交流UPS與直流240 V供電系統(tǒng)投資與運(yùn)行成本比較分析

黃藝云，張 民

（1.中國(guó)電信湖北公司網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行維護(hù)部；2.湖北省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院）

0 引 言

直流240 V供電系統(tǒng)是中國(guó)電信的一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，用來(lái)取代傳統(tǒng)交流UPS，為使用220 V交流電的計(jì)算機(jī)類網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通信設(shè)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(hù)性，以及更高的運(yùn)行效率，因此得到了迅速推廣。本文對(duì)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(yùn)行成本上進(jìn)行了比較和分析，數(shù)據(jù)均基于中國(guó)電信湖北公司已建工程項(xiàng)目實(shí)際發(fā)生費(fèi)用和在網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)使用情況。其中，系統(tǒng)一是2008年建設(shè)的位于武漢電信營(yíng)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(shè)的位于武漢電信江夏IDC機(jī)樓的1 000 A直流240 V供電系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)為同一供應(yīng)商提供。

1 供電能力評(píng)估

供電能力按可滿足標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器機(jī)柜數(shù)量評(píng)估。

1.1 交流UPS系統(tǒng)

按照300 k VA UPS安全運(yùn)行輸出能力計(jì)算，1套300 k VA UPS 1＋1系統(tǒng)實(shí)際可輸出能力為192 k W，可滿足IDC機(jī)房64架服務(wù)器機(jī)柜用電所需（單機(jī)柜耗電量以3 k W計(jì)算）；1套300 k VA UPS 2＋1系統(tǒng)可滿足IDC機(jī)房128架服務(wù)器機(jī)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(shí)率計(jì)算），輸出功率為760 A×270 V＝205 k W，可滿足68架服務(wù)器機(jī)柜使用，2套1 000 A直流240 V系統(tǒng)可滿足137架服務(wù)器機(jī)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(dāng)，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(dāng)。

2 設(shè)備占地面積

2.1 交流UPS系統(tǒng)

營(yíng)房村19層300 k VA UPS 1＋1供電系統(tǒng)包括2臺(tái)300 k VA UPS主機(jī)、1面輸入配電屏、2面電池開關(guān)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(tái)300 k VA UPS主機(jī)、1面輸入配電屏、3面電池開關(guān)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(jī)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(jī)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(shè)備投影面積為33.60 m2。

2.3 設(shè)備投影面積比對(duì)表

UPS系統(tǒng)和高壓直流系統(tǒng)投影面積比對(duì)表如表1。

表1 設(shè)備投影面積比對(duì)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(méi)有差別，本文從最近建設(shè)的武漢電信江夏IDC工程提取數(shù)據(jù)。

高低壓系統(tǒng)設(shè)備部分的投資相對(duì)固定，但外供電引入部分不同項(xiàng)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(jī)房用電量、高低壓室改建與否、供電開閉所至IDC機(jī)房的距離、高壓電纜布放路由是否暢通等諸多因素有關(guān)。

江夏IDC機(jī)房高低壓部分投資共包括5 000 k VA高壓?jiǎn)温芬搿?臺(tái)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(wàn)元左右，平均每k VA造價(jià)約0.16萬(wàn)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(wàn)元／k VA×300 k VA×0.8／0.87／0.95＝46.46萬(wàn)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(wàn) 元／k VA×270 V×1 000 A／0.93／0.99／1 000＝46.92萬(wàn)元。

4 配套油機(jī)投資

4.1 交流UPS系統(tǒng)

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

江夏IDC機(jī)房油機(jī)設(shè)備為一臺(tái)1 800 k W柴油發(fā)電機(jī)組，工程總投資410萬(wàn)元左右，平均每k W造價(jià)為0.23萬(wàn)元，UPS系統(tǒng)在油機(jī)部分的投資為384（768 k VA）×0.23萬(wàn)元／k VA＝88.32（176.64）萬(wàn)元。

4.2 直流240 V系統(tǒng)

直流240 V系統(tǒng)與油機(jī)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(jī)容量配置約為297 k W；2套1 000 A系統(tǒng)，油機(jī)設(shè)備容量配置約為594 k W。

直流240 V系統(tǒng)配套油機(jī)部分投資為297（594 k VA）×0.23萬(wàn)元／k VA＝68.31（136.62）萬(wàn)元。

5 電力室空調(diào)投資

從主設(shè)備及蓄電池設(shè)備的投影面積來(lái)看，兩種電源系統(tǒng)設(shè)備占用機(jī)房面積基本相當(dāng)且面積不大，為簡(jiǎn)化電力室空調(diào)部分投資計(jì)算比對(duì)過(guò)程，本文忽略電力室環(huán)境部分的發(fā)熱量統(tǒng)計(jì)。

5.1 交流UPS系統(tǒng)

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

按目前12.5 k W小型機(jī)房專用空調(diào)的采購(gòu)價(jià)格，UPS系統(tǒng)在小型空調(diào)部分的投資為3（5）×2.5＝7.5（12.5）萬(wàn)元。

5.2 直流240 V系統(tǒng)

直流240 V系統(tǒng)效率值按93%計(jì)算，1套1 000 A直流240 V系統(tǒng)設(shè)備發(fā)熱量為16 k W，需要配置12.5 k W小型機(jī)房專用空調(diào)2臺(tái)；2套1 000 A系統(tǒng)需要配置12.5 k W小型機(jī)房專用空調(diào)3臺(tái)。

