交流UPS與直流240 V供電系統(tǒng)投資與運行成本比較分析

黃藝云，張 民

（1.中國電信湖北公司網(wǎng)絡運行維護部；2.湖北省郵電規(guī)劃設計院）

0 引 言

直流240 V供電系統(tǒng)是中國電信的一項技術創(chuàng)新，用來取代傳統(tǒng)交流UPS，為使用220 V交流電的計算機類網(wǎng)絡設備、通信設備提供高可靠性的不間斷供電。與傳統(tǒng)交流UPS相比，直流240 V供電系統(tǒng)具有更高的可靠性，更好的可維護性，以及更高的運行效率，因此得到了迅速推廣。本文對傳統(tǒng)交流UPS供電系統(tǒng)與直流240 V供電系統(tǒng)在投資和運行成本上進行了比較和分析，數(shù)據(jù)均基于中國電信湖北公司已建工程項目實際發(fā)生費用和在網(wǎng)運行系統(tǒng)使用情況。其中，系統(tǒng)一是2008年建設的位于武漢電信營房村二樞紐19層的300 k VA UPS 1＋1供電系統(tǒng)，系統(tǒng)二為2011年建設的位于武漢電信江夏IDC機樓的1 000 A直流240 V供電系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)為同一供應商提供。

1 供電能力評估

供電能力按可滿足標準服務器機柜數(shù)量評估。

1.1 交流UPS系統(tǒng)

按照300 k VA UPS安全運行輸出能力計算，1套300 k VA UPS 1＋1系統(tǒng)實際可輸出能力為192 k W，可滿足IDC機房64架服務器機柜用電所需（單機柜耗電量以3 k W計算）；1套300 k VA UPS 2＋1系統(tǒng)可滿足IDC機房128架服務器機柜用電所需。

1.2 直流240 V系統(tǒng)

1套1 000 A直流240 V系統(tǒng)最大可輸出電流760 A（系統(tǒng)扣減備用模塊2塊，蓄電池配置2組2 000 Ah，充電電流按20小時率計算），輸出功率為760 A×270 V＝205 k W，可滿足68架服務器機柜使用，2套1 000 A直流240 V系統(tǒng)可滿足137架服務器機柜使用。

綜上，1套300 k VA UPS 1＋1系統(tǒng)與1套1 000 A直流240 V系統(tǒng)的供電能力基本相當，1套300 k VA UPS 2＋1系統(tǒng)與2套1 000 A直流240 V系統(tǒng)的供電能力基本相當。

2 設備占地面積

2.1 交流UPS系統(tǒng)

營房村19層300 k VA UPS 1＋1供電系統(tǒng)包括2臺300 k VA UPS主機、1面輸入配電屏、2面電池開關柜、2面輸出配電屏和6組200 Ah蓄電池組，總占地面積為15.67平方米；300 k VA UPS 2＋1供電系統(tǒng)包括3臺300 k VA UPS主機、1面輸入配電屏、3面電池開關柜、2面輸出配電屏和9組200 Ah蓄電池組，總投影面積為22.97 m2。

2.2 直流240 V系統(tǒng)

江夏IDC機房一套1 000 A直流240 V系統(tǒng)包括1面交流配電屏、2面直流配電屏、3架整流機架、2組2 000 Ah蓄 電 池，總 投 影 面 積 為16.80 m2，2 套1 000 A直流240 V系統(tǒng)設備投影面積為33.60 m2。

2.3 設備投影面積比對表

UPS系統(tǒng)和高壓直流系統(tǒng)投影面積比對表如表1。

表1 設備投影面積比對表

3 配套高低壓系統(tǒng)投資

在配套高低壓系統(tǒng)投資上，交流UPS系統(tǒng)和直流240 V系統(tǒng)沒有差別，本文從最近建設的武漢電信江夏IDC工程提取數(shù)據(jù)。

高低壓系統(tǒng)設備部分的投資相對固定，但外供電引入部分不同項目，其投資有較大的差別。外供電引入部分投資的多少與IDC機房用電量、高低壓室改建與否、供電開閉所至IDC機房的距離、高壓電纜布放路由是否暢通等諸多因素有關。

江夏IDC機房高低壓部分投資共包括5 000 k VA高壓單路引入、2臺2 500 k VA變壓器、8面高壓柜、20面低壓柜以及新建高、低壓室。總投資約800萬元左右，平均每k VA造價約0.16萬元。

