前言

在電信、金融、能源等行業(yè)，交流負(fù)載設(shè)備用電的可靠性主要靠UPS設(shè)備來提供，特別是在一些大型數(shù)據(jù)中心，需要使用很多大型UPS設(shè)備。一直以來，由于受到技術(shù)發(fā)展的限制，UPS多采用傳統(tǒng)的形式，近年來，其TCO越來越受到用戶的質(zhì)疑。模塊化UPS正是為解決傳統(tǒng)式UPS的局限性、提高其TCO而發(fā)展起來的一種新型UPS。

1、TCO的概念和組成要素

1.1 TCO概念

TCO：Total Cost of Ownership，總體擁有成本。

1.2 TCO組成要素

圖1 總擁有成本組成要素

CAPEX:Capital expenditure，指資金、固定資產(chǎn)的投入。

OPEX:Operating expense,指的是企業(yè)的管理支出。

1.3 TCO應(yīng)用

提供決策依據(jù)：通過分析總擁有成本，輸出相關(guān)財務(wù)指標(biāo)，建立財務(wù)分析模型；

保護(hù)投資：利用模型比較結(jié)果，找到最優(yōu)選擇方案，規(guī)避風(fēng)險，快速盈利；

輔助業(yè)務(wù)規(guī)劃和分析：通過分析總投資，為投資策略參考；

運營監(jiān)控：綜合市場情況進(jìn)行分析，改善和提升關(guān)鍵業(yè)績指標(biāo)。

模塊化UPS對TCO的影響分析

1.4 模塊化UPS實物圖

圖2 模塊化UPS實物圖

1.5 模塊化UPS的分類

模塊化ＵＰＳ目前主要分為兩種類型：

第一種類型模塊化ＵＰＳ由機(jī)架、功率模塊、旁路模塊、監(jiān)控模塊組成。其中功率模塊包括整流、逆變器等部分。各功率模塊獨立控制并聯(lián)運行。

第二種類型模塊化ＵＰＳ由機(jī)架、單體模塊構(gòu)成，每個單體模塊內(nèi)都裝有整個ＵＰＳ電源與控制電路，包括整流器、逆變器、靜態(tài)旁路開關(guān)及附屬的控制電路、ＣＰＵ主控板。每個ＵＰＳ模塊都有獨立的管理顯示屏。

相對目前行業(yè)發(fā)展而言，中大功率模塊化UPS多采用第一種類型，小功率模塊化UPS多采用第二種類型，而且兩種類型UPS的共同特點是功率變換部分是獨立控制的，而且能實現(xiàn)Ｎ+Ｘ并聯(lián)，從而保證模塊化UPS的可靠性。

1.6 模塊化UPS的特性和對TCO的影響

1.6.1 模塊化UPS對機(jī)會成本的影響

模塊化UPS并聯(lián)冗余，可靠性高，降低供電風(fēng)險。

在傳統(tǒng)ＵＰＳ產(chǎn)品中，最早是用UPS單機(jī)供電(如圖3所示),隨后用戶保障安全一般采用的是“１+１”或“Ｎ+１”并聯(lián)冗余方式（如圖4所示）。

圖3  傳統(tǒng)UPS單機(jī)供電系統(tǒng)示意圖

圖4  UPS(n+1)并聯(lián)冗余供電系統(tǒng)示意圖

模塊化ＵＰＳ具有Ｎ+Ｘ的架構(gòu)特性（參考圖5）。

圖5 模塊化UPS架構(gòu)圖

從系統(tǒng)論的角度看，應(yīng)該消除系統(tǒng)方案的公共故障點，局部的得失不影響系統(tǒng)的方案才是優(yōu)秀的。傳統(tǒng)UPS單機(jī)供電，當(dāng)UPS本身出現(xiàn)故障時,就造成負(fù)載的供電中斷,可靠性低；并機(jī)系統(tǒng)雖然解決了單機(jī)系統(tǒng)沒有冗余的缺點，但是還存在如下缺點：

