهره‌وری را بر اساس تغییرات این مصرف نشان داده‌ایم. انتخاب مقدار مصرف عملیاتی مبنا، با ایجاد مرجع مقایسهٔ برق DC و AC موجب آسان‌تر شدن کارِ بررسی اولیه می‌شود؛ ولی مدل واقعی را محدود نمی‌سازد. مقدار بهره‌وریِ مدل واقعی به‌شکل منحنی است که متناسب با مصرف تغییر می‌کند. مصرف عملیاتی (قسمتی از ظرفیت) در هنگام اجرای واقعی، برای هریک از سه بخشِ مسیر برق تفاوت دارد و در مدل‌های با تاثیر متقابل، به‌شکل پویا (Dynamically) تغییر می‌کند. (شکل ۸)

برای مقایسهٔ زیر میان توزیع برق AC و DC، مصرف مبنای ۵۰ درصدی انتخاب شده است که بازهٔ عملیاتی هر سه بخش از مسیر برق را در بر می‌گیرد (شکل ۳). اکنون چگونگی ارتباط مصرف ۵۰ درصدی را با هریک از سه بخش بیان می‌کنیم:

UPS

مصرف عملیاتیِ ۵۰ درصدی برای سیستم بدون افزونگی (1N)، واقع‌بینانه است. این مقدار در سیستم دارای افزونگی (2N) بیانگر بیشینهٔ مصرف عملیاتی است؛ یعنی بار کامل میان دو UPS تقسیم شده است.

کابل‌های توزیع

همچون UPS، برای کابل‌کشیِ بدون افزونگی (1N) نیز مصرف عملیاتی ۵۰ درصدی واقع‌بینانه به شمار می‌رود. برای سیستم کابل‌کشیِ دو مسیرهٔ با افزونگی (2N)، مقدار ۵۰ درصد بیشترین مصرفی است که در هر ورودی مشاهده می‌شود. [7] به هر حال باید توجه داشت که تاثیر مصرف عملیاتیِ کابل‌های توزیع بر بهره‌وری کلی ناچیز است. زیرا کابل‌ها بهره‌وری زیادی دارند؛ حتی در بازهٔ بارگذاری ۹۹ تا ۱۰۰ درصد.

منبع تغذیهٔ دستگاه‌های فاوا

تجهیزات فاوا یک یا دو منبع تغذیهٔ داخلی دارند. اگر یکی داشته باشند، مصرف عملیاتی ۵۰ درصد در میانهٔ بازه قرار می‌گیرد. این همان وضعیت آماده‌به‌کار است که سرورها معمولا در این حالت قرار دارند. اگر دو منبع تغذیه داشته باشند، مقدار ۵۰ درصد بیانگر بیشینهٔ مصرف عملیاتی است؛ زیرا مصرف کامل را میان دو منبع تغذیه تقسیم می‌کند.

همان طور که در منحنی واقعیِ بهره‌وری هریک از این سه بخش خواهیم دید، پیرامون ۵۰ درصد مصرف عملیاتی، تفاوت بهره‌وری زیادی مشاهده نمی‌شود. ازاین‌رو مکان‌یابی دقیق این نقطه چندان اهمیتی ندارد.

بهره‌وری UPS

معماری توزیع برق AC با دستگاه UPS آغاز می‌شود که باس توزیع را ایجاد می‌کند. معماری DC نیز برای ایجاد باس توزیع، دارای دستگاه UPS برق DC است که گاهی به آن «دستگاه  DC Plant» یا یک‌سوساز (Rectifier) می‌گویند.

شکل ۴ بهره‌وری دستگاه‌های گوناگون AC و DC موجود در بازار را نشان می‌دهد. این نمودار در جدول ۱ خلاصه شده است.

شکل ۴: نمایش و مقایسهٔ بهره‌وری سیستم‌های تجاری UPS موجود در بازار؛ با برق AC و DC

اکنون برای حالت UPS با برق AC، محصولاتِ با عملکرد تایید شده در بازار وجود دارد. برخی از آن‌ها را همراه با مشخصات بهره‌وری عرضه می‌کنند و عملکرد برخی دیگر را می‌توان اندازه‌گیری کرد. بررسی شرکت اشنایدر الکتریک نشان می‌دهد که متاسفانه بسیاری از مشخصات منتشرشده نادرست هستند و عملکرد واقعی را بیان نمی‌کنند. دادهٔ بهره‌وری که ما در این مقاله از آن استفاده می‌کنیم، برگرفته از تنها UPS شناخته‌شده‌ای است که مقادیر بهره‌وری آن را آزمایشگاه مستقل اندازه‌گیری و گواهی کرده است.

جدول ۱: خلاصهٔ دادهٔ (Data) بهره‌وری UPS؛  برگرفته از شکل ۴

UPS	Load
	25%	50%	75%	100%
Symmetra MW (Delta conversion AC)	94.1%	96.2%	96.9%	97.0%
Symmetra PX (Double conversion AC)	95.5%	96.3%	96.4%	96.3%
Symmetra PX Eco Mode	97.4%	98.5%	98.8%	98.9%
Emerson R380 (DC UPS)	93.4%	95.1%	94.8%	94.2%
LBNL Typical Efficiency (Double conversion AC)	87.3%	88.8%	88.8%	88.4%
LBNL Lowest Efficiency (Double conversion AC)	73.3%	81.9%	84.0%	84.1%

مقادیر بهره‌وری UPS برق AC در مدل

دستگاه UPS تبدیل دلتای [8] مدل Symmetra MW با توان ۱٬۰۰۰ کیلوولت‌آمپر، در مصرف ۵۰ درصدی دارای بهره‌وری ۹۶٫۲ درصد است. دستگاه UPS تبدیل مضاعف [9] مدل Symmetra PX با توان ۵۰۰ کیلوولت‌آمپر، با همین مقدار مصرف دارای بهره‌وری ۹۶٫۳ درصد است. درصدها را آزمایشگاه TÜV ـ[10] تایید کرده است. این مقادیر حالت Eco Mode و بای‌پس را در بر نمی‌گیرد و همه توسط اینورتر خروجیِ برخط بازتولید و بهینه شده است. بررسی حالت Eco Mode دستگاه UPS در همین مصرفِ ۵۰ درصدی، مقدار بهره‌وری را ۹۸٫۵ درصد نشان می‌دهد. ما در این تحلیل از UPS مدل Symmetra PX برق AC استفاده خواهیم کرد که در مصرف ۵۰ درصدی دارای بهره‌وری ۹۶٫۳ درصد است. نتایج مرتبط با حالت Eco Mode را نیز ارائه خواهیم کرد.

دو منحنی باقی‌مانده نشان‌دهندهٔ بهره‌وری UPS سنتی تبدیل مضاعف هستند که در پژوهش آزمایشگاه ملی لارنس برکلی [11] در سال ۲۰۰۵ اندازه‌گیری شده‌اند.

