交流UPS与直流240 V供电系统投资与运行成本比较分析

黄艺云，张 民

（1.中国电信湖北公司网络运行维护部；2.湖北省邮电规划设计院）

0 引 言

直流240 V供电系统是中国电信的一项技术创新，用来取代传统交流UPS，为使用220 V交流电的计算机类网络设备、通信设备提供高可靠性的不间断供电。与传统交流UPS相比，直流240 V供电系统具有更高的可靠性，更好的可维护性，以及更高的运行效率，因此得到了迅速推广。本文对传统交流UPS供电系统与直流240 V供电系统在投资和运行成本上进行了比较和分析，数据均基于中国电信湖北公司已建工程项目实际发生费用和在网运行系统使用情况。其中，系统一是2008年建设的位于武汉电信营房村二枢纽19层的300 k VA UPS 1＋1供电系统，系统二为2011年建设的位于武汉电信江夏IDC机楼的1 000 A直流240 V供电系统。两套系统为同一供应商提供。

1 供电能力评估

供电能力按可满足标准服务器机柜数量评估。

1.1 交流UPS系统

按照300 k VA UPS安全运行输出能力计算，1套300 k VA UPS 1＋1系统实际可输出能力为192 k W，可满足IDC机房64架服务器机柜用电所需（单机柜耗电量以3 k W计算）；1套300 k VA UPS 2＋1系统可满足IDC机房128架服务器机柜用电所需。

1.2 直流240 V系统

1套1 000 A直流240 V系统最大可输出电流760 A（系统扣减备用模块2块，蓄电池配置2组2 000 Ah，充电电流按20小时率计算），输出功率为760 A×270 V＝205 k W，可满足68架服务器机柜使用，2套1 000 A直流240 V系统可满足137架服务器机柜使用。

综上，1套300 k VA UPS 1＋1系统与1套1 000 A直流240 V系统的供电能力基本相当，1套300 k VA UPS 2＋1系统与2套1 000 A直流240 V系统的供电能力基本相当。

2 设备占地面积

2.1 交流UPS系统

营房村19层300 k VA UPS 1＋1供电系统包括2台300 k VA UPS主机、1面输入配电屏、2面电池开关柜、2面输出配电屏和6组200 Ah蓄电池组，总占地面积为15.67平方米；300 k VA UPS 2＋1供电系统包括3台300 k VA UPS主机、1面输入配电屏、3面电池开关柜、2面输出配电屏和9组200 Ah蓄电池组，总投影面积为22.97 m2。

2.2 直流240 V系统

江夏IDC机房一套1 000 A直流240 V系统包括1面交流配电屏、2面直流配电屏、3架整流机架、2组2 000 Ah蓄 电 池，总 投 影 面 积 为16.80 m2，2 套1 000 A直流240 V系统设备投影面积为33.60 m2。

2.3 设备投影面积比对表

UPS系统和高压直流系统投影面积比对表如表1。

表1 设备投影面积比对表

3 配套高低压系统投资

在配套高低压系统投资上，交流UPS系统和直流240 V系统没有差别，本文从最近建设的武汉电信江夏IDC工程提取数据。

高低压系统设备部分的投资相对固定，但外供电引入部分不同项目，其投资有较大的差别。外供电引入部分投资的多少与IDC机房用电量、高低压室改建与否、供电开闭所至IDC机房的距离、高压电缆布放路由是否畅通等诸多因素有关。

江夏IDC机房高低压部分投资共包括5 000 k VA高压单路引入、2台2 500 k VA变压器、8面高压柜、20面低压柜以及新建高、低压室。总投资约800万元左右，平均每k VA造价约0.16万元。

300 k VA 1＋1 UPS系统在高、低压配电部分的投资约为：0.16万元／k VA×300 k VA×0.8／0.87／0.95＝46.46万元；其中0.8为输出功率因数，0.87为 UPS效率，0.95为输入功率因数。

直流240 V系统输入功率因数0.99，效率0.93，则1 000 A直流240 V系统在高、低压配电部分的投资为：0.16万 元／k VA×270 V×1 000 A／0.93／0.99／1 000＝46.92万元。

4 配套油机投资

4.1 交流UPS系统

由于UPS设备谐波反馈以及负载电流突变等因素，传统UPS设备与油机的容量配比一般为1.5～3，评估中取值为2。一套300 k VA UPS 1＋1系统，油机容量配置为384 k W（取UPS的最大负载率为80%）；一套300 k VA UPS 2＋1系统，油机容量配置为768 k W。

江夏IDC机房油机设备为一台1 800 k W柴油发电机组，工程总投资410万元左右，平均每k W造价为0.23万元，UPS系统在油机部分的投资为384（768 k VA）×0.23万元／k VA＝88.32（176.64）万元。

4.2 直流240 V系统

直流240 V系统与油机容量的配比可按1∶1.1配置，故1套1 000 A直流240 V系统，油机容量配置约为297 k W；2套1 000 A系统，油机设备容量配置约为594 k W。

直流240 V系统配套油机部分投资为297（594 k VA）×0.23万元／k VA＝68.31（136.62）万元。

5 电力室空调投资

从主设备及蓄电池设备的投影面积来看，两种电源系统设备占用机房面积基本相当且面积不大，为简化电力室空调部分投资计算比对过程，本文忽略电力室环境部分的发热量统计。

5.1 交流UPS系统

交流UPS设备实际工作效率大约在87%左右，1套300 k VA UPS 1＋1系统，UPS设备发热量大约为29 k W，通常配置12.5 k W小型机房专用空调3台；1套300 k VA UPS 2＋1系统，UPS设备发热量大约为58 k W，通常配置12.5 k W小型机房专用空调5台。

