阮長(zhǎng)根¹ 劉志堅(jiān)² 姚 波³

（1.華信郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司  浙江310014）

（2.中國(guó)中輕國(guó)際工程有限公司  北京100026）

（3.上海安科瑞電氣股份有限公司   上海嘉定  201801）

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(jì)方法。詳細(xì)說(shuō)明了設(shè)計(jì)原理、硬件構(gòu)成以及軟件設(shè)計(jì)的方法。以此方式設(shè)計(jì)的裝置能夠滿足精密電源柜對(duì)多回路負(fù)載電量的集成化測(cè)量和安裝要求，為數(shù)據(jù)中心能耗管理提供可靠的測(cè)量依據(jù)。

關(guān)鍵字 數(shù)據(jù)中心  多回路監(jiān)控

       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(lái)越突出，有關(guān)數(shù)據(jù)中心的能源管理和供配電設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能，首先需要對(duì)每個(gè)用電負(fù)載實(shí)現(xiàn)精確的監(jiān)測(cè)，而數(shù)據(jù)中心負(fù)載回路非常的多，傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x表無(wú)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(cè)量裝置的設(shè)計(jì)方法，該裝置適用于單路輸入、單段輸出、單點(diǎn)檢測(cè)；雙路輸入、單段輸出、單點(diǎn)檢測(cè)；雙路輸入、單段輸出、雙點(diǎn)檢測(cè)的系統(tǒng)電源輸入方式。能夠精確地測(cè)量配電系統(tǒng)各項(xiàng)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(wú)功功率、功率因數(shù)、有功電能、無(wú)功電能。以及精確測(cè)量36個(gè)出線（單相）支路的電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、有功電能、無(wú)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(shí)現(xiàn)機(jī)房數(shù)據(jù)的集中監(jiān)控。

2 設(shè)計(jì)思路

       要實(shí)現(xiàn)采用單個(gè)裝置就能夠集成測(cè)量相當(dāng)于14個(gè)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(jì)思路才行。我們知道目前三相多功能電力儀表的實(shí)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(gè)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)14個(gè)三相多功能儀表的功能，采用以上任意一種方式的多個(gè)組合都不是很合適，考慮到硬件的成本和軟件實(shí)現(xiàn)的難易程度，我們選擇采用多個(gè)電子開關(guān)+單芯片（內(nèi)部帶有ADC的CPU）的設(shè)計(jì)方法。

3 整體硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

       考慮到裝置所使用的場(chǎng)合為數(shù)據(jù)中心精密電源配電柜，并需要實(shí)現(xiàn)對(duì)2路三相進(jìn)線和36個(gè)出線的各種電參量的測(cè)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(hào)處理部分、電源部分、通訊部分、設(shè)置部分、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分及CPU部分。

圖1

3.1 信號(hào)處理

       信號(hào)處理部分最關(guān)鍵的在于交流采樣的信號(hào)處理及電子開關(guān)的切換。由于本設(shè)計(jì)采用的是交流采樣的方式，ADC的采樣只能針對(duì)正信號(hào)，而交流信號(hào)是一個(gè)正弦波信號(hào)，信號(hào)有正有負(fù)，因此需要將信號(hào)進(jìn)行抬高，以保證信號(hào)的最低點(diǎn)也能被ADC進(jìn)行采樣處理。這里采用的是TL431進(jìn)行信號(hào)抬高，將所采的電流信號(hào)抬高到最低點(diǎn)也能由ADC進(jìn)行采樣。如圖2所示。所有電流信號(hào)總共有42個(gè)，本設(shè)計(jì)中將其分為7組，每組6個(gè)電流信號(hào)，每組電流信號(hào)通過一個(gè)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(shí)導(dǎo)通，在同一時(shí)間內(nèi)有7個(gè)電流信號(hào)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(duì)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(shí)際現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，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(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控、遙信等功能。在本設(shè)計(jì)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(gè)通訊口，因此在裝置上設(shè)計(jì)為雙通訊方式，可以與2個(gè)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(chǔ)

       本設(shè)計(jì)采用FM31256帶有時(shí)鐘的鐵電存儲(chǔ)器，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上集成有實(shí)時(shí)時(shí)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(jì)的硬件方式及軟件處理方式，本設(shè)計(jì)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(shí)鐘頻率最高可達(dá)72MHz，內(nèi)置128K的Flash、20K的RAM、12位AD、4個(gè)16位定時(shí)器、3路USART通訊口等多種資源，具有極高的性價(jià)比，能夠滿足本設(shè)計(jì)的應(yīng)用。

4 軟件設(shè)計(jì)

