برق مرکز داده: چگونه جریان‌های مستقیم و متناوب در مراکز داده استفاده می‌شوند؟

جریان‌های متناوب و مستقیم چه تفاوت‌هایی دارند؟

قبل از شروع مبحث تامین برق مرکز داده، لازم است تفاوت‌های جریان‌های مستقیم و متناوب را بدانیم. به زبان ساده، اگر بخواهیم نمودار جریان مستقیم را روی کاغذ رسم کنیم کافی است یک خط مستقیم رسم کنیم؛ یعنی نمودار آن خطی است. درحالی‌که جریان متناوب به‌صورت یک تابع متناوب (معمولا سینوسی) ترسیم می‌شود. برخلاف جریان مستقیم که همیشه در یک‌جهت و در راستای یک خط مستقیم حرکت کرده و هیچ‌گونه نوسانی ندارد، جریان متناوب، در خط مستقیم حرکت نکرده و مانند یک نمودار سینوسی، دائما در نوسان است. هر نوسان را اصطلاحا یک سیکل می نامند و واحد شمارش آن هرتز است؛ مثلا برق شهری در ایران و اروپا ۵۰ سیکل در ثانیه (‏50 هرتز) و در آمریکا ۶۰ سیکل در ثانیه (‏60 هرتز)‏ ‏نوسان می‌کند. این ویژگی موجب آسان شدن انتقال جریان متناوب به فواصل دور می‌شود. ولی انتقال جریان مستقیم، در مسافت‌های طولانی کار چندان آسانی نیست.

شکل1: مقایسه جریان های مستقیم و متناوب

مراکز داده‌ چگونه از جریان های مستقیم و متناوب استفاده می‌کنند؟

اغلب مراکز داده‌ از کدام نوع جریان استفاده می‌کنند؟ مستقیم؟ متناوب؟ یا هر دو؟ برای پاسخ به این سؤال، اجازه دهید ابتدا نگاهی به چگونگی استفاده از جریان در مرکز داده‌ها بیندازیم. ​

مراکز داده، جریان متناوب را از شبکه برق شهری یا یک تأمین‌کننده جریان (مانند ژنراتور) دریافت می‌کنند. جریان ورودی، به یک سوئیچ انتقال خودکار (‏ATS سرنام عبارت Automatic Transfer Switch)‏ و ابزارهای سوییچینگ متصل می‌شود. به‌منظور افزایش کارایی سوییچینگ، منابع را به دو دسته مهم و غیرمهم تقسیم کرده و تنظیمات سوییچینگ متفاوتی را برای هر دسته در نظر می‌گیریم. معمولا از switchgear برای تغذیه و راه‌اندازی ترانسفورماتورها نیز استفاده می‌شود. ترانسفورماتورها تضمین می‌کنند که ولتاژ و آمپراژ جریان متناوب ورودی به مرکز داده در سطح مناسبی قرار دارد یعنی درصورتی‌که سطح ولتاژ بالاتر از میزان موردنیاز باشد آن را کاهش و چنانچه سطح ولتاژ پایین‌تر از حد موردنیاز باشد آن را افزایش می‌دهند. بر این اساس ترانسفورماتورها به دودسته افزاینده و کاهنده تقسیم می‌شوند.

جریان خروجی از ترانسفورماتور به بورد توزیع اصلی (‏MDB سرنام عبارت Main Distribution Board)‏ منتقل می‌شود. MDB‍ها محفظه‌هایی هستند که فیوزها، مدارشکن‍ها (دژنکتورها) و کلیدهای محافظ جان را در خود جای‌داده‌اند. هدف MDB انتقال برق ولتاژ پایین و توزیع آن به دستگاه‌های مختلف درون یک مرکزداده‌ است. سیستم تأمین برق بی‌وقفه (‏UPS سرنام عبارت Uninterruptible Power Supply) یک نمونه از این موارد ‏است.

