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關(guān)于數(shù)據(jù)中心供配電和能效管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析-安科瑞 蔣靜

更新時(shí)間:2023-10-11      瀏覽次數(shù):157

本文部分內(nèi)容引用微信公眾號(hào):數(shù)據(jù)中心運(yùn)維管理,《淺談數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)》

摘要:現(xiàn)代的數(shù)據(jù)中心中都包括大量的計(jì)算機(jī),對于這種場所的電力供應(yīng),都要求供電系統(tǒng)需要在所有的時(shí)間都有效,這就不同于一般建筑的供配電系統(tǒng),它是一個(gè)交叉的系統(tǒng),涉及到市電供電、防雷接地、防靜電、UPS不間斷供電、柴油發(fā)電機(jī)等,每個(gè)系統(tǒng)互相交叉,互有影響,這就使我們在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮多方面的因素。本文從數(shù)據(jù)中心的高壓供電系統(tǒng)到末端精密配電系統(tǒng)介紹數(shù)據(jù)中心供配電及能效管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

一、系統(tǒng)概述

數(shù)據(jù)中心機(jī)房是現(xiàn)代信息化建設(shè)的基礎(chǔ)工程,為各個(gè)業(yè)務(wù)提供穩(wěn)定、安全的工作環(huán)境,而機(jī)房的供配電系統(tǒng)就是這基礎(chǔ)工程的心臟和大動(dòng)脈,供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定,能夠保障其它系統(tǒng)發(fā)揮作用和核心業(yè)務(wù)正常運(yùn)行。系統(tǒng)不同于一般建筑的供配電系統(tǒng),它是一個(gè)交叉的系統(tǒng),涉及到市電供電、防雷接地、防靜電、UPS不間斷供電、柴油發(fā)電機(jī)等,各個(gè)系統(tǒng)互相交叉,互有影響,這就使我們在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮多方面的因素。

二、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)中心有專門的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),綜合性的數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)標(biāo)TIA-942《數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》,是2005年4月由美國電信產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(TIA)、TIA技術(shù)工程委員會(huì)(TR42)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(ANSI)批準(zhǔn)的。國內(nèi)的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也是綜合國外標(biāo)準(zhǔn)以及國內(nèi)數(shù)據(jù)中心建設(shè)發(fā)展情況做出的,數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范GB50174—2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》也于2008年l1月12日發(fā)布,2009年6月1日開始實(shí)施。

三、設(shè)計(jì)原則

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)執(zhí)行或參照執(zhí)行國家和行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范,并可參考國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范,結(jié)合考慮數(shù)據(jù)中心用電負(fù)荷密度高、供電可靠性要求高等特性采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施。同時(shí),應(yīng)滿足項(xiàng)目建設(shè)單位的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求。

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循分區(qū)、分級(jí)的原則,同一功能區(qū)域內(nèi)的各類設(shè)備的供電可靠性,應(yīng)能保證所有設(shè)備能夠按照該區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)的要求運(yùn)行,并將供配電系統(tǒng)局部故障的影響面控制在盡可能小的范圍。

數(shù)據(jù)中心用電負(fù)荷密度高、總量大,其供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分運(yùn)用成熟有效的節(jié)能措施,降低供配電系統(tǒng)的損耗。

四、數(shù)據(jù)中心機(jī)房供配電系統(tǒng)需求分析

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的普及,社會(huì)各界對信息系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛,信息和數(shù)據(jù)量呈幾何級(jí)增長,由此對數(shù)據(jù)中心的需求日益增加,對數(shù)據(jù)中心的要求也不斷提高,信息設(shè)備功能越來越強(qiáng),功率密度越來越高。

五、數(shù)據(jù)中心機(jī)房供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 供配電系統(tǒng)的布置

數(shù)據(jù)中心機(jī)房供配電系統(tǒng)主要設(shè)備有:UPS、電池、配電柜和柴油發(fā)電機(jī)等。這些設(shè)備單位占地面積、重量大,對于這些設(shè)備的擺放位置既要考慮功能上的需求,又要考慮空間和承重的需要,還要考慮對外界的危害。

下圖為典型數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)示意圖,采用雙路110kV進(jìn)線,配置10kV柴油發(fā)電機(jī)作為自備應(yīng)急電源,UPS采用冗余供電方式,末端精密配電柜和精密空調(diào)均采用UPS供電,提高數(shù)據(jù)中心運(yùn)行穩(wěn)定性,見圖1。

