模塊化UPS對比測試研究

陳 強(qiáng)，趙赟磊

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)上海有限公司）

當(dāng)前電信企業(yè)面臨的節(jié)能減排壓力越來越大。一是隨著IP化進(jìn)程加快，電信運(yùn)營商在向互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型過程中，數(shù)據(jù)設(shè)備大面積應(yīng)用，帶來最大的挑戰(zhàn)之一就是動(dòng)力能耗大幅提升；二是社會(huì)各界高度關(guān)注和重視節(jié)能減排工作，節(jié)能減排的呼聲日益高漲；三是工信部為促進(jìn)節(jié)能減排工作，加強(qiáng)行業(yè)管理，出臺(tái)了一系列節(jié)能減排政策，對節(jié)能減排工作提出了具體要求。

數(shù)據(jù)設(shè)備的供電基本采用UPS交流供電，因此UPS系統(tǒng)是IT數(shù)據(jù)中心機(jī)房節(jié)能減排中非常重要的組成部分。根據(jù)ICTresearch的統(tǒng)計(jì)顯示，機(jī)房用電分配比例中，供電系統(tǒng)本身的耗電占15%左右。換言之，UPS利用率的高低直接影響到機(jī)房耗電量的多少。用戶已逐漸意識到，傳統(tǒng)不間斷電源系統(tǒng)的體積龐大、維護(hù)困難等問題急需解決。因此，在很多機(jī)房改造過程中，更多的用戶開始考慮模塊化的UPS系統(tǒng)。為此，本文通過分析模塊化UPS性能參數(shù)和可靠性測試數(shù)據(jù)，研究提出了模塊化UPS的引入策略和應(yīng)用方案。

1 測試項(xiàng)目的目的和依據(jù)

模塊化UPS與傳統(tǒng)UPS相比有兩個(gè)不同，此次測試項(xiàng)目主要針對以下兩點(diǎn)不同來確定。

（1）模塊化：使得UPS系統(tǒng)并機(jī)數(shù)量大大增加，環(huán)流和故障保護(hù)問題可能突出。

（2）高頻化：使得模塊化UPS輸出不再必須配置升壓變壓器，導(dǎo)致附加的隔離功能消失，可能引起零地電壓的升高。

此次測試的項(xiàng)目分常規(guī)項(xiàng)目和對模塊化UPS有針對性的項(xiàng)目以及一些特別測試項(xiàng)目。

——常規(guī)的項(xiàng)目有電氣性能檢測、三相不平衡負(fù)載能力試驗(yàn)、輸出過載試驗(yàn)、旁路過載能力、并機(jī)負(fù)載電流不均衡度、UPS不同工作模式間相互切換試驗(yàn)、分擔(dān)負(fù)載試驗(yàn)等。

——針對模塊化UPS的項(xiàng)目有UPS系統(tǒng)零線電流及零地電位差測量、熱插拔模塊的并機(jī)、主控模塊切換試驗(yàn)、模塊輸出并聯(lián)開關(guān)在線斷開及開機(jī)運(yùn)行閉合試驗(yàn)等。

——特別項(xiàng)目有通訊并機(jī)線損壞模擬試驗(yàn)、斷開輸入零線的情況下的零地電位差測試。

測試的目的是為了全方位的驗(yàn)證模塊化UPS的技術(shù)成熟度、運(yùn)行參數(shù)和保護(hù)性能，從而對模塊化UPS的安全性、經(jīng)濟(jì)型有定量定性的全面認(rèn)識。

2 測 試

此次測試的對象共有三個(gè)品牌，分別是Newave能威、艾默生和先控，其中能威是瑞士原裝進(jìn)口，通過代理商將測試機(jī)組運(yùn)到怒江機(jī)房進(jìn)行現(xiàn)場測試，艾默生和先控均為國產(chǎn)機(jī)型，分別在深圳和石家莊的廠商實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試，見表1。

表1 測試對象和地點(diǎn)

