喬迎超（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司湖北分公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

隨著社會(huì)發(fā)展和通信網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)，數(shù)據(jù)中心在各個(gè)行業(yè)迅速發(fā)展，隨之而來的建設(shè)需求越來越多。除去傳統(tǒng)通信運(yùn)營商、銀行、大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)等建設(shè)的大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，也有一些企業(yè)、政府部門建設(shè)的小規(guī)模數(shù)據(jù)中心。這些數(shù)據(jù)中心無論規(guī)模大小都離不開不間斷電源的保障，而不間斷電源在數(shù)據(jù)中心中應(yīng)用最廣泛的是UPS設(shè)備。過去較長的一段時(shí)期內(nèi)，UPS均采用了集中式UPS，從早期的工頻機(jī)（6脈沖、12脈沖）過度到現(xiàn)在的高頻機(jī)、模塊化UPS。近些年，部分?jǐn)?shù)據(jù)中心也采用了分布式UPS。這種類型的UPS設(shè)備與傳統(tǒng)集中式UPS設(shè)備電氣原理相似，但在設(shè)備外形、安裝等[1]方面上存在很大區(qū)別，為項(xiàng)目建設(shè)單位在電源設(shè)備選型上提供了另外一種選擇。

1 分布式UPS

分布式UPS是分布式電源電源系統(tǒng)（Distributed Power System，DPS）的一種，也是應(yīng)用較多的一種。一般DPS按照輸出電源類型可分為輸出220 V交流DPS和輸出240 V高壓直流DPS等。由于高壓直流型電源在電氣特性以及應(yīng)用上與傳統(tǒng)UPS有著本質(zhì)區(qū)別，尤其是蓄電池的應(yīng)用方面，因此這里主要討論與傳統(tǒng)UPS在電氣原理和結(jié)構(gòu)上較為相似的220 V交流DPS，即分布式UPS。

1.1 分布式UPS的主要特點(diǎn)

分布式UPS的最主要特點(diǎn)就是區(qū)別與傳統(tǒng)UPS在電力室的“集中”安裝。分布式UPS將UPS設(shè)備“分布”安裝到設(shè)備機(jī)柜中。為了滿足安裝到機(jī)柜的要求，分布式UPS采用相對鉛酸電池體積更小、重量更輕的鋰電池，且一般與UPS設(shè)備合為一體，但可以單獨(dú)進(jìn)行更換。此外，受限于安裝空間和電池大小，單臺(tái)分布式UPS設(shè)備支持的機(jī)柜功率有限，市面上主流廠家設(shè)備一般容量范圍為3～8 kW，電池后備時(shí)間15～30 min。

1.2 分布式UPS的主要結(jié)構(gòu)及組網(wǎng)方式

分布式UPS一般的常見結(jié)構(gòu)如圖1所示。

單臺(tái)UPS支持雙路市電輸入，兩路輸出，其中A路為帶后備電池的保障輸出，B路為市電直供。

分布式UPS常見的組網(wǎng)方式有單機(jī)架單機(jī)組網(wǎng)、單機(jī)架2N組網(wǎng)和雙機(jī)架2N組網(wǎng)[2]。

（1）單機(jī)架單機(jī)組網(wǎng)。每個(gè)設(shè)備機(jī)柜安裝1臺(tái)分布式UPS，單臺(tái)UPS設(shè)備功率滿足單個(gè)機(jī)柜總功率需求。在有雙路市電輸入的情況下，機(jī)柜可實(shí)現(xiàn)UPS+市電雙路電源。

（2）單機(jī)架2N組網(wǎng)。每個(gè)設(shè)備機(jī)柜安裝2臺(tái)分布式UPS，單臺(tái)UPS設(shè)備功率滿足單個(gè)機(jī)柜總功率需求，2臺(tái)UPS輸入接入2路不通的市電，機(jī)柜電源的A路、B路分別接入2臺(tái)UPS設(shè)備的保障輸出。

