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數據中心能耗采集裝置的設計
孫麗莉
Design of device for Data center energy acquisITion 摘要 本文系統介紹了一款數據中心精密電源配電柜用多回路能耗采集裝置的設計方法。詳細說明了設計原理、硬件構成以及軟件設計的方法。以此方式設計的裝置能夠滿足精密電源柜對多回路負載電量的集成化測量和安裝要求，為數據中心能耗管理提供可靠的測量依據。 關鍵字數據中心 多回路監控 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 隨著數據中心的迅猛發展，數據中心的能耗問題也越來越突出，有關數據中心的能源管理和供配電設計已經成為熱門問題，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。要實現數據中心的節能，首先需要對每個用電負載實現精確的監測，而數據中心負載回路非常的多，傳統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，包括三相進線的母線電壓、頻率和2路三相進線的電流、分相和總有功功率、無功功率、功率因數、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、有功電能、無功電能、支路的通斷狀態等電參量，并可通過遠程通訊，實現機房數據的集中監控。 2 設計思路 要實現采用單個裝置就能夠集成測量相當于14個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現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（內部帶有ADC的CPU）等方式。而單個裝置來實現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的難易程度，我們選擇采用多個電子開關+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合為數據中心精密電源配電柜，并需要實現對2路三相進線和36個出線的各種電參量的測量，而進線回路由于電流一般都比較大，能夠達到幾百安培，出線回路電流都比較小，一般都在63安培以下，因此裝置的進線部分電流采用5A電流輸入，內置小型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RS485通訊連接，將數據傳輸給觸摸屏進行顯示。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 信號處理部分最關鍵的在于交流采樣的信號處理及電子開關的切換。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，而交流信號是一個正弦波信號，信號有正有負，因此需要將信號進行抬高，以保證信號的最低點也能被ADC進行采樣處理。這里采用的是TL431進行信號抬高，將所采的電流信號抬高到最低點也能由ADC進行采樣。如圖2所示。所有電流信號總共有42個，本設計中將其分為7組，每組6個電流信號，每組電流信號通過一個電子開關CD4051進行選擇，圖3，電子開關由CPU控制進行分時導通，在同一時間內有7個電流信號流入CPU的ADC進行AD轉換。
圖2
圖3 3.2 電源 裝置采用開關電源模塊。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。輸出電壓穩定、故障率小，輸出紋波 <1％，轉換效率≥75％。具有過壓、過流保護。該模塊經實際現場使用，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，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，能實現遙測、遙控、遙信等功能。在本設計中，由于裝置沒有顯示，安裝于柜內后，本地顯示需要通過通訊將數據傳給觸摸屏，需占用掉一個通訊口，因此在裝置上設計為雙通訊方式，可以與2個系統進行通訊。 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，在此選用撥碼開關進行通訊地址、波特率等參數的設置。 3.5 數據存儲 本設計采用FM31256帶有時鐘的鐵電存儲器，在實現數據存儲的基礎上集成有實時時鐘，進行各種故障或是狀態的記錄。 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ARM最新的、進行架構Cortex-M3內核的32位處理器STM32F103VBT6，時鐘頻率最高可達72MHz，內置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，能夠滿足本設計的應用。 4 軟件設計 程序設計流程如圖4所示。本軟件的設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切換的方式，在每個采樣周期內，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，CPU會對其中的7個信號進行采樣。且CPU需要切換6次才能實現所有42個電流的采樣。因此CPU的AD采樣頻率必須在每個周期32個點的基礎上提高6倍才能保證42個電流信號在一個周期內都被采集到。而且CPU在控制電子開關切換的時序上也要控制好，否則容易出現電子開關內的信號殘留，導致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，由于數據的運算量非常大，相當于在20ms內要運算完成42個單相回路的電流、有功功率、無功功率、功率因數、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。在本設計中CPU的時鐘頻率采用了72MHz，保證了每個信號周期內的數據處理。經測試，整個測量周期所用時間為13ms左右，完全滿足在20ms內完成所有運算任務。 5 測量精度 根據YD/T-2011《數據設備用網絡機柜技術要求和檢驗方法》5.6.2要求機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）。測試按本方案設計的裝置測量精度，結果如表1-表7所示。由下表數據可以看出，其測量準確度遠遠超出2級要求，完全符合標準的要求，是一款精度較高的多回路采集裝置。本裝置設計測量精度為電壓、電流1%；電能1%。 表1 進線測量準確度測試數據 表2 出線測量準確度測試數據 表3 出線測量準確度測試數據
表4 出線測量準確度測試數據 表5 出線測量準確度測試數據
表6 出線測量準確度測試數據 表7 出線測量準確度測試數據
6 裝置的應用 按以上方式進行設計的AMC16MA系列數據中心用多回路監控裝置已經廣泛應用于數據中心精密配電柜中，結合配置的觸摸屏實現完整的精密配電柜監測系統，實現對服務器末端設備的精細化管理，該監測系統能夠實現以下功能，顯示界面見圖5：
