مقایسهٔ توزیع برق متناوب (AC) و مستقیم (DC) در مرکزداده [1]
مقدمه
برای تامین برق تجهیزات فاوای مرکزداده می‌توان از برق AC (متناوب) یا DC (مستقیم) استفاده کرد. معمولا برق متناوب در شبکهٔ توزیع شهری با ولتاژ ۱۲۰ یا ۲۰۸ یا ۲۳۰ توزیع می‌شود. برق مستقیم نیز معمولا ۴۸ ولت توزیع می‌شود که استاندارد مخابراتی است.
بیشتر تجهیزات از برق متناوب استفاده می‌کنند. در اوایل دهه ۱۹۹۰ برخی از تولیدکنندگان و مهندسان دربارهٔ سودمند بودن توزیع برق DC بسیار سخن می‌گفتند. آن‌ها پیش‌بینی می‌کردند که توزیع برق مرکزداده در آینده با برق DC استانداردسازی خواهد شد. با این‌همه خلاف آن رخ داد و در عمل به‌مرور زمان، استفاده از برق مستقیم نسبت به برق متناوب کاهش یافت.
برای غلبه بر برخی از مشکلاتِ برق مستقیم، به‌تازگی طرح‌های مفهومی برای بالاتر از ۴۸ ولت DC پیشنهاد شده است. همچنین توزیع برق DC با ولتاژ ۳۰۰ یا ۳۸۰ یا ۴۰۰ یا ۵۷۵ در انجمن‌ها و جلسات گوناگون بررسی می‌شود.
در این مقاله به ویژگی‌ها و امکانات و محدودیت‌های توزیع برق DC و AC می‌پردازیم. در اینجا برای به‌دست‌آوردن عملکردِ بهره‌وری الکتریکی، از مدل ریاضی بهره می‌گیریم و میزان بهره‌وری را در دو روش متفاوت از سیستم توزیع AC و سه روش متفاوت از سیستم توزیع DC محاسبه می‌کنیم. با این کار مبنایی به دست می‌آوریم که با آن می‌توان بهره‌وریِ روش‌های گوناگون توزیع برق را در ویژگی‌های عملیاتی مختلف مقایسه کرد.
بسیاری از بهره‌برداران مرکزداده از پایایی (Availability) مطلوب‌تری که شرکت‌های مخابراتی تامین می‌کنند بهره می‌برند و از ارزشی که در کارشان دارد آگاه‌اند. بدیهی است شبکه‌های تجاری نیز علاقه دارند از این میزان پایایی بهره‌مند باشند. در نتیجه این نظریه به وجود آمده که چون استفاده از برق DC دلیل پایاییِ سیستم‌های مخابراتی است، باید در دیگر شبکه‌ها نیز به کار رود. در ادامه این مسئله را بررسی خواهیم کرد.
گزینه‌های توزیع برق AC و DC
چنین تصور می‌شود که مقایسه میان توزیع متناوب و توزیع مستقیم، مقایسه میان دو روش جایگزین است. البته در واقعیت معمولا نه دو روش بلکه دست‌کم پنج روشِ توزیع برق وجود دارد که اینجا به آن‌ها خواهیم پرداخت. هریک از این روش‌ها بهره‌وری و هزینه و محدودیت‌های خودشان را دارند. از این رو به نظر می‌رسد شناخت جداگانه از یک‌به‌یک آن‌ها و ارزیابی دقیق‌شان ضروری باشد. شکل‌های 1a تا 1e پنج روش اصلی توزیع برق را نمایش می‌دهند.
در این شکل‌ها چنانکه مشاهده می‌کنید، برق AC از سمت چپ وارد می‌شود. نقطهٔ انتهای سمت راست نیز نمایشگر ولتاژ توزیع داخلیِ دستگاه‌های فاوا است. توجه کنید که در توزیع داخلیِ دستگاه‌ها ممکن است ولتاژهای متفاوتی به کار برود؛ ولی این موضوع مانع استفادهٔ هریک از این پنج روش اصلی نمی‌شود. پیش‌فرض توزیع داخلی در این مقاله ۱۲ ولت DC است.
شکل 1a: توزیع برق AC متداول در آمریکای شمالی
شکل 1a سیستم توزیع متناوب رایج در آمریکای شمالی را نشان می‌دهد. در این روش، برق پس از وارد شدن و پیش از اینکه به منبع تغذیهٔ دستگاه فاوا برسد، از دستگاه UPS و از واحد توزیع برقِ (PDU) دارای ترانسفورماتور می‌گذرد. در این سیستم پنج هدررفت اصلی مشاهده می‌شود: در UPS، در کابل‌های توزیع اولیه، در PDU، در کابل‌های توزیع شاخه‌مدار، در منبع تغذیه دستگاه فاوا.
شکل 1b: توزیع برق AC متداول در خارج از آمریکای شمالی
شکل 1b سیستم توزیع برق AC را نشان می‌دهد که در خارج از آمریکای شمالی رایج است. توجه کنید که ترانسفورماتور PDU و هدررفت‌های وابسته به آن حذف شده است. این کار بدین دلیل ممکن شده که ولتاژ خروجیِ UPS تقریبا با بازهٔ ورودیِ همگی مصارف فاوا سازگاری دارد.
شکل 1c: توزیع برق DC تله‌کام متداول
شکل 1c نشانگر توزیع برق DC متداول مخابراتی است.
شکل 1d: روش فرضیِ توزیع برق DC با ولتاژ ۳۸۰ ولت
شکل 1d بیانگر روش فرضیِ توزیع برق مستقیم ۳۸۰ ولت است. برای به‌کاربردن این روش، به آن دسته از دستگاه‌های فاوا نیاز دارید که طراحی شده‌اند تا با برق مستقیم ۳۸۰ ولت کار کنند.
شکل 1e: سیستم فرضی هیبرید با برق ۵۷۵ ولت DC
شکل 1e بیانگر سیستم فرضی هیبرید است که با توزیع برق مستقیم ۵۷۵ ولت کار می‌کند. در این سیستم از آن دسته از دستگاه‌های فاوا استفاده می‌شود که برای کار با برق مستقیم ۴۸ ولت طراحی شده‌اند. ولی برای اینکه ولتاژ دستگاه‌ها را تامین کنند، از UPS با برق ۵۷۵ ولت DC و از «مبدل کاهندهٔ متوسط ۵۷۵ ولت DC به ۴۸ ولت DC» بهره گرفته‌اند. این روش برخی از ویژگی‌های شکل 1c و 1d را در خود ترکیب کرده است.
برای مقایسهٔ پنج سیستم توزیع برق (شکل‌های 1a تا 1e) باید به عوامل زیر توجه شود:
- بهره‌وری
- هزینه
- سازگاری (Compatibility)
- اطمینان‌پذیری (Reliability)
- ایمنی
در ادامه دربارهٔ هریک از این عوامل سخن خواهیم گفت. این بررسی با تحلیل دقیقِ بهره‌وری آغاز می‌شود. زیرا عاملی است که از آن به‌عنوان دلیل اصلی توجه به توزیع برق DC، بسیار یاد می‌کنند.
مقایسه از نظر بهره‌وری
برای توجیه‌کردن استفاده از برق مستقیم در مرکزداده، افزایش بهره‌وری الکتریکی از دلایل اصلی است. چنین استدلال می‌شود که با استفاده از این شیوه چون بعضی از مراحلِ تبدیل برق حذف می‌شوند، میزان هدررفت کاهش می‌یابد. هدررفت سیستم برق در این نقاط رخ می‌دهد: تولید برق بدون وقفه، توزیع برق، استفاده از برق در تجهیزات فاوا.
