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