數據中心智慧能耗和諧波監測設計

王曉昭

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要： 根據數據中心降低功耗、提高用電效率提供參數依據。

關(guān)鍵詞：數據中心；能耗；諧波監測

1能耗和諧波監測需求分析

信息時(shí)代的到來(lái)，大數據中心的能耗管理包括機房環(huán)境監測和能耗設備的監測，通過(guò)實(shí)時(shí)采集掌握能耗狀態(tài)，從而實(shí)現能耗管理的優(yōu)化。由于諧波具有不確定性和隨機性，要針對諧波這些特性研究出能夠對諧波實(shí)時(shí)追蹤和特性識別的方法，目前，在電力系統中穩態(tài)諧波檢測中大多采用FFT及其改進(jìn)算法。

針對上述存在的問(wèn)題，基于ZigBee設計了數據中心智慧能耗和諧波監測節點(diǎn)。對用電設備所產(chǎn)生的能耗進(jìn)行監測，實(shí)現電流、電壓測量和異常報警，針對電能質(zhì)量監測與管理平臺中十分重要的諧波問(wèn)題，進(jìn)行了諧波檢測、諧波能耗的計算，進(jìn)而為降低功耗、提高用電效率提供參數依據。

2監測節點(diǎn)系統架構設計

數據中心無(wú)線(xiàn)功耗與諧波監測節點(diǎn)，數據采用ZigBee網(wǎng)絡(luò )模塊進(jìn)行信號傳輸?；赯igBee技術(shù)的多參數監測系統能夠在短時(shí)間內實(shí)現大數據監測，確保得到完整的數據，并且具有布點(diǎn)靈活、安裝方便等特點(diǎn)。

監測節點(diǎn)電路（如圖1所示）主要由數據監測模塊和ZigBee網(wǎng)絡(luò )模塊組成，前者通過(guò)電壓、電流互感器實(shí)現信號的檢測；后者完成信號的無(wú)線(xiàn)傳輸，接收遠程數據配置控制命令，同時(shí)將測量數據進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數據傳輸到控制中心用電設備所產(chǎn)生的能耗進(jìn)行監測。數據監測模塊將數字信息傳輸給單片機處理，單片機進(jìn)行能耗計算和諧波電流分析，監測結果經(jīng)由LCD供現場(chǎng)數據監控。

圖1監測節點(diǎn)結構圖

2.1能耗監測模塊

能耗監測模塊主要采集電壓、電流互感器經(jīng)過(guò)隔離電路獲取電流、電壓信號，轉換后的電信號經(jīng)共模線(xiàn)圈的濾波后進(jìn)入差模放大電路進(jìn)行信號放大調理調整到后續電路能接受的范圍然后進(jìn)入AD采樣芯片模數轉換后由單片機進(jìn)行能耗的計算，經(jīng)過(guò)傅里葉變換運算來(lái)對諧波進(jìn)行分析，具體電路如圖2所示。

圖2能耗監測電路圖

2.2ZigBee無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)設計

設計采用DRF1607HCC2530ZigBee封裝芯片，內含非常豐富的片上資源，用戶(hù)只需在軟件中配置各種資源的控制寄存器，便可以方便地使用片上資源實(shí)現各種控制需求。ZigBee模塊與單片機的電路接線(xiàn)（如圖3所示）簡(jiǎn)單，單片機的RXD2、TXD2兩根引線(xiàn)分別與CC2530的TX、RX連接。該芯片使用TI公司Z-Stack2007ZigBee通信協(xié)議，具有ZigBee的全部功能，可建立起數據透明傳輸。

圖3ZigBee模塊與單片機電路接線(xiàn)圖

3系統軟件設計

3.1ZigBee節點(diǎn)

ZigBee節點(diǎn)具有無(wú)線(xiàn)接受和發(fā)送能力，應用程序只需配置好協(xié)議棧注冊應用端口，添加操作系統任務(wù)，準備好協(xié)議棧數據，就可以通過(guò)協(xié)議棧發(fā)送數據，接收方通過(guò)消息處理函數接收來(lái)自發(fā)送方的數據。系統上位機軟件采用C#編寫(xiě)，主要實(shí)現對電數據參數的實(shí)時(shí)監測、處理，顯示數據中心系統能耗狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息。監測節點(diǎn)主程序流程詳見(jiàn)圖4

圖4監測節點(diǎn)主程序流程圖

DRF1607HCC2530ZigBee封裝芯片協(xié)調器（Coordinator）從串口收到的數據發(fā)送給所在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)內所有的路由(Router)節點(diǎn)。這樣協(xié)調器節點(diǎn)和路由節點(diǎn)之間就建立起了一條一對多的數據透明傳輸通道。設計選用Mesh網(wǎng)絡(luò )，能夠減少消息時(shí)延，增強通信的可靠性。