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圖1 數(shù)據(jù)中心典型供配電系統(tǒng)示意圖

5.2 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5.2.1 市電動(dòng)力配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大型數(shù)據(jù)中心一般采用110kV甚至更高電壓等級(jí)市電電源,根據(jù)當(dāng)?shù)毓╇姉l件確定。市電動(dòng)力配電主要用于供給機(jī)房精密空調(diào)設(shè)備、普通照明和給排風(fēng)、維修插座、一般動(dòng)力、UPS設(shè)備等。市電動(dòng)力配電一般由大樓總配電柜饋出的動(dòng)力供配電系統(tǒng),采用50Hz交電,380/220V三相五線電源,TN-S接地方式,零線和地線分開設(shè)置且零地線之間電壓小于1V。

一般可靠性要求數(shù)據(jù)中心宜引入兩路市電電源,條件受限制時(shí)也可引入一路市電電源。引入兩路市電電源時(shí),宜為冗余關(guān)系,也可作為供電容量擴(kuò)展關(guān)系。


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圖2 110kV變電站或10kV開閉所保護(hù)測控裝置配置示意圖

市電動(dòng)力配電柜一般采用放射式配電直接配至各用電設(shè)備或電箱,機(jī)房內(nèi)所有動(dòng)力配電線纜需要設(shè)計(jì)橋架或鋼管敷設(shè),市電動(dòng)力配電柜具有火警聯(lián)動(dòng)保護(hù)功能,出現(xiàn)火警時(shí)可與消防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)及時(shí)切斷電源,動(dòng)力配電柜、照明箱內(nèi)的開關(guān)和主要元器件應(yīng)設(shè)置有效的防雷措施。

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表1 110/10kV變電站和10kV開閉所、變電所保護(hù)測控裝置選型表

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圖3 0.4kV配電柜測控裝置配置示意圖

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表2 0.4kV配電柜測控裝置選型表

5.2.2自備應(yīng)急電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)  

數(shù)據(jù)中心一般采用柴油發(fā)電機(jī)組作為自備應(yīng)急電源,對于大型、高等級(jí)數(shù)據(jù)中心也可以選擇可靠性高、輸出電源品質(zhì)好、帶非線性負(fù)載能力強(qiáng)、體積小、重量輕的大功率燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。一般可靠性要求的數(shù)據(jù)中心宜配置一路自備應(yīng)急電源,供電容量應(yīng)能滿足全部一、二級(jí)負(fù)荷的需求,包括UPS電源系統(tǒng)、機(jī)房空調(diào)、機(jī)房照明、蓄電池充電及建筑設(shè)備中的一、二級(jí)負(fù)荷。當(dāng)數(shù)據(jù)中心條件受限制,且市電電源具有較高可靠性時(shí),也可以部分或全部采用移動(dòng)式發(fā)電機(jī)組作為自備應(yīng)急電源。發(fā)電機(jī)組燃料儲(chǔ)備量應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)中心等級(jí)的要求,結(jié)合市電電源可靠性、供油可靠性、消防要求綜合決定,一般不宜少于發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行8小時(shí)的用油量。

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圖4 10kV柴油發(fā)電機(jī)室保護(hù)測控裝置配置示意圖

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表3 10kV柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)測控裝置選型表

5.2.3 UPS供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)  
UPS配電主要用于計(jì)算機(jī)設(shè)備、服務(wù)器、小型機(jī)、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、保安監(jiān)控設(shè)備等。UPS 電源系統(tǒng)輸出一般采用三級(jí)配電方式:系統(tǒng)輸出配電柜-機(jī)房配電柜-機(jī)柜配電單元。

UPS電源系統(tǒng)蓄電池組容量的計(jì)算方法有以下兩種:

(1) 按負(fù)荷電流計(jì)算;

(2) 按負(fù)荷功率計(jì)算;

按負(fù)荷電流計(jì)算的結(jié)果是蓄電池組的總?cè)萘?,然后再選擇單組蓄電池的容量和組數(shù)。按負(fù)荷功率計(jì)算的結(jié)果是選定容量規(guī)格的蓄電池組數(shù)。兩種計(jì)算方法的結(jié)果可互相校驗(yàn)。