       程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。本軟件的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于信號(hào)的采樣。由于采用的是多路信號(hào)通過電子開關(guān)切換的方式，在每個(gè)采樣周期內(nèi)，每個(gè)電流信號(hào)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(hào)的周期為20ms，每個(gè)周期內(nèi)采集32個(gè)點(diǎn)，所有的電流回路分為7組，每組6個(gè)，那么也就是同一時(shí)間內(nèi)，CPU會(huì)對(duì)其中的7個(gè)信號(hào)進(jìn)行采樣。且CPU需要切換6次才能實(shí)現(xiàn)所有42個(gè)電流的采樣。因此CPU的AD采樣頻率必須在每個(gè)周期32個(gè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上提高6倍才能保證42個(gè)電流信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)都被采集到。而且CPU在控制電子開關(guān)切換的時(shí)序上也要控制好，否則容易出現(xiàn)電子開關(guān)內(nèi)的信號(hào)殘留，導(dǎo)致CPU采集本通道信號(hào)時(shí)，會(huì)采集到上一個(gè)通道的信號(hào)。

圖4

       軟件的再一個(gè)重點(diǎn)就在于信號(hào)的運(yùn)算，由于數(shù)據(jù)的運(yùn)算量非常大，相當(dāng)于在20ms內(nèi)要運(yùn)算完成42個(gè)單相回路的電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、有功電能、無(wú)功電能，并且還要隨時(shí)處理各種其他事件，如通訊等。因此軟件的算法和CPU的運(yùn)算速率非常重要。在本設(shè)計(jì)中CPU的時(shí)鐘頻率采用了72MHz，保證了每個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)處理。經(jīng)測(cè)試，整個(gè)測(cè)量周期所用時(shí)間為13ms左右，完全滿足在20ms內(nèi)完成所有運(yùn)算任務(wù)。

5  測(cè)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(yàn)方法》5.6.2要求機(jī)柜配置的檢測(cè)裝置的測(cè)量精度為2級(jí)或更高（即誤差為±2%以內(nèi)）。測(cè)試按本方案設(shè)計(jì)的裝置測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出2級(jí)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(jì)測(cè)量精度為電壓、電流1%；電能1%。

表1  進(jìn)線測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 出線測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 出線測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)試數(shù)據(jù)

表4 出線測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)試數(shù)據(jù)

表5 出線測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)試數(shù)據(jù)

表6 出線測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)試數(shù)據(jù)

表7 出線測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)試數(shù)據(jù)

6  裝置的應(yīng)用

       按以上方式進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)完整的精密配電柜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器末端設(shè)備的精細(xì)化管理，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能，顯示界面見圖5：

圖5

5.1進(jìn)線監(jiān)測(cè)：

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(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)；

3）各相及總的有功電能、無(wú)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(cè)。

6）可選配監(jiān)測(cè)諧波電流；

5.2出線監(jiān)測(cè)：

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(cè)；

4）各相有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)；

5）各相有功電能、無(wú)功電能；

6）能任意配置出線回路每個(gè)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(bào)警記錄（當(dāng)前報(bào)警和報(bào)警記錄各128條）

2）開關(guān)量動(dòng)作事件記錄128條。

6  總結(jié)

       按照本文思路所設(shè)計(jì)的多回路監(jiān)測(cè)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(duì)多回路配電的需求。產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在性能和成本上達(dá)到了較高的性價(jià)比，是數(shù)據(jù)中心用電管理中理想的監(jiān)控裝置。

文章來(lái)源于：《電氣應(yīng)用》2012年第１9期。

 參考文獻(xiàn)

【1】 上海安科瑞電氣股份有限公司，智能電網(wǎng)用戶端電力監(jiān)控/電能管理/電氣安全系統(tǒng)解決方案[M]， 2012.03

【2】 ST，STM32F103數(shù)據(jù)手冊(cè)[EB/OL]， 2008.05

【3】 姚波、涂時(shí)亮，  基于ADE7758+MC9S08AW32方案的多回路監(jiān)控單元的設(shè)計(jì)[J] ，電測(cè)與儀表  2007年第44卷第4期

【4】 景沈鋒、姚波、湯建軍，  基于STM32F103R8T6的數(shù)字式量度繼電器設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]，低壓電氣,2010(21)

【5】 徐斌，古雄文，劉巖  數(shù)據(jù)中心用電管理解決方案[J]，智能建筑電氣技術(shù) 2012，6（1）

【6】 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(yàn)方法

作者簡(jiǎn)介:

姚波(1981-)，男，大學(xué)本科，學(xué)士。研究領(lǐng)域?yàn)橹悄芘潆姳O(jiān)控單元及系統(tǒng)。

郵箱：423647716@qq.com

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