數(shù)據(jù)中心能耗采集裝置的設(shè)計
孫麗莉
Design of device for Data center energy acquisition
摘要 本文系統(tǒng)介紹了一款數(shù)據(jù)中心精密電源配電柜用多回路能耗采集裝置的設(shè)計方法。詳細(xì)說明了設(shè)計原理、硬件構(gòu)成以及軟件設(shè)計的方法。以此方式設(shè)計的裝置能夠滿足精密電源柜對多回路負(fù)載電量的集成化測量和安裝要求，為數(shù)據(jù)中心能耗管理提供可靠的測量依據(jù)。
關(guān)鍵字 數(shù)據(jù)中心 多回路監(jiān)控
Abstract This paper introduces a data center precision power distribution ark with multi-loop collection equipment design method of energy consumption. It explains the design principle, hardware structure and software design method, which in turn means the device could satisfy the design precision power supply of power load ark loop of integrated measurement and installation requirements, data center for energy consumption management to provide reliable basis for measurement.
Keywords Data center，multi-loop monitoring
1 引言
隨著數(shù)據(jù)中心的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的能耗問題也越來越突出，有關(guān)數(shù)據(jù)中心的能源管理和供配電設(shè)計已經(jīng)成為熱門問題，高效可靠的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案，是提高數(shù)據(jù)中心電能使用效率，降低設(shè)備能耗的有效方式。要實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能，首先需要對每個用電負(fù)載實現(xiàn)精確的監(jiān)測，而數(shù)據(jù)中心負(fù)載回路非常的多，傳統(tǒng)的測量儀表無法滿足成本、體積、安裝、施工等多方面的要求，因此需要采用適用于數(shù)據(jù)中心集中監(jiān)控要求的多回路監(jiān)控裝置。
本文所要介紹的是一種適用于數(shù)據(jù)中心精密電源配電柜使用需求的測量裝置的設(shè)計方法，該裝置適用于單路輸入、單段輸出、單點檢測；雙路輸入、單段輸出、單點檢測；雙路輸入、單段輸出、雙點檢測的系統(tǒng)電源輸入方式。能夠精確地測量配電系統(tǒng)各項參數(shù)，包括三相進(jìn)線的母線電壓、頻率和2路三相進(jìn)線的電流、分相和總有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能。以及精確測量36個出線（單相）支路的電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能、支路的通斷狀態(tài)等電參量，并可通過遠(yuǎn)程通訊，實現(xiàn)機(jī)房數(shù)據(jù)的集中監(jiān)控。
2 設(shè)計思路
要實現(xiàn)采用單個裝置就能夠集成測量相當(dāng)于14個三相多功能電力儀表的功能，需要采用非常規(guī)的硬件設(shè)計思路才行。我們知道目前三相多功能電力儀表的實現(xiàn)方式最常見的一般有三相電能芯片+CPU、高精度ADC芯片+CPU、三相SOC芯片和單芯片（內(nèi)部帶有ADC的CPU）等方式。而單個裝置來實現(xiàn)14個三相多功能儀表的功能，采用以上任意一種方式的多個組合都不是很合適，考慮到硬件的成本和軟件實現(xiàn)的難易程度，我們選擇采用多個電子開關(guān)+單芯片（內(nèi)部帶有ADC的CPU）的設(shè)計方法。
3 整體硬件系統(tǒng)設(shè)計