（3）雙機(jī)架2N組網(wǎng)。每個(gè)設(shè)備機(jī)柜安裝1臺(tái)分布式UPS，單臺(tái)UPS設(shè)備功率滿足2個(gè)機(jī)柜總功率需求。比如，第1臺(tái)機(jī)柜的UPS設(shè)備保障輸出接入本機(jī)柜的電源輸入A路和第2臺(tái)機(jī)柜的電源輸入B路，第2臺(tái)機(jī)柜的UPS設(shè)備保障輸出接入本機(jī)柜的電源輸入A路和第3臺(tái)機(jī)柜的電源輸入B路，最后一個(gè)機(jī)柜的UPS設(shè)備保障輸出接入本機(jī)柜的電源輸入A路和第1臺(tái)機(jī)柜的電源輸入B路。單機(jī)柜所接入的2臺(tái)UPS設(shè)備，其上級輸入電源應(yīng)來自不同的2路市電。

上述分布式UPS常見組網(wǎng)方式中，單機(jī)架單機(jī)組網(wǎng)方式可靠性最低，但設(shè)備投資少。單機(jī)架2N組網(wǎng)方式可靠性高，但設(shè)備投資多。雙機(jī)架2N組網(wǎng)雖然節(jié)省了部分費(fèi)用，但組網(wǎng)方式稍顯復(fù)雜，結(jié)構(gòu)不夠清晰。

2 設(shè)備配置的對比

2.1 設(shè)備組網(wǎng)方式對比

根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄1，數(shù)據(jù)中心的UPS結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的級別采用2N、N+1、N等不同的配置。A級數(shù)據(jù)中心需采用2N或M（N+1）（M=2、3、4…）配置，B級數(shù)據(jù)中心需采用N+1配置，C級數(shù)據(jù)中心采用N配置。集中式UPS可簡單實(shí)現(xiàn)上述組網(wǎng)，但是通過第1章節(jié)中對分布式UPS設(shè)備結(jié)構(gòu)及組網(wǎng)方式的描述可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行N+1組網(wǎng)時(shí)，分布式UPS因其容量分散的特點(diǎn)，無法實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的N+1（2≤N≤4）組網(wǎng)。因此，當(dāng)數(shù)據(jù)中心的目標(biāo)等級定義為B級或客戶明確要求UPS為N+1配置就可以滿足其需求時(shí)，需根據(jù)項(xiàng)目規(guī)模具體評估集中式UPS做N+1冗余配置和分布式UPS做冗余配置的投資對比，避免造成投資浪費(fèi)。

2.2 設(shè)備容量對比

在進(jìn)行UPS設(shè)備容量計(jì)算時(shí)，集中式UPS因其接入設(shè)備多，在計(jì)算容量時(shí)可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或具體設(shè)備使用情況考慮一定的同時(shí)系數(shù)。但是，分布式UPS因其接入設(shè)備單一，一般是按照單個(gè)機(jī)柜的設(shè)計(jì)功率來計(jì)算容量需求，無法考慮多個(gè)機(jī)柜同時(shí)工作的同時(shí)系數(shù)[3]。比如，某設(shè)備機(jī)房計(jì)劃安裝100個(gè)機(jī)架，單機(jī)架平均設(shè)計(jì)功率5 kW，考慮同時(shí)系數(shù)0.8（暫不考慮需要系數(shù)），功率因素0.9，單機(jī)允許使用率0.9，UPS容量裕度系數(shù)1.2，則 UPS需 求 容 量E1=5×100×0.8÷0.9÷0.9×1.2=593 kVA。如果數(shù)據(jù)中心等級為C級時(shí)，集中式UPS可選用2臺(tái)300 kVA UPS，其設(shè)備總?cè)萘课?00 kVA。如果數(shù)據(jù)中心等級為A級時(shí)，集中式UPS可選用4臺(tái)300 kVA UPS采用2N（N=2）方式運(yùn)行，其設(shè)備總?cè)萘繛? 200 kVA。