1、需要額外增加均流電路和同步控制器；

2、冗余少，運行效率低：目前多數(shù)行業(yè)ＵＰＳ電源的運行方式，主要是１+１或２+１的并聯(lián)結(jié)果，這意味著該方案的容錯率或冗余只有一次。

如果單個系統(tǒng)的可靠性為r，則N+X冗余系統(tǒng)的可靠性公式如下：

(公式1)

假設(shè)一個單機(jī)ＵＰＳ和一個模塊ＵＰＳ的可靠性R１＝０.９９，即故障率為１％，那么一個８０ＫＶＡ的單機(jī)ＵＰＳ可靠性就是０.９９，而８０ＫＶＡ的模塊ＵＰＳ，如果每個模塊為１０ＫＶＡ，就是７+１的組合，這時的可靠性R（７+１）就是：

Ｒ（７+１）＝0.99731

可建，這時模塊化ＵＰＳ可靠性比單機(jī)是幾乎提高了１０倍。

如果采用６+２組合，其可靠性Ｒ６+２就是：

Ｒ（６+２）＝0.9999461

此時可靠性比單機(jī)是幾乎提高了１００倍。

而且，隨著負(fù)載的減少，可靠性還會增大。假如負(fù)載低于５０ＫＶＡ，就可以使５+３的組合，可算出故障率比單機(jī)時降低１０００倍。這是單機(jī)ＵＰＳ無論如何都無法做到的，并機(jī)1+1系統(tǒng)的可靠性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及。

可靠性做為UPS最重要的指標(biāo)，對客戶的機(jī)會成本影響巨大，它會降低客戶的營收損失，增加了客戶的商業(yè)機(jī)會，減少了客戶流失，并隨之降低了維修成本和服務(wù)成本等。

1.6.2 模塊化UPS對客戶設(shè)備成本的影響

只從產(chǎn)品的價格看，單臺模塊化UPS系統(tǒng)的價格大約比傳統(tǒng)UPS高20%，但這樣對比對模塊化UPS并不公平。如模塊化UPS具有N+X的冗余性，而傳統(tǒng)UPS要實現(xiàn)冗余性，至少需要兩臺以上的設(shè)備才行。例如，某中心機(jī)房要配置40KVA的UPS系統(tǒng)，選用模塊化UPS和傳統(tǒng)UPS，可靠性和成本等的對比，參見表1。

備注：計算根據(jù)公式1。

根據(jù)表1，可以看出，模塊化UPS的成本介于傳統(tǒng)單機(jī)和2個單機(jī)并聯(lián)的的成本之間。但是其可靠性會隨著負(fù)載的降低而急劇增大。如何客戶負(fù)載介于50%和75%負(fù)載范圍內(nèi)，模塊化UPS的可靠性是單機(jī)的1000倍，是單機(jī)1+1冗余的10倍；如果客戶負(fù)載介于25%和50%的范圍內(nèi)，模塊化UPS的可靠性是傳統(tǒng)UPS的10000倍，是傳統(tǒng)UPS1+1冗余方案的1000倍。而根據(jù)市場運行情況調(diào)查顯示，客戶常用負(fù)載基本在25%和75%的范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)，模塊化UPS的可靠性比傳統(tǒng)單機(jī)1+1冗余方案高的多，并且成本也低。基本上，我們可以得出結(jié)論：模塊化UPS具備最優(yōu)的性價比。

“邊成長,邊投資”是模塊化UPS的特點之一。在信息機(jī)房供電系統(tǒng)建設(shè)初期，會對UPS的容量需求產(chǎn)生不準(zhǔn)確的、過低或過高的估計。如果采用傳統(tǒng)UPS，配置低了，不滿足需求而且很難升級；配置高了，會造成投資的浪費。模塊化UPS能夠給用戶帶來更好的可擴(kuò)展性，可以將很多模塊進(jìn)行并聯(lián)使用，并且相同功率的模塊可以任意組合，可以方便地安裝和擴(kuò)容。意味著客戶可以合理配置，使現(xiàn)階段投資的每一分錢都不浪費，而且未來的擴(kuò)容又有保障，并且擴(kuò)容成本又低。

