模块化UPS节能效益评估分析

贾秀国，刘 克

（1.中国联通河北省分公司运维部；2.河北联通石家庄市分公司设备中心）

UPS到现在已拥有超过50年的历史，世界上第一台UPS是带有大飞轮的电动机——发电机组，市电停电后该发电机仅可维持正常供电数秒钟。现代UPS问世后，在近十几年中发展迅速，它走过了从方波到正弦波、从离线式到在线式、从小功率到大功率、从常规延时（分钟级）到长延时（小时级）、从简单不停电供电到智能化操作和处理功能的发展历程。经过多年的发展，UPS体积越来越小巧、可靠性越来越高、智能化越来越强。模块化UPS的出现是对一体化UPS的继承和发展，符合当前UPS高频化、小型化、智能化、模块化和环保化的发展趋势。

模块化UPS发展至今已有近十年的历史，其可靠性、可用性、节能性等设计理念非常适合通信行业的发展需要。2009年河北联通从系统供电安全与节能角度出发，采购了一批先控模块化UPS，自投入运行以来供电稳定。为了测试其节能效果，2012年2月3日，我们分别对某品牌一体化UPS和先控模块化UPS进行测试，对比两者节能效果。

1 测试环境

测试被安排在河北联通长途枢纽南、北院两个电源中心进行，由河北联通运行维护人员进行测试。被测试UPS是2006年投产的两套300 k VA一体化UPS和2009年投产的两套先控模块化 UPS（CMS－240 k VA）。被测设备处于正常工作状态，未做任何调整。两套300 k VA一体化UPS为1＋1供电模式，分别带载23.7%和39.3%左右。两套240 k VA先控模块化UPS运行模式为单系统供电模式，分别带载16.9%和15.4%。测试仪表采用Fl uke435三相电力分析仪。

2 测试方法

（1）在系统处于市电供电、蓄电池浮充、正常带载输出状态下，用Fl uke435三相电力分析仪检测UPS的输入电气特性。包括输入电压、输入电流、输入频率、输入功率因数、输入电压基波和谐波分量、输入电流基波和谐波分量。方法如图1所示。

（2）在系统处于市电供电、蓄电池浮充、正常带载输出状态下，用Fl uke435三相电力分析仪检测UPS的输出电气特性，包括输出电压、输出电流、输出频率、输出功率因数、输出电压基波和谐波分量、输出电流基波和谐波分量。方法如图2所示：

图1 UPS的输入电气特性测试方法

图2 UPS的输出电气特性测试方法

3 测试报告

3.1 第一组UPS测试报告

设备型号：一体化／300 k VA 使用场所：河北联通长途枢纽北院电力机房

设备编号：D组UPS2 配电方案：1＋1供电模式

设备型号：先控／CMS－240 k VA 使用场所：河北联通长途枢纽南院电力机房

设备编号：2#UPS 配电方案：模块化单系统供电模式，测试报告见表1。

3.2 第二组UPS测试报告

设备型号：一体化／300 k VA 使用场所：河北联通长途枢纽北院电力机房

设备编号：A组UPS1 配电方案：1＋1供电模式

设备型号：先控／CMS－240 k VA 使用场所：河北联通长途枢纽南院电力机房

设备编号：2#UPS 配电方案：模块化单系统供电模式，测试报告见表2。

表1 UPS测试报告（一）

表2 UPS测试报告（二）

4 测试数据分析

4.1 第一组测试数据对比分析

（1）负载率：300 k VA一体化 UPS输出功率56.9 k W，为额定输出功率的23.7%；模块化 UPS输出功率32.4 k W，为额定输出功率的16.9%。

（2）输入电压总T HD%：一体化UPS输入市电质量优于模块化UPS；

（3）输入功率因数：模块化UPS比一体化UPS高8%；

（4）输入电流谐波：模块化UPS比一体化UPS平均低9.6%；

（5）输出零、地电压：模块化UPS比一体化UPS低1.3v；

（6）整机效率：模块化 UPS比一体化 UPS高7.14%。

4.2 第二组测试数据对比分析

（1）负载率：300 k VA一体化 UPS输出功率94.3 k W，为额定输出功率的39.3%；模块化 UPS输出功率29.52k W，为额定输出功率的15.4%。