而分布式UPS采用單機(jī)架單機(jī)組網(wǎng)時(shí)，如果同樣考慮一定的容量裕度系數(shù)，需至少選用單臺(tái)8 kVA設(shè)備共100臺(tái)，其總?cè)萘繛?00 kVA。如果考慮冗余，采用2N組網(wǎng)方式時(shí)，設(shè)備總?cè)萘繉⑦_(dá)到1 600 kVA?？梢钥闯?，如果機(jī)架數(shù)達(dá)到一定規(guī)模，可以考慮負(fù)荷的同時(shí)系數(shù)時(shí)，分布式UPS的設(shè)備總?cè)萘繉⒋笥诩惺経PS。同樣，由于設(shè)備規(guī)模的增加和電池模塊化的設(shè)計(jì)，分布式UPS所需的電池規(guī)模也會(huì)更多。

反之，當(dāng)機(jī)架數(shù)量較少時(shí)，或者機(jī)房面積足夠大，但是因?yàn)檫h(yuǎn)期裝機(jī)需求不明確使得機(jī)架不能一次性建設(shè)到位時(shí)，對于對投資效益比較敏感的建設(shè)單位往往會(huì)考慮到設(shè)備利用率和投資收益的問題，這是項(xiàng)目投資決策的重要環(huán)節(jié)。集中式UPS設(shè)備在選型時(shí)往往按照客戶要求或者項(xiàng)目整體規(guī)劃，根據(jù)整個(gè)機(jī)房可裝機(jī)設(shè)備功率情況選擇盡可能大的UPS設(shè)備，可以在一定程度上節(jié)省投資，但是會(huì)面臨投產(chǎn)初期設(shè)備利用率低和投資回收期長的問題。而分布式UPS設(shè)備則較好地解決了這種問題，可分批次建設(shè)電源設(shè)備，并可以快速完成部署，在下一階段甚至可以靈活改為分布式高壓直流設(shè)備，或者根據(jù)不同的客戶要求，在2N、N供電等級之間靈活選擇。

3 機(jī)房利用率的對比

對于機(jī)房利用率的對比，不能簡單一概而論，要根據(jù)不同情況具體分析。這里的機(jī)房利用率是指同樣面積的機(jī)房（含電力室）可實(shí)際安裝服務(wù)器設(shè)備的規(guī)模。目前，行業(yè)內(nèi)除去一些規(guī)模較大的數(shù)據(jù)中心，也有許多小規(guī)模的數(shù)據(jù)中心，也需要根據(jù)不同的機(jī)房條件選擇合適的UPS設(shè)備。

一般來講，下面兩種情況下分布式UPS設(shè)備具有明顯優(yōu)勢[4]：一是樓板承重條件不滿足電池安裝要求的機(jī)房，如普通機(jī)房或者其他民用建筑內(nèi)的改造機(jī)房，承重加固難度大且費(fèi)用多；二是機(jī)房面積小、形狀不規(guī)則或者有其他不利于電源、電池?cái)[放的因素，無法布局單獨(dú)的電力電池室。因此，需挑選同樣可安裝兩種類型UPS設(shè)備的機(jī)房進(jìn)行利用率對比。例如，某機(jī)房擬建如圖2所示。

設(shè)數(shù)據(jù)中心單機(jī)架設(shè)計(jì)功率4 kW，采用集中式UPS方案時(shí)，UPS采用400 kVA 2N（N=2）配置，配置4組480 V/800 Ah蓄電池組，后備時(shí)長按0.5 h考慮，預(yù)計(jì)UPS總輸出功率為648 kW，可滿足162個(gè)機(jī)柜功率需求。在隔出電力電池室所需要的面積后，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范及通用產(chǎn)品尺寸進(jìn)行平面布局設(shè)計(jì)，具體如圖2所示。除去配電列頭柜，剩余機(jī)房預(yù)計(jì)可安裝166個(gè)機(jī)柜。

分布式UPS雙機(jī)架2N結(jié)構(gòu)組網(wǎng)時(shí)，單機(jī)架采用1臺(tái)10 kVA分布式UPS組成，平面布局如圖3所示。在服務(wù)器機(jī)柜同等尺寸及布局的情況下，除去配電列頭柜和空調(diào)配電柜，可裝245個(gè)機(jī)柜。

