交流UPS與直流240 V供電系統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絡運行維護部；2.湖北省郵電規劃設計院）

0 引 言

直流240 V供電系統是中國電信的一項技術創新，用來取代傳統交流UPS，為使用220 V交流電的計算機類網絡設備、通信設備提供高可靠性的不間斷供電。與傳統交流UPS相比，直流240 V供電系統具有更高的可靠性，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。本文對傳統交流UPS供電系統與直流240 V供電系統在投資和運行成本上進行了比較和分析，數據均基于中國電信湖北公司已建工程項目實際發生費用和在網運行系統使用情況。其中，系統一是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，系統二為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。兩套系統為同一供應商提供。

1 供電能力評估

供電能力按可滿足標準服務器機柜數量評估。

1.1 交流UPS系統

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

1套1 000 A直流240 V系統最大可輸出電流760 A（系統扣減備用模塊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系統可滿足137架服務器機柜使用。

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

2 設備占地面積

2.1 交流UPS系統

營房村19層300 k VA UPS 1＋1供電系統包括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

江夏IDC機房一套1 000 A直流240 V系統包括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系統設備投影面積為33.60 m2。

2.3 設備投影面積比對表

UPS系統和高壓直流系統投影面積比對表如表1。

表1 設備投影面積比對表

3 配套高低壓系統投資

在配套高低壓系統投資上，交流UPS系統和直流240 V系統沒有差別，本文從最近建設的武漢電信江夏IDC工程提取數據。

高低壓系統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，0.87為 UPS效率，0.95為輸入功率因數。

直流240 V系統輸入功率因數0.99，效率0.93，則1 000 A直流240 V系統在高、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

由于UPS設備諧波反饋以及負載電流突變等因素，傳統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，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，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

直流240 V系統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，油機容量配置約為297 k W；2套1 000 A系統，油機設備容量配置約為594 k W。

直流240 V系統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，本文忽略電力室環境部分的發熱量統計。

5.1 交流UPS系統

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，UPS設備發熱量大約為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，UPS設備發熱量大約為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

直流240 V系統效率值按93%計算，1套1 000 A直流240 V系統設備發熱量為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系統需要配置12.5 k W小型機房專用空調3臺。

直流240 V系統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機房空調配置依據設備發熱量和環境發熱量綜合統計，根據經驗值，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

300 k VA 1＋1 UPS系統可滿足64架設備使用，則機房空調配置數量為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系統配套IDC機房空調投資為101.38萬元。

6.2 直流240 V系統

一套1 000 A直流240 V系統為68架設備供電，則機房空調配置數量為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系統及直流240 V系統的投資額顯然不合理。以下按照通信電源維護規程規定的各種設備、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 供電系統的電費

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

300 k VA 1＋1 UPS系統電費＝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系統效率。

1 000 A直流240 V系統電費＝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量不同，從而使電力室空調電費產生差異。

使用300 k VA 1＋1 UPS系統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，150為一年大約運行天數。

使用直流240 V系統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，150為一年大約運行天數。

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

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

（1）1 000 A直流240 V系統在配套電池投資達到300 k VA UPS 1＋1系統配套電池投資的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，其投資優勢會更明顯。

（2）1 000 A直流240 V系統比300 k VA UPS 1＋1系統供電的單機柜年度分攤投資節省25%，優勢十分明顯。

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

（4）以上分析基于供電能力相當的UPS和直流240 V系統的經濟性比較。由于UPS系統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，經濟性大幅下滑。