300 k VA 1＋1 UPS系統(tǒng)在高、低壓配電部分的投資約為：0.16萬元／k VA×300 k VA×0.8／0.87／0.95＝46.46萬元；其中0.8為輸出功率因數(shù)，0.87為 UPS效率，0.95為輸入功率因數(shù)。

直流240 V系統(tǒng)輸入功率因數(shù)0.99，效率0.93，則1 000 A直流240 V系統(tǒng)在高、低壓配電部分的投資為：0.16萬 元／k VA×270 V×1 000 A／0.93／0.99／1 000＝46.92萬元。

4 配套油機投資

4.1 交流UPS系統(tǒng)

由于UPS設備諧波反饋以及負載電流突變等因素，傳統(tǒng)UPS設備與油機的容量配比一般為1.5～3，評估中取值為2。一套300 k VA UPS 1＋1系統(tǒng)，油機容量配置為384 k W（取UPS的最大負載率為80%）；一套300 k VA UPS 2＋1系統(tǒng)，油機容量配置為768 k W。

江夏IDC機房油機設備為一臺1 800 k W柴油發(fā)電機組，工程總投資410萬元左右，平均每k W造價為0.23萬元，UPS系統(tǒng)在油機部分的投資為384（768 k VA）×0.23萬元／k VA＝88.32（176.64）萬元。

4.2 直流240 V系統(tǒng)

直流240 V系統(tǒng)與油機容量的配比可按1∶1.1配置，故1套1 000 A直流240 V系統(tǒng)，油機容量配置約為297 k W；2套1 000 A系統(tǒng)，油機設備容量配置約為594 k W。

直流240 V系統(tǒng)配套油機部分投資為297（594 k VA）×0.23萬元／k VA＝68.31（136.62）萬元。

5 電力室空調投資

從主設備及蓄電池設備的投影面積來看，兩種電源系統(tǒng)設備占用機房面積基本相當且面積不大，為簡化電力室空調部分投資計算比對過程，本文忽略電力室環(huán)境部分的發(fā)熱量統(tǒng)計。

5.1 交流UPS系統(tǒng)

交流UPS設備實際工作效率大約在87%左右，1套300 k VA UPS 1＋1系統(tǒng)，UPS設備發(fā)熱量大約為29 k W，通常配置12.5 k W小型機房專用空調3臺；1套300 k VA UPS 2＋1系統(tǒng)，UPS設備發(fā)熱量大約為58 k W，通常配置12.5 k W小型機房專用空調5臺。

按目前12.5 k W小型機房專用空調的采購價格，UPS系統(tǒng)在小型空調部分的投資為3（5）×2.5＝7.5（12.5）萬元。

5.2 直流240 V系統(tǒng)

直流240 V系統(tǒng)效率值按93%計算，1套1 000 A直流240 V系統(tǒng)設備發(fā)熱量為16 k W，需要配置12.5 k W小型機房專用空調2臺；2套1 000 A系統(tǒng)需要配置12.5 k W小型機房專用空調3臺。

直流240 V系統(tǒng)在小型空調部分的投資為2（3）×2.5＝5（7.5）萬元。

6 IDC機房空調投資

IDC機房空調配置依據(jù)設備發(fā)熱量和環(huán)境發(fā)熱量綜合統(tǒng)計，根據(jù)經(jīng)驗值，1 k W設備需要配置1.1～1.2 k W制冷量的空調，而目前使用的50 k W機房專用空調設備價格大約為11萬元左右，由此可測算出1 k W負載設備分攤空調部分投資約為0.24萬元。

6.1 UPS系統(tǒng)

300 k VA 1＋1 UPS系統(tǒng)可滿足64架設備使用，則機房空調配置數(shù)量為64×3×1.1 k W＝211.2 k W，空調投資為211.2 k W×0.24＝50.69萬元。

同理可計算出300 VA 2＋1系統(tǒng)配套IDC機房空調投資為101.38萬元。

6.2 直流240 V系統(tǒng)

一套1 000 A直流240 V系統(tǒng)為68架設備供電，則機房空調配置數(shù)量為68×3×1.1 k W＝224.4 k W，空調投資為224.4 k W×0.24萬元／k W＝53.87萬元。