經(jīng)過為期數(shù)月的三輪測試，測試結(jié)果如下：

（1）常規(guī)測試

在負(fù)載率正常工作區(qū)間，考慮到冗余的因素，模塊化UPS和高壓直流取75%，傳統(tǒng)UPS取15%（見表2）。

表2 測量數(shù)據(jù)

（2）三相不平衡測試：三種機(jī)型模塊化UPS均能在輸出嚴(yán)重不平衡的情況下正常工作。

（3）輸出過載測試：在過載的情況下，三種機(jī)型模塊化UPS均能自動(dòng)轉(zhuǎn)旁路工作或自動(dòng)關(guān)機(jī)并有聲光告警。

（4）并機(jī)負(fù)載不均衡度（環(huán)流）測試結(jié)果見表3。

（5）零地電壓測試結(jié)果見表4。

（6）工作模式切換測試：三種機(jī)型模塊化UPS均切換正常。

（7）并機(jī)通信線損壞測試結(jié)果見表5。

表3 環(huán)流測量數(shù)據(jù)

表4 零地電壓測量數(shù)據(jù)

表5 并機(jī)模式

（8）模塊熱插拔測試：三種機(jī)型模塊化UPS均能正常熱插拔。

（9）主控模塊切換測試：三種機(jī)型模塊化UPS均切換正常。

（10）發(fā)熱測試結(jié)果見表6。

表6 溫度測量數(shù)據(jù)

3 應(yīng) 用

（1）針對不同設(shè)備具有的不同工作效率，先對100 k VA單位容量的不同設(shè)備的自身能耗進(jìn)行了對比（見表7）。

表7 能耗對比

由表7可以看出，普通UPS設(shè)備和高壓直流設(shè)備的能耗相差不大，而模塊化UPS設(shè)備的能耗約為普通UPS和高壓直流設(shè)備的一半。據(jù)此推算，如果上海現(xiàn)有的18 980 k VA的UPS均換成模塊化設(shè)備，按照30%負(fù)載率，每年可節(jié)省702萬k WH，如果加上空調(diào)附加的能耗可節(jié)省1 048萬k WH。

（2）對不同的電源設(shè)備進(jìn)行綜合性能對比（見表8）。

表8 綜合對比

（3）進(jìn)行功率密度的對比（見表9）。

表9 功率密度對比

（4）進(jìn)行投資對比（見表10）。

表10 價(jià)格對比

經(jīng)過上述各方面對比，首先在價(jià)格上，相同容量的電源設(shè)備，模塊化UPS和高壓直流設(shè)備基本持平，與普通1＋1冗余的UPS相比價(jià)格持平或略低一些。

考慮到模塊的冗余需要，一般設(shè)備工作在75%負(fù)載率，所以必須多增加25%的冗余投資。因此，模塊化UPS和高壓直流設(shè)備基本持平，比普通1＋1冗余的UPS價(jià)格稍貴或持平，比普通單機(jī)UPS價(jià)格貴一倍以上，但是卻比T4標(biāo)準(zhǔn)要求的2 N＋1標(biāo)準(zhǔn)的普通UPS便宜一半。

如果加上配套的配電屏、開關(guān)和電纜，因?yàn)橹绷鏖_關(guān)的價(jià)格比相同容量的交流開關(guān)的價(jià)格高4到5倍，同時(shí)因?yàn)楦邏褐绷鞯碾妷旱燃壉容^低（240伏或336伏），相同功率下其電流要大得多，因此也必須相應(yīng)配備更大線徑的電纜，其總成本要翻一倍，所以綜合下來高壓直流設(shè)備的價(jià)格要遠(yuǎn)高于模塊化UPS設(shè)備。