1.6.3 模塊化UPS對客戶部署成本的影響

單就模塊UPS和傳統(tǒng)機(jī)型的比較，模塊UPS具有高的功率密度，所以模塊化UPS在物理尺寸和整機(jī)重量比傳統(tǒng)機(jī)型有絕對優(yōu)勢，以ZXUPSE T080系列中的120KVA模塊化UPS為例：其機(jī)架尺寸為600×800×2000（寬×深×高，單位mm），重量不超過300KG。傳統(tǒng)UPS采取1+1并機(jī)方式，重量為1400KG，和模塊化UPS對比。

1.模塊化UPS為用戶節(jié)約安裝成本

由于模塊化UPS的體積較小，重量較輕，即使不需要特殊的設(shè)備，安裝人員也可以很方便的進(jìn)行安裝，而傳統(tǒng)UPS必須要借用工具，如起重機(jī)等，安裝難度和成本大大增加。

2.模塊化UPS為互用節(jié)約土建成本

模塊化UPS為用戶節(jié)省大量的機(jī)房投資、承重加固投資。

3.模塊化UPS為用戶節(jié)約設(shè)備運輸成本

以深圳到北京為例，模塊化UPS可節(jié)約運費。

1.6.4 模塊化UPS對客戶運營成本的影響

1．綠色環(huán)保節(jié)能

效率高是模塊化UPS一大特點。逆變效率98%以上，整機(jī)效率96%，節(jié)約電能。

目前通信行業(yè)傳統(tǒng)UPS電源的運行方式，主要是1+1或2+1的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，這意味者該方案的容錯率或冗余只有一次；同時由于并聯(lián)數(shù)量少，以1+1方式為例，每個單機(jī)的輸出功率不能超過其額定功率的50%，如果再考慮冗余和維護(hù)時的因素，實際只能運行在其額定功率的30%左右，而傳統(tǒng)UPS電源的運行效率只有達(dá)到額定功率的50%～80%為最佳，再考慮2臺設(shè)備的并聯(lián)工作方式，其實際的運行效率從90%左右已降低到70%。而模塊化UPS可以采取根據(jù)負(fù)載的情況，使部分模塊休眠，來提高客戶常用負(fù)載的效率，對于客戶常用負(fù)載，可保持95%以上的效率，并且可靠性不降低。

圖6 傳統(tǒng)UPS和模塊化電費對比

注：以上數(shù)據(jù)在負(fù)載18KW的條件下計算，電費0.8元/度。

環(huán)保就是沒有污染。污染又分為自然環(huán)境的污染、電氣環(huán)境的污染。模塊化結(jié)構(gòu)可以降低這兩種污染。

自然環(huán)境的污染主要包括聲音污染和大氣污染。由于模塊化結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)都是高頻化結(jié)構(gòu)，工作頻率都在20kHz以上，這超出了人的聽覺范圍，所以這時UPS不會像工頻機(jī)那樣，變壓器和電抗器都發(fā)出令人心煩意亂的噪音，影響工作情緒。至于大氣污染，值得一提的是，模塊化UPS都要符合RoHS指令。

在降低電氣環(huán)境的污染方面，高頻化模塊UPS的輸入功率因數(shù)都在0.99以上，這對電網(wǎng)而言幾乎是線性負(fù)載，基本不破壞市電電網(wǎng)電壓的正弦波形，諧波含量小于5%。因此，電網(wǎng)中由模塊化UPS引起的高次諧波干擾幾乎不用考慮。減少了線路上損耗，提高了電源利用率，并且降低對配電端的要求。而400kVA以下的單機(jī)工頻UPS一般都是6脈沖整流，輸入功率因數(shù)約為0.8，諧波含量達(dá)30%，5次和7次諧波能量較大，會干擾用電設(shè)備。模塊化UPS滿足IEC62040和EN62040等國際標(biāo)準(zhǔn)，減少傳導(dǎo)和輻射的污染。