شکل2: چند نمونه UPS

سیستم‌های UPS به دلایل مختلفی در مرکزداده استفاده می‌شوند. اولین دلیل این است که کیفیت جریان متناوب را افزایش داده و برق به‌اصطلاح تمیز را در مرکز داده توزیع می‌کنند تا اطمینان حاصل شود که مشکلاتی مانند ضربه‌های الکتریکی تأثیر مخرب بر تجهیزات فن‌آوری اطلاعات نمی‌گذارد. جریان تمیز از UPS به تعدادی مدارشکن وارد می‌شود. هر یک از مدارشکن‌ها به مدارهای الکتریکی اختصاصی که مسئول تأمین انرژی رک‌های اجاره‌ای (کولوکیشن) هستند، متصل می‌شوند. سرورها، وسایل ذخیره‌سازی، سخت‌افزار شبکه و دیگر تجهیزات فن‌آوری اطلاعات انرژی موردنیاز خود را از طریقPDUها (پریز یا چندراهی) متصل به این مدارها به دست می‌آورند.

شکل3: نمونه ای از چندراهی برق قابل نصب در رک

سیستم‌های UPS، علاوه بر ارتقای کیفیت جریان برق، برای ذخیره‌سازی الکتریسیته در باتری‌ها نیز مورداستفاده قرار می‌گیرند. این باتری‌های پشتیبان بسیار شبیه باتری‌ ماشین هستند. بسته به‌اندازه سیستم، ممکن است ده‌ها یا حتی صدها باتری پشتیبان به یک UPS متصل باشد. چون الکتریسیته ذخیره‌شده در باتری‌ها از نوع مستقیم است بنابراین باید از اینورتر برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم قابل ذخیره‌سازی در باتری، استفاده نمود.

در صورت قطع شدن برق، سیستم UPS با استفاده از اینورترها جریان مستقیم ذخیره‌شده در باتری‌ها را به جریان متناوب تبدیل می‌کند تا مرکزداده‌ بتواند شرایط عملیاتی خود را حفظ کند. این امر شامل تأمین انرژی سرورها و تجهیزات مرتبط در رک‌ها و همچنین سیستم‌های حساس و مهم مانند چیلرها، واحدهای تهویه مطبوع، اطفای حریق، روشنایی و امثال این‌ها می‌باشد. به‌منظور صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌توان مقدار جریان تخصیص‌یافته به سیستم‌ها را کاهش داده یا به‌طور کامل قطع نمود. جهت آشنایی بیشتر با سیستم‍های توزیع انرژی در مرکزداده به اینجا مراجعه نمایید.​

یک سیستم UPS تا چه مدت قادر به تأمین انرژی مرکز داده است؟

پاسخ ساده است. حداقل تا زمانی که دیزل ژنراتورهای پشتیبان راه‌اندازی شده و تأمین برق مرکز داده را به عهده گیرند؛ که معمولاً بین ۱۰ تا ۲۰ دقیقه طول می‌کشد. در این هنگام، ATS افت توان را تشخیص داده و بار را از UPS به دیزلژنراتورهای پشتیبان انتقال می‌دهد.

شکل4: چند نمونه دیزل ژنراتور

دیزل ژنراتورها انرژی موردنیاز مرکز داده‌ها را تأمین می‌کنند. لازم به ذکر است که جریان تولیدشده توسط آن‌ها همانند شبکه برق شهری از نوع جریان متناوب است. رسالت اصلی دیزل ژنراتورهای پشتیبان، حفظ حالت عملیاتی مرکز داده برای مدت طولانی‌تر است. طول این زمان به میزان سوخت ذخیره‌شده در محل سایت و نحوه سوخت‌رسانی به سایت بستگی دارد؛ که می‌تواند ساعت‌ها، روزها یا هفته‌ها طول بکشد.

