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數據中心能耗采集裝置的設計
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時(shí)間：2016-11-29
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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1 引言
隨著(zhù)數據中心的迅猛發(fā)展，數據中心的能耗問(wèn)題也越來(lái)越突出，有關(guān)數據中心的能源管理和供配電設計已經(jīng)成為熱門(mén)問(wèn)題，高效可靠的數據中心配電系統方案，是提 高數據中心電能使用效率，降低設備能耗的有效方式。要實(shí)現數據中心的節能，首先需要對每個(gè)用電負載實(shí)現精確的監測，而數據中心負載回路非常的多，傳統的測 量?jì)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據中心集中監控要求的多回路監控裝置。 本文所要介紹的是一種適 用于數據中心精密電源配電柜使用需求的測量裝置的設計方法，該裝置適用于單路輸入、單段輸出、單點(diǎn)檢測；雙路輸入、單段輸出、單點(diǎn)檢測；雙路輸入、單段輸 出、雙點(diǎn)檢測的系統電源輸入方式。能夠精確地測量配電系統各項參數，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、有功電能、無(wú)功電能。以及精確測量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、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)遠程通訊，實(shí)現機房數據的集中監控。
2 設計思路
要實(shí)現采用單個(gè)裝置就能夠集成測量相當于14個(gè)三相多功能電力儀表的功能，需要采用非常規的硬件設計思路才行。我們知道目前三相多功能電力儀表的實(shí)現方式 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（內部帶有ADC的CPU）等方式。而單個(gè)裝置來(lái)實(shí)現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)現的難易程度，我們選擇采用多個(gè)電子開(kāi)關(guān)+單芯片（內部帶有 ADC的CPU）的設計方法。
3 整體硬件
系統設計考慮到裝置所使用的場(chǎng)合為數據中心精密電源配電柜，并需要實(shí)現對2路三相進(jìn)線(xiàn)和36個(gè)出線(xiàn)的各種電參量的測量，而進(jìn)線(xiàn)回路由于電流一般都比較大， 能夠達到幾百安培，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。裝置由于安裝于機柜內部，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，將數據傳輸給觸摸屏進(jìn)行顯示。整體硬件系統如圖1所示。主要分為信號處理部分、電源部分、通訊部分、設置部分、數據存儲部分及CPU部分。
圖1 3.1 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(kāi)關(guān)的切換。由于本設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(gè)正弦波信號，信號有 正有負，因此需要將信號進(jìn)行抬高，以保證信號的最低點(diǎn)也能被ADC進(jìn)行采樣處理。這里采用的是TL431進(jìn)行信號抬高，將所采的電流信號抬高到最低點(diǎn)也能 由ADC進(jìn)行采樣。如圖2所示。所有電流信號總共有42個(gè)，本設計中將其分為7組，每組6個(gè)電流信號，每組電流信號通過(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)導通，在同一時(shí)間內有7個(gè)電流信號流入CPU的ADC進(jìn)行AD轉換。 
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)足多種功能對不同供電電壓的要求。輸 出電壓穩定、故障率小，輸出紋波 <1％，轉換效率≥75％。具有過(guò)壓、過(guò)流保護。該模塊經(jīng)實(shí)際現場(chǎng)使用，具有很高的穩定性、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通訊規約，能實(shí)現遙測、遙控、遙信等功能。在本設計中，由于裝置沒(méi)有顯示，安裝于柜內后，本地顯示需要通過(guò)通訊將數據傳給觸摸屏，需占用掉一個(gè)通訊 口，因此在裝置上設計為雙通訊方式，可以與2個(gè)系統進(jìn)行通訊。
3.4 設置
由于裝置不帶有顯示，因此涉及到一些參數的設置就不是很方便，在此選用撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行通訊地址、波特率等參數的設置。
3.5 數據存儲
本設計采用FM31256帶有時(shí)鐘的鐵電存儲器，在實(shí)現數據存儲的基礎上集成有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，進(jìn)行各種故障或是狀態(tài)的記錄。
3.6 CPU
結合本設計的硬件方式及軟件處理方式，本設計中的CPU采用ST公司的基于A(yíng)RM最新的、進(jìn)行架構Cortex-M3內核的32位處理器 STM32F103VBT6，時(shí)鐘頻率最高可達72MHz，內置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)足本設計的應用。
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