考慮到裝置所使用的場合為數(shù)據(jù)中心精密電源配電柜，并需要實現(xiàn)對2路三相進(jìn)線和36個出線的各種電參量的測量，而進(jìn)線回路由于電流一般都比較大，能夠達(dá)到幾百安培，出線回路電流都比較小，一般都在63安培以下，因此裝置的進(jìn)線部分電流采用5A電流輸入，內(nèi)置小型5A電流互感器，出線部分采用20mA電流輸入，外置100A/20mA互感器。裝置由于安裝于機(jī)柜內(nèi)部，因此裝置本身不帶有顯示，需要顯示則采用觸摸屏方式，通過RS485通訊連接，將數(shù)據(jù)傳輸給觸摸屏進(jìn)行顯示。整體硬件系統(tǒng)如圖1所示。主要分為信號處理部分、電源部分、通訊部分、設(shè)置部分、數(shù)據(jù)存儲部分及CPU部分。
圖13.1 信號處理
信號處理部分最關(guān)鍵的在于交流采樣的信號處理及電子開關(guān)的切換。由于本設(shè)計采用的是交流采樣的方式，ADC的采樣只能針對正信號，而交流信號是一個正弦波信號，信號有正有負(fù)，因此需要將信號進(jìn)行抬高，以保證信號的最低點也能被ADC進(jìn)行采樣處理。這里采用的是TL431進(jìn)行信號抬高，將所采的電流信號抬高到最低點也能由ADC進(jìn)行采樣。如圖2所示。所有電流信號總共有42個，本設(shè)計中將其分為7組，每組6個電流信號，每組電流信號通過一個電子開關(guān)CD4051進(jìn)行選擇，圖3，電子開關(guān)由CPU控制進(jìn)行分時導(dǎo)通，在同一時間內(nèi)有7個電流信號流入CPU的ADC進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。
圖2
圖3
3.2 電源
裝置采用開關(guān)電源模塊。電源模塊輸入電壓為AC85V～265V，輸入頻率45Hz～60Hz，具有多路隔離電壓輸出，滿足多種功能對不同供電電壓的要求。輸出電壓穩(wěn)定、故障率小，輸出紋波 <1％，轉(zhuǎn)換效率≥75％。具有過壓、過流保護(hù)。該模塊經(jīng)實際現(xiàn)場使用，具有很高的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。
裝置可選配雙路電源供電模式，可選雙路交流、雙路直流或一路交流+一路直流供電模式，便于精密配電柜在割接或檢修時，裝置仍能正常工作。
3.3 通訊
通訊接口模塊采用通用的RS-485、Modbus RTU通訊規(guī)約，能實現(xiàn)遙測、遙控、遙信等功能。在本設(shè)計中，由于裝置沒有顯示，安裝于柜內(nèi)后，本地顯示需要通過通訊將數(shù)據(jù)傳給觸摸屏，需占用掉一個通訊口，因此在裝置上設(shè)計為雙通訊方式，可以與2個系統(tǒng)進(jìn)行通訊。
3.4 設(shè)置
由于裝置不帶有顯示，因此涉及到一些參數(shù)的設(shè)置就不是很方便，在此選用撥碼開關(guān)進(jìn)行通訊地址、波特率等參數(shù)的設(shè)置。
3.5 數(shù)據(jù)存儲
本設(shè)計采用FM31256帶有時鐘的鐵電存儲器，在實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的基礎(chǔ)上集成有實時時鐘，進(jìn)行各種故障或是狀態(tài)的記錄。
3.6 CPU
結(jié)合本設(shè)計的硬件方式及軟件處理方式，本設(shè)計中的CPU采用ST公司的基于ARM最新的、進(jìn)行架構(gòu)Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器STM32F103VBT6，時鐘頻率最高可達(dá)72MHz，內(nèi)置128K的Flash、20K的RAM、12位AD、4個16位定時器、3路USART通訊口等多種資源，具有極高的性價比，能夠滿足本設(shè)計的應(yīng)用。
4 軟件設(shè)計
程序設(shè)計流程如圖4所示。本軟件的設(shè)計重點在于信號的采樣。由于采用的是多路信號通過電子開關(guān)切換的方式，在每個采樣周期內(nèi)，每個電流信號都要完成一次采樣，因此必須要提高AD的采樣速率。例：每路信號的周期為20ms，每個周期內(nèi)采集32個點，所有的電流回路分為7組，每組6個，那么也就是同一時間內(nèi)，CPU會對其中的7個信號進(jìn)行采樣。且CPU需要切換6次才能實現(xiàn)所有42個電流的采樣。因此CPU的AD采樣頻率必須在每個周期32個點的基礎(chǔ)上提高6倍才能保證42個電流信號在一個周期內(nèi)都被采集到。而且CPU在控制電子開關(guān)切換的時序上也要控制好，否則容易出現(xiàn)電子開關(guān)內(nèi)的信號殘留，導(dǎo)致CPU采集本通道信號時，會采集到上一個通道的信號。
圖4
