科華UPS容量計算公式的探討

　科華UPS就是為保護計算機設備而進行設計的,所以UPS的各項參數及工作特性是以計算機的工作特性做為參考進行設計,隨著計算機的發展,UPS同樣也隨著進行不斷的升級,比如,大家常見的計算機功率因數,由最初的0.7、0.8升級到現在0.9、0.96。UPS輸出功率因數也從0.7升級到1了,升級后由于UPS的功率因數和計算機負載功率因數相接近,所以在計算UPS容量時,就很方便了。但隨著科華UPS應用場景的拓展,UPS在非IT類設備的應用越來越多,其特性也和計算機設備大不相同,所以配比非IT類設備時UPS就需要依據負載的性能特點進行UPS容量計算。目前大多數的非IT類配比方案都是以最大配比值進行設計,這樣設計出來的UPS系統不經濟不合理,還有依據個人經驗進行配比,造成UPS系統滿足不了實際需求的案例,所以結合本人的工作經驗以及參考相關資料,試擬出一個可以應用在不同應用場景的UPS容量計算的方法,方便大家在進行UPS容量設計時進行參考。

　　一、科華UPS容量計算相關標準分析

　　查找相關資料，科華UPS的容量計算有以下幾種方法:

　　1.IT類負載計算方法

　　1）圖集(15D202-3)在線式科華UPS容量選擇

　　UPS電源裝置的容量選擇應滿足負載總容量時,還應該考慮可靠性系數及功率因數。

　　S>K×ΣP÷COSφ

　　其中,S:UPS的容量(kVA),ΣP:科華UPS所帶的全部負荷之和(kW),COSφ:負載的輸入功率因數。K:UPS的帶載率,一般為60%～80%時為最佳工作狀態。因此K一般取1.2～1.6左右。

　　2）數據中心設計規范(GB50174-2017)要求UPS基本容量選擇應留有余量,基本容量計算公式如下:

　　E≥1.2p

　　其中,E:科華UPS的基本容量(kW/kVA),P:電子信息設備的計算負荷(kW/kVA)。

　　以上兩個公式都是以IT類負載為準的計算方法,其中圖集中的K(1.2～1.6)是為了讓UPS工作在最佳的狀態,同時也考慮可靠性。GB50174中的1.2是為了:使UPS不超負荷,保證供電的可靠性;為了以后少量增加電子信息設備時,UPS的容量仍然可以滿足使用要求。個人認為GB50174的系數取值更合理,也更經濟。圖集當中考慮了負載功率因數而GB50174沒有考慮,不過目前數據中心的IT類設備的輸入功率因數普遍已在0.9以上,最高已提升到0.96左右,接近于1,且目前大多數UPS品牌的UPS輸出功率因數也提升到1了,兩者相互匹配,所以在數據中心行業負載的功率因數可以忽略計算,既使按圖集的功率因數去考慮,其結果也相差不大,不影響UPS的選型。

　　2.非IT類負載計算方法

　　1）電力工程交流不間斷電源系統設計技術規程(DL/T5491-2014)科華UPS容量選擇。

　　根據計算負荷可按本標準公式計算UPS容量,根據容量選擇大于或等于該計算容量的UPS作為選擇容量。

　　(Se應用負載類型一致或負載功率因數接近時應用)。

　　其中,S:UPS的計算容量(kVA),Se:計算負荷(kVA),KK:可靠性系數,取1.25。Kt:功率校正系數,Kd:海拔降容系數。Si:負載銘牌容量(KkVA),K:換算系數。換算系數主要考慮了負載電源裝置的余量系數和同時系數,對于DCS等計算機負載,根據調查,DCS控制器電源選擇時一般留有40%余量,且DCS廠家提供的負荷容量是將所有DCS系統電源裝置銘牌容量累加,沒有考慮電源的余量系數,也未考慮一些設備(如I/O裝置)的同時率。綜合考慮上述因數,DCS、DEH、ETS等計算機控制系統的換算系數取0.5,如DCS負荷統計時已考慮電源裝置余量和同時率,則不適用此系數,其容量換算系數需根據具體情況進行調整。