پژوهش‌ها و بررسی‌های انجام‌شده دربارهٔ مقایسهٔ بهره‌وری توزیع AC با DC، فرض‌های گوناگونی را در نظر گرفته‌اند. ما در این مقاله اثبات خواهیم کرد که فرض‌های آن‌ها ایراد دارند؛ فرض‌های نادرستی که از آن‌ها نتایج اشتباهی دربارهٔ برتری سیستم‌های مختلفِ توزیع برق به بار آمده است. برای ارزیابیِ دقیق بهره‌وری الکتریکی در وضعیت واقعی، به مدل ریاضی نیاز هست. این مدل باید اولا تغییرات بهره‌وری دستگاه را متناسب با مقدار مصرف در نظر بگیرد. ثانیا مسائل ناشی از برآوردها و ابعاد را به‌درستی درک کند. در بخش بعدی چنین مدلی را به‌همراه نتایج کمّی بهره‌وری توضیح می‌دهیم.
در این مقاله بهره‌وری پنج سیستم مختلف توزیع برق را در وضعیت بار مصرفیِ پنجاه درصد مقایسه می‌کنیم. در این مقایسه دو روش بیشترین بهره‌وری را دارند: یک روش از سیستم‌های DC و یک روش از سیستم‌های AC. برای اینکه ببینید چگونه این دو روش اصلیِ پربازده را با دقت بیشتر مقایسه کرده‌ایم، به مقالهٔ «مقایسهٔ کمّی میان دو روش توزیع برق مرکزداده: توزیع برق AC پربازده و توزیع برق DC» ـ[2] مراجعه کنید. برای اثبات بیانیه در آن مقاله، تحلیلی دقیق همراه با دادهٔ بسیار ارائه شده است.
مدل بهره‌وری برای سیستم‌های توزیع برق
شرکت اشنایدر الکتریک مدل بهره‌وریِ کارآمدی برای مرکزداده ارائه داده است. مقالهٔ «شبیه‌سازی بهره‌وری الکتریکی برای مرکزداده» [3] این مدل را به‌خوبی توضیح می‌دهد. پرداختن به این مدل و اصول کارکرد آن، موضوع این مقاله نیست. ولی به‌طور خلاصه ویژگی‌های اصلی آن را بیان می‌کنیم:
- شبیه‌سازی موثرِ تغییرات بهره‌وری دستگاه‌ها؛ متناسب با مقدار مصرف
- شبیه‌سازی موثر مصارف نسبی؛ به تفکیک دستگاه‌ها
- شبیه‌سازی موثر پیکربندی افزونگی
- ارائهٔ دادهٔ بهره‌وری برای هر میزان از مصرف در سیستم
این تحلیل‌ها نشان می‌دهد برای اینکه به مقایسهٔ درست و اصولی میان بهره‌وری‌ها دست یابیم، همگیِ خصوصیاتی که در بالا ذکر شده‌اند نقش بسیار مهم دارند.
برای هریک از پنج روش پیش‌گفتهٔ توزیع برق، مدل ریاضی با استفاده از شبیه‌سازی ایجاد شده و توسعه یافته است. در مدل‌سازی دستگاه‌ها از دادهٔ واقعی استفاده شده که از نمونه‌های موفق به دست آمده است. برای دستگاه‌های فرضی نیز تخمین‌ها بر پایهٔ عملکردهای واقعی و دست‌یافتنی بوده است.
توجه به این نکته بسیار اهمیت دارد که برای ساختن مدل‌ها، از دادهٔ برگرفته از موفق‌ترین نمونه‌ها استفاده شده است. تغییرات و تفاوت‌های بسیاری در عملکرد دستگاه‌های واقعی مانند UPS و منابع تغذیهٔ فاوا می‌بینیم. این تحلیل از جمله نشان می‌دهد مقایسه‌ای که برخی از مدل‌های ناکارآمد انجام داده‌اند، مقایسهٔ میان طراحی برق AC با تجهیزات کم‌بازده بوده است. همچنین مقایسه میان طراحی فرضیِ برق DC با تجهیزاتی که بازده مطلوب آن‌ها فقط در تئوری عملی می‌شود. چنین نتایجی آشکارا تحریف شده و نامعتبر است. در این تحلیل تلاش شده تا چنین نقصی برطرف شود.
نتایج مدل بهره‌وری
میزان هدررفت را برای هریک از سیستم‌های توزیع، در وضعیت بارگذاریِ ۵۰ درصدیِ هریک از قسمت‌های مسیر جریان برق تخمین زده‌ایم. تخمین‌ها بر اساس بهترین اطلاعات موجود محاسبه شده‌اند. جدول ۱ دادهٔ حاصل از سناریوهای بدون افزونگی را نمایش می‌دهد.
| برق | UPS (درصد) |
ضرب‌در | توزیع -کابل+PDU -کابل+ مبدل کاهنده (درصد) |
ضرب‌در | منبع تغذیه IT (درصد) |
مساوی | بهره‌وری کل (درصد) |
| ۴۸۰ تا ۲۰۸ ولت AC ـ[4] | ۹۶٫۲۰ | × | ۹۶٫۵۲ ⊕ | × | ۹۰٫۰۰ ⊕ | = | ۸۳٫۵۶ |
| ۲۳۰/۴۰۰ ولت AC ⊕ | ۹۶٫۲۰ | × | ۹۹٫۵۰ ⊕ | × | ۹۰٫۲۵ ⊕ | = | ۸۶٫۳۹ |
| ۴۸ ولت DC ـ[5] | ۹۲٫۸۶ | × | ۹۹٫۵۰ ⊕ | × | ۹۱٫۵۴ ⊗ | = | ۸۰٫۷۴ |
| ۳۸۰ ولت DC ⊕ | ۹۶٫۰۰ | × | ۹۹٫۵۰ ⊕ | × | ۹۱٫۷۲ ⊕ | = | ۸۷٫۶۴ |
| هیبرید ۵۷۵ ولت DC ⊗ | ۹۵٫۳۲ | × | ۹۲٫۵۴ ⊕ | × | ۹۱٫۵۴ ⊗ | = | ۸۰٫۷۴ |
داده‌ای که می‌بینید نشان می‌دهد، میان روش‌های مختلف توزیع برق چه تفاوت بسیاری وجود دارد. از سیستم‌هایی که شبیه‌سازی شده‌اند، سیستم ۳۸۰ ولت DC بیشترین بهره‌وری و سیستم DC هیبرید ۵۷۵ ولت کمترین بهره‌وری را دارد. جالب‌توجه‌تر از همه سیستم ۲۳۰/۴۰۰ ولت AC است که بهره‌وری آن تقریبا با سیستم ۳۸۰ ولت DC برابری می‌کند.
بهره‌وری روش‌های مختلف سیستم برق را همچنین می‌توان با افزونگی 2N (دو مسیره) محاسبه کرد. در این صورت مقادیر بهره‌وری در همهٔ موارد کمتر از این خواهد بود. در این حالت گرچه بهره‌وری سیستم ۲۳۰/۴۰۰ ولت AC و سیستم ۳۸۰ ولت DC از دیگر روش‌ها بیشتر درمی‌آید، عملکرد نسبی این دو روش حتی در مقایسه با افزونگی 2N نیز ثابت و بدون تغییر باقی می‌ماند.