（2）输入电压总T HD%：模块化UPS和一体化UPS输入市电质量基本一致；

（3）输入功率因数：模块化UPS比一体化UPS高8%；

（4）输入电流谐波：模块化UPS比一体化UPS平均低6.07%；

（5）输出零、地电压：模块化UPS比一体化UPS低0.8v；

（6）整机效率：模块化 UPS比一体化 UPS高7.22%。

UPS设备负载率对其运行效率有较大影响，负载率越高，运行效率越高。通过测试数据可以看出，模块化UPS在负载率较低的情况下，整机效率达到92%，比一体化UPS运行效率高出7%，各项效能指标也优于一体化UPS。如果负载率达到30%～50%时，整机效率会更高。

5 节能效益对比分析

模块化UPS的节能优势主要体现在整机运行效率较高，此外，其还具有输入功率因数高、输入电流谐波分量低、零地电压小等性能优势。通过测试，两套模块化UPS运行效率分别为92.25%和92.83%，比两套一体化UPS高出7%。考虑到模块化UPS测试时负载率较低，如果负载率达到45%（同一体化UPS负载率一致）时，运行效率还会提高2%左右。下面我们以一体化UPS的实测输出功率及效率作为计算依据，假设使用先控模块机CMS－240来替代目前的两套一体化机，进行节能效果评估。

5.1 第一组测试中模块化UPS节能效益分析

通过表3的计算得知，当UPS的负载达到56.9k W时，一体化UPS每年因热损耗发生的总电费为100196.9元，模块化UPS每年因热损耗发生的总电费为46301.5元，模块机比一体机每年可节省电费53895.4元（注：模块机 UPS效率92.83%是负载率为16.9%时的值，若按实际负载率29.6%测试其效率要高，会更节能）。

表3 模块化UPS节能效益分析（一）

5.2 第二组测试中模块化UPS节能效益分析

通过表4的计算得知，当UPS的负载达到94.3k W时，一体化UPS每年因热损耗发生的总电费为175080.9元，模块化UPS每年因热损耗发生的总电费为83532.5元，使用模块机替代一体化机每年可节省电费91548.4元（注：模块机 UPS效率92.25%是负载率为15.4%时的值，若按实际负载率测试其效率要高，会更节能）。

表4 模块化UPS节能效益分析（二）

由此可见，模块化UPS具有较高的工作效率，每年可节省大量电费成本。

6 模块化UPS与一体化UPS初期建设投资分析

模块化UPS不仅具有很好的节能收益，在初期建设投资上也具有优势。建设初期设计UPS容量时，一般以业务发展需要和保证一定的功率冗余作为设计原则。如果选择一体化UPS，为了保障供电安全，一般采用两台一体化UPS以1＋1并机方式供电。为了保证在一台UPS发生故障后另一台负担系统全部负荷，系统最大输出不能超过单台UPS额定容量的80%，这使得正常工作时每台UPS的负载率不能超过40%。投产初期负载量较小，也许只有规划容量的10%～20%左右，这就造成了UPS利用率低、运行效率低，造成建设初期投资和电能的浪费。

模块化UPS供电系统，可有效地解决上述问题。采用模块化UPS可根据实际负载量合理配置系统容量，以N＋X并联冗余方式工作，保留2至4个冗余功率模块作为冷备份，即可保证供电系统的安全性和可靠性。同时UPS负载率的提高使运行效率得到提升。当负载率达到40%时，整机效率可达到94%以上，实现“容量与效率”的平衡。使用模块化UPS，系统容量可随着业务发展逐步扩容，降低了初期建设投资压力如表5。

表5 模块化UPS与一体化UPS初期配置对比

7 总 结

通过本次对先控模块化UPS和一体化UPS的测试分析，模块化UPS在输入功率因数、输入电流谐波分量、零地电压、整机效率等主要电参数指标方面都优于一体化机，节能效果显著，如表6所示。模块化UPS占地面积小、初期投资低、扩容维护方便。河北联通2009年投产的模块化UPS供电可靠性高、运行稳定。如果将在网运行的一体化UPS全面替换成模块化UPS，将带来非常可观节能收益。

表6 模块化UPS与一体化UPS综合性能对比分析