塔式UPS與模塊化UPS投資對比分析

    模塊化UPS帶來了一次新的UPS技術變革，其高可用、高效率、高可靠性已經(jīng)獲得了業(yè)界廣泛的認可。但在傳統(tǒng)觀念里，模塊化UPS一直是一種投入比較高的高端產(chǎn)品，可望而不可即。事實是否真的如此？本文即對不同場景下模塊化與塔式UPS的投資進行對比分析。

    本文價格估算的主要假設如下：200kVA左右容量塔式UPS價格為A，200-400kVA(不含400kVA)單價與200kVA一致，400kVA-800kVA塔式UPS單價為200kVA的90%，模塊化價格在塔式的基礎上上浮30%。

    同等基本容量下投資對比

    并聯(lián)冗余系統(tǒng)是Tier2及Tier3等級數(shù)據(jù)中心對UPS系統(tǒng)的要求，其實質是消除UPS功率部分的單點故障。針對此類場景，塔式UPS系統(tǒng)一般采用N+1并機的方式，而模塊化UPS可采用功率模塊N+X冗余。功率模塊N+X冗余通過配置不同的數(shù)目的冗余功率模塊，可達到極高可靠性。一般情況下，采用每5個功率模塊冗余1個模塊的配置方式。根據(jù)需求模塊化UPS也可采用機架冗余的方式。因為對于備電時間相同的同容量系統(tǒng)，無論是模塊化還是塔式UPS，配電與電池投入基本相當，不再包含在比較范圍內(nèi)。表 1對最常用的200kVA、400kVA和500kVA基本容量需求時在模塊化UPS模塊冗余、機架冗余及塔式UPS冗余三種方案下的投資對比。

    由表1可知，模塊化UPS可通過N+X配置大幅節(jié)約投資，而模塊化機架冗余方案投資較高，主要來源于單價的差異。對于2N系統(tǒng)，模塊化UPS同樣因單價比塔式高30%，主機費用也會相應高出30%。2(N+X)配置時的分析等同于并機冗余系統(tǒng)，取決于模塊化UPS的配置。

    但需要注意的是，雖然模塊化UPS機架冗余方案初期投資相比塔式UPS略高，但在10年的生命周期內(nèi)其TCO遠低于塔式UPS，主要有以下幾個方面的原因：

    模塊化UPS一般具備更高的輸出功率因數(shù)，滿足同樣的負載需求，實際基本容量需求可能會略小于塔式機；

    塔式機的一體化設計造成運輸及安裝困難，工程成本提高；

    塔式機運行效率一般比模塊化UPS低2%，假定300kW負載，塔式、模塊化機架冗余和模塊化UPS模塊冗余運行效率分別為93%、95%和96%，空調COP為3，UPS系統(tǒng)容量為500kVA，假設A為20萬元，那么三種配置的TCO(僅考慮初期投資與電費)如圖 1所示。由圖 1可見，即使采用模塊化UPS機架1+1冗余方案，在3.5年內(nèi)節(jié)約的電費收益即可與初期多投資的成本持平，之后則模塊化TCO低于塔式機；在不考慮能源成本增長的條件下，10年的生命周期內(nèi)模塊化機架冗余方案可節(jié)約約50萬元；如果使用模塊化UPS模塊冗余方案，則可節(jié)約130萬元以上。

圖 1 不同配置下TCO增長曲線

    模塊化UPS帶來額外的可用性優(yōu)勢可減少服務費用并大幅降低業(yè)務中斷風險。熱插拔設計使維護擴容非常簡單，在有備件的情況下10分鐘運維人員即可通過更換故障單元快速消除故障，而塔式UPS故障則需要原廠處理，下電維護，故障恢復周期長，使業(yè)務斷電的潛在風險大大增加。

    考慮擴容時模塊化與塔式UPS投資對比

    1)模塊化UPS可更精確地實現(xiàn)“按需投資”