　　這個計算公式和需要系數的計算方式很類似,并且依據行業特點進行了優化,所以我以此公式為基礎,并考慮到行業內從業者的接受程度,將UPS容量計算公式進行優化,如下公式所示,只需要依據各行業中負載設備的工作特點和電氣特性,對計算公式中的各系數進行合理取值,就可以計算出經濟合理UPS系統。

　　科華UPS容量計算公式

　　IT類負載--UPS容量計算公式參數說明:

　　S:科華UPS的計算容量(kVA);

　　KK:可靠性系數,取1.25,GB50174-2017此值為1.2,所以優于國標;

　　Kt:功率校正系數,目前在數據中心行業功率因數范圍基本上都在-0.7～+0.9范圍內,山特UPS的負載功率因數一般都在-0.7～+0.9時不降額,常規取1,如果負載功因低于0.7時要考慮UPS降額;

　　Kd:平原地區不降容,如需要降容,依據UPS降容表,如:山特城堡C系列UPS降容表)。

　　K1:余量系數,取值為0.7～0.9,大多數的IT設備電源設計都有余量考慮,IT設備數量越多,造成UPS的計算容量越大,例如,按常規計算下來,大多數的UPS實際帶載量不會超過60%,所以當IT負載數量越多,取值越小,由于沒有實驗數據,個人給一個參考值:當IT負載數量在20臺以下時取0.9,在20～100K臺時取0.8,在100臺以上時取0.7。

　　K2:同時系數,取值為0.7～1,數據中心的同時系數原則是取1的,因為IT負載幾乎都是同時工作的,但也有不同時工作的工況,所以因應用需求進行調整。

　　ΣP÷COSφ:ΣP是指所有負載銘牌功率總和,即把所有的IT負載銘牌進行累加。COSφ是指的綜合功率因數,目前大多數IT負載功率因數都比較高,但也有一些比較低的,由于沒有實驗數據,個人給一個參考值:0.9～0.95,當服務器類設備較多時,可以取0.93～0.95,當交換機類或其它類設備較多時,可以取0.9～0.92。其實這個差別并不大,幾乎不影響UPS的選型,也可以忽略不計。

　　注意:IT類負載還應該考慮后期擴容系數,但在實際應用中不太好給出標準,所以此系數不體現,如需要可以體現在負載功率或者余量系數里。

　　二、IT類負載--科華UPS容量計算舉例:

　　某客戶新建設一個小型數據中心,預計需要15臺服務器,及其它配套類設備,服務器功率預計每臺為800W,其它配套類設備預計共為3000W,請幫客戶計算一下所需的UPS容量為多大合適?

　　依據山特城堡3C系列的參數為依據,其計算過程如下:

　　選型結果:選擇1臺山特3C20KUPS。優化后選擇1臺山特3C15KUPS。

　　分析:假設按GB50174計算:E=1.2×(0.8*15+3)≈k,其結果是一樣的,假設余量系數和同時系數優化后,按最小值0.7考慮,UPS容量只需約14KkVA就可以了,這時UPS在選型上就不一樣了,UPS功率段只有15kVA和20kVA個兩,所以不同參數帶來的是不同的選型結果。在小功率段時,UPS的選型成本相差不多,如果到大功率時就會相差較多了,客戶對于這個選型成本也許不在意,我們探討的是UPS容量設計經濟合理性的方法。

　　為什么余量系數可以按最小值考慮呢?

　　電力工程交流不間斷電源系統設計技術規程已指出負載的電源設計均有40%的余量。

　　在鐘景華《新一代數據中心的規劃與設計》一書中指出服務器最大功率消耗是銘牌額定值的80%。且CPU的利用率是銘牌額定值的67%,實際上還小,在實際工作中,服務器不可能同時達到最大功率,

　　所以余量系數(0.8)+同時系數(0.9)按0.7考慮是沒有問題的。是不是所有工況都可以這么考慮呢?在常規工況下是沒有問題的,但客戶要求的可靠性不同及負載工況類型不同等,還是需要依據現場情況進行系數的調整。