مقادیر بهره‌وری UPS برق DC در مدل

برای بررسی UPS برق DC، دسترسی چندانی به دستگاه‌های دارای مشخصات استاندارد وجود ندارد. داده‌ای که امرسون الکتریک (Emerson Electric) در اختیار The Green Grid قرار داده است، بهره‌وری UPS جریان مستقیم را در بار ۵۰ درصدی ۹۵٫۱ درصد نشان می‌دهد (شکل ۴). از سوی دیگر شرکت دلتا الکترونیکس (Delta Electronics) بهره‌وری این UPS را ۹۷٫۷ درصد منتشر کرده است. البته این طراحی با الزامات اتصال‌به‌زمین برق DC ـ[12] که در استاندارد بین‌المللی ETSI 300 یا استانداردهای پیشنهادی دیگر بیان شده است هم‌خوانی ندارد. آژانس حفاظت محیط زیست ایالات متحده (EPA) ـ[13] اکنون استاندارد ENERGY STAR را برای یک‌سوسازهای مخابراتی DC توسعه می‌دهد. دستگاه‌ها برای دریافت نشان این استاندارد باید بهره‌وری ۹۵٫۵ درصدی داشته باشند. EPA در توسعهٔ این استاندارد، دادهٔ بهره‌وری یک‌سوساز مخابراتی DC ـ[14] را منتشر ساخته است (شکل ۵).

شکل ۵: بهره‌وری دستگاه‌های گوناگون مخابراتی DC موجود در بازار؛ EPA نام سازندگان را منتشر نکرده است

دادهٔ بهره‌وری ENERGY STAR را که در شکل ۵ می‌بینید، برای یک‌سوساز DC در دستگاه‌های تله‌کام ۴۸ ولت ارائه شده است و برای ۳۸۰ ولت DC نیز سازگار می‌شود. با اینکه این محصولات را نمی‌توان مستقیم با برق DC ولتاژ ۳۸۰ به کار گرفت، داده‌ نشان می‌دهد که امکان ساختن UPS برق DC با بهره‌وری ۹۶٫۵ درصدی وجود دارد. چنین مقداری بیشتر از بهره‌وری نسل کنونی سیستم‌های UPS با جریان مستقیم است؛ همچون نمونه‌های شکل ۴ با بهره‌وری ۹۵٫۱ درصد.

گرچه امروزه بهینه‌ترین دستگاه ۳۸۰ ولت DC که با استانداردهای بین‌المللی هم‌خوانی داشته باشد، ۹۵ درصد بهره‌وری دارد، در این مقاله فرض کرده‌ایم که می‌توان UPS برق DC با بهره‌وری ۹۶٫۵ درصدی ساخت؛ چنان‌که با بهترین یک‌سوسازهای تله‌کام ENERGY STAR مطابقت داشته باشد.

بهره‌وری کابل‌های توزیع‌کننده

کابل‌هایی که میان UPS برق AC یا DC و مصارف فاوا هستند، هدررفت الکتریکی دارند. مقدار هدررفت به جریان عملیاتی همچنین به اندازه و طول کابل بستگی دارد. هر مرکزداده صدها یا هزاران کابل گوناگون در خود دارد که در محاسبات می‌باید هدررفت همهٔ آن‌ها وارد شود. شکل ۶ بهره‌وری کابل‌های توزیع‌کنندهٔ برق را به‌عنوان تابعی از مصرف نمایش می‌دهد.

شکل ۶: بهره‌وری کابل‌های توزیع‌کننده

هدررفت کابل‌ها را در اجراهای معمول می‌توان تخمین زد. اندازهٔ کابل‌ها با ظرفیت مدارها تعیین می‌شود و میانگین طول کابل نیز اغلب مشخص است. مقدار هدررفتِ مبنا که اغلب در طراحی به کار می‌رود، به‌میزان ۱ درصد از توان در مصرف کامل است. هدررفت کابل توزیع‌‌کننده، متناسب با مجذور مصرف تغییر می‌کند. در نتیجه اگر مصرف نصف بشود، هدررفت کابل یک‌چهارم می‌شود. بهره‌وری کابل‌ها در مرکزداده‌ای که مصرف ۵۰ درصدی دارد، ۹۹٫۵ درصد است. بدین ترتیب هدررفت کابل را می‌توان در بیشتر تاسیسات نادیده گرفت.

توجه کنید مقدار هدررفت کابل‌ها در هر دو اجرای AC و DC یکی است. امکان دارد که در مقدار مس به‌کاررفته در تولید کابل‌ها، اندکی تفاوت مشاهده بشود؛ ولی میزان بهره‌وری یکسان است. هدررفت کابل‌ها در بهره‌وری سیستم‌های AC و DC تاثیری ندارد.

بهره‌وری منابع تغذیهٔ فاوا

تجهیزات مدرن فاوا دارای یک یا دو دستگاه منبع تغذیه (PSU) هستند که برق ورودی متناوب را به باس ۱۲ ولت مستقیم تبدیل می‌کنند؛ سپس زیرسیستم‌ها یا بوردهای الکتریکیِ مستقل در داخل شاسی تغذیه می‌شوند. [15] این PSUها فرصتی برای بهبود بهره‌وری فراهم می‌سازند. در نسل قبلی سرورها، بهره‌وری PSU در مصرف ۵۰ درصدی تقریبا ۷۵ درصد بود. (شکل ۷)

شکل ۷: بهره‌وری PSU سرورهای نسل پیشین؛ بر اساس محاسبات آزمایشگاه ملی لارنس برکلی [16]

با توجه به کم‌بودن بهره‌وری منابع تغذیهٔ قدیمی، به نظر می‌رسد چنانچه کارکرد برق ورودی DC فشارقوی توسعه یابد، مزایای بسیاری به دست خواهد آمد. از سوی دیگر داده‌ای که سازندگان گوناگون منتشر کرده‌اند نشان می‌دهد بهره‌وریِ جدیدترین طراحی‌های AC، در بازهٔ گسترده‌ای از مصارف عملیاتی اغلب ۹۲ درصد یا بیشتر است. جدول ۲ دادهٔ بهره‌وری منابع تغذیه را نمایش می‌دهد. [17] این داده را شرکت دلتا الکترونیکس منتشر ساخته است که از بزرگ‌ترین سازندگان جهانی منبع تغذیه به شمار می‌رود.

توجه کنید بهبود بهره‌وری در کارکرد DC با مصرف ۵۰ درصدی، تنها ۰٫۹ درصد است. در بار مصرفیِ سبک‌تر که بسیاری از منابع تغذیهٔ فاوا چنین هستند، بهبود از این نیز کمتر می‌شود. در این مقاله از دادهٔ دلتا الکترونیکس با مصرف ۵۰ درصدی استفاده کرده‌ایم.

