前言
在電信、金融、能源等行業,交流負載設備用電的可靠性主要靠UPS設備來提供,特別是在一些大型數據中心,需要使用很多大型UPS設備。一直以來,由于受到技術發展的限制,UPS多采用傳統的形式,近年來,其TCO越來越受到用戶的質疑。模塊化UPS正是為解決傳統式UPS的局限性、提高其TCO而發展起來的一種新型UPS。
1、TCO的概念和組成要素
1.1 TCO概念
TCO:Total Cost of Ownership,總體擁有成本。
1.2 TCO組成要素
圖1 總擁有成本組成要素
CAPEX:Capital expenditure,指資金、固定資產的投入。
OPEX:Operating expense,指的是企業的管理支出。
1.3 TCO應用
提供決策依據:通過分析總擁有成本,輸出相關財務指標,建立財務分析模型;
保護投資:利用模型比較結果,找到最優選擇方案,規避風險,快速盈利;
輔助業務規劃和分析:通過分析總投資,為投資策略參考;
運營監控:綜合市場情況進行分析,改善和提升關鍵業績指標。
模塊化UPS對TCO的影響分析
1.4 模塊化UPS實物圖
圖2 模塊化UPS實物圖
1.5 模塊化UPS的分類
模塊化UPS目前主要分為兩種類型:
第一種類型模塊化UPS由機架、功率模塊、旁路模塊、監控模塊組成。其中功率模塊包括整流、逆變器等部分。各功率模塊獨立控制并聯運行。
第二種類型模塊化UPS由機架、單體模塊構成,每個單體模塊內都裝有整個UPS電源與控制電路,包括整流器、逆變器、靜態旁路開關及附屬的控制電路、CPU主控板。每個UPS模塊都有獨立的管理顯示屏。
相對目前行業發展而言,中大功率模塊化UPS多采用第一種類型,小功率模塊化UPS多采用第二種類型,而且兩種類型UPS的共同特點是功率變換部分是獨立控制的,而且能實現N+X并聯,從而保證模塊化UPS的可靠性。
1.6 模塊化UPS的特性和對TCO的影響
1.6.1 模塊化UPS對機會成本的影響
模塊化UPS并聯冗余,可靠性高,降低供電風險。
在傳統UPS產品中,最早是用UPS單機供電(如圖3所示),隨后用戶保障安全一般采用的是“1+1”或“N+1”并聯冗余方式(如圖4所示)。
圖3 傳統UPS單機供電系統示意圖
圖4 UPS(n+1)并聯冗余供電系統示意圖
模塊化UPS具有N+X的架構特性(參考圖5)。
圖5 模塊化UPS架構圖
從系統論的角度看,應該消除系統方案的公共故障點,局部的得失不影響系統的方案才是優秀的。傳統UPS單機供電,當UPS本身出現故障時,就造成負載的供電中斷,可靠性低;并機系統雖然解決了單機系統沒有冗余的缺點,但是還存在如下缺點:
1、需要額外增加均流電路和同步控制器;
2、冗余少,運行效率低:目前多數行業UPS電源的運行方式,主要是1+1或2+1的并聯結果,這意味著該方案的容錯率或冗余只有一次。
如果單個系統的可靠性為r,則N+X冗余系統的可靠性公式如下:
(公式1)
假設一個單機UPS和一個模塊UPS的可靠性R1=0.99,即故障率為1%,那么一個80KVA的單機UPS可靠性就是0.99,而80KVA的模塊UPS,如果每個模塊為10KVA,就是7+1的組合,這時的可靠性R(7+1)就是:
R(7+1)=0.99731
可建,這時模塊化UPS可靠性比單機是幾乎提高了10倍。
如果采用6+2組合,其可靠性R6+2就是:
R(6+2)=0.9999461
此時可靠性比單機是幾乎提高了100倍。
而且,隨著負載的減少,可靠性還會增大。假如負載低于50KVA,就可以使5+3的組合,可算出故障率比單機時降低1000倍。這是單機UPS無論如何都無法做到的,并機1+1系統的可靠性也遠遠不及。