3.2諧波分析

電流互感器將大信號轉化為小信號傳輸進(jìn)單片機中，單片機每38us采集三個(gè)周期的電壓波形，將其轉化成AD信號共有768個(gè)點(diǎn)，然后對這些諧波數據進(jìn)行分析，先分析其*大值的大小，其值的大小是在0-4096當中；接這對其位置進(jìn)行分析，一個(gè)周期為256個(gè)點(diǎn)，所以*大值的位置是在0-768之間。

FFT算法由法國數學(xué)家傅立葉(M．Fourier)提出，一切的波形都是基波和諧波組成的。因為半波對稱(chēng)的特性，則偶次諧波相互抵消。因為半波對稱(chēng)波形中不含直流分量和偶次諧波分量，所以在編程的時(shí)候，將前N/2點(diǎn)數據賦值0，而后面N/2點(diǎn)就為奇次諧波分量。運用FFT計算所測電壓波的基波和奇次諧波系數。DFT變換的表達式如式(1)所示。

其中X(k)為經(jīng)過(guò)FFT變換后的數據，X(n)為模擬量，實(shí)際上X(n)為數字量，所以虛部為0可以將它根據歐拉公式展開(kāi)如式(2)所示。

這個(gè)公式變換后的數據就是將初始信號進(jìn)行三角函數運算，包括一次求和與一次相加累次運算至n-1項，k代表和頻率為多少的正弦相關(guān)，而n和N則是在一個(gè)正弦周期內采樣的點(diǎn)數。

*后如式(3)所示將其諧波系數算出顯示。

4硬件及測試結果分析

實(shí)驗將在線(xiàn)監測節點(diǎn)依次接入ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，測試選擇透傳模式，兩個(gè)節點(diǎn)之間的傳輸距離在60～100m，且可根據覆蓋面積增加協(xié)調器的數量，實(shí)現對監測區域的全面覆蓋。監測節點(diǎn)可實(shí)現對設備能耗以及溫度的準確測量和可靠性傳輸；FFT諧波算法合理、軟件功能完善。

5安科瑞能耗統計分析（能源管理）解決方案

5.1概述

建立高效的能耗監測管理系統，對建筑各類(lèi)耗能設備能耗數據進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，對采集數據進(jìn)行統計和分析。能夠合理的確定各區域建筑能耗經(jīng)濟指標及績(jì)效考核指標，發(fā)現能源使用規律和能源浪費情況，提高人員主動(dòng)節能的意識。

①搭建數據中心智慧能源管理系統的基本框架，對各個(gè)用能環(huán)節進(jìn)行實(shí)時(shí)監測；

②排碳數據化：通過(guò)系統可實(shí)現建筑單位內人均能耗分析（包括水、電、能量），實(shí)現低碳辦公數據化；

③區域能效比：實(shí)現建筑單位內區域能耗對比，方便能耗考核；

④同期能效比：實(shí)現同年、同期、同一區域能耗對比，方便節能數據分析；

⑤能耗評估管理：按照能源消耗定額標準約束值、標準值、引導值進(jìn)行分析單位面積能耗和人均能耗指標；

⑥能耗競爭排名：各個(gè)功能區能耗對比，實(shí)現能耗排名，增強工作人員的節能意識；

⑦對能耗的使用數據進(jìn)行綜合的分析、統計、打印和查詢(xún)等功能，并根據能耗監測管理系統的需要可選擇不同樣式報表的打印。為能耗運營(yíng)管理部門(mén)提供可靠的依據；

⑧能耗數據采集，隨時(shí)查詢(xún)，并根據采集數據進(jìn)行統計分析，監測異常能源用量，對能源智能儀表故障進(jìn)行報警，提高系統信息化、自動(dòng)化水平。

5.2平臺部署硬件選型

6結語(yǔ)

本文介紹了一種基于ZigBee技術(shù)的數據中心即可實(shí)時(shí)了解到用電設備的工作狀態(tài)和能耗，可廣泛應用于能源能耗監測領(lǐng)域。

【參考文獻】

[1]姜鴻羽.數據中心智慧能耗和諧波監測節點(diǎn)設計.數字技術(shù)與應用，2020.5；

[2]李康,李欣,張子凡,等.基于電力物聯(lián)網(wǎng)建設的數據中心能耗管理研究[J].上海電力大學(xué)學(xué)報,2021,37(3):241-246+283.

[3]王堅.大型數據中心能耗監測系統應用研究[J].科技風(fēng),2020(4):93.

[4]趙艷啟.基于ZigBee技術(shù)的機場(chǎng)環(huán)境多參數監測系統設計[J].電子設計工程,2020,28(15):61-64+69.

[5]崔鳳新.基于ZigBee的電力多變量無(wú)線(xiàn)監測系統設計[J].數字技術(shù)與應用,2018,36(09):174-175+177.

[6]湯天浩,鄭慧.一類(lèi)半波對稱(chēng)FFT改進(jìn)算法與電網(wǎng)諧波分析[J].電源學(xué)報,2011(2):80-85.

[7]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.5版.

作者簡(jiǎn)介：

作者簡(jiǎn)介：王曉昭，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，工程師， 技術(shù)交流：021-69156559

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