تفسیر نتایج بهره‌وری
یافته‌ها عموما همان فرضیهٔ رایج را تایید می‌کند که می‌گوید بهره‌وری الکتریکی با حذف مرحلهٔ مبدل افزایش می‌یابد. در هر دو روش برتر، یعنی ۳۸۰ ولت DC و ۲۳۰/۴۰۰ ولت AC، مرحلهٔ تبدیل ولتاژ حذف شده که می‌بینیم در بعضی از روش‌های دیگر در شکل‌های 1a تا 1e به‌کاررفته است. همچنین جریان برق در این دو روش، بیشترین بخش از مسیر خود را با بالاترین ولتاژ طی می‌کند.
اگر مدل را به‌دقت بررسی کنیم، درمی‌یابیم که هدررفت ناشی از جریان برق در کابل‌کشی مرکزداده بسیار ناچیز است. به این دلیل که شبکهٔ کابلی انتقال قدرت، به‌طور متوسط با در نظر گرفتن تغییرات، بسیار کمتر از ظرفیت حداکثریِ انرژی الکتریکی بار تحمل می‌کند؛ حتی وقتی مرکزداده با تمام ظرفیت کار کند. البته این بدان معنا نیست که می‌توان اندازهٔ سیم‌ها را کاهش داد. زیرا همچنان ضرورت دارد برای حفظ ایمنی، اندازهٔ سیم‌ها متناسب با بدترین پیش‌بینی از وضعیتِ عملیاتی باشد.
داده نشان می‌دهد دو سیستم از میان پنج سیستمی که بررسی شدند، آشکارا از لحاظ بهره‌وری برتر هستند و برای نسل بعدی مرکزداده بهترین گزینه به شمار می‌روند. اگر بهره‌وری را مهم‌ترین هدف در نظر بگیریم، سه روش دیگرِ توزیع برق باید از میان گزینه‌ها حذف بشوند. از دو گزینهٔ برتر، روش برق ۳۸۰ ولت DC بهره‌وریِ خوبی فراهم می‌کند. ولی برای آن باید تغییرات بزرگی در صنعت رخ بدهد که به بازهٔ زمانی طولانی نیاز دارد. از سویی برق ۲۳۰/۴۰۰ ولت AC هم بهره‌وری مطلوبی دارد که همین الآن نیز به‌شکل استاندارد در سرتاسر جهان استفاده می‌شود. حتی می‌توان آن را در آمریکای شمالی به کار برد. بدین ترتیب این دو گزینهٔ برتر می‌باید با جزئیات بیشتری با هم مقایسه بشوند. از چنین مقایسه‌ای می‌توان آگاهی روشن‌تری از تفاوت‌های بهره‌وری و احتمالات تئوری و عملی به دست آورد. این تحلیلِ کمّی در همان مقالهٔ «مقایسهٔ کمّی میان دو روش توزیع برق مرکزداده: توزیع برق AC پربازده و توزیع برق DC» آمده است.
تلفیق نتایج بهره‌وری با یافته‌های منتشر شدهٔ دیگر
یافته‌هایی که در این مقاله بیان می‌شود، با بسیاری از پژوهش‌های دیگر که می‌گویند از سیستم‌های برق DC بهره‌وری بیشتری به دست می‌آید، به‌روشنی مخالف است. در اینجا تعدادی از تحقیقات دیگر را بررسی و با یافته‌های خود مقایسه می‌کنیم. به‌طور کلی گفتیم پژوهش‌های دیگری که در این حوزه انجام شده‌اند، از مدل‌ها و فرضیه‌های ناکارآمد استفاده کرده‌اند و با این کار به بروز نتایج متناقض دامن زده‌اند. در ادامه دلایل این نتایج متناقض را بیان خواهیم کرد.
برخی در بررسی‌های خود، برای بهره‌وریِ دستگاه AC از مقادیر قدیمی استفاده کرده‌اند که نمایندهٔ خوبی برای دستگاه‌های امروزی نیستند. همچنین این دستگاه‌ها را با آن محصولات فرضی DC مقایسه کرده‌اند که کیفیت بسیار خوبی دارند و موفق هستند. برای نمونه به‌تازگی مقاله‌ای منتشر شده که مقدار بهره‌وری UPS برق AC را ۷۴٫۹۶ درصد فرض کرده و بهره‌وری UPS فرضی برق DC را ۹۷ درصد در نظر گرفته است. در رد این ادعا باید گفت شرکت اشنایدر الکتریک که یکی از تولیدکنندگان است، در سه خط تولید متفاوت خود تا بیش از ۹۶ درصد بهره‌وری را تضمین کرده است؛ چنانکه در سرتاسر بازهٔ مصرف ۵۶ تا ۱۰۰ درصد پایدار باقی بماند. این‌چنین بیان غیرواقعی و نادرست از مقدار بهره‌وری سیستم‌های جدید UPS، منجر به خطای بزرگی شده که منشأ اختلاف‌های موجود میان نتایج پژوهش‌های منتشر شده است.
برخی دیگر در مقایسهٔ DC با AC چنین تصور کرده‌اند که اگر یک باس توزیع ۴۸ ولت DC در دسترس باشد، دستگاه‌های فاوا می‌توانند بخش‌های مختلفِ تبدیل ولتاژ را در منبع تغذیه حذف کنند و آن را به‌شکل مستقیم به کار ببرند. از لحاظ منطقی بر این فرضیه به دو دلیل زیر ایراد وارد است:
- تمام تجهیزات فاوا که ورودی DC دارند، با فرض ایزوله‌بودن از UPS برقِ مستقیم طراحی و ساخته شده‌اند. این کار با بهره‌گیری از تبدیل‌کنندهٔ ولتاژ انجام می‌شود؛ با همان روشی که در تجهیزات فاوای دارای ورودی AC متداول است. این منبع تغذیهٔ جداسازی‌شده به این دلیل اهمیت دارد که اطمینان داشته باشیم هیچ اتصال الکتریکی بین منبع تغذیهٔ DC با توان بالا و بدنهٔ تجهیزات وجود ندارد. اگر این عایق‌بندی را نداشته باشیم، جریان برق مستقیم میان رک و پوشش سیم‌ها اتصال برقرار می‌کند و ایمنی را به خطر می‌اندازد. برای نمونه در دفترچهٔ راهنمای آخرین مدلِ تبدیل‌کنندهٔ ولتاژ، به این موضوع این‌طور اشاره شده است [6]: «ماژول برق DC/DC در تجهیزات کاربر باید با استفاده از مدار ثانویهٔ عایق‌بندی‌شده نصب شود.» توجه کنید که بعضی از مبدل‌ها عایق‌بندیِ ضعیفی دارند؛ عایق‌بندیِ بدون کیفیت مناسب، برای توزیع برق توان‌بالا مناسب و سازگار نیست.
- بیشتر سرورها از باس توزیع برق ۱۲ ولت DC داخلی استفاده می‌کنند. پس به‌ازای هر ولتاژی که در نظر بگیریم، می‌باید مبدل مناسبی انتخاب شود تا خروجی برق ۱۲ ولت DC را تولید کند.
بیشتر پژوهش‌های دیگر در مقایسه‌هایی که انجام داده‌اند، توزیع برق ۲۳۰/۴۰۰ ولت AC را میان گزینه‌های خود ندارند. این مقاله به‌روشنی نشان می‌دهد که اگر بهره‌وریِ مطلوب هدف باشد، پیکربندی برق ۲۳۰/۴۰۰ ولت AC بهتر از روش‌های قدیمی AC خواهد بود و دستیابی به بهترین کاراییِ سیستم ۳۸۰ ولت DC را در میان سیستم‌های AC ممکن می‌سازد.