對于單電源輸入設(shè)備,即使已采用雙單元冗余UPS 電源系統(tǒng),也宜將其連接在其中一個(gè)單元上。對于雙單元冗余UPS電源系統(tǒng),可將其每個(gè)單元中的部分容量視為并聯(lián)冗余性質(zhì)。對于需要雙回路供電的單電源輸入設(shè)備,宜在其輸入端設(shè)置靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)STS。靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)STS 的性能應(yīng)能滿足其要求,一般轉(zhuǎn)換時(shí)間小于5~10ms。

當(dāng)負(fù)荷設(shè)備對零-地電壓要求較高時(shí),可在機(jī)房配電柜設(shè)置隔離變壓器。有時(shí)候?yàn)楸WCUPS故障旁路后輸出高質(zhì)量電源,往往在UPS旁路輸出端設(shè)置隔離變壓器。

數(shù)據(jù)中心UPS供配電系統(tǒng)一般采用冗余方式供電,很少采用單機(jī)供電。冗余方式供電能在一臺(tái)UPS設(shè)備故障時(shí),仍然能夠滿足機(jī)房內(nèi)重要設(shè)備的用電需求,這是單機(jī)供電所不能達(dá)到的。從冗余式配置方案來看,常用的有以下幾種方式:

(1) 熱備份式冗余UPS供電方式

主機(jī)帶負(fù)載,備機(jī)空載或帶非重要負(fù)載,備機(jī)接入主機(jī)的BYPASS(旁路)輸入端。這種方式布置比較靈活,不需要兩臺(tái)UPS同品牌,而且不要增加額外輔助電路,不增加購置成本。如果UPS主機(jī)發(fā)生了故障,那么UPS備機(jī)需要接替全部負(fù)載,這也就意味著設(shè)計(jì)時(shí)需要計(jì)算好UPS主機(jī)故障時(shí),UPS備機(jī)所需承擔(dān)的總負(fù)載。此方式的缺陷在于UPS備機(jī)得具有階躍性負(fù)載承載能力,無法對電源系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容,兩臺(tái)容量不同的UPS相聯(lián),只能按至低的UPS容量輸出。

(2) 直接并機(jī)冗余UPS供電方式

為克服熱備份式冗余供電系統(tǒng)的弱點(diǎn),隨著UPS控制技術(shù)的進(jìn)步,具有相同額定輸出功率的UPS可直接并聯(lián)而形成冗余供電系統(tǒng),為保證高質(zhì)量的并機(jī)系統(tǒng),各電源間需要保持同頻、同相、且各機(jī)均流。此供電方式瞬間過載能力強(qiáng),能夠自動(dòng)均分功率,系統(tǒng)互為主備,提高供電可靠性,電源系統(tǒng)擴(kuò)容方便。但是存在著環(huán)流,增加無功損耗,降低系統(tǒng)可靠性,需增加額外輔助電路,隨之而來是增加成本,增加故障點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí),如2臺(tái)互備,每臺(tái)按照50%帶載能力考慮,并聯(lián)的主機(jī)越多,單臺(tái)主機(jī)的帶載能力就越低。

(3) 雙總線冗余供電方式

雙總線供電方式是采用兩條總線對后端設(shè)備進(jìn)行供電,每條總線上具有相同的一套UPS供電方式,消除可能出現(xiàn)在UPS輸出端與最終用戶負(fù)載端之間的“單點(diǎn)瓶頸"故障隱患,以提高輸出電源供電系統(tǒng)的“容錯(cuò)"功能。此供電方式能夠在線維護(hù),在線擴(kuò)容,在線升級(jí),改善了重要總線的可用性,滿足了雙電源用電設(shè)備的需求,實(shí)現(xiàn)了7×24×365運(yùn)行的目標(biāo)。但是雙總線冗余供電方式相當(dāng)于搭建了兩套前述供電方式的回路,需要增加2倍以上的成本。同時(shí),為滿足單電源設(shè)備的供電需求,可在輸出端安裝STS,來保證供電輸出的可靠性?! ?/span>

UPS供電系統(tǒng)是滿足數(shù)據(jù)中心供電可靠性的核心部分,而蓄電池又是整個(gè)系統(tǒng)中主要的組成之一。當(dāng)組串中的一只電池因過充、過放等原因造成電池性能下降,電池內(nèi)阻變大,會(huì)導(dǎo)致電池出現(xiàn)發(fā)熱、鼓包等現(xiàn)象,將造成供電系統(tǒng)安全性的整體下降,同時(shí)增加蓄電池充放電的損耗。

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圖5 數(shù)據(jù)中心UPS和蓄電池監(jiān)測配置示意圖

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表4 數(shù)據(jù)中心蓄電池監(jiān)測選型表

