模塊化UPS對比測試研究

陳 強，趙赟磊

（中國移動通信集團上海有限公司）

當前電信企業面臨的節能減排壓力越來越大。一是隨著IP化進程加快，電信運營商在向互聯網轉型過程中，數據設備大面積應用，帶來最大的挑戰之一就是動力能耗大幅提升；二是社會各界高度關注和重視節能減排工作，節能減排的呼聲日益高漲；三是工信部為促進節能減排工作，加強行業管理，出臺了一系列節能減排政策，對節能減排工作提出了具體要求。

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

1 測試項目的目的和依據

模塊化UPS與傳統UPS相比有兩個不同，此次測試項目主要針對以下兩點不同來確定。

（1）模塊化：使得UPS系統并機數量大大增加，環流和故障保護問題可能突出。

（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。

此次測試的項目分常規項目和對模塊化UPS有針對性的項目以及一些特別測試項目。

——常規的項目有電氣性能檢測、三相不平衡負載能力試驗、輸出過載試驗、旁路過載能力、并機負載電流不均衡度、UPS不同工作模式間相互切換試驗、分擔負載試驗等。

——針對模塊化UPS的項目有UPS系統零線電流及零地電位差測量、熱插拔模塊的并機、主控模塊切換試驗、模塊輸出并聯開關在線斷開及開機運行閉合試驗等。

——特別項目有通訊并機線損壞模擬試驗、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證模塊化UPS的技術成熟度、運行參數和保護性能，從而對模塊化UPS的安全性、經濟型有定量定性的全面認識。

2 測 試

此次測試的對象共有三個品牌，分別是Newave能威、艾默生和先控，其中能威是瑞士原裝進口，通過代理商將測試機組運到怒江機房進行現場測試，艾默生和先控均為國產機型，分別在深圳和石家莊的廠商實驗室進行測試，見表1。

表1 測試對象和地點

經過為期數月的三輪測試，測試結果如下：

（1）常規測試

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

表2 測量數據

（2）三相不平衡測試：三種機型模塊化UPS均能在輸出嚴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，三種機型模塊化UPS均能自動轉旁路工作或自動關機并有聲光告警。

（4）并機負載不均衡度（環流）測試結果見表3。

（5）零地電壓測試結果見表4。

（6）工作模式切換測試：三種機型模塊化UPS均切換正常。

（7）并機通信線損壞測試結果見表5。

表3 環流測量數據

表4 零地電壓測量數據

表5 并機模式

（8）模塊熱插拔測試：三種機型模塊化UPS均能正常熱插拔。

（9）主控模塊切換測試：三種機型模塊化UPS均切換正常。

（10）發熱測試結果見表6。

表6 溫度測量數據

3 應 用

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

表7 能耗對比

由表7可以看出，普通UPS設備和高壓直流設備的能耗相差不大，而模塊化UPS設備的能耗約為普通UPS和高壓直流設備的一半。據此推算，如果上海現有的18 980 k VA的UPS均換成模塊化設備，按照30%負載率，每年可節省702萬k WH，如果加上空調附加的能耗可節省1 048萬k WH。

（2）對不同的電源設備進行綜合性能對比（見表8）。

表8 綜合對比

（3）進行功率密度的對比（見表9）。

表9 功率密度對比

（4）進行投資對比（見表10）。

表10 價格對比

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

考慮到模塊的冗余需要，一般設備工作在75%負載率，所以必須多增加25%的冗余投資。因此，模塊化UPS和高壓直流設備基本持平，比普通1＋1冗余的UPS價格稍貴或持平，比普通單機UPS價格貴一倍以上，但是卻比T4標準要求的2 N＋1標準的普通UPS便宜一半。

如果加上配套的配電屏、開關和電纜，因為直流開關的價格比相同容量的交流開關的價格高4到5倍，同時因為高壓直流的電壓等級比較低（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備的價格要遠高于模塊化UPS設備。

除了價格上的劣勢，高壓直流設備在目前技術條件下，經過測試，其能耗與普通UPS持平，基本不節能。同時高壓直流設備還有一個致命缺點，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，高壓直流設備則需要安裝3套同樣裝機面積的設備，不但浪費了機房空間，還會大大增加供電系統的復雜度。

4 模塊化UPS應用策略

表11、圖1將每100 k VA的UPS設備全生命周期成本進行計算對比。

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），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），模塊化 UPS，高壓直流，普通 UPS（1＋1），普通 UPS（2 N＋1）。

綜合各種UPS設備在投資可控性、安全性、占地面積等因素，提出以下應用策略：

（1）單機場景：使用傳統UPS單機

依據：對于非重要通信保障，UPS單機無論是CAPEX還是TCO都是最經濟的。

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

依據：a.目前CAPEX上傳統設備和模塊化設備有比較大的差距，但是從TCO角度還是模塊化設備更經濟；b.據統計，UPS價格平均每年下降5.6%左右，高壓直流設備價格則受配套設備限制，隨著大量應用則會下降更快，屆時將徹底取代傳統設備；c.實際負載從裝機到接近預期負荷，一般要經過數年時間，可以通過模塊化設備擴容的便利性，根據實際需求分期投資，還可以解決傳統UPS長期超低負載率的空耗問題。

（3）雙冗余供電（2 N＋1）：使用模塊化 UPS或高壓直流設備

依據：從CAPEX上傳統設備和模塊化設備相差不多，但是TCO相差懸殊。

模塊化設備可以將UPS放置在機房機架內進行分布式供電，有著模塊冗余，同時省掉了二級配電屏和相應的配電線路，可以單機運行，更經濟。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 結束語

模塊化是未來通信設備發展的趨勢，模塊化UPS不但可以解決傳統UPS的缺點，而且可以更方便實現電源由集中式向分布式過渡。隨著國家節能減排政策的不斷頒布實施，政策優惠以及補貼將會在未來一段時間內，影響到節能減排產品的市場發展。模塊化UPS作為數據中心節能減排設備的重要組成部分，將迎來良好發展機遇。根據ICtresearch預測，未來三年模塊化UPS將以10%以上的速度增長，模塊化UPS的發展將步入快車道。

［1］ 劉鳳君.工頻與高頻三相綠色UPS電路［M］.北京：電子工業出版社，2011.

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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：化學工業出版社，2011.

［4］ ［美］ASHRAE TC9.9主編.數據通信設施節能最佳實踐［M］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

［5］ 中國電信集團公司 中國電信股份有限公司廣州研究院［M］.通信機房節能技術應用綜述.北京：人民郵電出版社，2010.