جدول ۲: تفاوت بهره‌وری منابع تغذیهٔ AC و DC (دلتا الکترونیکس)

مقایسهٔ بهره‌وری کلی مسیر برق

بهره‌وری کلی مسیر برق برابر است با حاصل‌ضرب بهره‌وری UPS و کابل‌ها و منبع تغذیه. این محاسبهٔ ساده را در جدول ۳ مشاهده می‌کنید.

جدول ۳: محاسبهٔ بهره‌وری کلی سیستم توزیع برق در مصرف ۵۰٪؛ مقایسهٔ روش‌های پربازده توزیع  AC و ۳۸۰ ولت DC

بدین ترتیب بهره‌وری سیستم پربازده DC به‌مقدار ۱٫۰۵ درصد بیشتر از بهره‌وری سیستم پربازده AC است. هرچند اگر سیستم AC با حالت Eco Mode را در نظر بگیریم، در واقع بهره‌وری سیستم DC به‌مقدار ۰٫۹۹ درصد کمتر خواهد بود. این تجزیه‌وتحلیل برای مصرف عملیاتی ۵۰ درصدی، در همهٔ بخش‌های مسیر برق انجام شده است. چنان‌که از شکل نسبتا صاف منحنی بهره‌وریِ مصرف ۵۰ درصدی پیدا است، پیرامون بازهٔ مصرفی ۵۰ درصد، در بهره‌وری تغییر چندانی مشاهده نمی‌شود.

نتایج این تحلیل وابسته است به فرضیات و داده‌ای که پیش‌تر در این مقاله بیان کرده‌ایم. برای اطمینان از این فرضیات و داده و بازهٔ احتمالی نتایجی که ممکن است از فناوری‌های پیشرفتهٔ آینده به دست آید، به بخش «دستاوردهای اصلی» در پیوست همین مقاله مراجعه کنید.

تفاوت بهره‌وری فقط در سیستم توزیع برق مشاهده می‌شود. شناخت تاثیر بر کل مصرف برق مرکزداده، به تحلیل بیشتری نیاز دارد که در قسمت بعدی به آن می‌پردازیم.

تاثیر مصرف کلی برق مرکزداده

به‌دست‌آوردن هر درصد افزایش بهره‌وری در سیستم توزیع برق، بدین معنا نیست که در مصرف کل برق مرکزداده به مقدار برابر با آن صرفه‌جویی خواهیم داشت. هر صرفه‌جویی در هدررفت سیستم توزیع برق، مقداری از گرمای مرکزداده کم می‌کند و این بارِ سرمایشی را کاهش می‌دهد. بنابراین در واقع با هر یک وات صرفه‌جویی در بخش توزیع برق، در کل توان مرکزداده از یک وات بیشتر صرفه‌جویی می‌شود. از سوی دیگر افزایش ۱ درصد بهره‌وری توزیع برق، بهره‌وری کل مرکزداده را بیشتر از ۱ درصد افزایش نمی‌دهد. در واقع کاهش ۱ درصد بهره‌وری سیستم توزیع برق، از مصرف انرژیِ کلی مرکزداده کمتر از ۱ درصد می‌کاهد.

محاسبهٔ واقعیِ میزان کاهش مصرف برق که از تغییر در بهره‌وریِ بخش توزیع ناشی می‌شود، به‌شکل زیر است:

حرف P در این فرمول بیانگر مصرف برق مبنای سیستم AC با عدد پایهٔ برابر با ۱ است و ‘P برق مصرفی بعد از تغییر بهره‌وریِ سیستم توزیع برق را نشان می‌دهد. دیگر مقادیر این فرمول را به‌همراه مقادیر مربوط به مرکزدادهٔ معمول، با PUE برابر ۱٫۴۷ در جدول ۴ آورده‌ایم.

جدول ۴: متغیرهای به‌کاررفته در فرمول محاسبهٔ کاهش مصرف برق

متغیر	توضیح	مقادیر معمول در PUE برابر ۱٫۴۷
∆ηPD	تغییر در بهره‌وری توزیع برق	متغیر ورودی
ITP	درصد از کل توان مرکزداده، که در تجهیزات فاوا مصرف شده است.	٪۶۸
PDP	درصد از کل توان مرکزداده، که در توزیع برق مبنا مصرف شده است.	٪۵
ACPP	درصد از کل توان مرکزداده، که در هدررفت دستگاه تهویهٔ مطبوع مصرف شده و متناسب با مقدار مصرف تغییر می‌کند.	٪۱۳
LP	درصد از کل توان مرکزداده، که در بخش روشنایی مصرف شده است.	٪۲
ACFP	درصد از کل توان مرکزداده، که در هدررفت ثابتِ دستگاه تهویهٔ مطبوع مصرف شده است.	٪۱۲

هرگاه این مقادیر را در فرمول پیش‌گفته وارد کنیم، خواهیم دید که مصرف کلی با کم‌شدن ۱ درصد بهره‌وری سیستم توزیع برق، ۰٫۸۶ درصد کاهش می‌یابد. تغییر کلی مصرف انرژی مرکزداده، کمتر از تغییر بهره‌وریِ سیستم توزیع برق است. از این یافته نباید شگفت‌زده شد؛ زیرا بخش بزرگی از توان مصرفی مرکزداده به‌ویژه در سیستم سرمایش، از سیستم توزیع برق تامین نمی‌شود. همچنین باید توجه داشت که کاهش هدررفت سیستم توزیع برق، بر هدررفت ثابت سیستم سرمایش تاثیری ندارد. بلکه تنها بر هدررفت نسبی سرمایش اثر می‌گذارد؛ یعنی هدررفتی که متناسب با بار سرمایشی تغییر می‌کند.

انجام محاسبات پیش‌گفته دربارهٔ بهره‌وری سیستم توزیع برق AC و DC نشان می‌دهد که ۱٫۰۵ درصد بهبود بهره‌وری توزیع برق که از تبدیل جریان AC به DC به دست می‌آید، در مصرف کلی برق مرکزداده ۰٫۹ درصد کاهش فراهم می‌سازد.

اگر به‌جای برق متناوب از برق مستقیم استفاده کنیم، مصرف کلی انرژی کمتر از ۱ درصد کاهش می‌یابد. به‌کاربردن جریان DC در مقایسه با UPS حالت Eco Mode، در واقع مصرف کلی انرژی را افزایش نیز خواهد داد.

