近年來(lái)，“東數西算”工程建設如火如荼，一座座符合《數據中心設計規范》(GB50174-2017)標準的高等級數據中心投入使用，巨大的數據流量在數據中心的“堅實(shí)底座”上高速流轉。不間斷電源(UPS)作為數據中心供電系統的最后一道“防火墻”，時(shí)刻為數據流量全速通行保駕護航。

本文以保障“業(yè)務(wù)連續性”為前提，探討了不同類(lèi)型UPS的特點(diǎn)、差異及應用場(chǎng)景等，旨在為用戶(hù)在不同場(chǎng)景下選用不同類(lèi)別的UPS提供系統性評估方法。

一、UPS的分類(lèi)及辨別方法

我國UPS產(chǎn)業(yè)化發(fā)展起步于上世紀80年代中期，較發(fā)達國家晚了將近20年。歷經(jīng)30多年的發(fā)展，UPS系列關(guān)鍵技術(shù)取得突破性進(jìn)展，譬如高端大功率UPS已成功實(shí)現從千瓦到兆瓦級水平的飛躍，且與國外品牌UPS設備在功能性?xún)r(jià)值上已不分伯仲。

目前，國內外廠(chǎng)商已研發(fā)出多類(lèi)“高頻UPS”機型，可滿(mǎn)足不同數據中心應用場(chǎng)景的需求，其中主要應用的三種類(lèi)型為塔式UPS(高頻一體式)、模塊化UPS(全熱插拔)和類(lèi)模塊UPS(業(yè)內俗稱(chēng)“假塔式”)。

在這其中，類(lèi)模塊UPS是在模塊化UPS的基礎上取消了模塊熱插拔套件，所以既失去了“功率模塊故障后快速更換”的好處，又不具備塔式UPS的高可靠性。因此，高等級數據中心不適宜采用類(lèi)模塊UPS。各類(lèi)型高頻UPS的內部結構如圖1所示。

圖1 各類(lèi)型高頻UPS的內部結構示意

二、塔式UPS和模塊化UPS的結構差異

現階段，數據中心應用較多的是塔式UPS和模塊化UPS。這兩類(lèi)UPS產(chǎn)品基于不同的內部結構，在運行效率上亦略有差異。

塔式UPS內部為獨立的三相結構，無(wú)電流不均衡情況，參考的行業(yè)標準為《通信用交流不間斷電源(UPS)》(YD/T1095-2018)。單臺塔式UPS的最大功率為600kVA，整機效率可達96%以上，在20%～30%負載率下效率亦可達95%以上，低載高效特征明顯。國標A級數據中心配合高效變壓器，可將數據中心總能耗與關(guān)鍵設備能耗之比(Power Usage Effectiveness,PUE)中的供配電因子PLF控制在0.075以?xún)?#xff0c;從而可較好地實(shí)現PUE小于1.3甚至1.2。

模塊化UPS內部由三相功率模塊并聯(lián)而成，參考的行業(yè)標準為《通信用模塊化交流不間斷電源》(YD/T2165-2017)。單個(gè)三相功率模塊的功率以50～100kVA居多，整機效率可達96.5%以上。國標A級數據中心結合高效變壓器，可將PUE中的PLF控制在0.071以?xún)?。相較于塔式UPS，模塊化UPS可更好地實(shí)現數據中心PUE小于1.3甚至1.2。塔式UPS和模塊化UPS電路如圖2所示。

圖2 塔式UPS(左)和模塊化UPS(右)電路示意

三、塔式UPS和模塊化UPS的全方位對比

結合塔式UPS和模塊化UPS的結構差異及其在項目中的實(shí)際應用表現，業(yè)內對兩類(lèi)機型的評價(jià)總結見(jiàn)表1。

表1 塔式UPS和模塊化UPS的特征對比

除此之外，兩類(lèi)機型在以下幾個(gè)方面亦有較大差異。

1.機內均流風(fēng)險

得益于獨立的三相結構，塔式機內不會(huì )出現模塊輸出不均流的現象；而模塊機內部則存在模塊輸出不均流現象，且隨著(zhù)時(shí)間的推移，有不均流加大的風(fēng)險。

2.電容更換成本

塔式機的電容安裝方式是使用大電容螺栓將其安裝在銅排上，模塊機的電容安裝方式則使用小電容器將其焊接在PCB板上，兩者在電容器更換成本上有較大差異。塔式機電容器更換成本為整機成本的10%左右，模塊機則需全部更換功率模塊，更換成本攀升至整機成本的50%以上。

3.運行效率

通過(guò)采用功率模塊休眠技術(shù)，模塊機的休眠顆粒度為50kVA或100kVA，此外，可通過(guò)提升整機的負載率以獲得更高的運行效率。整體而言，模塊機運行效率高于塔式機0.5%左右。

