模块化UPS对比测试研究

陈 强，赵赟磊

（中国移动通信集团上海有限公司）

当前电信企业面临的节能减排压力越来越大。一是随着IP化进程加快，电信运营商在向互联网转型过程中，数据设备大面积应用，带来最大的挑战之一就是动力能耗大幅提升；二是社会各界高度关注和重视节能减排工作，节能减排的呼声日益高涨；三是工信部为促进节能减排工作，加强行业管理，出台了一系列节能减排政策，对节能减排工作提出了具体要求。

数据设备的供电基本采用UPS交流供电，因此UPS系统是IT数据中心机房节能减排中非常重要的组成部分。根据ICTresearch的统计显示，机房用电分配比例中，供电系统本身的耗电占15%左右。换言之，UPS利用率的高低直接影响到机房耗电量的多少。用户已逐渐意识到，传统不间断电源系统的体积庞大、维护困难等问题急需解决。因此，在很多机房改造过程中，更多的用户开始考虑模块化的UPS系统。为此，本文通过分析模块化UPS性能参数和可靠性测试数据，研究提出了模块化UPS的引入策略和应用方案。

1 测试项目的目的和依据

模块化UPS与传统UPS相比有两个不同，此次测试项目主要针对以下两点不同来确定。

（1）模块化：使得UPS系统并机数量大大增加，环流和故障保护问题可能突出。

（2）高频化：使得模块化UPS输出不再必须配置升压变压器，导致附加的隔离功能消失，可能引起零地电压的升高。

此次测试的项目分常规项目和对模块化UPS有针对性的项目以及一些特别测试项目。

——常规的项目有电气性能检测、三相不平衡负载能力试验、输出过载试验、旁路过载能力、并机负载电流不均衡度、UPS不同工作模式间相互切换试验、分担负载试验等。

——针对模块化UPS的项目有UPS系统零线电流及零地电位差测量、热插拔模块的并机、主控模块切换试验、模块输出并联开关在线断开及开机运行闭合试验等。

——特别项目有通讯并机线损坏模拟试验、断开输入零线的情况下的零地电位差测试。

测试的目的是为了全方位的验证模块化UPS的技术成熟度、运行参数和保护性能，从而对模块化UPS的安全性、经济型有定量定性的全面认识。

2 测 试

此次测试的对象共有三个品牌，分别是Newave能威、艾默生和先控，其中能威是瑞士原装进口，通过代理商将测试机组运到怒江机房进行现场测试，艾默生和先控均为国产机型，分别在深圳和石家庄的厂商实验室进行测试，见表1。

表1 测试对象和地点

经过为期数月的三轮测试，测试结果如下：

（1）常规测试

在负载率正常工作区间，考虑到冗余的因素，模块化UPS和高压直流取75%，传统UPS取15%（见表2）。

表2 测量数据

（2）三相不平衡测试：三种机型模块化UPS均能在输出严重不平衡的情况下正常工作。

（3）输出过载测试：在过载的情况下，三种机型模块化UPS均能自动转旁路工作或自动关机并有声光告警。

（4）并机负载不均衡度（环流）测试结果见表3。

（5）零地电压测试结果见表4。

（6）工作模式切换测试：三种机型模块化UPS均切换正常。

（7）并机通信线损坏测试结果见表5。

表3 环流测量数据

表4 零地电压测量数据

表5 并机模式

（8）模块热插拔测试：三种机型模块化UPS均能正常热插拔。

（9）主控模块切换测试：三种机型模块化UPS均切换正常。

（10）发热测试结果见表6。

表6 温度测量数据

3 应 用

（1）针对不同设备具有的不同工作效率，先对100 k VA单位容量的不同设备的自身能耗进行了对比（见表7）。

表7 能耗对比

由表7可以看出，普通UPS设备和高压直流设备的能耗相差不大，而模块化UPS设备的能耗约为普通UPS和高压直流设备的一半。据此推算，如果上海现有的18 980 k VA的UPS均换成模块化设备，按照30%负载率，每年可节省702万k WH，如果加上空调附加的能耗可节省1 048万k WH。

