模块化UPS对客户TCO的影响

前言

在电信、金融、能源等行业，交流负载设备用电的可靠性主要靠UPS设备来提供，特别是在一些大型数据中心，需要使用很多大型UPS设备。一直以来，由于受到技术发展的限制，UPS多采用传统的形式，近年来，其TCO越来越受到用户的质疑。模块化UPS正是为解决传统式UPS的局限性、提高其TCO而发展起来的一种新型UPS。

1、TCO的概念和组成要素

1.1 TCO概念

TCO：Total Cost of Ownership，总体拥有成本。

1.2 TCO组成要素

图1 总拥有成本组成要素

CAPEX:Capital expenditure，指资金、固定资产的投入。

OPEX:Operating expense,指的是企业的管理支出。

1.3 TCO应用

提供决策依据：通过分析总拥有成本，输出相关财务指标，建立财务分析模型；

保护投资：利用模型比较结果，找到最优选择方案，规避风险，快速盈利；

辅助业务规划和分析：通过分析总投资，为投资策略参考；

运营监控：综合市场情况进行分析，改善和提升关键业绩指标。

模块化UPS对TCO的影响分析

1.4 模块化UPS实物图

图2 模块化UPS实物图

1.5 模块化UPS的分类

模块化ＵＰＳ目前主要分为两种类型：

第一种类型模块化ＵＰＳ由机架、功率模块、旁路模块、监控模块组成。其中功率模块包括整流、逆变器等部分。各功率模块独立控制并联运行。

第二种类型模块化ＵＰＳ由机架、单体模块构成，每个单体模块内都装有整个ＵＰＳ电源与控制电路，包括整流器、逆变器、静态旁路开关及附属的控制电路、ＣＰＵ主控板。每个ＵＰＳ模块都有独立的管理led/' target='_blank'>显示屏。

相对目前行业发展而言，中大功率模块化UPS多采用第一种类型，小功率模块化UPS多采用第二种类型，而且两种类型UPS的共同特点是功率变换部分是独立控制的，而且能实现Ｎ+Ｘ并联，从而保证模块化UPS的可靠性。

1.6 模块化UPS的特性和对TCO的影响

1.6.1 模块化UPS对机会成本的影响

模块化UPS并联冗余，可靠性高，降低供电风险。

在传统ＵＰＳ产品中，最早是用UPS单机供电(如图3所示),随后用户保障安全一般采用的是“１+１”或“Ｎ+１”并联冗余方式（如图4所示）。

图3 传统UPS单机供电系统示意图

图4 UPS(n+1)并联冗余供电系统示意图

模块化ＵＰＳ具有Ｎ+Ｘ的架构特性（参考图5）。

图5 模块化UPS架构图

从系统论的角度看，应该消除系统方案的公共故障点，局部的得失不影响系统的方案才是优秀的。传统UPS单机供电，当UPS本身出现故障时,就造成负载的供电中断,可靠性低；并机系统虽然解决了单机系统没有冗余的缺点，但是还存在如下缺点：

1、需要额外增加均流电路和同步控制器；

2、冗余少，运行效率低：目前多数行业ＵＰＳ电源的运行方式，主要是１+１或２+１的并联结果，这意味着该方案的容错率或冗余只有一次。

如果单个系统的可靠性为r，则N+X冗余系统的可靠性公式如下：

(公式1)

假设一个单机ＵＰＳ和一个模块ＵＰＳ的可靠性R１＝０.９９，即故障率为１％，那么一个８０ＫＶＡ的单机ＵＰＳ可靠性就是０.９９，而８０ＫＶＡ的模块ＵＰＳ，如果每个模块为１０ＫＶＡ，就是７+１的组合，这时的可靠性R（７+１）就是：

Ｒ（７+１）＝0.99731

可建，这时模块化ＵＰＳ可靠性比单机是几乎提高了１０倍。

如果采用６+２组合，其可靠性Ｒ６+２就是：

Ｒ（６+２）＝0.9999461

此时可靠性比单机是几乎提高了１００倍。

而且，随着负载的减少，可靠性还会增大。假如负载低于５０ＫＶＡ，就可以使５+３的组合，可算出故障率比单机时降低１０００倍。这是单机ＵＰＳ无论如何都无法做到的，并机1+1系统的可靠性也远远不及。