2．降低站點租用成本

對120KVA  UPS，以1+1并聯(lián)方式對比，模塊化UPS較傳統(tǒng)UPS減少占地面積2.6平方米，以每平方50元每月租金預(yù)計，每年可節(jié)約租金：2.6×50×12=1560元。并且隨著時間的增加按照比例的增加。

圖7 模塊化UPS相對傳統(tǒng)1+1冗余UPS節(jié)約的租金隨時間變化

1.6.5 模塊化UPS對維護(hù)成本的影響

1．模塊可熱插拔，維修方便

在線熱插拔是模塊化UPS的又一顯著特點。包括功率模塊、旁路模塊、監(jiān)控模塊等，模塊的規(guī)格統(tǒng)一，重量較輕。30KVA以下模塊的具體實施很簡單，更換時間極短，幾分鐘內(nèi)完成，而且不需要專業(yè)人員，不需斷電，用戶可把損壞的模塊寄回廠家維修即可。相比之下，傳統(tǒng)UPS一旦出現(xiàn)問題，客戶需要報修。在這個過程中，有很多不可控的因素會導(dǎo)致UPS的修復(fù)周期延長，比如塞車等。而且修機(jī)器是——換板子，從判斷故障現(xiàn)象到更換完成、排除故障、設(shè)備正常運行，需依技術(shù)人員的水平而定，幾小時至幾天不等，因此傳統(tǒng)UPS的可用性很差，這也是傳統(tǒng)機(jī)型的主要缺陷之一。模塊化UPS提高了系統(tǒng)可用性，使維護(hù)更為便利，同時提升了用戶對系統(tǒng)的維護(hù)能力，降低了設(shè)備的故障隱患，確保負(fù)載得到最佳的保護(hù)。

2．配件成本低，UPS使用壽命大大延長

傳統(tǒng)UPS的維修一般在單板級，即使一個小小的電阻失效，也要更換單板，配件成本較高。對模塊化UPS來講，維修級別可達(dá)到器件級，配件成本低。

一般來說，用戶希望UPS的使用壽命越長越好，但實際使用壽命卻不盡如人意。通常，傳統(tǒng)單機(jī)UPS的使用壽命最多只有10年，因為大量電解電容器的壽命很短，而且無法在線更換。使用單機(jī)UPS供電時，用戶不得不先停機(jī)再更換部件，而且更換的周期比較長，少則數(shù)小時，多則數(shù)天。這樣不利于設(shè)備壽命的延長。

采用模塊化結(jié)構(gòu)后，一個模塊就成了一臺UPS。這樣，在冗余的情況下，用戶也可以進(jìn)行熱更換。不會造成負(fù)載的斷電。在高質(zhì)量的金屬機(jī)架保障下，模塊化UPS可以應(yīng)用幾十年。

3．節(jié)約人力和服務(wù)成本

模塊化UPS采取全數(shù)字化控制技術(shù)，可以很方便的系統(tǒng)內(nèi)的器件狀態(tài)、運行狀態(tài)、負(fù)載狀況等進(jìn)行監(jiān)控，并提供豐富的人機(jī)接口和監(jiān)控設(shè)備，如LCD、干結(jié)點、RS232、RS485、SNMP卡、MODEM等。并提供強(qiáng)大監(jiān)控軟件，通過一臺電腦，可監(jiān)控多達(dá)幾百臺UPS的狀態(tài)，大大減少了用戶管理成本。

1.6.6 模塊化UPS的試點報告分析節(jié)選

以下是模塊化UPS在某電信的試點報告的節(jié)選。

表2  模塊化UPS與傳統(tǒng)UPS的綜合性能對比

表3   6×10KVA模塊化UPS與傳統(tǒng)UPS的綜合投資價值對比

結(jié)論

綜上所述，模塊化UPS對客戶的TCO影響巨大，可以有效的降低客戶的設(shè)備成本、部署成本、運營成本、維護(hù)成本，并減少客戶的營收損失和客戶流失，并創(chuàng)造更多的商業(yè)機(jī)會。可以說，模塊化UPS會隨著市場推廣，客戶會越來越會認(rèn)識到模塊化UPS對TCO的重大作用，會認(rèn)識到模塊化UPS是其最佳選擇