5.3末端配電系統(tǒng)

機(jī)房UPS、精密空調(diào)電源系統(tǒng)輸入應(yīng)設(shè)置專用的輸入配電柜。電源系統(tǒng)輸入配電柜應(yīng)引接兩路電源、自動(dòng)切換。UPS 電源主機(jī)的主電源和旁路電源應(yīng)分別引入,并宜由不同的輸入配電柜引接。UPS電源系統(tǒng)輸出應(yīng)采用放射式、雙回路配電方式。UPS 電源系統(tǒng)輸出應(yīng)采用三相配電,末端分相,以利三相平衡。

機(jī)房配電柜、UPS電源柜落地安裝,動(dòng)力配電箱、照明配電箱底邊距地1.4m墻上暗裝,配電柜及其他電氣裝置的底座應(yīng)與建筑樓地面牢靠固定,并接地,機(jī)房內(nèi)應(yīng)分別設(shè)置維修和測試用插座,且有明顯區(qū)別標(biāo)志,測試用電源插座應(yīng)由UPS供電,維修插座由市電供電。所有線路的敷設(shè)是要以設(shè)備布局和設(shè)計(jì)圖紙為基礎(chǔ)進(jìn)行,設(shè)計(jì)時(shí)考慮供電距離盡量短,機(jī)房內(nèi)的電源線、信號(hào)線和通信線應(yīng)分別鋪設(shè),不能共走同一線槽,UPS電源配電箱(柜)引出的配電線路,穿鍍鋅鋼管,沿機(jī)房活動(dòng)地板下敷設(shè)至各排網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)器機(jī)柜,使用插座或工業(yè)連接器為機(jī)柜供電。

5.3.1 精密配電柜

精密配電柜是為數(shù)據(jù)中心的設(shè)備機(jī)柜提供電源的末端配電設(shè)備,一般采用雙回路供電,電源分別來自兩臺(tái)冗余的UPS,分為交流和直流供電,一般放置在機(jī)柜陣列的兩端,也稱列頭柜,如圖6所示。


圖6 ANDPF精密配電柜

安科瑞精密配電監(jiān)控解決方案針對精密配電柜監(jiān)控?cái)?shù)字化要求,方案包括交流(AC220V)、直流(DC-48V/240V/336V)系統(tǒng)。由觸摸式液晶顯示屏、綜合信息處理主機(jī)模塊、開關(guān)狀態(tài)采集模塊、電流互感器(交流)或霍爾傳感器(直流)采集單元模塊等組成。監(jiān)測兩路主進(jìn)線和A+B雙面饋線回路電量參數(shù)、開關(guān)狀態(tài)、諧波含量、柜內(nèi)溫濕度等數(shù)據(jù),可以在本地觸摸屏顯示,同時(shí)可以上傳AcrelEMS-IDC數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)顯示和報(bào)警。產(chǎn)品方案見表5。

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表5 精密配電柜數(shù)字化方案產(chǎn)品選型

5.3.2 智慧母線槽

近年來隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)的快速發(fā)展,智能母線槽的方案運(yùn)用越來越多。相比傳統(tǒng)精密配電柜,數(shù)據(jù)中心母線槽架空鋪設(shè),具有安裝檢修方便、不占地、散熱快、易增容等優(yōu)勢。母線槽通過始端箱從前端UPS取電,以母排系統(tǒng)組成輸電結(jié)構(gòu),采用即插即用的方式,通過插接箱給各個(gè)IT機(jī)柜內(nèi)的PDU供電。

圖7 智能母線槽數(shù)據(jù)采集方案示意圖

安科瑞智能母線槽方案在始端箱和插接箱內(nèi)配置AMB100/AMB110監(jiān)測單元,測量始端箱、插接箱電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能、諧波畸變、溫濕度、漏電電流等數(shù)據(jù),可以通過有線或無線方式傳輸數(shù)據(jù),在本地觸摸屏顯示,同時(shí)可以上傳數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)母線槽的數(shù)據(jù)展示和異常預(yù)警。

另外由于母線槽是由銅制母排搭接而成,接頭部位可能會(huì)由于接觸不良而異常發(fā)熱,所以需要對母線槽接頭溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,安科瑞AMB200母線接頭溫度監(jiān)測裝置進(jìn)行接觸式測溫,AMB300通過紅外非接觸式測溫方式監(jiān)測母線溫度,數(shù)據(jù)通過有線或無線方式傳輸本地觸摸屏顯示,同時(shí)可以上傳數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)母線槽溫度的實(shí)時(shí)預(yù)警,設(shè)備選型如表6所示。