（2）对不同的电源设备进行综合性能对比（见表8）。

表8 综合对比

（3）进行功率密度的对比（见表9）。

表9 功率密度对比

（4）进行投资对比（见表10）。

表10 价格对比

经过上述各方面对比，首先在价格上，相同容量的电源设备，模块化UPS和高压直流设备基本持平，与普通1＋1冗余的UPS相比价格持平或略低一些。

考虑到模块的冗余需要，一般设备工作在75%负载率，所以必须多增加25%的冗余投资。因此，模块化UPS和高压直流设备基本持平，比普通1＋1冗余的UPS价格稍贵或持平，比普通单机UPS价格贵一倍以上，但是却比T4标准要求的2 N＋1标准的普通UPS便宜一半。

如果加上配套的配电屏、开关和电缆，因为直流开关的价格比相同容量的交流开关的价格高4到5倍，同时因为高压直流的电压等级比较低（240伏或336伏），相同功率下其电流要大得多，因此也必须相应配备更大线径的电缆，其总成本要翻一倍，所以综合下来高压直流设备的价格要远高于模块化UPS设备。

除了价格上的劣势，高压直流设备在目前技术条件下，经过测试，其能耗与普通UPS持平，基本不节能。同时高压直流设备还有一个致命缺点，就是模块功率密度很小，同样的功率要求下，一套模块化UPS能满足需要，高压直流设备则需要安装3套同样装机面积的设备，不但浪费了机房空间，还会大大增加供电系统的复杂度。

4 模块化UPS应用策略

表11、图1将每100 k VA的UPS设备全生命周期成本进行计算对比。

表11 全生命周期成本对比

图1 全生命周期成本图

通过表5～表9，单纯从首次投资成本角度我们可以看出前期成本由底到高的次序是：普通UPS（单机），普通 UPS（1＋1），模块化 UPS，高压直流，普通UPS（2 N＋1）。

从全生命周期总成本由低到高的次序是：普通UPS（单机），模块化 UPS，高压直流，普通 UPS（1＋1），普通 UPS（2 N＋1）。

综合各种UPS设备在投资可控性、安全性、占地面积等因素，提出以下应用策略：

（1）单机场景：使用传统UPS单机

依据：对于非重要通信保障，UPS单机无论是CAPEX还是TCO都是最经济的。

（2）双电源供电：根据投资预算的多少使用1＋1 UPS或模块化UPS或者高压直流设备

依据：a.目前CAPEX上传统设备和模块化设备有比较大的差距，但是从TCO角度还是模块化设备更经济；b.据统计，UPS价格平均每年下降5.6%左右，高压直流设备价格则受配套设备限制，随着大量应用则会下降更快，届时将彻底取代传统设备；c.实际负载从装机到接近预期负荷，一般要经过数年时间，可以通过模块化设备扩容的便利性，根据实际需求分期投资，还可以解决传统UPS长期超低负载率的空耗问题。

（3）双冗余供电（2 N＋1）：使用模块化 UPS或高压直流设备

依据：从CAPEX上传统设备和模块化设备相差不多，但是TCO相差悬殊。

模块化设备可以将UPS放置在机房机架内进行分布式供电，有着模块冗余，同时省掉了二级配电屏和相应的配电线路，可以单机运行，更经济。分布式供电还可以降低大范围故障概率，通信保障更安全。

5 结束语

模块化是未来通信设备发展的趋势，模块化UPS不但可以解决传统UPS的缺点，而且可以更方便实现电源由集中式向分布式过渡。随着国家节能减排政策的不断颁布实施，政策优惠以及补贴将会在未来一段时间内，影响到节能减排产品的市场发展。模块化UPS作为数据中心节能减排设备的重要组成部分，将迎来良好发展机遇。根据ICtresearch预测，未来三年模块化UPS将以10%以上的速度增长，模块化UPS的发展将步入快车道。

［1］ 刘凤君.工频与高频三相绿色UPS电路［M］.北京：电子工业出版社，2011.

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［4］ ［美］ASHRAE TC9.9主编.数据通信设施节能最佳实践［M］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

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