可靠性做为UPS最重要的指标，对客户的机会成本影响巨大，它会降低客户的营收损失，增加了客户的商业机会，减少了客户流失，并随之降低了维修成本和服务成本等。

1.6.2 模块化UPS对客户设备成本的影响

只从产品的价格看，单台模块化UPS系统的价格大约比传统UPS高20%，但这样对比对模块化UPS并不公平。如模块化UPS具有N+X的冗余性，而传统UPS要实现冗余性，至少需要两台以上的设备才行。例如，某中心机房要配置40KVA的UPS系统，选用模块化UPS和传统UPS，可靠性和成本等的对比，参见表1。

备注：计算根据公式1。

根据表1，可以看出，模块化UPS的成本介于传统单机和2个单机并联的的成本之间。但是其可靠性会随着负载的降低而急剧增大。如何客户负载介于50%和75%负载范围内，模块化UPS的可靠性是单机的1000倍，是单机1+1冗余的10倍；如果客户负载介于25%和50%的范围内，模块化UPS的可靠性是传统UPS的10000倍，是传统UPS1+1冗余方案的1000倍。而根据市场运行情况调查显示，客户常用负载基本在25%和75%的范围内，在此范围内，模块化UPS的可靠性比传统单机1+1冗余方案高的多，并且成本也低。基本上，我们可以得出结论：模块化UPS具备最优的性价比。

“边成长,边投资”是模块化UPS的特点之一。在信息机房供电系统建设初期，会对UPS的容量需求产生不准确的、过低或过高的估计。如果采用传统UPS，配置低了，不满足需求而且很难升级；配置高了，会造成投资的浪费。模块化UPS能够给用户带来更好的可扩展性，可以将很多模块进行并联使用，并且相同功率的模块可以任意组合，可以方便地安装和扩容。意味着客户可以合理配置，使现阶段投资的每一分钱都不浪费，而且未来的扩容又有保障，并且扩容成本又低。

1.6.3 模块化UPS对客户部署成本的影响

单就模块UPS和传统机型的比较，模块UPS具有高的功率密度，所以模块化UPS在物理尺寸和整机重量比传统机型有绝对优势，以ZXUPSE T080系列中的120KVA模块化UPS为例：其机架尺寸为600×800×2000（宽×深×高，单位mm），重量不超过300KG。传统UPS采取1+1并机方式，重量为1400KG，和模块化UPS对比。

1.模块化UPS为用户节约安装成本

由于模块化UPS的体积较小，重量较轻，即使不需要特殊的设备，安装人员也可以很方便的进行安装，而传统UPS必须要借用工具，如起重机等，安装难度和成本大大增加。

2.模块化UPS为互用节约土建成本

模块化UPS为用户节省大量的机房投资、承重加固投资。

3.模块化UPS为用户节约设备运输成本

以深圳到北京为例，模块化UPS可节约运费。

1.6.4 模块化UPS对客户运营成本的影响

1．绿色环保节能

效率高是模块化UPS一大特点。逆变效率98%以上，整机效率96%，节约电能。

目前通信行业传统UPS电源的运行方式，主要是1+1或2+1的并联结构，这意味者该方案的容错率或冗余只有一次；同时由于并联数量少，以1+1方式为例，每个单机的输出功率不能超过其额定功率的50%，如果再考虑冗余和维护时的因素，实际只能运行在其额定功率的30%左右，而传统UPS电源的运行效率只有达到额定功率的50%～80%为最佳，再考虑2台设备的并联工作方式，其实际的运行效率从90%左右已降低到70%。而模块化UPS可以采取根据负载的情况，使部分模块休眠，来提高客户常用负载的效率，对于客户常用负载，可保持95%以上的效率，并且可靠性不降低。

