前言
在電信、金融、能源等行業(yè)，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(fā)展的限制，UPS多采用傳統(tǒng)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(tǒng)式UPS的局限性、提高其TCO而發(fā)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(yè)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(yōu)選擇方案，規(guī)避風險，快速盈利；
輔助業(yè)務規(guī)劃和分析：通過分析總投資，為投資策略參考；
運營監(jiān)控：綜合市場情況進行分析，改善和提升關鍵業(yè)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(jiān)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(lián)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(tài)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(yè)發(fā)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(xiàn)Ｎ+Ｘ并聯(lián)，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(lián)冗余，可靠性高，降低供電風險。
在傳統(tǒng)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(lián)冗余方式（如圖4所示）。
圖3 傳統(tǒng)UPS單機供電系統(tǒng)示意圖
圖4 UPS(n+1)并聯(lián)冗余供電系統(tǒng)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(tǒng)論的角度看，應該消除系統(tǒng)方案的公共故障點，局部的得失不影響系統(tǒng)的方案才是優(yōu)秀的。傳統(tǒng)UPS單機供電，當UPS本身出現(xiàn)故障時,就造成負載的供電中斷,可靠性低；并機系統(tǒng)雖然解決了單機系統(tǒng)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(yè)ＵＰＳ電源的運行方式，主要是１+１或２+１的并聯(lián)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(tǒng)的可靠性為r，則N+X冗余系統(tǒng)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(tǒng)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(yè)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(tǒng)的價格大約比傳統(tǒng)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(tǒng)UPS要實現(xiàn)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(tǒng)，選用模塊化UPS和傳統(tǒng)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(tǒng)單機和2個單機并聯(lián)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(tǒng)UPS的10000倍，是傳統(tǒng)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(tǒng)單機1+1冗余方案高的多，并且成本也低?；旧希覀兛梢缘贸鼋Y論：模塊化UPS具備最優(yōu)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(tǒng)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(tǒng)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(lián)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)機型有絕對優(yōu)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(tǒng)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(jié)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(tǒng)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(jié)約土建成本
模塊化UPS為用戶節(jié)省大量的機房投資、承重加固投資。
3.模塊化UPS為用戶節(jié)約設備運輸成本
以深圳到北京為例，模塊化UPS可節(jié)約運費。
1.6.4 模塊化UPS對客戶運營成本的影響
1．綠色環(huán)保節(jié)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(jié)約電能。
目前通信行業(yè)傳統(tǒng)UPS電源的運行方式，主要是1+1或2+1的并聯(lián)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(lián)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(tǒng)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(lián)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(tǒng)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(huán)保就是沒有污染。污染又分為自然環(huán)境的污染、電氣環(huán)境的污染。模塊化結構可以降低這兩種污染。
自然環(huán)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(fā)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(huán)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(lián)方式對比，模塊化UPS較傳統(tǒng)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(jié)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(tǒng)1+1冗余UPS節(jié)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(jiān)控模塊等，模塊的規(guī)格統(tǒng)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(yè)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(tǒng)UPS一旦出現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)UPS的可用性很差，這也是傳統(tǒng)機型的主要缺陷之一。模塊化UPS提高了系統(tǒng)可用性，使維護更為便利，同時提升了用戶對系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(jié)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(tǒng)內的器件狀態(tài)、運行狀態(tài)、負載狀況等進行監(jiān)控，并提供豐富的人機接口和監(jiān)控設備，如LCD、干結點、RS232、RS485、SNMP卡、MODEM等。并提供強大監(jiān)控軟件，通過一臺電腦，可監(jiān)控多達幾百臺UPS的狀態(tài)，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(jié)選
以下是模塊化UPS在某電信的試點報告的節(jié)選。
表2 模塊化UPS與傳統(tǒng)UPS的綜合性能對比
表3 6×10KVA模塊化UPS與傳統(tǒng)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(chuàng)造更多的商業(yè)機會?？梢哉f，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