بررسی یکی از تحلیل‌ها دربارهٔ صرفه‌جویی انرژی
بیشتر مقالاتی که ادعا می‌کنند با سیستم‌های DC می‌توان به مزایای بهره‌وری دست یافت، مدل دقیقی ارائه نداده‌اند که شامل اعداد و محاسبات زیربنایی باشد. ولی آزمایشگاه ملی لارنس برکلی [7] در آوریل سال ۲۰۰۴ مدلی برای مقایسهٔ توزیع AC با DC منتشر کرده که در وب‌سایت‌شان در دسترس است. در این مدلِ مرجع، مقایسه‌ای میان سیستم ۴۸ ولت DC و سیستم AC انجام شده و صرفه‌جوییِ الکتریکی در سیستم DC به‌ازای هر سرور، ۸۶ دلار در سال به دست آمده است. یعنی تقریبا ۳۰ درصد کاهش در مصرف برق.
البته بهره‌وری سیستم UPS در این مدل به‌مقدار ۸۵ درصد و بهره‌وری منبع تغذیه DC/AC سرور نیز ۷۲ درصد در نظر گرفته شده که از میزان بهره‌وریِ واقعی دستگاه‌های امروزی بسیار کمتر است. برای نمونه با درنظرگرفتن ۹۶ درصد بهره‌وری برای UPS و ۹۰ درصد برای منبع تغذیه، مزایای گزینهٔ برق DC در محاسبهٔ این مدل صفر خواهد بود. چنانکه پیش‌تر نیز گفتیم اکنون بهره‌وری ثبت‌شده برای UPS مدرنی همچون APC Symmetra MW، در بیشتر بازهٔ عملیاتی بیش از ۹۶ درصد است. با اینکه هم‌اکنون بهره‌وری ۹۰ درصدی برای منبع تغذیه نشانهٔ عملکرد بسیار خوب است، برای سرورها بهره‌وریِ ۹۴ درصد منطقی است. انتظار می‌رود که از سال آینده چنین منابع تغذیه‌ای به‌شکل گسترده استفاده شوند. از این مدل برای اثبات ادعای برتری برق DC بسیار یاد می‌شود. ولی اگر برای سنجش عملکرد AC، مقادیر جریان واقعی امروزی را به ورودی آن بدهیم، آنگاه است که دیگر برتری برق DC را نشان نخواهد داد.
گزینهٔ توزیع برق ۲۳۰/۴۰۰ ولت AC
نتایج بهره‌وری در این مقاله مزایای توزیع برق ۲۳۰/۴۰۰ ولت AC را نشان می‌دهد. پیش‌تر در پژوهش‌ها به این روش کمتر پرداخته‌اند. توجه شود که این روش همان طراحی استاندارد مرکزداده در خارج از آمریکای شمالی است.
تحلیلی که ما در این مقاله ارائه داده‌ایم نشان می‌دهد PDUهایی که در مراکزدادهٔ استاندارد در آمریکای شمالی استفاده می‌شوند، خود آشکارا یکی از عوامل کاستی بهره‌وری هستند. این PDUها همچنین به‌مقدار زیادی وزن فیزیکی دارند و فضای مفید را نیز اشغال می‌کنند. این مشکلات دو برابر خواهد شد اگر سیستم افزونگی 2N نیز داشته باشد. معمولا PDUها با تمام ظرفیت برقی که دارند عمل نمی‌کنند و در نهایت بازده کمتری دارند. بدین ترتیب برآوردی که پیشاپیش از میزان ظرفیت ضروریِ آن‌ها می‌شود، اغلب بیشتر از نیاز واقعی مصرف سیستم است. ازاین‌رو سیستمی که در آمریکای شمالی بتواند ترانسفورماتورهای PDU را حذف کند، مزیت بسیاری خواهد داشت. توجه داشته باشید که در مرکزدادهٔ مدرن، وجود ترانسفورماتورهای PDU ضروری نیست و می‌توان آن‌ها را حذف کرد. داده به‌روشنی نشان می‌دهد در هر تلاشی که برای ساختن مرکزدادهٔ با بهره‌وری مطلوب انجام می‌شود، باید تا بشود از توزیع برق ۲۳۰/۴۰۰ ولت AC استفاده کرد. برای توضیح کامل‌تر دربارهٔ روش حذف ترانسفورماتورهای PDU و بار سازه‌ای و هدررفتی که در آمریکای شمالی تحمیل می‌کنند، به مقالهٔ «افزایش بهره‌وری مرکزداده با استفاده از توزیع برق بهبودیافته و پرظرفیت» [8] مراجعه کنید.
گزینهٔ توزیع برق ۳۸۰ ولت DC
یافته‌ها دربارهٔ بهره‌وری در این مقاله نشان می‌دهد توزیع ۳۸۰ ولت DC، به‌ویژه در مقایسه با سیستم ۴۸ ولت DC یا هیبرید ۵۷۵ ولت DC، بهترین گزینهٔ برق مستقیم با مطلوب‌ترین بهره‌وری است. عملکرد بهره‌وری دلیل اصلیِ پیشنهاد این روش است. فرض واقع‌بینانه‌ای می‌گوید در بارگذاری کاملِ سیستم ممکن است روش ۳۸۰ ولت DC از بهترین سیستم AC نزدیک به ۱ درصد بهتر باشد. در عمل در بیشتر مواقع وقتی این روش با دیگر روش‌های جلوگیری از هدررفت مقایسه می‌شود، همانند روش‌هایی که با دستگاه‌های تهویهٔ مطبوع کار می‌کنند، این مقدار مزیت در بهره‌وری ناچیز به شمار می‌رود. گرچه در مراکزدادهٔ بزرگ ممکن است همین ۱ درصد صرفه‌جویی در انرژی هم مقدار قابل توجهی باشد.
روش توزیع برق ۳۸۰ ولت DC همچنین ممکن است در مقایسه با روش‌های دیگر، باعث صرفه‌جویی در مصرف مس بشود. بسته به ولتاژی که دقیقا مشخص می‌شود می‌توان هزینهٔ مس را تا ۱۰ درصد کاهش داد. سیستم ۲۳۰/۴۰۰ ولت AC که در آن سیم‌های ۵۰ آمپری در سیستم توزیع «چهار سیمی» به کار رفته باشد، تا ۱۵۰ آمپر یا ۳۴٫۵ کیلووات جریان را منتقل می‌کند که متناظر با ۸٫۶ کیلووات در سیم است. در سیستم ۳۸۰ ولت DC که از باس ۳۸۰ ولت و سیم‌های ۵۰ آمپری استفاده می‌کند، سیستم «دو سیمی» جریان ۵۰ آمپر یا ۱۹ کیلووات را انتقال می‌دهد که متناظر با ۹٫۵ کیلووات در هر سیم است. این محاسبات را می‌توان به هر سیمی با هر اندازه‌ای تعمیم داد که اجرای آن در برق ۳۸۰ ولت DC از هزینه‌های مس کمابیش تا ۱۰ درصد می‌کاهد.
