阮長(zhǎng)根1 劉志堅(jiān)2 姚 波3
（1.華信郵電咨詢(xún)?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(mǎn)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
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(wèn)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(mén)問(wèn)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(mǎn)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(xiàn)的母線(xiàn)電壓、頻率和2路三相進(jìn)線(xiàn)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(xiàn)（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(guò)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(jiàn)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(kāi)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(xiàn)和36個(gè)出線(xiàn)的各種電參量的測(cè)量，而進(jìn)線(xiàn)回路由于電流一般都比較大，能夠達(dá)到幾百安培，出線(xiàn)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(xiàn)部分電流采用5A電流輸入，內(nèi)置小型5A電流互感器，出線(xiàn)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(guò)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(kāi)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(guò)一個(gè)電子開(kāi)關(guān)CD4051進(jìn)行選擇，圖3，電子開(kāi)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(kāi)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(mǎn)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(guò)壓、過(guò)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(méi)有顯示，安裝于柜內(nèi)后，本地顯示需要通過(guò)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(kāi)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?xún)r(jià)比，能夠滿(mǎn)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(guò)電子開(kāi)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(kāi)關(guān)切換的時(shí)序上也要控制好，否則容易出現(xiàn)電子開(kāi)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(mǎn)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?xún)?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(xiàn)測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)試數(shù)據(jù)
表2 出線(xiàn)測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)試數(shù)據(jù)
表3 出線(xiàn)測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)試數(shù)據(jù)
表4 出線(xiàn)測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)試數(shù)據(jù)
表5 出線(xiàn)測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)試數(shù)據(jù)
表6 出線(xiàn)測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)試數(shù)據(jù)
表7 出線(xiàn)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(jiàn)圖5：
圖5
5.1進(jìn)線(xiàn)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(xiàn)開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)。
6）可選配監(jiān)測(cè)諧波電流；
5.2出線(xiàn)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(kāi)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(xiàn)回路每個(gè)回路的相位。
5.3 告警功能：
1）進(jìn)線(xiàn)過(guò)電流2段閥值越限告警，可任意設(shè)定告警值；
2）進(jìn)線(xiàn)欠電流2段閥值越限告警，可任意設(shè)定告警值；
3）進(jìn)線(xiàn)過(guò)壓、欠壓、缺相、過(guò)頻率、低頻率越限告警；
4）聲光告警功能。
5.4 通訊：
1）可通過(guò)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(kāi)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(zhuān)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?xún)r(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。
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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)。
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