این نتیجه اطلاعاتی را رد می‌کند که پژوهش‌های دیگر منتشر کرده‌اند. بسیاری از بررسی‌های کم‌مایه می‌گویند هر وات صرفه‌جویی که از تبدیل به جریان ۳۸۰ ولت مستقیم به دست می‌آید، بر مصرف کلی برق مرکزداده «تاثیر ۲ یا ۴ برابر» دارد. [18] در واقع برقی که صرفه‌جویی می‌شود، به‌غیر از سیستم توزیع برق، فقط همان است که از هدررفت نسبیِ دستگاه تهویهٔ مطبوع به دست می‌آید و متناسب با بار سرمایشی (بار نسبی) تغییر می‌کند. مقدار این هدررفتِ متغیر در مرکزدادهٔ مدرنی که به‌خوبی طراحی شده باشد [19]، کمابیش ۱۳ درصد از مصارف فاوا است. بدین ترتیب با هر وات صرفه‌جویی در سیستم توزیع برق، تنها به‌اندازهٔ ۱٫۱۳ وات در توان کلی مرکزداده صرفه‌جویی می‌شود.

محاسبه‌گر بهره‌وری برای مقایسهٔ برق AC و DC

در شکل ۸ تصویری از نرم‌افزار هوشمند TradeOff را می‌بینید که برای سنجش بهره‌وریِ مسیر برق است. این ابزار درصد کاهش کلیِ برق ورودی را برای چهار سناریوی گوناگون مشخص می‌کند. با استفاده از این نرم‌افزار می‌توان تاثیر تغییر بهره‌وریِ اجزای گوناگون مسیر برق را بر بهره‌وری تمام مسیر برق و بر کاهش کلی هدررفت برق ورودی بررسی کرد.

شکل ۸: ابزار محاسبه‌گر مقایسهٔ معماری‌های توزیع برق AC و DC

معماری مبنا که همان معماری قدیمی برق AC باشد، بیانگر مرکزدادهٔ قدیمی‌تری است که در آن UPS برق AC و PDU و منبع تغذیهٔ فاوا، مقادیر بهره‌وری معمول دارند و منابع تغذیهٔ فاوای تاسیسات، با جریان متناوب ۲۰۸ ولت کار می‌کنند. از سوی دیگر معماری مدرن AC بیانگر مرکزدادهٔ جدید است که از آخرین نسل پربازده UPS برق AC و PDU و منابع تغذیه بهره می‌برد. توزیع ۴۱۵ ولت متناوب نیز از همان اجزای مدرن استفاده می‌کند که بهترین کارکرد را دارند؛ ولی PDUها و هدررفت ترانسفورماتورهای مرتبط را ندارد. در این حالت چنین فرض می‌شود که منابع تغذیهٔ فاوا با جریان متناوب ۲۳۰ ولت کار می‌کنند که بهره‌وری آن ۰٫۵ درصد از برق متناوب ۲۰۸ ولت بهتر است. معماری DC ولتاژ با ۳۸۰، از UPSهای برق DC استفاده می‌کند، PDU ندارد و بهره‌وری منابع تغذیهٔ فاوای آن اندکی بیشتر از توزیع AC با ولتاژ ۲۰۸ است (جدول ۲). بهره‌وری کابل‌های توزیع‌کننده را برای همگی این سناریوها یکسان گرفته‌اند.

در این محاسبه‌گر می‌توان همهٔ متغیرهای اصلی موثر بر بهره‌وری را به‌آسانی با موس تغییر داد. TradeOff برای همهٔ متغیرها در آغاز کار، مقادیر مبنای پیش‌فرض را در نظر می‌گیرد. مقادیر پیش‌فرض چنانکه پیش‌تر در این مقاله گفته‌ایم، بر مبنای مصرف ۵۰ درصدی است.

در این ابزار محاسباتی، مقادیر پیش‌فرضِ قسمت «هدررفت سرمایش بر واحد بار گرمایی» [20] همان مقادیر رایج برای مصرف ۵۰ درصدی فاوا است. هنگام مدل‌سازیِ مصارف عملیاتی که بار نزدیک به ۱۰۰ درصد دارند، کاربر می‌باید خودش نشانگر قسمت «هدررفت سرمایش بر واحد بار گرمایی» را برای نشان‌دادن افزایش بهره‌وری سرمایش در بار کامل تنظیم کند. این مدل برای مصارف روشنایی نیز ورودی دارد که در محاسبات کاهش برق ورودی به کار می‌رود: ۲ درصد برای توزیع سنتی، ۰٫۵ درصد برای پربازده. اگر مصارف ثابتِ اضافی وجود داشته باشد، همچون مرکز عملیات شبکه، درصد هدررفت برق ورودی برای همهٔ سناریوها کاهش می‌یابد.

معماری توزیع برق با ترکیب AC و DC

معماری توزیع AC و DC را تا اینجای بررسی، به‌عنوان سیستم‌های جایگزین یکدیگر مقایسه کردیم؛ ولی می‌شود سیستم را ترکیبی در نظر گرفت. بدین شکل که تا بخشی از مسیر با جریان متناوب باشد، سپس به جریان مستقیم تبدیل شود و در ادامهٔ مسیر توزیع گردد. در این روش، برق حفاظت‌نشدهٔ AC را برای سطح PoD یا ردیف‌ یا رک‌ مرکزداده تامین می‌کنند؛ آنگاه پس از تبدیل به DC به تجهیزات فاوا می‌رسانند. این روشی است که در برخی طراحی‌های منتشرشده مانند Open Compute فیس‌بوک به کار رفته است. در طراحی ترکیبی می‌توان UPS را در هرجایی از دو بخش مسیرِ برق AC یا DC قرار داد. اصول تحلیل بهره‌وری که در این مقاله گفته‌ایم، برای چنین سیستمی نیز قابل استفاده است.

می‌توان نشان داد چنانچه در سیستم ترکیبی از UPS برق DC استفاده بشود، بهره‌وری آن با توزیع DC که در این مقاله بررسی کرده‌ایم برابر خواهد بود. از سوی دیگر اگر از UPS برق AC در آن استفاده بشود، چون همچنان دستگاهِ یک‌سوساز AC به DC را به‌شکل سری نیاز خواهد داشت، بهره‌وری آن از هر دو معماری AC و DC که در این مقاله گفته‌ایم کمتر خواهد شد. ازاین‌رو است که انتظار می‌رود سیستم‌های ترکیبی از UPS برق DC استفاده کنند.

نتیجه‌گیری

سیستم توزیع برق مرکزدادهٔ کنونی، هدررفت چشمگیری دارد. به نفع همگی بهره‌برداران خواهد بود اگر مقدار این هدررفت در مرکزدادهٔ جدید، همچنین اگر ممکن باشد در تاسیسات موجود کم بشود.

بیشترِ بهره‌برداران مرکزداده می‌توانند و بلکه باید چنین کنند که در طراحی‌های جدید AC خود، بهره‌وری مطلوب را اعمال کنند. امروزه برای دست‌یافتن به بهره‌وری مطلوبِ سیستم‌های توزیع برق، راهکارهایی در دسترس است. با تدوین استانداردهای ایمنی، تولید گستردهٔ دستگاه‌های توزیع برق DC، همچنین موجود بودن محصولات فاوا با ورودی برق مستقیم ۳۸۰ ولت، اکنون دیگر برق DC ولتاژ ۳۸۰ گزینهٔ پذیرفته‌ای است.