هنگام مقایسهٔ توزیع برق ۲۳۰/۴۰۰ ولت AC با توزیع برق ۳۸۰ ولت DC، می‌بینیم که ۳۸۰ ولت DC در بهره‌وری مزایایی هرچند کوچک ولی درخور توجه ایجاد می‌کند. اما چون تجهیزات فاوا تقریبا همگی با توزیع برق ۲۳۰/۴۰۰ ولت AC سازگار هستند، ولی هیچ‌یک با ۳۸۰ ولت DC سازگار نیستند، مهاجرت به سیستم ۳۸۰ ولت DC با دشواری‌هایی مواجه است. افزون بر آن سازگاری و ایمنی این روش ایرادهای جدی دارد.
پیش از اینکه مرکزداده را با برق ۳۸۰ ولت DC راه‌اندازی کنیم، به حجم زیادی از تجهیزات نیاز داریم که با این نوع توزیع برق سازگار باشند. تنها راه منطقی برای تسهیل و تامین و اجرای شبکهٔ DC آن است که سازندگان تجهیزات فاوا، محصولاتی به بازار بیاورند که با هر دو توزیع AC و ۳۸۰ ولت DC سازگار باشند. به هر حال این امر تغییری است بسیار بزرگ که به محرکی همچون مزایای اقتصادی قانع‌کننده نیاز دارد. مزایایی که در این مقاله نشان دادیم برای بسیاری از کاربران، نسبتا کوچک و کم‌ارزش است.
مزیت دیگری که احتمالا برق ۳۸۰ ولت DC دارد، کاهش دما و افزایش فضای باز در داخل رک است. با حذف مرحلهٔ تبدیل ولتاژ AC/DC از منبع تغذیه، کاری که اصلی‌ترین عامل برای افزایش بهره‌وری است، روند کاهش تولید گرما در رک تا ۱٫۵ درصد بهبود می‌یابد و سریع‌تر می‌شود. به‌علاوه اندازهٔ منبع تغذیه‌ای که بدون این مدار AC/DC طراحی شده باشد، در حدود ۲۰ درصد کوچک‌تر خواهد بود که به‌معنی آزاد شدن تقریبا ۳ درصد از فضای رک است. با اینکه ممکن است اندازهٔ این کاهش ناچیز به نظر برسد، به افزایش ظرفیت رایانش کمک خواهد کرد.
مناسب‌ترین کاربرد توزیع برق ۳۸۰ ولت DC در مراکزدادهٔ بزرگی است که با تجهیزات فاوای مشخص و دائمیِ دارای ورودی برق ۳۸۰ ولت DC کار می‌کنند. سایت‌های ابررایانش و ابررایانه (سوپرکامپیوتر) نمونهٔ خوبی از این مراکزداده هستند.
استفاده‌کردن از محصولات و تجهیزات کامپیوتری موجود که قابلیت کار با هر دو برق ۳۸۰ ولت DC و AC را دارند نیز عملی است. برای این کار دستگاهی در ورودی برق ۳۸۰ ولت DC لازم است که مدار داخلی AC/DC را از مسیر برق خارج و مدارهای بی‌استفاده را خاموش کند. البته با این روش اندازهٔ منبع تغذیه کوچک‌تر نخواهد شد. این طراحی با ورودی‌های چندگانه‌اش به‌احتمال زیاد برای سرورهای عظیم کاربرد دارد؛ بهره‌گرفتن از آن برای تجهیزات فاوایی که کاربری‌های عمومی دارند چندان عملی به نظر نمی‌رسد.
در مقایسهٔ بین AC و DC باید افزون بر بهره‌وری به عواملی همچون هزینه، سازگاری، اطمینان‌پذیری، هماهنگی، همچنین ایمنی توجه کرد.
مقایسه از نظر هزینه
هزینهٔ سیستم UPS برقِ مستقیم معمولا ۱۰ تا ۲۰ درصد کمتر از سیستم UPS برق متناوب است. ولی در توزیع برق DC ضرورت طراحی بیشتر، کلیدهای برق تخصصی، همچنین هزینهٔ کابل‌کشی باعث می‌شود صرفه‌جوییِ اولیه از میان برود. بیشترین برتری برق DC در نصب تجهیزات کم‌ظرفیت کوچک، همچون دکل‌های مخابراتی مشاهده می‌شود که کمترین هزینهٔ توزیع را دارند. از طرفی ضرورت تامین برق برای برخی از تجهیزات در مراکزداده‌ای که تنها با برق AC کار می‌کنند، هزینهٔ سیستم DC را افزایش می‌دهد. گران‌بودن تجهیزاتی که با ورودی برق DC کار می‌کنند مانند سرورها و ذخیره‌سازها، از دیگر مشکلات این سیستم است. بی‌شک در واقع بزرگ‌ترین مشکل هزینه‌ایِ دستگاه‌های ۴۸ ولت DC، هزینهٔ کابل‌کشی برای برق‌رسانی به تجهیزات فاوا است. وزن و هزینه در این کار برای تامین سیم مسی، بیشتر از ۱۰ برابر می‌شود. نصب و رساندن این حجم زیاد از مس به رک‌های تجهیزات فاوا، بسیار گران است و اگر توان بیشتر از ۲۰ کیلووات در رک باشد، غیرممکن خواهد شد. مقدار مسی که برای توزیع ۳۸۰ ولت DC استفاده می‌شود، بسیار کمتر از این است و حتی کمی هم از بهترین گزینهٔ توزیع برق AC کمتر است.
هزینهٔ تامین تجهیزات فاوای مرکزدادهٔ دارای زیرساخت برق AC، نسبت به ۴۸ ولت DC اندکی کمتر است. با اطمینان می‌توان گفت هم‌اکنون سیستم ۳۸۰ ولت DC به‌دلیل کمیاب‌بودن تجهیزات مربوط به آن، از نظر هزینه هیچ برتری نسبت به سیستم AC ندارند. هرچند اگر برق ۳۸۰ ولت DC استاندارد و فراگیر بشود، این امکان به‌وجود خواهد آمد که هزینهٔ آن با برق AC برابری کند.
مقایسه از نظر سازگاری
از دیرباز تجهیزات مخابراتی همچون مرکز تلفن و سویچینگ که به‌شیوهٔ «مدارگزینی» (Circuit Switch) ـ[9] کار می‌کنند، با ورودی برق ۴۸ ولت DC طراحی می‌شوند. از سویی می‌توان گفت کمابیش همهٔ تجهیزات مخابراتی که به‌شیوهٔ «راه‌گزینی بسته» (Packet switch) ـ[10] کار می‌کنند، مانند سرورها و تجهیزات ذخیره‌سازی و رهیاب‌ها (Router)، با ورودی برق AC طراحی شده‌اند. بدین ترتیب این نکته که «استفادهٔ اصلی از تجهیزات چه خواهد بود» روشن می‌کند با کدام‌یک از دو شیوهٔ توزیع برق AC یا DC بیشتر سازگار است. چون بیشتر مراکزداده از تجهیزات راه‌گزینی بسته بهره می‌گیرند، چنین تصور می‌شود که سیستم AC به‌مراتب سازگارتر است. در حقیقت سازگار شدن با سیستم DC، برای بسیاری از محصولات همچون مانیتورها یا تجهیزات ذخیره‌سازی تحت شبکه NAS یا کامپیوترهای شخصی (PC) در عمل غیرممکن است. از سویی استفاده از اینورتر (Inverter) ـ[11] در این دستگاه‌ها بهره‌وری را کاهش می‌دهد.