同理可計算出二套1 000 A直流240 V系統(tǒng)配套IDC機房空調投資為108.5萬元。

7 電源空調配套工程一次性總投資

綜上得出電源空調配套工程一次性總投資比較如表2所示。

表2 電源空調配套工程一次性總投資對比

8 電源空調配套工程單機柜年度分攤投資

由于各種設備的使用、運行年限不一，僅用一次性投資來比較UPS系統(tǒng)及直流240 V系統(tǒng)的投資額顯然不合理。以下按照通信電源維護規(guī)程規(guī)定的各種設備、材料的有效使用年限，采用單機柜每年度分攤投資來比較（見表3）。

表3 各設備使用年限

計算公式：（高低壓設備投資／20＋油機設備投資／10＋…＋電纜投資／20）／機柜數(shù)量＝單機柜年度分攤建設投資。由此得出單機柜年度分攤投資額，如表4所示。

表4 單機柜年度分攤投資

9 運行電費成本

9.1 供電系統(tǒng)的電費

取供電系統(tǒng)為每機柜提供3 k W功率時所產(chǎn)生的電費來比較。電費單價按武漢電信當前發(fā)生的0.95元／度來計算。

300 k VA 1＋1 UPS系統(tǒng)電費＝0.95元／k Wh×3 k W／0.87×24 h×365＝28 696.55元／年／機架

其中0.87為UPS系統(tǒng)效率。

1 000 A直流240 V系統(tǒng)電費＝0.95元／k Wh×3 k W／0.93×24 h×365＝26 845.16元／年／機架

其中0.93為直流240 V系統(tǒng)效率。

9.2 電力室空調的電費

不同的供電電源導致電力室配置的空調數(shù)量不同，從而使電力室空調電費產(chǎn)生差異。

使用300 k VA 1＋1 UPS系統(tǒng)的電力室空調電費分攤到單機柜＝0.95元／k Wh×5 k W×3×24 h×150／64＝801.56元／年／機架。

其中5 k W為電力室空調耗電量（能效比2.5），3為空調配置臺數(shù)，150為一年大約運行天數(shù)。

使用直流240 V系統(tǒng)電力室空調電費分攤到單機柜＝0.95元／k Wh×5 k W×2×24 h×150／68＝502.94元／年／機架。

其中5 k W為電力室空調耗電量（能效比2.5），2為空調配置臺數(shù)，150為一年大約運行天數(shù)。

同理，我們可以計算出300 k VA 2＋1 UPS以及2套1 000 A直流240 V系統(tǒng)電力室空調所用電費分攤至單機柜的電費，分別為667.97元和374.45元。

9.3 IDC機房空調電費成本

IDC機房空調電費成本也應包含在每個機柜的電費成本中。由于IDC機房空調配置數(shù)量與使用何種電源設備無關，故該部分的電費支出一致。

IDC機房空調電費＝0.95元／k Wh×24 h×365×211 k W／2.5／64＝10 974.64元／年／機架

9.4 單機柜年度電費合計

單機柜電費年度合計＝電源設備電費＋電力室空調電費＋IDC機房空調電費，如表5所示。

表5 單機柜年度電費合計表 （單位：k WA）

10 結 論

根據(jù)上述對具有相當供電能力的交流UPS系統(tǒng)和直流240 V系統(tǒng)的投資和運行費用的比較，可以得到：

（1）1 000 A直流240 V系統(tǒng)在配套電池投資達到300 k VA UPS 1＋1系統(tǒng)配套電池投資的2倍，同時供電能力高4個機柜的情況下，一次性總投資仍節(jié)省12.5%。配套電池的配置，UPS按0.5～1小時率設計，240 V直流按2～3小時率設計。今后240 V直流可按1～2小時率設計，其投資優(yōu)勢會更明顯。

（2）1 000 A直流240 V系統(tǒng)比300 k VA UPS 1＋1系統(tǒng)供電的單機柜年度分攤投資節(jié)省25%，優(yōu)勢十分明顯。

（3）1 000 A直流240 V系統(tǒng)比300 k VA UPS 1＋1系統(tǒng)供電的單機柜年度電費節(jié)省5%。

（4）以上分析基于供電能力相當?shù)腢PS和直流240 V系統(tǒng)的經(jīng)濟性比較。由于UPS系統(tǒng)的可靠性達不到電信級要求，實際上電信機房大量使用兩套1＋1 UPS對負載提供冗余供電，以提高供電的可靠性。而此時UPS的負載率下降到30%左右，電源設備和蓄電池的投資翻倍，經(jīng)濟性大幅下滑。