مشتریان و تامین‌کنندگان اکنون باید دربارهٔ جایگزین‌شدن توزیع برق DC به‌جای AC آینده‌نگری کنند. تازه‌ترین نسل سیستم‌های پربازده برق AC، طراحی خوب و بهره‌وری بسیار مطلوبی دارند. ازاین‌رو دور از ذهن است که سیستم DC بتواند آن‌چنان بهبود و مزیت چشمگیری در بهره‌وری بیاورد که جایگزین این سیستم‌های AC بشود. دادهٔ موجود نشان می‌دهد بهترین سیستم‌های بهینهٔ AC در حالت Eco Mode، در واقع ۰٫۹۹ درصد بیشتر از سیستم‌های DC بهره‌وری دارند. از سویی بدون استفاده از حالت Eco Mode نیز مزیت بهره‌وری سیستم DC نسبت به سیستم AC، فقط ۱٫۰۵ درصد بیشتر است (جدول ۳) و این افزایش بهره‌وری تنها ۰٫۹ درصد صرفه‌جویی انرژی برای مرکزداده می‌آورد.

هر مقدار از بهینه‌شدنِ بهره‌وری ارزشمند است. ولی اگر فقط با دید بهره‌وری بررسی کنیم، منطقی به نظر نمی‌رسد که از تغییرات گستردهٔ ده ساله در صنعت فاوا، در مهندسی، اجرا، همچنین در صنعت برق، کمتر از ۱ درصد بهبود به دست آید. به‌ویژه اینکه با پرداختن به بهبود سیستم سرمایش مرکزداده [21] می‌توان به دستاوردهای بسیار گسترد‌ه‌تری دست یافت. واقعیت این است که تغییرات کوچک در طراحی سیستم سرمایش یا تنظیمات کارکردی، آن‌چنان بر برق مصرفی مرکزداده کارگر می‌شود که تغییرات حاصل از تبدیل برق AC به DC دیگر به چشم نمی‌آید.

سیستم توزیع برق بسیاری از مراکزدادهٔ در حال کار امروزی و بلکه بسیاری از تاسیسات در دست ساخت، بهینه نیست. تا آنجا که هدررفت آن‌ها به ۱۰ درصد از کل توان مصرفی‌شان می‌رسد. توزیع برق DC برای صرفه‌جویی در این‌چنین هدررفت‌هایی پیشنهاد می‌شود؛ اما اجرای آن ممکن است سال‌ها طول بکشد. امروزه رویکردهای جدیدتر توزیع برق AC وجود دارند که کمابیش همان مقدار از بهره‌وری را فراهم می‌سازند و همین اکنون نیز قابل اجرا هستند.

به چه دلیل دیگر پژوهش‌ها بهره‌وری توزیع برق DC را بسیار متفاوت نشان می‌دهند؟

یافته‌های ما در این مقاله با نتیجه‌گیری‌های پژوهش‌های دیگر بسیار فرق دارد. صدها مقاله در مجلات گوناگون منتشر شده است که ادعا می‌کنند به‌کاربردن برق DC تا ۷، ۱۰، ۱۵، ۲۸ درصد و بلکه ۴۰ درصد بهره‌وری را بهبود می‌بخشد. یافته‌های ما با نتایج پژوهش مشابهی مطابقت دارد که The Green Grid ـ[22] انجام داده است. یک یافتهٔ روشن آن است که بهبود احتمالی از دید ریاضی محدودیت‌هایی دارد. از همین ‌رو ادعای بهبود ۱۵ درصدی یا بیشتر از آن، در تئوری نیز ممکن نیست.

دو پژوهش [23] آزمایشگاه ملی لارنس برکلی [24] و موسسهٔ تحقیقات برق قدرت (EPRI) ـ[25]، بهبود بهره‌وری سیستم توزیع برق DC را به‌ترتیب ۲۸ و ۱۵ درصد گزارش کرده‌اند. ۲۸ درصد که بسیار تبلیغ می‌شود مقدار گمراه‌کننده‌ای است؛ زیرا خود گزارش‌ها تنها ۷٫۳ درصد را نشان می‌دهند. در این دو پژوهش، مقایسهٔ عملکرد مراکزدادهٔ جدید اشکال دارد؛ زیرا برای این کار از سیستم AC ناکارآمدِ دههٔ ۱۹۹۰ میلادی استفاده کرده‌اند. بدین ترتیب اگر آن‌ها نیز از طراحی‌های جدید استفاده می‌کردند، نتایجی که به دست می‌آوردند به یافته‌های ما و The Green Grid نزدیک‌تر می‌بود.

در پی اختلاف نظرها و اطلاعات نادرستی که دربارهٔ یافته‌های مربوط به بهره‌وری توزیع برق DC وجود دارد، اشنایدر الکتریک در گزارش دقیق و مفصلی با عنوان «بررسی چهار پژوهش دربارهٔ مقایسهٔ بهره‌وری توزیع برق AC و DC مرکزداده» [26]، پژوهش‌های شناخته‌شده را با هم مقایسه کرده است. آن مقاله به شناسایی اشتباه‌ها و مفروضاتی می‌پردازد که چنین بزرگ‌نمایی‌هایی را دربارهٔ بهبود بهره‌وریِ توزیع برق DC به‌وجود آورده‌اند. یافته‌های مقالهٔ حاضر نیز همان جا در کنار یافته‌های پژوهش‌های دیگر بررسی و اعتبارسنجی شده است.

پیوست: کسب اطمینان از یافته‌ها

در محاسبات ریاضیِ این مقاله که برای تعیین بهره‌وری سیستم‌های توزیع برق AC و DC به کار رفته است، هیچ جای تردید نیست. همچنین روشن است هیچ‌یک از دستگاه‌های توزیع برق نمی‌توانند بهره‌وری ۱۰۰ درصدی داشته باشند. ازاین‌رو مقادیر مزیت‌های احتمالیِ مطرح‌شده برای بهره‌وری معماری DC، از آنچه مجلات می‌گویند بسیار کمتر است.

در این مقاله نشان دادیم فقط چهار پارامتر اصلی وجود دارد که تاثیر چشمگیری بر تحلیل‌های بهره‌وری دارند:

1. بهره‌وری سیستم UPS برق AC
2. بهره‌وری سیستم UPS برق DC
3. بهبود بهره‌وری احتمالی که از تبدیل‌کردن منابع تغذیهٔ فاوا (PSU) برای کارکرد DC به دست می‌آید
4. تاثیر بارِ عملیاتی انتخاب‌شده بر بهره‌وری

عدم قطعیت این مقادیر بر نتایج مقایسهٔ بهره‌وری تاثیر می‌گذارد. بنابراین بهتر است تغییرات چشمگیری که احتمالا از نتایج پژوهش‌های آینده یا فناوری‌های جدید پیش خواهند آمد نیز بررسی بشوند.