图6 传统UPS和模块化电费对比

注：以上数据在负载18KW的条件下计算，电费0.8元/度。

环保就是没有污染。污染又分为自然环境的污染、电气环境的污染。模块化结构可以降低这两种污染。

自然环境的污染主要包括声音污染和大气污染。由于模块化结构绝大多数都是高频化结构，工作频率都在20kHz以上，这超出了人的听觉范围，所以这时UPS不会像工频机那样，变压器和电抗器都发出令人心烦意乱的噪音，影响工作情绪。至于大气污染，值得一提的是，模块化UPS都要符合RoHS指令。

在降低电气环境的污染方面，高频化模块UPS的输入功率因数都在0.99以上，这对电网而言几乎是线性负载，基本不破坏市电电网电压的正弦波形，谐波含量小于5%。因此，电网中由模块化UPS引起的高次谐波干扰几乎不用考虑。减少了线路上损耗，提高了电源利用率，并且降低对配电端的要求。而400kVA以下的单机工频UPS一般都是6脉冲整流，输入功率因数约为0.8，谐波含量达30%，5次和7次谐波能量较大，会干扰用电设备。模块化UPS满足IEC62040和EN62040等国际标准，减少传导和辐射的污染。

2．降低站点租用成本

对120KVA UPS，以1+1并联方式对比，模块化UPS较传统UPS减少占地面积2.6平方米，以每平方50元每月租金预计，每年可节约租金：2.6×50×12=1560元。并且随着时间的增加按照比例的增加。

图7 模块化UPS相对传统1+1冗余UPS节约的租金随时间变化

1.6.5 模块化UPS对维护成本的影响

1．模块可热插拔，维修方便

在线热插拔是模块化UPS的又一显著特点。包括功率模块、旁路模块、监控模块等，模块的规格统一，重量较轻。30KVA以下模块的具体实施很简单，更换时间极短，几分钟内完成，而且不需要专业人员，不需断电，用户可把损坏的模块寄回厂家维修即可。相比之下，传统UPS一旦出现问题，客户需要报修。在这个过程中，有很多不可控的因素会导致UPS的修复周期延长，比如塞车等。而且修机器是——换板子，从判断故障现象到更换完成、排除故障、设备正常运行，需依技术人员的水平而定，几小时至几天不等，因此传统UPS的可用性很差，这也是传统机型的主要缺陷之一。模块化UPS提高了系统可用性，使维护更为便利，同时提升了用户对系统的维护能力，降低了设备的故障隐患，确保负载得到最佳的保护。

2．配件成本低，UPS使用寿命大大延长

传统UPS的维修一般在单板级，即使一个小小的电阻失效，也要更换单板，配件成本较高。对模块化UPS来讲，维修级别可达到器件级，配件成本低。

一般来说，用户希望UPS的使用寿命越长越好，但实际使用寿命却不尽如人意。通常，传统单机UPS的使用寿命最多只有10年，因为大量电解电容器的寿命很短，而且无法在线更换。使用单机UPS供电时，用户不得不先停机再更换部件，而且更换的周期比较长，少则数小时，多则数天。这样不利于设备寿命的延长。

采用模块化结构后，一个模块就成了一台UPS。这样，在冗余的情况下，用户也可以进行热更换。不会造成负载的断电。在高质量的金属机架保障下，模块化UPS可以应用几十年。

3．节约人力和服务成本

模块化UPS采取全数字化控制技术，可以很方便的系统内的器件状态、运行状态、负载状况等进行监控，并提供丰富的人机接口和监控设备，如LCD、干结点、RS232、RS485、SNMP卡、MODEM等。并提供强大监控软件，通过一台电脑，可监控多达几百台UPS的状态，大大减少了用户管理成本。

1.6.6 模块化UPS的试点报告分析节选

以下是模块化UPS在某电信的试点报告的节选。

表2 模块化UPS与传统UPS的综合性能对比

表3 6×10KVA模块化UPS与传统UPS的综合投资价值对比

结论

综上所述，模块化UPS对客户的TCO影响巨大，可以有效的降低客户的设备成本、部署成本、运营成本、维护成本，并减少客户的营收损失和客户流失，并创造更多的商业机会。可以说，模块化UPS会随着市场推广，客户会越来越会认识到模块化UPS对TCO的重大作用，会认识到模块化UPS是其最佳选择