軟件的再一個重點就在于信號的運算，由于數(shù)據(jù)的運算量非常大，相當(dāng)于在20ms內(nèi)要運算完成42個單相回路的電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能，并且還要隨時處理各種其他事件，如通訊等。因此軟件的算法和CPU的運算速率非常重要。在本設(shè)計中CPU的時鐘頻率采用了72MHz，保證了每個信號周期內(nèi)的數(shù)據(jù)處理。經(jīng)測試，整個測量周期所用時間為13ms左右，完全滿足在20ms內(nèi)完成所有運算任務(wù)。
5 測量精度
根據(jù)YD/T-2011《數(shù)據(jù)設(shè)備用網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜技術(shù)要求和檢驗方法》5.6.2要求機(jī)柜配置的檢測裝置的測量精度為2級或更高（即誤差為±2%以內(nèi)）。測試按本方案設(shè)計的裝置測量精度，結(jié)果如表1-表7所示。由下表數(shù)據(jù)可以看出，其測量準(zhǔn)確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出2級要求，完全符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，是一款精度較高的多回路采集裝置。本裝置設(shè)計測量精度為電壓、電流1%；電能1%。
表1 進(jìn)線測量準(zhǔn)確度測試數(shù)據(jù) 表2 出線測量準(zhǔn)確度測試數(shù)據(jù) 表3 出線測量準(zhǔn)確度測試數(shù)據(jù)
表4 出線測量準(zhǔn)確度測試數(shù)據(jù) 表5 出線測量準(zhǔn)確度測試數(shù)據(jù)
表6 出線測量準(zhǔn)確度測試數(shù)據(jù) 表7 出線測量準(zhǔn)確度測試數(shù)據(jù)
6 裝置的應(yīng)用
按以上方式進(jìn)行設(shè)計的AMC16MA系列數(shù)據(jù)中心用多回路監(jiān)控裝置已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心精密配電柜中，結(jié)合配置的觸摸屏實現(xiàn)完整的精密配電柜監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對服務(wù)器末端設(shè)備的精細(xì)化管理，該監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能，顯示界面見圖5：
圖55.1進(jìn)線監(jiān)測：
1）三相電壓、三相電流、系統(tǒng)頻率；
2）各相及總的有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)；
3）各相及總的有功電能、無功電能；
4）電壓不平衡度、電流不平衡度；
5）進(jìn)線開關(guān)監(jiān)測。
6）可選配監(jiān)測諧波電流；
5.2出線監(jiān)測：
1）額定電流設(shè)置、各相電流值；
2）負(fù)載百分比；
3）開關(guān)量狀態(tài)監(jiān)測；
4）各相有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)；
5）各相有功電能、無功電能；
6）能任意配置出線回路每個回路的相位。
5.3 告警功能：
1）進(jìn)線過電流2段閥值越限告警，可任意設(shè)定告警值；
2）進(jìn)線欠電流2段閥值越限告警，可任意設(shè)定告警值；
3）進(jìn)線過壓、欠壓、缺相、過頻率、低頻率越限告警；
4）聲光告警功能。
5.4 通訊：
1）可通過觸摸屏將采集到的數(shù)據(jù)上傳；
5.5 事件記錄：
1）各種電參量越限報警記錄（當(dāng)前報警和報警記錄各128條）
2）開關(guān)量動作事件記錄128條。
6 總結(jié)
按照本文思路所設(shè)計的多回路監(jiān)測裝置是一款專用于數(shù)據(jù)中心精密電源配電柜的產(chǎn)品，該產(chǎn)品能夠符合精密電源柜對多回路配電的需求。產(chǎn)品硬件設(shè)計簡單，在性能和成本上達(dá)到了較高的性價比，是數(shù)據(jù)中心用電管理中理想的監(jiān)控裝置。
作者簡介：
孫麗莉，女，本科，沈陽安科瑞電力系統(tǒng)集成有限公司工程師，主要研究方向為智能電力監(jiān)控與電能管理系統(tǒng)，技術(shù)交流：024-22598684 傳真：024-22598310 郵箱：
acrelsll@163.com
中國電子商務(wù)服務(wù)聯(lián)盟成員單位 瓊ICP備