بهره‌وری UPS برق AC

برای این مقاله مقادیر بهره‌وری UPS برق AC را از محصولات واقعی گرفته‌ایم که امروزه در بازار موجود هستند و عملکرد آن‌ها را موسسهٔ دیگری نیز تایید کرده است. اشنایدر الکتریک از وجود محصولات دیگر نیز خبر دارد که به‌زودی به بازار عرضه می‌شوند و عملکرد همانند یا بهتر دارند. بی‌شک دستگاه‌های UPS برق AC قدیمی‌تری که بهره‌وری بسیار کمتر دارند، همچنان در بازار عرضه می‌شوند. ازاین‌رو هنگامِ تلاش برای ساختن مرکزداده با بهره‌وری مطلوب، استفاده از UPS با بهره‌وری مطلوب ضرورت دارد. برای بهترین UPSهای تبدیل مضاعف AC کنونی که بهره‌وری ۹۶٫۳ درصدی دارند، تا چند سال آینده بهبود شایان توجهی انتظار نمی‌رود.

بهره‌وری UPS برق DC

در این مقاله مقادیر بهره‌وری UPS برق DC را از دادهٔ بیشترین عملکرد منتشرشده در EPA ـ[27] گرفته‌ایم. هیچ UPS برق DC شناخته‌شده دارای ایزولاسیون الکتریکی (Galvanically Isolated) وجود ندارد که برای توزیع برق مرکزداده، بهره‌وری بیشتر از آن داشته باشد. با این حال خوب است که امکان وجود سیستم‌های UPS برق DC با بهره‌وری بیشتر نیز بررسی بشود. UPS برق DC باید برق متناوب را به مستقیم تبدیل کند، جریان خروجی تنظیم‌شده (Regulated) فراهم سازد، همچنین تابلوی اصلی را با برق ورودیِ دارای ضریب توان اصلاح‌شده (Power-factor Corrected) تغذیه کند. با رعایت این محدودیت‌ها،  UPS برق DC که بهره‌وری بیشتر از ۹۶ درصد داشته باشد امکان‌پذیر می‌شود؛ ولی چنین چیزی را تاکنون نساخته‌اند. بهترین نمونهٔ موجود از دستگاه تجاریِ واقعی که همانند این UPSها باشد، اینورتر فتوولتائیک [28] دارای قابلیت تعاملی با شبکه شهری است. این وسیله که بهینه شده تا بهره‌وری مطلوب داشته باشد، در واقع نوعی UPS برق DC است که برعکس کار می‌کنند. بررسی دادهٔ مبدّلِ ایزوله‌شده که کمیسیون انرژی کالیفرنیا منتشر کرده است، نشان می‌دهد بهره‌وری آن در بازهٔ ۹۴ درصد و بار ۵۰ درصدی قرار دارد. توجه کنید که بهترین عملکرد ۹۶ درصد است. این موضوع مقدار بهره‌وری ۹۶٫۵ درصدی را که در مدل برای UPS با جریان DC فرض شده است، بیش‌ازپیش تایید می‌کند.

با این حال، پژوهش اشنایدر الکتریک نشان می‌دهد بهره‌وری سیستم‌های UPS برق DC، سرانجام تا اندکی بیشتر از ۹۶٫۵ درصد نیز می‌رسد. ازاین‌رو ما می‌گوییم این امکان وجود دارد که دستگاه بهینهٔ UPS برق DC به‌مقدار UPSهای AC موجود بهره‌وری داشته باشد. اگر چنین چیزی بشود، بهره‌وریِ بهترین سیستم‌های توزیع برق AC و DC برابر می‌شود و تفاوت فقط به‌دلیل منابع تغذیهٔ فاوا خواهد بود که برق متناوب را به مستقیم تبدیل می‌کنند.

بهبود بهره‌وری با تبدیل منابع تغذیهٔ فاوا به DC

بیشتر افراد بر این باورند که با تبدیل‌کردن منابع تغذیهٔ فاوا (PSUها) به ورودی ۳۸۰ ولت DC، بهره‌وری افزایش می‌یابد. در این مقاله نشان دادیم منابع تغذیهٔ جدید فاوا در بازهٔ گسترده‌ای از مصرف، دارای بهره‌وری بیش از ۹۲ درصد هستند. در واقع بعضی از مدل‌های سال ۲۰۱۲، پیش از این به بیشینهٔ بهره‌وری ۹۵ درصدی دست یافته‌اند. به‌زبان دیگر از نظر تئوری، بیشترین مقدار بهبود بهره‌وریِ منابع تغذیهٔ فاوای برق DC، حتی اگر بهره‌وری ۱۰۰ درصدی نیز داشته باشند، فقط ۵ درصد است. [29]

در پژوهش این مقاله، افزایش ۰٫۹ درصدی استفاده شده که بر پایهٔ دادهٔ دلتا الکترونیکس است. در حقیقت با دستیابی به این بهبودها نمی‌توان به پرسش‌هایی از این دست پاسخ داد: اینکه آیا می‌توان انتظار این بهبود ۰٫۹ درصدی را داشت، یا اینکه چه‌مقدار افزایش بهره‌وری در آینده امکان‌پذیر خواهد شد. اکنون مبنایی تئوری بیان می‌کنیم که با آن می‌توان تعیین کرد بهره‌وری منابع تغذیه با تبدیل‌شدن به برق DC چه‌مقدار افزایش می‌یابد.

PSUها در عمل دو کارکرد اصلی دارند:

• فراهم‌ساختن ایزوله‌سازیِ ایمنی میان مدارهای محاسباتی و منابع تغذیهٔ ورودی
• تبدیل برق متناوب ورودی به برق مستقیم ۱۲ ولت تنظیم‌شده

با استفاده از توزیع برق DC نمی‌توان نیاز به ایزوله‌سازیِ ایمنی و همچنین نیاز به برق مستقیم ۱۲ ولت تنظیم‌شده را برآورده ساخت. هرچند با به‌کارگیری توزیع DC می‌توان برخی از مدارهای PSU را کنار گذاشت که مبدل جریان AC به DC هستند. سان مایکروسیستمز به‌تازگی پژوهشی انجام داده و در زمینهٔ بهبود بهره‌وریِ بالقوه‌ای که از تبدیل PSU برق AC به DC به دست می‌آید، دادهٔ کمّی فراهم ساخته است.