直流240 V系統(tǒng)在小型空調(diào)部分的投資為2（3）×2.5＝5（7.5）萬(wàn)元。

6 IDC機(jī)房空調(diào)投資

IDC機(jī)房空調(diào)配置依據(jù)設(shè)備發(fā)熱量和環(huán)境發(fā)熱量綜合統(tǒng)計(jì)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，1 k W設(shè)備需要配置1.1～1.2 k W制冷量的空調(diào)，而目前使用的50 k W機(jī)房專用空調(diào)設(shè)備價(jià)格大約為11萬(wàn)元左右，由此可測(cè)算出1 k W負(fù)載設(shè)備分?jǐn)偪照{(diào)部分投資約為0.24萬(wàn)元。

6.1 UPS系統(tǒng)

300 k VA 1＋1 UPS系統(tǒng)可滿足64架設(shè)備使用，則機(jī)房空調(diào)配置數(shù)量為64×3×1.1 k W＝211.2 k W，空調(diào)投資為211.2 k W×0.24＝50.69萬(wàn)元。

同理可計(jì)算出300 VA 2＋1系統(tǒng)配套IDC機(jī)房空調(diào)投資為101.38萬(wàn)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(shè)備供電，則機(jī)房空調(diào)配置數(shù)量為68×3×1.1 k W＝224.4 k W，空調(diào)投資為224.4 k W×0.24萬(wàn)元／k W＝53.87萬(wàn)元。

同理可計(jì)算出二套1 000 A直流240 V系統(tǒng)配套IDC機(jī)房空調(diào)投資為108.5萬(wàn)元。

7 電源空調(diào)配套工程一次性總投資

綜上得出電源空調(diào)配套工程一次性總投資比較如表2所示。

表2 電源空調(diào)配套工程一次性總投資對(duì)比

8 電源空調(diào)配套工程單機(jī)柜年度分?jǐn)偼顿Y

由于各種設(shè)備的使用、運(yùn)行年限不一，僅用一次性投資來(lái)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(hù)規(guī)程規(guī)定的各種設(shè)備、材料的有效使用年限，采用單機(jī)柜每年度分?jǐn)偼顿Y來(lái)比較（見表3）。

表3 各設(shè)備使用年限

計(jì)算公式：（高低壓設(shè)備投資／20＋油機(jī)設(shè)備投資／10＋…＋電纜投資／20）／機(jī)柜數(shù)量＝單機(jī)柜年度分?jǐn)偨ㄔO(shè)投資。由此得出單機(jī)柜年度分?jǐn)偼顿Y額，如表4所示。

表4 單機(jī)柜年度分?jǐn)偼顿Y

9 運(yùn)行電費(fèi)成本

9.1 供電系統(tǒng)的電費(fèi)

取供電系統(tǒng)為每機(jī)柜提供3 k W功率時(shí)所產(chǎn)生的電費(fèi)來(lái)比較。電費(fèi)單價(jià)按武漢電信當(dāng)前發(fā)生的0.95元／度來(lái)計(jì)算。

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

其中0.87為UPS系統(tǒng)效率。

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

其中0.93為直流240 V系統(tǒng)效率。

9.2 電力室空調(diào)的電費(fèi)

不同的供電電源導(dǎo)致電力室配置的空調(diào)數(shù)量不同，從而使電力室空調(diào)電費(fèi)產(chǎn)生差異。

使用300 k VA 1＋1 UPS系統(tǒng)的電力室空調(diào)電費(fèi)分?jǐn)偟絾螜C(jī)柜＝0.95元／k Wh×5 k W×3×24 h×150／64＝801.56元／年／機(jī)架。

其中5 k W為電力室空調(diào)耗電量（能效比2.5），3為空調(diào)配置臺(tái)數(shù)，150為一年大約運(yùn)行天數(shù)。

使用直流240 V系統(tǒng)電力室空調(diào)電費(fèi)分?jǐn)偟絾螜C(jī)柜＝0.95元／k Wh×5 k W×2×24 h×150／68＝502.94元／年／機(jī)架。

其中5 k W為電力室空調(diào)耗電量（能效比2.5），2為空調(diào)配置臺(tái)數(shù)，150為一年大約運(yùn)行天數(shù)。

同理，我們可以計(jì)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(diào)所用電費(fèi)分?jǐn)傊羻螜C(jī)柜的電費(fèi)，分別為667.97元和374.45元。

9.3 IDC機(jī)房空調(diào)電費(fèi)成本

IDC機(jī)房空調(diào)電費(fèi)成本也應(yīng)包含在每個(gè)機(jī)柜的電費(fèi)成本中。由于IDC機(jī)房空調(diào)配置數(shù)量與使用何種電源設(shè)備無(wú)關(guān)，故該部分的電費(fèi)支出一致。

IDC機(jī)房空調(diào)電費(fèi)＝0.95元／k Wh×24 h×365×211 k W／2.5／64＝10 974.64元／年／機(jī)架

9.4 單機(jī)柜年度電費(fèi)合計(jì)

單機(jī)柜電費(fèi)年度合計(jì)＝電源設(shè)備電費(fèi)＋電力室空調(diào)電費(fèi)＋I(xiàn)DC機(jī)房空調(diào)電費(fèi)，如表5所示。

表5 單機(jī)柜年度電費(fèi)合計(jì)表 （單位：k WA）

10 結(jié) 論

根據(jù)上述對(duì)具有相當(dāng)供電能力的交流UPS系統(tǒng)和直流240 V系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)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(dá)到300 k VA UPS 1＋1系統(tǒng)配套電池投資的2倍，同時(shí)供電能力高4個(gè)機(jī)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(shí)率設(shè)計(jì)，240 V直流按2～3小時(shí)率設(shè)計(jì)。今后240 V直流可按1～2小時(shí)率設(shè)計(jì)，其投資優(yōu)勢(shì)會(huì)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(jī)柜年度分?jǐn)偼顿Y節(jié)省25%，優(yōu)勢(shì)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(jī)柜年度電費(fèi)節(jié)省5%。

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