按目前12.5 k W小型机房专用空调的采购价格，UPS系统在小型空调部分的投资为3（5）×2.5＝7.5（12.5）万元。

5.2 直流240 V系统

直流240 V系统效率值按93%计算，1套1 000 A直流240 V系统设备发热量为16 k W，需要配置12.5 k W小型机房专用空调2台；2套1 000 A系统需要配置12.5 k W小型机房专用空调3台。

直流240 V系统在小型空调部分的投资为2（3）×2.5＝5（7.5）万元。

6 IDC机房空调投资

IDC机房空调配置依据设备发热量和环境发热量综合统计，根据经验值，1 k W设备需要配置1.1～1.2 k W制冷量的空调，而目前使用的50 k W机房专用空调设备价格大约为11万元左右，由此可测算出1 k W负载设备分摊空调部分投资约为0.24万元。

6.1 UPS系统

300 k VA 1＋1 UPS系统可满足64架设备使用，则机房空调配置数量为64×3×1.1 k W＝211.2 k W，空调投资为211.2 k W×0.24＝50.69万元。

同理可计算出300 VA 2＋1系统配套IDC机房空调投资为101.38万元。

6.2 直流240 V系统

一套1 000 A直流240 V系统为68架设备供电，则机房空调配置数量为68×3×1.1 k W＝224.4 k W，空调投资为224.4 k W×0.24万元／k W＝53.87万元。

同理可计算出二套1 000 A直流240 V系统配套IDC机房空调投资为108.5万元。

7 电源空调配套工程一次性总投资

综上得出电源空调配套工程一次性总投资比较如表2所示。

表2 电源空调配套工程一次性总投资对比

8 电源空调配套工程单机柜年度分摊投资

由于各种设备的使用、运行年限不一，仅用一次性投资来比较UPS系统及直流240 V系统的投资额显然不合理。以下按照通信电源维护规程规定的各种设备、材料的有效使用年限，采用单机柜每年度分摊投资来比较（见表3）。

表3 各设备使用年限

计算公式：（高低压设备投资／20＋油机设备投资／10＋…＋电缆投资／20）／机柜数量＝单机柜年度分摊建设投资。由此得出单机柜年度分摊投资额，如表4所示。

表4 单机柜年度分摊投资

9 运行电费成本

9.1 供电系统的电费

取供电系统为每机柜提供3 k W功率时所产生的电费来比较。电费单价按武汉电信当前发生的0.95元／度来计算。

300 k VA 1＋1 UPS系统电费＝0.95元／k Wh×3 k W／0.87×24 h×365＝28 696.55元／年／机架

其中0.87为UPS系统效率。

1 000 A直流240 V系统电费＝0.95元／k Wh×3 k W／0.93×24 h×365＝26 845.16元／年／机架

其中0.93为直流240 V系统效率。

9.2 电力室空调的电费

不同的供电电源导致电力室配置的空调数量不同，从而使电力室空调电费产生差异。

使用300 k VA 1＋1 UPS系统的电力室空调电费分摊到单机柜＝0.95元／k Wh×5 k W×3×24 h×150／64＝801.56元／年／机架。

其中5 k W为电力室空调耗电量（能效比2.5），3为空调配置台数，150为一年大约运行天数。

使用直流240 V系统电力室空调电费分摊到单机柜＝0.95元／k Wh×5 k W×2×24 h×150／68＝502.94元／年／机架。

其中5 k W为电力室空调耗电量（能效比2.5），2为空调配置台数，150为一年大约运行天数。

同理，我们可以计算出300 k VA 2＋1 UPS以及2套1 000 A直流240 V系统电力室空调所用电费分摊至单机柜的电费，分别为667.97元和374.45元。

9.3 IDC机房空调电费成本

IDC机房空调电费成本也应包含在每个机柜的电费成本中。由于IDC机房空调配置数量与使用何种电源设备无关，故该部分的电费支出一致。

IDC机房空调电费＝0.95元／k Wh×24 h×365×211 k W／2.5／64＝10 974.64元／年／机架

9.4 单机柜年度电费合计

单机柜电费年度合计＝电源设备电费＋电力室空调电费＋IDC机房空调电费，如表5所示。

表5 单机柜年度电费合计表 （单位：k WA）

10 结 论

根据上述对具有相当供电能力的交流UPS系统和直流240 V系统的投资和运行费用的比较，可以得到：

（1）1 000 A直流240 V系统在配套电池投资达到300 k VA UPS 1＋1系统配套电池投资的2倍，同时供电能力高4个机柜的情况下，一次性总投资仍节省12.5%。配套电池的配置，UPS按0.5～1小时率设计，240 V直流按2～3小时率设计。今后240 V直流可按1～2小时率设计，其投资优势会更明显。

（2）1 000 A直流240 V系统比300 k VA UPS 1＋1系统供电的单机柜年度分摊投资节省25%，优势十分明显。

（3）1 000 A直流240 V系统比300 k VA UPS 1＋1系统供电的单机柜年度电费节省5%。

（4）以上分析基于供电能力相当的UPS和直流240 V系统的经济性比较。由于UPS系统的可靠性达不到电信级要求，实际上电信机房大量使用两套1＋1 UPS对负载提供冗余供电，以提高供电的可靠性。而此时UPS的负载率下降到30%左右，电源设备和蓄电池的投资翻倍，经济性大幅下滑。