شکل ۹: جزئیات هدررفت درون منبع تغذیهٔ سرور (PSU)؛ نمایش هدررفت‌هایی که هنگام تبدیل به DC، قابل حذف یا کاهش هستند

شکل ۹ [30] جزئیات مصرف برق منبع تغذیهٔ سرور را نشان می‌دهد. برچسب «حذف‌شده با DC» بیانگر هدررفت بخش‌هایی است که هنگام تبدیل‌شدن PSU به DC حذف می‌شوند. «کاهش‌یافته با DC» نیز هدررفت بخش‌هایی را نشان می‌دهد که به‌دلیل نیاز به حفاظت در برابر جریان بازگشتی نمی‌توان آن‌ها را از میان برد؛ ولی اگر PSU به DC تبدیل بشود، ممکن است مقدار آن تا نیمی از آنچه اکنون هست کاهش یابد.

چنان‌که در شکل ۹ می‌بینیم، با تبدیل‌شدن به توزیع برق DC کمابیش ۲۰ درصد از هدررفت PSU کاهش می‌یابد. محاسبات زیر آن مقدار از بهبود بهره‌وریِ منبع تغذیه را تعیین می‌کند که از این کاهش هدررفت به دست می‌آید:

در اینجا ŋ بهره‌وری منبع تغذیه AC و ‘ŋ بهره‌وری پس از تبدیل‌شدن به ورودی DC است. PSLR نیز مخفف «کاهش هدررفت منبع تغذیه» [31] است که از تبدیل به جریان مستقیم به دست می‌آید. با توجه به بیشترین بهره‌وری ممکن (۹۵ درصد) و کاهش ۲۰ درصدی هدررفت منابع تغذیه که از تبدیل به جریان مستقیم به دست می‌آید، برای آینده می‌توان فقط انتظار ۱ درصد افزایش بهره‌وری را داشت.

توجه داشته باشید افزایش این بهره‌وری بسیار وابسته به مقادیر بهره‌وریِ اولیهٔ منابع تغذیه است. ازاین‌رو در منابع تغذیه‌ای که بهره‌وریِ کمی دارند، احتمالا مقدار بهبود حاصل از تبدیل به جریان DC بیشتر خواهد بود. ولی انتظار می‌رود در مرکزدادهٔ پربازده‌تر آینده، از منابع تغذیهٔ بهینه‌تر استفاده بشود و افزایش بهره‌وری به‌مقدار همین ۱ درصد امکان‌پذیر باشد.

با نظر به بهره‌وری بیش از ۹۳ درصد که نسل کنونی تجهیزات فاوا دارند، محاسبات نشان می‌دهد از تبدیل منابع تغذیه به DC، مقداری بین ۰٫۸ تا ۱٫۵ درصد افزایش بهره‌وری به دست می‌آید. این نتایج با دادهٔ عملکردیِ پژوهش‌های دلتا الکترونیکس و تجزیه و تحلیل‌های منتشر شدهٔ دیگر هم‌خوانی دارد.

تاثیر تغییر مصرف فاوا بر بهره‌وری

برای مقایسهٔ بهره‌وریِ مسیر برق، در این مقاله بار فاوای ۵۰ درصدی به کار رفته است. بهره‌وریِ سیستم توزیع برق و در نتیجه بهره‌وری کل مرکزداده، به‌عنوان تابعی از مصرف فاوا تغییر می‌کند. مقالهٔ «شبیه‌سازی بهره‌وری الکتریکی برای مرکزداده» [32] مدل‌سازیِ ارتباط میان بهره‌وری و مصرف فاوا را به‌دقت بیان کرده است.

برای مقایسهٔ بیان‌شده در این مقاله، از بهره‌وری PSUهای درون تجهیزات فاوا استفاده شد. دلیل تغییر مجموعِ بار فاوای مرکزدادهٔ واقعی، بیش از آنکه تغییر مصرف تجهیزات موجود باشد، تغییر کردنِ تعداد تجهیزات فاوا است. بنابراین تغییری که در مجموع مصارف فاوای مرکزداده رخ می‌دهد، بر مصرفِ اعمال‌شده بر UPS و کابل‌کشی توزیع برق تاثیر می‌گذارد؛ ولی به‌طور کلی ارتباطی با مصرف عملیاتی هریک از PSUها ندارد. با اینکه جریان برق از UPS آغاز می‌شود و از طریق کابل‌های توزیع‌کننده و با گذشتن از منابع تغذیه سرانجام به مصارف فاوا می‌رسد، نمی‌توان گفت همگی دستگاه‌ها با درصد همانندی از ظرفیت نامی خود کار می‌کنند؛ بدین معنی که مصرف عملیاتی آن‌ها یکسان است. بلکه بدین شکل است که توان کل در میان هزاران دستگاه فاوا توزیع می‌شود.

مرکزداده‌ای را در نظر بگیرید که با ۵ درصد از ظرفیت خود کار می‌کند. به‌شکل منطقی تصور می‌شود UPS نیز با بار عملیاتی ۵ درصد (۵ درصد ظرفیت) کار می‌کند. ولی این انگاره دربارهٔ مصرف عملیاتی هریک از PSUهای فاوای پایین‌دست چیزی نمی‌گوید. مصرف عملیاتی ۵ درصدیِ UPS ممکن است به‌دلیل یکی از موارد زیر باشد:

• یا تعداد کمی از دستگاه‌های فاوا با ۱۰۰ درصد از توان نامیِ ورودی خود کار می‌کند.
• یا ۲۰ دستگاه فاوا با ۵ درصد از توان نامی ورودی خود کار می‌کند.
• یا ۱۰۰ دستگاه فاوا با ۱ درصد از توان نامی خود کار می‌کند.

مصرف عملیاتی «۵ درصد بر UPS» آشکارا با مجموع مصارف عملیاتیِ همگی دستگاه‌های فاوای متصل به آن ارتباط دارد. ولی مصرف عملیاتی دستگاه‌ها، با یکدیگر مرتبط نیستند. همچنین ارتباط یکسانی با بار عملیاتی ۵ درصدیِ UPS تغذیه‌کننده ندارند.

بدین معنی که از میان سه بخشِ مسیر برق مرکزداده، تغییر بهره‌وری UPS که متناسب با تغییر مقدار مصرف رخ می‌دهد، چه AC باشد چه DC، بیشترین نقش را در تغییر بهره‌وری کل مرکزداده دارد. سه بخش مسیر برق؛ چون جدا از میزان مصرف، کابل‌های توزیع‌کنندهٔ برق بر بهره‌وری تاثیر کمی دارند.

به دلایلی که گفتیم، تاثیر تغییرات مصرف فاوا بر بهره‌وری اندک است و نمی‌توان پذیرفت که یکی از دو توزیع برق AC یا DC در مصارف گوناگونِ عملیاتی نسبت به دیگری برتری داشته باشد.