4.故障概率及維修時(shí)間

獨立的三相結構決定了塔式機整機內部器件發(fā)生故障的概率將遠低于模塊機功率模塊的故障概率。若故障發(fā)生，維修塔式機內部器件的時(shí)間約為30分鐘，而模塊機在有備份模塊的情況下，更換模塊僅需10分鐘。

5.尺寸及重量

塔式機尺寸較大，安規距離可達到國家標準的1.5倍以上；而模塊機尺寸較小，在滿(mǎn)足國家標準安規距離要求時(shí)散熱能力較差，器件老化速度較快。在重量方面，塔式機較重，模塊機重量?jì)H為塔式機的70%左右，因而成本更低。

四、塔式UPS和模塊化UPS適合的場(chǎng)景

基于不同的結構和特性，塔式UPS和模塊化UPS均有相應適合的應用場(chǎng)景，用戶(hù)可根據實(shí)際項目情況進(jìn)行選型。整體而言，高等級數據中心選型可考慮以塔式UPS為主。

1.根據并機方案選型

模塊化UPS主要通過(guò)并機實(shí)現功率模塊冗余，并機數量越多，功率模塊就越多，功率模塊間環(huán)流也就越大。因此，并機數量在兩臺時(shí)應用模塊化UPS或塔式UPS均可，并機數量在3臺及以上的情況，建議使用塔式UPS。

2.高安全場(chǎng)景

對于將“高可靠運行”要求置于首位的數據中心，因其設計理念追求的是“不會(huì )壞”，所以建議首選塔式UPS。同時(shí)，目前高頻塔式機的效率只略低于模塊機，也可同時(shí)兼顧節能的需求。

3.“極致節能”場(chǎng)景

對于將“極致節能”要求置于首位的數據中心，可優(yōu)先選擇模塊化UPS。因為模塊化UPS的運行效率比塔式機高0.5%，且休眠的功率顆粒度更小，節能效果也更好。但需要注意的是，模塊化UPS可能會(huì )較為頻繁地出現設備故障。

五、塔式UPS和模塊化UPS的應用情況

現階段，我國高等級數據中心應用領(lǐng)域廣泛，本文將以金融行業(yè)數據中心UPS系統應用情況為例，同時(shí)列舉互聯(lián)網(wǎng)數據中心(Internet Data Center,IDC)的應用情況進(jìn)行分析。

1.金融行業(yè)應用塔式UPS占比超過(guò)99%

通過(guò)測算，2018年以來(lái)，擁有1000臺以上機柜的金融行業(yè)數據中心塔式機的應用比例達到95%以上，占據絕對主流。若考慮近十年來(lái)金融行業(yè)1000臺以上機柜數據中心的應用，塔式UPS占比則高達99%以上。2018年以來(lái)?yè)碛?000臺以上機柜金融行業(yè)數據中心UPS系統應用情況見(jiàn)表2。

表2 2018年以來(lái)1000臺以上機柜金融行業(yè)數據中心UPS系統應用情況

2.IDC等應用模塊化UPS占比80%以上

目前，IDC較多地應用模塊機，但由于其故障率偏高，對業(yè)務(wù)連續性影響極大。據了解，模塊機整機及模塊的故障率是塔機的5倍以上。例如，2023年6～7月，某項目上應用的20多臺模塊機陸續出現故障，炸機導致單路UPS中斷時(shí)間長(cháng)達數周，部分機房雙路掉電，且導致對客業(yè)務(wù)中斷、服務(wù)中斷以及用戶(hù)索賠等嚴重后果。此類(lèi)數據中心模塊化UPS炸機、UPS燒毀、機房燒毀等事故，給設備安全運行帶來(lái)極大隱患。根據事后評估，發(fā)生故障的項目使用的模塊化UPS模塊尺寸小、功率高(3U 100kVA)，導致單模塊功率密度大、散熱性較差，熱量累積導致器件短路，最后引發(fā)炸機。模塊機雖具有單機成本較低、效率略高的優(yōu)勢，但若過(guò)于追求成本，其過(guò)高的能量密度將導致元器件安規距離過(guò)小、機內溫升偏高、器件老化較快，為數據中心安全運行帶來(lái)一定的隱患。

此外，在多個(gè)行業(yè)的項目中，陸續有大量模塊化UPS的功率模塊被召回，召回行為對于數據中心的安全穩定運行也是一個(gè)巨大考驗。召回后再次上新的模塊是否還會(huì )發(fā)生故障，這對數據中心運維團隊及高層管理者都是一個(gè)巨大的心理考驗和責任考驗。

UPS作為數據中心基礎設施中最重要的設備之一，其對于供電連續性的影響至關(guān)重要。架構安全、穩定可靠、在行業(yè)中積累了成熟經(jīng)驗的塔式UPS，或可作為用戶(hù)的優(yōu)先選擇。

本文轉載自《中國金融電腦》