استفاده از سیستم DC در مرکزداده، تنوع تجهیزات قابل استفادهٔ فاوا را بسیار کاهش می‌دهد و انتخاب آن‌ها را محدود می‌کند. در حقیقت در بیشتر مواقع، بهره‌گرفتن از DC بدون به‌کار گرفتن سیستم مکمل AC عملی نیست. چنانچه برای مجموعهٔ استاندارد و هماهنگ از تجهیزات فاوا، کاربردهای آتی پیش‌بینی‌شده باشد (همانند نصب ابررایانه)، مشکلات ناشی از سازگاری کاهش خواهد یافت.
علاوه بر این چنانکه ASHRAE ـ[12] و سازمان‌های دیگر نیز می‌گویند، فن‌های تهویهٔ مطبوعی که در نصب تجهیزات پرظرفیت به کار می‌روند، باید پیوسته و بدون توقف کار کنند. این یعنی هنگامی که قطع برق به‌دلیل خرابی تجهیزات رخ می‌دهد، نباید فن‌ها تا زمان شروع‌به‌کار ژنراتور از کار بیفتند؛ به همین دلیل می‌باید با منبعی از برق دائمی تغذیه بشوند. کابل‌کشی در سیستم AC بسیار ساده‌تر از سیستم DC است. زیرا فن‌های دستگاه تهویهٔ مطبوع در سیستم AC به‌شکل مستقیم به شبکه وصل می‌شوند؛ ولی در توزیع DC باید منبع تغذیه را جداگانه به هرکدام اضافه کرد. اکنون چنین دستگاه‌هایی به‌سادگی در دسترس نیستند و به‌ویژه بسیار گران درمی‌آیند.
مقایسه از نظر اطمینان‌پذیری
مقایسهٔ درجهٔ اطمینان‌پذیری میان سیستم برق AC و DC بسیار وابسته به مفروضات اولیه است. سیستم برق DC متشکل است از ردیفی از یکسوکنندههای DC که برقِ یک یا چند رشته از باتری‌های با اتصال موازی را فراهم می‌کند. به‌تازگی محصولات UPS جدیدی معرفی شده‌اند که در آن‌ها ردیفی از ماژول‌های UPS به بانک باتری با اتصال موازی متصل هستند. به‌دلیل شباهتی که دارند می‌توان سیستم‌های AC و DC را با استفاده از این طراحی‌ها به‌روشنی با یکدیگر مقایسه کرد. نتیجهٔ این مقایسه‌ها به‌خوبی آشکار می‌کند اطمینان‌پذیریِ هرکدام از روش‌های توزیع برق، به سیستم باتری آن وابسته است. در مقالهٔ «فناوری باتری برای مرکزداده و اتاق‌های شبکه: گزینه‌های باتری» [13] مقایسه‌ای دقیق میان روش‌های گوناگون اتصال باتری انجام شده است. برای محاسبهٔ بهای تمام‌شدهٔ چرخهٔ عمر می‌توان از نوعی باتری UPS توزیع AC استفاده کرد که همان سطح از اطمینان‌پذیریِ سیستم باتری UPS توزیع DC را داشته باشد.
اگر هزینهٔ چرخهٔ عمر مرکزداده‌ای با بهره‌گرفتن از برق AC و DC یکسان باشد، دیگر هیچ‌کدام نسبت به دیگری برتری مشخصی ندارند.
هارمونیک‌ها [14]
نتیجهٔ بسیاری از پژوهش‌ها می‌گوید مهم‌ترین برتری استفاده از برق DC در مرکزداده، برطرف‌شدن مسئلهٔ هارمونیک‌ها است. تجهیزات اولیهٔ فاوا که پیش‌تر تولید می‌شدند، جریان هارمونیک به وجود می‌آوردند و مرکزداده را به مشکلات مهم بسیاری از جمله حرارتِ بیش از حد در مدارهای خنثی و ترانسفورماتورها دچار می‌کردند. البته باید در نظر داشت تولید تجهیزات فاوای ایجادکنندهٔ هارمونیک تقریبا از سال ۱۹۹۳ به بعد در قوانین بین‌المللی ممنوع شده است. مقالهٔ «پژوهشی دربارهٔ جریان‌های هارمونیک مرکزداده» [15] پیشینه و جزئیات مشکلات مرتبط با هارمونیک برق را بررسی کرده است. بدین ترتیب مشکل جریان هارمونیک در مرکزداده‌ای اهمیت دارد که از تجهیزات فاوای تولیدشدهٔ پیش از سال ۱۹۹۳ استفاده می‌کند. بدیهی است این نسل از تجهیزات قدیمی در تاسیسات جدید به‌کار نمی‌رود. ازاین‌رو این ادعا که توزیع برق DC چنین مشکلاتی را برطرف می‌کند، از دیدگاه نادرست و قدیمی دربارهٔ سیستم‌های برق مرکزداده ناشی می‌شود. اهداف و انگیزهٔ نویسندگان چنین مطالب و ادعاهایی باید به‌دقت بررسی بشود.
مقایسه از نظر ایمنی
در همهٔ کشورها قوانینِ استاندارد بسیاری برای توزیع برق AC وجود دارد. به همین ترتیب در سطح بین‌الملل، همچنین در هر کشور در سطح استان، در هر منطقه، حتی جداگانه در برخی از شهرها نیز دراین‌باره قوانین مشخصی تدوین شده است. این قوانین بر اساس صد سال تجربهٔ توزیع برق AC برای مصارف تجاری و مسکونی شکل گرفته و توسعه یافته است.
ولی برای توزیع برق DC، تنها برای کاربری‌های تجاری آن‌هم به‌مقدار محدود قوانین وجود دارد. این وضعیت فرصت خوبی است برای اینکه برای برق DC استاندارد‌های جهانی تعریف بشود. ولی هم‌زمان باید توجه داشت در مسیر اجرای میان‌مدت یا بلندمدت برق DC، موانع و مشکلاتی نیز وجود دارد. برای نمونه توزیع برق ۳۸۰ ولت DC که در این مقاله به آن پرداخته‌ایم، در کشور ژاپن غیرقانونی است. به‌دلیل اینکه در ژاپن حداکثر مقدار قانونی برای جریان برق ۳۰۰ ولت تعیین شده است. اجرای برق DC در مرکزدادهٔ امروزی (غیر از ۴۸ ولت DC)، برای شرکت‌های طراحی، پیمانکاران محلی، کارکنان خدماتی، همچنین برای بازرسان ساختمان چالش‌برانگیز است. برای نمونه در آمریکای شمالی هیچ قانونی دربارهٔ اتصال کوتاه برق DC در کاربری تجاری وجود ندارد. این ابهام قانونی موجب بروز تعابیر و رویه‌های متفاوتی از دسترسی و دیگر موارد شده است.
خلاصهٔ مقایسهٔ توزیع برق متناوب (AC) با توزیع برق مستقیم (DC)
در بررسی بالا بیان کردیم که برای بیشتر بهره‌برداران مراکزداده، تغییردادن تاسیسات از برق AC به DC با توجه به بهره‌وری، هزینه، سازگاری، اطمینان‌پذیری (Reliability)، همچنین ایمنی، منطقی و به‌صرفه نیست. به‌شکل نظری سیستم ۳۸۰ ولت DC بیشتر از همهٔ گزینه‌های موجود بهره‌وری دارد؛ ولی این بهره‌وریِ مطلوب در زمینهٔ سازگاری دچار مشکلات مهمی است. از سوی دیگر با اینکه بهره‌وری سیستم ۲۳۰/۴۰۰ ولت AC اندکی کمتر است، سازگاری لازم را در همه‌جا دارد. به همین دلیل است که ۲۳۰/۴۰۰ ولت AC برای دست‌یافتن به بهره‌وری مطلوب روش عملی به شمار می‌رود.