可靠性做為UPS最重要的指標,對客戶的機會成本影響巨大,它會降低客戶的營收損失,增加了客戶的商業機會,減少了客戶流失,并隨之降低了維修成本和服務成本等。
1.6.2 模塊化UPS對客戶設備成本的影響
只從產品的價格看,單臺模塊化UPS系統的價格大約比傳統UPS高20%,但這樣對比對模塊化UPS并不公平。如模塊化UPS具有N+X的冗余性,而傳統UPS要實現冗余性,至少需要兩臺以上的設備才行。例如,某中心機房要配置40KVA的UPS系統,選用模塊化UPS和傳統UPS,可靠性和成本等的對比,參見表1。
備注:計算根據公式1。
根據表1,可以看出,模塊化UPS的成本介于傳統單機和2個單機并聯的的成本之間。但是其可靠性會隨著負載的降低而急劇增大。如何客戶負載介于50%和75%負載范圍內,模塊化UPS的可靠性是單機的1000倍,是單機1+1冗余的10倍;如果客戶負載介于25%和50%的范圍內,模塊化UPS的可靠性是傳統UPS的10000倍,是傳統UPS1+1冗余方案的1000倍。而根據市場運行情況調查顯示,客戶常用負載基本在25%和75%的范圍內,在此范圍內,模塊化UPS的可靠性比傳統單機1+1冗余方案高的多,并且成本也低。基本上,我們可以得出結論:模塊化UPS具備最優的性價比。
“邊成長,邊投資”是模塊化UPS的特點之一。在信息機房供電系統建設初期,會對UPS的容量需求產生不準確的、過低或過高的估計。如果采用傳統UPS,配置低了,不滿足需求而且很難升級;配置高了,會造成投資的浪費。模塊化UPS能夠給用戶帶來更好的可擴展性,可以將很多模塊進行并聯使用,并且相同功率的模塊可以任意組合,可以方便地安裝和擴容。意味著客戶可以合理配置,使現階段投資的每一分錢都不浪費,而且未來的擴容又有保障,并且擴容成本又低。
1.6.3 模塊化UPS對客戶部署成本的影響
單就模塊UPS和傳統機型的比較,模塊UPS具有高的功率密度,所以模塊化UPS在物理尺寸和整機重量比傳統機型有絕對優勢,以ZXUPSE T080系列中的120KVA模塊化UPS為例:其機架尺寸為600×800×2000(寬×深×高,單位mm),重量不超過300KG。傳統UPS采取1+1并機方式,重量為1400KG,和模塊化UPS對比。
1.模塊化UPS為用戶節約安裝成本
由于模塊化UPS的體積較小,重量較輕,即使不需要特殊的設備,安裝人員也可以很方便的進行安裝,而傳統UPS必須要借用工具,如起重機等,安裝難度和成本大大增加。
2.模塊化UPS為互用節約土建成本
模塊化UPS為用戶節省大量的機房投資、承重加固投資。
3.模塊化UPS為用戶節約設備運輸成本
以深圳到北京為例,模塊化UPS可節約運費。
1.6.4 模塊化UPS對客戶運營成本的影響
1.綠色環保節能
效率高是模塊化UPS一大特點。逆變效率98%以上,整機效率96%,節約電能。
目前通信行業傳統UPS電源的運行方式,主要是1+1或2+1的并聯結構,這意味者該方案的容錯率或冗余只有一次;同時由于并聯數量少,以1+1方式為例,每個單機的輸出功率不能超過其額定功率的50%,如果再考慮冗余和維護時的因素,實際只能運行在其額定功率的30%左右,而傳統UPS電源的運行效率只有達到額定功率的50%~80%為最佳,再考慮2臺設備的并聯工作方式,其實際的運行效率從90%左右已降低到70%。而模塊化UPS可以采取根據負載的情況,使部分模塊休眠,來提高客戶常用負載的效率,對于客戶常用負載,可保持95%以上的效率,并且可靠性不降低。
圖6 傳統UPS和模塊化電費對比
注:以上數據在負載18KW的條件下計算,電費0.8元/度。
環保就是沒有污染。污染又分為自然環境的污染、電氣環境的污染。模塊化結構可以降低這兩種污染。