آیا جریان مستقیم می‌تواند کارایی مراکز داده را افزایش دهد؟

شبکه برق بیشتر کشورهای صنعتی از نوع متناوب است. ولی نیاز فزاینده‌ای به استفاده از منابع برق مستقیم در انواع کاربردهای تجاری احساس می‌شود. جریان مستقیم را می‌توان از منابع انرژی پایدار مانند پنل‍‌های خورشیدی فتوولتائیک، انرژی باد، سلول‌های سوختی و ریزشبکه‌ها به دست آورد. برای استفاده از این نوع جریان در منازل، ساختمان‌های تجاری و مراکز داده ‌باید آن را به متناوب تبدیل نمود. ​

شرکت‌های بزرگ فعال در حوزه مخابرات مانند AT&T، Verizon، CenturyLink مدت‌هاست که از جریان مستقیم در دفاتر مرکزی خود استفاده می‌کنند. درواقع، تقریبا دفاتر مرکزی تمامی شرکت‌های مخابراتی، دارای یک نیروگاه برق ۴۸ ولت مستقیم جهت تأمین انرژی تجهیزات مخابراتی و سیستم‌های UPS خود هستند.​ ​​​​​​

این تمام ماجرا نیست. در سال ۲۰۱۶، گوگل توسعه و استفاده از یک منبع تغذیه رک ۴۸ ولتی را اعلام کرد. گوگل همچنین اعلام کرد که در حال همکاری با فیس‌بوک و شرکت‌های دیگر، برای توسعه بیشتر جریان مستقیم در پروژه محاسباتی باز است. آیا این خبر می‌توانست نویدبخش آینده‌ای روشن در این موضوع باشد؟ آیا مرکز داده‌ها می‌توانند با استفاده از جریان مستقیم، بازدهی انرژی خود را افزایش دهند؟ ​

داستان از اینجا جالب می‌شود. می‌دانیم که جریان متناوب را می‌توان با تلفات بسیار کم به فواصل دور انتقال داد. ولی این موضوع در مورد جریان مستقیم، صادق نیست و ممکن است خسارت زیادی متحمل شویم. بااین‌وجود، پیشرفت در فن‌آوری‌های جریان مستقیم، موجب سازگاری زیاد آن با مدارهای الکترونیکی مجتمع فشرده و الکترونیک قدرت شده ‌است که آن را کارآمدتر و دقیق‌تر می‌سازد. این مسئله به‌ویژه در مورد ولتاژهای کمتر از ۵۰ ولت و ولتاژهای صنعتی تا ۱۰۰۰ ولت صدق می‌کند. ​

همچنین، انتقال انرژی در یک مرکز داده‌ به خود ساختمان مرکز داده‌ محدود می‌شود. این امر باعث می‌شود که مفهوم تلفات حمل‌ونقل از اهمیت کمتری برخوردار باشد. بحث‌های زیادی در مورد سیستم‌های قدرت ولتاژ پایین و متوسط و نیز شبکه‌های ولتاژ بسیار پایین وجود دارد. منطق این است که اگر تلفات نیمه‌هادی در مبدل‌ها کاهش یابد، کل تلفات سیستم هنگام استفاده از جریان مستقیم کاهش می‌یابد و اینکه جریان مستقیم منجر به استفاده بهتر از ترانسفورماتورهای ولتاژ بالا و متوسط می‌شود. این امر باعث افزایش تقاضا بدون تغییر ترانسفورماتور می‌شود. همچنین دیگر لازم نیست چندین بار جریان‌های متناوب و مستقیم را به یکدیگر تبدیل نمود.

نتیجه‌گیری: پیشبرد بهره‌وری برق مرکز داده

ارائه‌دهندگان خدمات کولوکیشن، خدمات ابری و مالکان و اپراتورهای مرکز داده‌ها، مدام در حال بررسی راهکارهایی جهت افزایش بهره‌وری انرژی تجهیزات خود هستند. چون انرژی الکتریکی یکی از پرهزینه‌ترین نیازمندی‌های مراکز داده است، بنابراین به‌شدت موردتوجه فعالان این عرصه قرار دارد. ​توجه روزافزون به مراکز داده و توسعه منابع انرژی از قبیل منابع تجدید‍پذیر تأثیر شگرفی بر صنعت خواهد داشت. در چنین شرایطی آیا می‌توان به استفاده از جریان مستقیم در مراکز داده امیدوار بود؟ نظر شما چیست؟