همچنین مشخص شد سیستم توزیع سنتی ۴۸۰ ولت AC که در آمریکای شمالی استفاده می‌شود، با توجه به عامل بهره‌وری گزینهٔ مناسبی نیست. با طراحی مراکزداده برای سیستم ۲۳۰/۴۰۰ ولت AC، منافع بهره‌وری بسیار سریع‌تر به دست می‌آید.
اطمینان‌پذیری مراکز مخابرات
اطمینان‌پذیری در مرکز مخابرات معمولا یک تا دو توان (ده تا صد برابر) بیشتر از آن میزانی است که در مرکزدادهٔ معمول تجاری دست‌یافتنی است. پیش‌تر در این مقاله نشان دادیم که عامل اصلیِ موثر در بهینه‌بودن عملکرد مرکز مخابرات، به‌کارگیری سیستم DC نیست. ازاین‌رو این میزان از عملکردِ اطمینان‌پذیری باید دلیل دیگری داشته باشد.
در واقع پیش از این هیچ پژوهشی انجام نشده است که برتریِ نظری یا بنیادی اطمینان‌پذیریِ سیستم DC را نسبت به AC توضیح دهد.
دادهٔ مرتبط با خرابی و ازکارافتادگیِ مراکزداده و سالن‌های سرور نشان می‌دهد تفاوت اصلی میان اتاق شبکه و مرکز مخابرات در «ثبات‌داشتن محیط» است. باید دانست خطای انسانی دلیل بیشتر خرابی‌های مرکزداده است. عمر مفید متوسط تجهیزات مرکزداده تنها ۲ تا ۳ سال است و پیکربندی آن‌ها نیز پی‌درپی عوض می‌شود. این‌همه تغییر کردنِ سیستم با خطاهایی که هنگام اعمال آن‌ها رخ می‌دهد، پیامدهای پیش‌بینی‌نشده‌ای دارد که باعث افزایش خرابی می‌شود.
مرکز مخابرات ویژگی‌هایی دارد که دلیل برتریِ اطمینان‌پذیری آن است. محدود بودن تعداد افرادی که اجازهٔ تغییردادن سیستم را دارند، طبیعت استانداردشدهٔ سیستم، ساختاریافته بودن، پختگی رویه‌های عملیاتی، این‌ها دلایل اصلی هستند که موجب می‌شوند اطمینان‌پذیریِ مرکز مخابرات بهتر از مرکزداده باشد.
در واقع مهم‌ترین عواملی که در ارتقای اطمینان‌پذیریِ مراکز مخابرات تاثیرگذار هستند عبارت‌اند از: استفاده‌نکردن از کف کاذب، کمتر بودن ظرفیت برق، رواج استفاده از سرمایش همرفتی.
از جمله نیازهای اصلی برای بهینه‌کردن پایایی (Availability) مرکزداده، می‌توان به سیستم‌های محدود کردن دسترسی، استانداردسازی زیرساخت‌ها، همچنین سیستم‌های نظارت و مدیریت اشاره کرد. بدین ترتیب انتخاب نوع توزیع برق AC یا DC نقش ناچیزی در این موضوع دارد.
زیرساخت‌های چندکاربردی
از کل مرکزداده در بیشتر مواقع بخش کوچکی به مصرف برق ۴۸ ولت DC نیاز دارد. مصرف برق ۴۸ ولت DC در مراکزدادهٔ میزبانی IDC که تجهیزات مخابراتی بسیار زیادی دارند، ممکن است تنها ۱۰ درصد از برق AC باشد. اکنون این سوال پیش می‌آید که در چنین وضعیتی، کدام روش تامین برق بهتر است.
روشی که توصیه می‌شود، استفاده از یکسوکنندههای DC کوچکِ بدون باتری است که با ورودی AC کار می‌کنند. با این رویکرد می‌توانیم آن‌ها را هرگاه که به مصرف برق DC نیاز داریم نصب کنیم. همچنین برای حذف‌کردن باتری و کابل‌کشی اضافیِ DC می‌توان از یکسوکنندههای قابل نصب در رک استفاده کرد. بدین ترتیب به برنامه‌ریزی برای داشتن توزیع DC هیچ نیازی نیست.
استفاده از برق DC در رک‌ها
تا اینجای مقاله دربارهٔ توزیع برق DC در مرکزداده و جایگزین‌کردن آن با AC سخن گفتیم. کار دیگری که می‌شود کرد، توزیع‌کردن برق DC در داخل رک است. در این مدل ابتدا برق AC را به رک می‌رسانند، سپس در داخل رک و پیش از توزیع‌کردن آن را به DC تبدیل می‌کنند. منبع تغذیه AC/DC نیز در مرکز رک قرار دارد. این روش امکان می‌دهد دستگاه‌های مختلف فاوا در داخل رک کوچک‌تر باشند و گرمای کمتری تولید کنند. همچنین این منابع تغذیه در داخل رک بهینه‌سازی می‌شوند؛ در حالی که جاسازی‌کردن آن‌ها در داخل دستگاه‌های فاوا ممکن بود یا مجاز نباشد یا گران تمام بشود. مسیر توزیع برق در داخل رک بسیار کوتاه‌تر است که باعث می‌شود مس کمتری هدر برود؛ حتی اگر از برق ۴۸ ولت DC استفاده بشود. این روش در طراحیِ بعضی از تجهیزات فاوا مانند نسل اول سرورهای خشابی HP p-Class (نه نسل دوم) به کار رفته است. البته این روش در مقایسه با روش سنتیِ توزیع برق AC در داخل رک، محدودیت‌های نامطلوبی بر گزینه‌های اجرا تحمیل می‌کند. در واقع همین مشکلات مانع از کاربرد وسیع آن شده است.
معلوم نیست استفاده از برق DC در داخل رک ادامه یابد یا خیر. شیوهٔ توزیع‌کردن برق DC در داخل رک نسبت به‌روش توزیع آن در کل مرکزداده، رویکرد فنی متفاوتی دارد با مزایا و معایب خاص خودش. این مقاله به مسئلهٔ مناسب‌بودن یا نبودن توزیع برق DC در داخل رک‌ها نمی‌پردازد.
نتیجه‌گیری
سیستم توزیع برق AC پیش‌تر یک بار جایگزین DC شده است و به‌دلیل سازگاری مناسبش، همچنان روش غالب تامین برقِ مرکزداده خواهد ماند. استفاده از DC برتری کمی نسبت به AC دارد. افزون بر آن بعضی از سیستم‌های توزیع DC معایبی از نظر بهره‌وری دارند. در میان شیوه‌های توزیع برق مستقیم، روش ۳۸۰ ولت DC بهترین عملکرد را دارد. ولی برای اجرای آن استفاده از نسل جدید تجهیزات در بخش‌های فاوا و برق ضروری است. از آنجا که چنین تجهیزاتی هنوز در دسترس نیستند، اجرای این روش فعلا عملی نیست. از طرفی برای مشتریانی که درپی افزایش بهره‌وری هستند، امروزه روش‌های مطمئن‌ترِ بسیاری وجود دارد که پیش از پرداختن به توزیع برق DC باید در نظر بگیرند.