單從機(jī)柜數(shù)量上看，分布式UPS方案明顯可安裝更多的機(jī)柜，比集中式UPS方案多安裝48%的機(jī)柜。但是，由于分布式UPS設(shè)備安裝在機(jī)柜內(nèi)占據(jù)了機(jī)柜空間，因此應(yīng)從可安裝服務(wù)器空間上考慮機(jī)房利用率。以一個(gè)IT機(jī)柜42U空間計(jì)算，分布式電源占據(jù)6U，則兩種方案的實(shí)際剩余空間為：集中式UPS方案166×42=6 972U；分布式UPS方案245×（42-6）=8 820U。

從機(jī)柜空間上看，分布式UPS方案的機(jī)柜可用空間比集中式UPS方案多27%，但相比機(jī)柜增加比例明顯下降。實(shí)際項(xiàng)目中，判斷機(jī)房利用率提升的程度要看實(shí)際項(xiàng)目需求。例如，4 kW功率實(shí)際能夠滿足單機(jī)柜多少U的設(shè)備安裝，如果本身單機(jī)柜受供電功率限制，則本身就會(huì)空出一部分空間，那么以機(jī)柜空間來判斷機(jī)房利用率的提升就沒有太大意義。

圖2 集中式UPS平面布局方案

圖3 分布式UPS平面布局方案

表1 投資費(fèi)用對比

總體而言，采用分布式UPS相對集中式UPS確實(shí)能夠安裝更多的機(jī)柜，但仍然需要結(jié)合其他因素綜合考慮。

4 項(xiàng)目投資的對比

綜上所述，對于分布式UPS和集中式UPS的對比，需在兩者均適用的場景下進(jìn)行分析。以圖2和圖3的方案為例分別進(jìn)行投資費(fèi)用對比，具體結(jié)果如表1所示。

通過表1可看出，與集中式UPS相比，分布式UPS的總投資與單機(jī)架投資均較高，主要是由于鋰電池的費(fèi)用較高。此外，由于可安裝機(jī)柜數(shù)量多，所需要的空調(diào)、機(jī)柜投資也相應(yīng)增加。

與鉛酸電池相比，鋰電池具有充放電次數(shù)多、壽命長及高溫環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。但是，由于通信機(jī)房良好的市電保障和機(jī)房專用空調(diào)對機(jī)房環(huán)境溫度的保障，使得鋰電池的優(yōu)勢在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用中顯得性價(jià)比不高[5]。這是目前為止在通信行業(yè)內(nèi)鋰電池主要應(yīng)用在基站、傳輸機(jī)房等接入層站點(diǎn)而尚未大規(guī)模應(yīng)用在核心機(jī)樓的原因之一。

但是，也可以通過表1看出，雖然分布式UPS的投資較大，但是如果能保障其單機(jī)柜收益，則在完成投資回收后，更多的機(jī)柜無疑將帶來更多的業(yè)務(wù)收入。關(guān)于投資回收期和投資收益的計(jì)算是另外一個(gè)相對復(fù)雜的計(jì)算和分析，這里不作詳述。

5 其他對比

對于分布式UPS，有些人認(rèn)為其分散的供電模式避免了單臺(tái)設(shè)備故障導(dǎo)致設(shè)備大面積故障的情形，但是集中式UPS的N+1、2N的配置在多年實(shí)踐中早已經(jīng)證實(shí)其具有很高的可靠性。反之，也有人認(rèn)為分散的分布式設(shè)備反而使得故障節(jié)點(diǎn)增多，但是分布式UPS的模塊化設(shè)計(jì)，包括電池在內(nèi)都可以快速實(shí)現(xiàn)更換，其維修替換時(shí)間小于集中式UPS。此外，對于不同的使用單位，需要注意維護(hù)部門的管理界面和客戶的要求。假如某些客戶要求機(jī)柜加鎖，也會(huì)使得維護(hù)部門在維護(hù)時(shí)顯得不太方便。

6 結(jié) 論

無論是集中式UPS還是分布式UPS，都有各自明顯的優(yōu)缺點(diǎn)。兩者不是互相可以取代的關(guān)系，而是有著各自更加適用的場景。因此，設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目的機(jī)房條件、項(xiàng)目規(guī)模、市場業(yè)務(wù)情況以及投資效益要求等多方面因素綜合考慮，選擇合適的UPS設(shè)備方案。