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表6 智能母線槽解決方案選型表

5.4 數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

AcrelEMS-IDC數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)搭建基于高、中、低壓配電系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)、UPS的實(shí)時(shí)監(jiān)控和末端配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的電力監(jiān)控、PUE分析以及動(dòng)環(huán)監(jiān)測,幫助數(shù)據(jù)中心管理者了解數(shù)據(jù)中心能源運(yùn)行情況,并關(guān)注消防和電氣安全,及時(shí)預(yù)警異常情況,保障數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定可靠運(yùn)行。除了變電站、柴油發(fā)電機(jī)和UPS運(yùn)行監(jiān)控以外,特別是針對數(shù)據(jù)中心的末端配電環(huán)節(jié),系統(tǒng)數(shù)據(jù)跟蹤到每一個(gè)回路的電氣參數(shù)和開關(guān)狀態(tài)、溫濕度數(shù)據(jù)等。

圖8 數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)架構(gòu)圖


5.4.1 電力監(jiān)控

監(jiān)控110kV變電站、10kV開閉所、10/0.4kV低壓變配電室配電系統(tǒng)運(yùn)行情況,實(shí)現(xiàn)遙測、遙信、越限報(bào)警、故障分析、電能質(zhì)量分析、運(yùn)行報(bào)表等功能。

5.4.2 設(shè)備監(jiān)控

監(jiān)測柴油發(fā)電機(jī)、變壓器、UPS、蓄電池組、精密配電柜、精密空調(diào)的狀態(tài)以及運(yùn)行參數(shù),并提供異常預(yù)警、運(yùn)行報(bào)表等功能。

5.4.3 能耗分析

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中心總能耗、IT設(shè)備能耗、制冷系統(tǒng)能耗、供電系統(tǒng)能耗、照明及辦公能耗等分項(xiàng)用能,并計(jì)算CLF/PLF/PUE等能耗指標(biāo)。

  

5.4.4 環(huán)境監(jiān)測

監(jiān)測數(shù)據(jù)中心溫濕度、水浸,蓄電池內(nèi)阻、溫度、電壓、蓄電池間氫氣濃度等數(shù)據(jù)并提供越限告警和聯(lián)動(dòng)控制。

5.4.5 精密配電柜或小母線運(yùn)行監(jiān)測

系統(tǒng)監(jiān)測精密配電柜或母線槽系統(tǒng)電氣接點(diǎn)溫度以及漏電電流,并設(shè)置溫度、漏電越限告警,及時(shí)消除系統(tǒng)隱患。系統(tǒng)監(jiān)測每路饋線回路的電流、功率、開關(guān)狀態(tài)和用電量,還可以配置溫度、濕度傳感器用于監(jiān)測線路接點(diǎn)溫度和柜內(nèi)濕度,設(shè)置參數(shù)高低越限告警,避免回路超負(fù)荷運(yùn)行而導(dǎo)致意外斷電。

 

5.4.6 故障預(yù)警

系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心的故障類型進(jìn)行分級(jí)分類處理,可以通過語音、文字彈窗、短信等方式提供故障預(yù)警信號(hào),并對故障進(jìn)行分類展示。

 

5.4.7 運(yùn)維管理

系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心提供設(shè)備管理和運(yùn)維管理功能,包括設(shè)備臺(tái)賬、設(shè)備保養(yǎng)、工單管理、巡檢記錄、缺陷管理、搶修記錄等功能,告別依靠手工記賬,降低人力和時(shí)間成本。

 

六、結(jié)束語

不同用途或等級(jí)的數(shù)據(jù)中心對可靠性的要求不同,直接關(guān)系到數(shù)據(jù)中心的建設(shè)投資和運(yùn)營成本。數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心主要的基礎(chǔ)設(shè)施,應(yīng)在數(shù)據(jù)中心建設(shè)初期予以統(tǒng)籌考慮和規(guī)劃,并根據(jù)數(shù)據(jù)中心對供電可靠性的要求,在供電電源選擇、供配電系統(tǒng)布置、供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和形式等方面采取相應(yīng)的技術(shù)措施。同時(shí),還應(yīng)充分運(yùn)用成熟有效的節(jié)能措施和能效管理系統(tǒng),降低供配電系統(tǒng)的損耗,減少運(yùn)營成本。

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