除了價(jià)格上的劣勢，高壓直流設(shè)備在目前技術(shù)條件下，經(jīng)過測試，其能耗與普通UPS持平，基本不節(jié)能。同時(shí)高壓直流設(shè)備還有一個(gè)致命缺點(diǎn)，就是模塊功率密度很小，同樣的功率要求下，一套模塊化UPS能滿足需要，高壓直流設(shè)備則需要安裝3套同樣裝機(jī)面積的設(shè)備，不但浪費(fèi)了機(jī)房空間，還會(huì)大大增加供電系統(tǒng)的復(fù)雜度。

4 模塊化UPS應(yīng)用策略

表11、圖1將每100 k VA的UPS設(shè)備全生命周期成本進(jìn)行計(jì)算對比。

表11 全生命周期成本對比

圖1 全生命周期成本圖

通過表5～表9，單純從首次投資成本角度我們可以看出前期成本由底到高的次序是：普通UPS（單機(jī)），普通 UPS（1＋1），模塊化 UPS，高壓直流，普通UPS（2 N＋1）。

從全生命周期總成本由低到高的次序是：普通UPS（單機(jī)），模塊化 UPS，高壓直流，普通 UPS（1＋1），普通 UPS（2 N＋1）。

綜合各種UPS設(shè)備在投資可控性、安全性、占地面積等因素，提出以下應(yīng)用策略：

（1）單機(jī)場景：使用傳統(tǒng)UPS單機(jī)

依據(jù)：對于非重要通信保障，UPS單機(jī)無論是CAPEX還是TCO都是最經(jīng)濟(jì)的。

（2）雙電源供電：根據(jù)投資預(yù)算的多少使用1＋1 UPS或模塊化UPS或者高壓直流設(shè)備

依據(jù)：a.目前CAPEX上傳統(tǒng)設(shè)備和模塊化設(shè)備有比較大的差距，但是從TCO角度還是模塊化設(shè)備更經(jīng)濟(jì)；b.據(jù)統(tǒng)計(jì)，UPS價(jià)格平均每年下降5.6%左右，高壓直流設(shè)備價(jià)格則受配套設(shè)備限制，隨著大量應(yīng)用則會(huì)下降更快，屆時(shí)將徹底取代傳統(tǒng)設(shè)備；c.實(shí)際負(fù)載從裝機(jī)到接近預(yù)期負(fù)荷，一般要經(jīng)過數(shù)年時(shí)間，可以通過模塊化設(shè)備擴(kuò)容的便利性，根據(jù)實(shí)際需求分期投資，還可以解決傳統(tǒng)UPS長期超低負(fù)載率的空耗問題。

（3）雙冗余供電（2 N＋1）：使用模塊化 UPS或高壓直流設(shè)備

依據(jù)：從CAPEX上傳統(tǒng)設(shè)備和模塊化設(shè)備相差不多，但是TCO相差懸殊。

模塊化設(shè)備可以將UPS放置在機(jī)房機(jī)架內(nèi)進(jìn)行分布式供電，有著模塊冗余，同時(shí)省掉了二級配電屏和相應(yīng)的配電線路，可以單機(jī)運(yùn)行，更經(jīng)濟(jì)。分布式供電還可以降低大范圍故障概率，通信保障更安全。

5 結(jié)束語

模塊化是未來通信設(shè)備發(fā)展的趨勢，模塊化UPS不但可以解決傳統(tǒng)UPS的缺點(diǎn)，而且可以更方便實(shí)現(xiàn)電源由集中式向分布式過渡。隨著國家節(jié)能減排政策的不斷頒布實(shí)施，政策優(yōu)惠以及補(bǔ)貼將會(huì)在未來一段時(shí)間內(nèi)，影響到節(jié)能減排產(chǎn)品的市場發(fā)展。模塊化UPS作為數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排設(shè)備的重要組成部分，將迎來良好發(fā)展機(jī)遇。根據(jù)ICtresearch預(yù)測，未來三年模塊化UPS將以10%以上的速度增長，模塊化UPS的發(fā)展將步入快車道。

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［3］ 張穎超，楊貴恒，常思浩，徐國家.UPS原理與維修［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

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