    因為擴容帶來的潛在風險，塔式UPS難以實現(xiàn)隨負載增長而擴容的建設模式。對于傳統(tǒng)塔式UPS，即使配電系統(tǒng)輸入輸出開關已配置，要實現(xiàn)擴容也必須購買原廠服務，且擴容過程操作復雜，易引入斷電風險，所以在可能的情況下，用戶需要盡量避免擴容操作，而是考慮未來數(shù)年的擴容需求，并依據(jù)未來滿負荷狀態(tài)規(guī)劃UPS系統(tǒng)容量。

    而模塊化UPS以其在線擴容的特性可輕松實現(xiàn)邊成長邊投資。模塊化UPS客戶只需將機架容量配置到位，當負載增長時，客戶自主添加模塊并在操作屏幕上進行簡單操作即可完成擴容。此外，模塊化UPS單模塊顆粒度相比傳統(tǒng)塔式UPS更小，從而可根據(jù)負載需求，更精確地匹配負載容量，實現(xiàn)完全的按需投資，達到最佳的經(jīng)濟性。

    因擴容性難易不同，對于塔式UPS系統(tǒng)來說，最適合的建設方式是UPS按最終負載容量購置。而模塊化UPS系統(tǒng)來說，最合適的建設方式是配電按最終容量購置，而UPS邊成長邊擴容。

    2)配電應按最終需求容量配置”

    出于成本與后期擴容難易程度兩個因素的考慮，UPS輸入輸出配電應按最終容量需求配置。在擴容為計劃擴容時，UPS配電系統(tǒng)的ATS、防雷器、總輸入空開、總輸出空開、輸入、輸出母線均應按最終容量配置，測量、顯示儀表及機架等造價相對較低，那么實際上按最終需求配置和不按最終需求配置的差別只是主路空開、旁路空開和輸出空開三個空開，其價值相比與整個機房投資比例非常小，按最終容量配置并不會導致機房投資大幅增加，反之，擴容時新加入UPS的從輸入母線引電與并聯(lián)會大幅增加工作量和施工難度，因此UPS輸入輸出配電系統(tǒng)應按UPS最終配置預留好擴容接口。下文的分析均基于配電已按最終容量需求配置這一假設。

    3)不同配置下UPS系統(tǒng)初期投資對比

    如上所述，塔式UPS系統(tǒng)建設的最優(yōu)策略是“一步到位”，按終期容量需求配置UPS。在實際應用中，考慮初期投資或未來需求難以評估時，也有采用分期投入方式。下文以如下需求為例，對不同建設方式的投資進行分析：假設最初負載基本容量為200kVA，后續(xù)負載基本容量將擴展為400kVA，電池備電15min。電池系統(tǒng)投資按為1+1系統(tǒng)主機投資的2/3估算。具體見表2、表3與表4。

    表2，表3，表4展示了N+X配置下的投資對比情況。可見，模塊化UPS的建設方式比起傳統(tǒng)上塔式UPS按最終負載容量配置的建設方式可大幅節(jié)約初期投資成本。而在N+X配置與2N配置時，雖然模塊化UPS初期投資比塔式UPS分期建設方案投資稍高，但前期建設難度低，后期擴容無風險，且擴容可根據(jù)負載精確匹配，實現(xiàn)最佳投資回報率，塔式系統(tǒng)的擴容則必須選用同容量同型號機型。當負載率較低時，模塊化UPS還可以有更多的功率模塊處于冗余狀態(tài)，從而提升容錯能力，進一步改善了可靠性。

    總結

    通過上文的分析可以發(fā)現(xiàn)，得益于其邊成長邊擴容的特點，模塊化相比傳統(tǒng)塔式UPS，初期投資可大幅降低，而在整個生命周期內(nèi)因為高效率、易維護性等優(yōu)異特性，模塊化UPS具備了更低的TCO。除此之外，模塊化UPS使施工的簡易性、系統(tǒng)的可維護性與可靠性都得到了大幅提升，是各類需要保障不間斷運行的關鍵業(yè)務的最佳選擇。<