自然環境的污染主要包括聲音污染和大氣污染。由于模塊化結構絕大多數都是高頻化結構,工作頻率都在20kHz以上,這超出了人的聽覺范圍,所以這時UPS不會像工頻機那樣,變壓器和電抗器都發出令人心煩意亂的噪音,影響工作情緒。至于大氣污染,值得一提的是,模塊化UPS都要符合RoHS指令。
在降低電氣環境的污染方面,高頻化模塊UPS的輸入功率因數都在0.99以上,這對電網而言幾乎是線性負載,基本不破壞市電電網電壓的正弦波形,諧波含量小于5%。因此,電網中由模塊化UPS引起的高次諧波干擾幾乎不用考慮。減少了線路上損耗,提高了電源利用率,并且降低對配電端的要求。而400kVA以下的單機工頻UPS一般都是6脈沖整流,輸入功率因數約為0.8,諧波含量達30%,5次和7次諧波能量較大,會干擾用電設備。模塊化UPS滿足IEC62040和EN62040等國際標準,減少傳導和輻射的污染。
2.降低站點租用成本
對120KVA UPS,以1+1并聯方式對比,模塊化UPS較傳統UPS減少占地面積2.6平方米,以每平方50元每月租金預計,每年可節約租金:2.6×50×12=1560元。并且隨著時間的增加按照比例的增加。
圖7 模塊化UPS相對傳統1+1冗余UPS節約的租金隨時間變化
1.6.5 模塊化UPS對維護成本的影響
1.模塊可熱插拔,維修方便
在線熱插拔是模塊化UPS的又一顯著特點。包括功率模塊、旁路模塊、監控模塊等,模塊的規格統一,重量較輕。30KVA以下模塊的具體實施很簡單,更換時間極短,幾分鐘內完成,而且不需要專業人員,不需斷電,用戶可把損壞的模塊寄回廠家維修即可。相比之下,傳統UPS一旦出現問題,客戶需要報修。在這個過程中,有很多不可控的因素會導致UPS的修復周期延長,比如塞車等。而且修機器是——換板子,從判斷故障現象到更換完成、排除故障、設備正常運行,需依技術人員的水平而定,幾小時至幾天不等,因此傳統UPS的可用性很差,這也是傳統機型的主要缺陷之一。模塊化UPS提高了系統可用性,使維護更為便利,同時提升了用戶對系統的維護能力,降低了設備的故障隱患,確保負載得到最佳的保護。
2.配件成本低,UPS使用壽命大大延長
傳統UPS的維修一般在單板級,即使一個小小的電阻失效,也要更換單板,配件成本較高。對模塊化UPS來講,維修級別可達到器件級,配件成本低。
一般來說,用戶希望UPS的使用壽命越長越好,但實際使用壽命卻不盡如人意。通常,傳統單機UPS的使用壽命最多只有10年,因為大量電解電容器的壽命很短,而且無法在線更換。使用單機UPS供電時,用戶不得不先停機再更換部件,而且更換的周期比較長,少則數小時,多則數天。這樣不利于設備壽命的延長。
采用模塊化結構后,一個模塊就成了一臺UPS。這樣,在冗余的情況下,用戶也可以進行熱更換。不會造成負載的斷電。在高質量的金屬機架保障下,模塊化UPS可以應用幾十年。
3.節約人力和服務成本
模塊化UPS采取全數字化控制技術,可以很方便的系統內的器件狀態、運行狀態、負載狀況等進行監控,并提供豐富的人機接口和監控設備,如LCD、干結點、RS232、RS485、SNMP卡、MODEM等。并提供強大監控軟件,通過一臺電腦,可監控多達幾百臺UPS的狀態,大大減少了用戶管理成本。
1.6.6 模塊化UPS的試點報告分析節選
以下是模塊化UPS在某電信的試點報告的節選。
表2 模塊化UPS與傳統UPS的綜合性能對比
表3 6×10KVA模塊化UPS與傳統UPS的綜合投資價值對比
結論
綜上所述,模塊化UPS對客戶的TCO影響巨大,可以有效的降低客戶的設備成本、部署成本、運營成本、維護成本,并減少客戶的營收損失和客戶流失,并創造更多的商業機會。可以說,模塊化UPS會隨著市場推廣,客戶會越來越會認識到模塊化UPS對TCO的重大作用,會認識到模塊化UPS是其最佳選擇