با توجه به پژوهش‌ها در این مقاله نشان داده‌ایم که با برآورد درست از سیستم، همچنین استفاده‌کردن از طراحی بهبودیافته برای توزیع سرمایش و واحدهای تهویهٔ مطبوعِ بهینه‌ساز، فرصت‌های چشمگیری برای بهبود هزینه و بهره‌وری فراهم می‌آید. از این پژوهش‌ها به‌روشنی می‌توان فهمید تقریبا در تمامی مراکزداده، مهم‌ترین کاری که بهبود پایایی (Availability) را دست‌یافتنی می‌کند، تغییر فرایندهای کنترل است.
بعضی از مقالاتی که دربارهٔ بهره‌وری مطلوبِ سیستم DC سخن گفته‌اند، اشکالات بسیاری دارند. نظریه‌های آن‌ها بر پایهٔ مدل‌های ناکارآمد، دادهٔ قدیمی و منسوخ از بهره‌وری محصولات، یا فرضیه‌های نادرست بنا شده است.
در مراکزدادهٔ آمریکای شمالی، سیستم‌های AC معمولا از واحد توزیع برقی استفاده می‌کنند که ترانسفورماتور دارد. در این روش مقدار هدررفت و مساحت اشغال‌شده و بار سازه‌ای زیاد است. چنانکه در این مقاله گفتیم، هر تلاش روشمند برای بهبود بهره‌وریِ سیستم توزیع برق باید با حذف این دستگاه‌ها آغاز شود. یکی از یافته‌های مهم این مقاله آن است که سیستم برق ۴۸۰ ولت AC که در آمریکای شمالی استفاده می‌شود، با وجود طراحی‌های امروزی روشی کم‌بازده و از رده خارج است.
پربازده‌ترین توزیع‌ها برق همان ۳۸۰ ولت DC و ۲۳۰/۴۰۰ ولت AC هستند. بهره‌وری این دو روش همانند است. به همین دلیل برای مقایسهٔ آن‌ها، دقت بیشتر و رجوع به شواهد و استدلال‌ها ضرورت دارد. مقالهٔ «مقایسهٔ کمّی میان دو روش توزیع برق مرکزداده: توزیع برق AC پربازده و توزیع برق DC» ـ[16] به این موضوع پرداخته است. نتایج آن مقاله با یافته‌های اینجا هم‌راستا و منطبق است.
مراکزدادهٔ جدید باید از سیستم برق ۲۳۰/۴۰۰ ولت AC در ترکیب با UPS و منابع تغذیهٔ سرور پربازده استفاده کنند. همین اکنون نیز این راهکار در خارج از آمریکای شمالی رایج است و در نتیجه نیازی به تغییر روش نیست. ولی در آمریکای شمالی تغییر تفکر و طراحی نوین ضرورت دارد. در آنجا نیز پیش‌تر برخی از سازندگان، تجهیزاتی را معرفی کرده‌اند که از توزیع برق ۲۳۰/۴۰۰ ولت AC استفاده می‌کنند.
با اینکه مرکزداده همچنان ترکیبی ناهمگون از انواع تجهیزات باقی خواهد ماند، برق AC برای بسیاری از دستگاه‌ها تنها گزینهٔ واقع‌بینانه و ممکن است.
استفاده‌کردن از سیستم «توزیع DC در داخل رک با بهره‌گرفتن از منبع تغذیه AC/DC مرکزی» و جایگزین‌کردن آن با «منبع تغذیهٔ جداگانهٔ AC برای هریک از دستگاه‌های فاوا»، دشواری‌هایی دارد که موضوع این مقاله نیست. گرایش‌های مشخصی همچون سرورهای خشابی وجود دارد که در مراکزدادهٔ آینده امکان استفاده از منبع تغذیه AC/DC را محتمل می‌کند. یادآور می‌شویم نتیجه‌گیری‌های این مقاله از گرایش آشکاری که به منبع تغذیهٔ مرکزی و توزیع DC در داخل رک وجود دارد، تاثیر نپذیرفته است.
برق DC چنانکه پیش‌تر نیز بوده است، همچنان روش برگزیدهٔ شبکه‌های سنتی همچون مرکز تلفن زوج‌سیمی است. توسعه‌پذیری و سازگاریِ برق AC به‌همراه این واقعیت که گزینه‌های پربازده‌تری در میان سیستم‌های توزیع AC وجود دارد، ثابت می‌کند این شیوه همچنان سیستم استانداردِ توزیع برق مرکزداده باقی خواهد ماند.
پانویس
[1] این مطلب بخشی از کتاب «آئین‌نامهٔ مهندسی مرکزداده» و ترجمهٔ فارسی مقالهٔ زیر است:
APC White Paper 63: “AC vs. DC Power Distribution for Data Centers” (Revision 6)
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] APC White Paper 127: A Quantitative Comparison of High Efficiency AC vs. DC Power Distribution for Data Centers
[3] APC White Paper 113: Energy Efficiency Modeling for Data Centers
[4] APC White Paper 127: A Quantitative Comparison of High Efficiency AC vs. DC Power Distribution for Data Centers
[5] A. Pratt, P. Kumar, and T. Aldridge, Corporate Technology Group, Intel Corporation, Evaluation of 400 V DC Distribution in Telco and Data Centers to Improve Energy Efficiency
[6] Accessed April 20, 2006
[7] آزمایشگاه ملی لارنس برکلی مشهور به LBL که مرکز علمیِ فدرال در شهر برکلی ایالت کالیفرنیا در آمریکا است.
[8] APC White Paper 128: Increasing Data Center Efficiency by Using Improved High-Density Power Distribution
[9] مدارگزینی: روشی برای اتصال دو گره از طریق شبکه است. در این روش پس از برقراری تماس، مسیری بین دو گره به‌وجود می‌آید که تا پایان تماس باقی می‌ماند؛ بدین معنی که مسیر تنها در اختیار این دو گره است. این ویژگی باعث هدر رفتن منابع می‌شود.
[10] راه‌گزینیِ بسته: در این روش بسته‌ها با استفاده از ارتباط نقطه‌به‌نقطهٔ اشتراکی یا ارتباط یک نقطه به چند نقطهٔ اشتراکی، در سراسر زیرشبکه انتقال می‌یابند. این بسته‌ها که ممکن است هم‌اندازهٔ نیز نباشند، روی مدارهای مجازی دائمی یا مدارهای مجازیِ راهگزین‌شده انتقال می‌یابند.
[11] مبدل جریان مستقیم به جریان متناوب
[12] ASHRAE: انجمن مهندسین گرمایش، سرمایش، و تهویهٔ مطبوع آمریکا
[13] APC White Paper 30: Battery Technology for Data Centers and Network Rooms: Battery Options
[14] هارمونیک‌ها ولتاژ و جریان‌های الکتریکی هستند که بر اثر نوعی از بارهای الکتریکی در شبکهٔ برق به وجود می‌آیند.
[15] این مقاله در همین مجموعه با یکی‌کردن مقالات ۲۶ و ۳۸ دربارهٔ هارمونیک‌ها ترجمه و ارائه شده است. در اینجا متن انگلیسی به مقالهٔ شمارهٔ ۲۶ اشاره می‌کند. (ویراستار):
APC White Paper 26: Hazards of Harmonics and Neutral Overloads
[16] APC White Paper 127: A Quantitative Comparison of High Efficiency AC vs. DC Power Distribution Alternatives for Data Center
درج دیدگاه