نتیجه اینکه، نقش تغییر مصرف فاوا بر تحلیل و نتایج این مقاله ناچیز است.

دستاوردهای اصلی

دربارهٔ مقادیر عددی که برای مقایسهٔ سیستم‌های توزیع برق AC و DC به کار رفته است، اطمینان زیادی وجود دارد. انتظار می‌رود مقادیر بهره‌وری UPS برق AC یا DC، با مقادیر به‌کاررفته در این تحلیل کمتر از ۱ درصد فرق داشته باشند. هدررفت کابل برق ناچیز است و می‌توان آن را نادیده گرفت. از سوی دیگر انتظار می‌رود بهره‌وری‌ منابع تغذیهٔ هر دو سیستم AC و DC، به‌شکل تدریجی افزایش یابد. چنانچه منبع تغذیه با بهره‌وری ۹۵ درصدی به کار رود، بهره‌وری به‌دست آمده از تبدیل برق AC به DC کمابیش ۱ درصد افزایش می‌یابد.

بر اساس تحلیل این مقاله، دور از ذهن است که منابع تغذیهٔ فاوا در آینده بتوانند به بهره‌وریِ بیشتر از مقادیر این مقاله دست یابند. اگرچه امکان تغییر به منابع تغذیهٔ استاندارد AC با ولتاژ ۲۷۷ وجود دارد که در آمریکای شمالی بهره‌وری را تا ۱ درصد بهبود خواهد داد. اگر چنین بشود، بهره‌وری روش‌های توزیع برق AC و DC نسبتا همانند خواهند شد.

پانویس

[1] این مطلب بخشی از کتاب «آئین‌نامهٔ مهندسی مرکزداده» و ترجمهٔ فارسی مقالهٔ زیر است:

APC White Paper 127: “A Quantitative Comparison of High Efficiency AC vs. DC Power Distribution for Data Centers” (Revision 4)

نویسنده نیل راسموسن (Neil Rasmussen) [آشنایی با نویسنده و مطالعه‌ی مقالات فارسی او]، مترجم نازلی مجیدی، بازنویسی و ویراستاری پرهام غدیری‌پور، به‌کوشش دکتر بابک نیکفام، تهیه‌شده در باشگاه مراکزداده

[2] Technology Demonstration Projects

[3] APC White Paper 63: AC vs. DC Power Distribution for Data Centers

[4] APC White Paper 128: Increasing Data Center Efficiency by Using Improved High Density Power Distribution

[5] ETSI EN 300 132-3-1 v2.1.1 (2011-10), European Standard (EN) by ETSI: Operated by rectified current source, alternating current source or direct current source up to 400 V; Sub-part 1: Direct current source up to 400 V

[6] Power Supply Unit (PSU)

[7] در واقع قوانین الکتریکی آمریکا بیشینهٔ مصرف را ۸۰ درصد تعیین کرده است؛ بدین ترتیب مصرف هر ورودی را در ۴۰ درصد محدود ساخته است.

[8] Delta-conversion UPS

[9] Double-conversion UPS

[10] Symmetra MW – TÜV Test Report Number 21113774_010, September 26, 2005. Symmetra PX – TÜV Test Report IS-EGN-MUC/ed, June 12, 2007

[11] Lawrence Berkeley National Labs report: High Performance Buildings: Data Center – Uninterruptible Power Supplies (UPS) December 2005, Figure 17

[12] در استاندارد بین‌المللی ETSI 300، برای UPSهای DC به نقطهٔ پتانسیل صفرِ میدپوینت (Midpoint Ground Reference) نیاز است. در این مقاله تنها آن دسته از دادهٔ UPS برق DC را در نظر گرفته‌ایم که با استانداردهای بین‌المللی ایمنی مطابقت دارند.

[13] Environmental Protection Agency (US EPA)

[14] DC Telecom Rectifiers

[15] در این معماریِ سیستم توزیع برق، هر بورد الکتریکیِ مستقل یا زیرسیستم، نیاز توان خود را (مانند ولتاژ ۱٫۱، ۳٫۳، ۵) با استفاده از مبدل‌های برق خودش از باس ۱۲ ولت می‌گیرد و تولید می‌کند. دستگاه PSU اغلب آن ماژول جداگانه‌ای است که کاربر در شاسی نصب می‌کند.

[16] Lawrence Berkeley National Laboratory: “High Performance Buildings: Data Centers – Server Power Supplies” December, 2005

[17] Accessed February 13, 2012

[18] Guy Ailee, Milan Milenkovic, and James Song, Data Center Energy Efficiency Research @ Intel Day , June 2007

[19] Doug Garday and Daniel Costello, Intel white paper, Air-Cooled High-Performance Data Centers: Case Studies and Best Methods, November 2006

[20] “Cooling Losses per Unit Heat Load”

[21] ROI of Cooling Energy Efficiency Upgrades, Link

[22] The Green Grid White Paper 16, Quantitative Efficiency Analysis of Power Distribution Configurations for Data Centers

[23] متن اصلی این مقاله برخی از ارجاعات اینترنتی را در پاورقی به‌شکل لینک آورده است. پس از ترجمه و هنگام ویرایش متوجه شدیم که بعضی از این لینک‌ها حذف شده‌اند. (ویراستار)

[24] LBNL findings

[25] EPRI findings

[26] White Paper 151: Review of Four Studies Comparing Efficiency of AC and DC Distribution for Data Centers

[27] Environmental Protection Agency

[28] منظور در اینجا اینورترهای اتصال سلول‌های خورشیدی به شبکهٔ برق شهری است.

[29] (100%  –  95%  =  5%)

[30] Sun Microsystems Presentation by Mike Bushue, DC Data Center Stakeholders Meeting, hosted by Lawrence Berkeley National Labs, July 12, 2007, composite PDF page 19 of 67, slide 9

[31] Power Supply Loss Reduction

[32] APC White Paper 113: Electrical Efficiency Modeling for Data Centers

[*] اصطلاح «ادبیات موضوع» بیانگر چنین مفاهیمی است: منابع و مآخذ، سابقهٔ تحقیق، منابع تحقیق، مبانی و چهارچوب‌های کلان نظری و تئوری‌های کلانِ مربوط به حوزهٔ پژوهش، هرچه در بیان تحقیقیِ نوشتاری و گفتاری (سخنرانی) دربارهٔ آن موضوعِ دانش می‌گویند. از آنجا که برخلاف زبان انگلیسی، واژهٔ «ادبیات» هیچگاه در فارسی برای بیان چنین مفاهیمی به کار نرفته است، «ادبیات موضوع» برای بیان این مفهوم نادرست است. متاسفانه ویراستار این متن نتوانست واژه یا ترکیب درستی را بیابد که درخور این معنا باشد؛ به‌ویژه با مفهومی که در حوزهٔ دانش این متن‌ها درک می‌شود. (ویراستار)