圖5 5.1進線監測： 1）三相電壓、三相電流、系統頻率； 2）各相及總的有功功率、無功功率、視在功率、功率因數； 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）進線開關監測。 6）可選配監測諧波電流； 5.2出線監測： 1）額定電流設置、各相電流值； 2）負載百分比； 3）開關量狀態監測； 4）各相有功功率、無功功率、視在功率、功率因數； 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）進線過電流2段閥值越限告警，可任意設定告警值； 2）進線欠電流2段閥值越限告警，可任意設定告警值； 3）進線過壓、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據上傳； 5.5 事件記錄： 1）各種電參量越限報警記錄（當前報警和報警記錄各128條） 2）開關量動作事件記錄128條。 6 總結 按照本文思路所設計的多回路監測裝置是一款專用于數據中心精密電源配電柜的產品，該產品能夠符合精密電源柜對多回路配電的需求。產品硬件設計簡單，在性能和成本上達到了較高的性價比，是數據中心用電管理中理想的監控裝置。
Design of device for Data center energy acquisITion 摘要 本文系統介紹了一款數據中心精密電源配電柜用多回路能耗采集裝置的設計方法。詳細說明了設計原理、硬件構成以及軟件設計的方法。以此方式設計的裝置能夠滿足精密電源柜對多回路負載電量的集成化測量和安裝要求，為數據中心能耗管理提供可靠的測量依據。 關鍵字數據中心 多回路監控 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 隨著數據中心的迅猛發展，數據中心的能耗問題也越來越突出，有關數據中心的能源管理和供配電設計已經成為熱門問題，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。要實現數據中心的節能，首先需要對每個用電負載實現精確的監測，而數據中心負載回路非常的多，傳統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，包括三相進線的母線電壓、頻率和2路三相進線的電流、分相和總有功功率、無功功率、功率因數、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、有功電能、無功電能、支路的通斷狀態等電參量，并可通過遠程通訊，實現機房數據的集中監控。 2 設計思路 要實現采用單個裝置就能夠集成測量相當于14個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現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（內部帶有ADC的CPU）等方式。而單個裝置來實現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的難易程度，我們選擇采用多個電子開關+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合為數據中心精密電源配電柜，并需要實現對2路三相進線和36個出線的各種電參量的測量，而進線回路由于電流一般都比較大，能夠達到幾百安培，出線回路電流都比較小，一般都在63安培以下，因此裝置的進線部分電流采用5A電流輸入，內置小型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RS485通訊連接，將數據傳輸給觸摸屏進行顯示。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 信號處理部分最關鍵的在于交流采樣的信號處理及電子開關的切換。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，而交流信號是一個正弦波信號，信號有正有負，因此需要將信號進行抬高，以保證信號的最低點也能被ADC進行采樣處理。這里采用的是TL431進行信號抬高，將所采的電流信號抬高到最低點也能由ADC進行采樣。如圖2所示。所有電流信號總共有42個，本設計中將其分為7組，每組6個電流信號，每組電流信號通過一個電子開關CD4051進行選擇，圖3，電子開關由CPU控制進行分時導通，在同一時間內有7個電流信號流入CPU的ADC進行AD轉換。
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圖3 3.2 電源 裝置采用開關電源模塊。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。輸出電壓穩定、故障率小，輸出紋波 <1％，轉換效率≥75％。具有過壓、過流保護。該模塊經實際現場使用，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，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，能實現遙測、遙控、遙信等功能。在本設計中，由于裝置沒有顯示，安裝于柜內后，本地顯示需要通過通訊將數據傳給觸摸屏，需占用掉一個通訊口，因此在裝置上設計為雙通訊方式，可以與2個系統進行通訊。 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，在此選用撥碼開關進行通訊地址、波特率等參數的設置。 3.5 數據存儲 本設計采用FM31256帶有時鐘的鐵電存儲器，在實現數據存儲的基礎上集成有實時時鐘，進行各種故障或是狀態的記錄。 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ARM最新的、進行架構Cortex-M3內核的32位處理器STM32F103VBT6，時鐘頻率最高可達72MHz，內置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，能夠滿足本設計的應用。 4 軟件設計 程序設計流程如圖4所示。本軟件的設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切換的方式，在每個采樣周期內，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，CPU會對其中的7個信號進行采樣。且CPU需要切換6次才能實現所有42個電流的采樣。因此CPU的AD采樣頻率必須在每個周期32個點的基礎上提高6倍才能保證42個電流信號在一個周期內都被采集到。而且CPU在控制電子開關切換的時序上也要控制好，否則容易出現電子開關內的信號殘留，導致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，由于數據的運算量非常大，相當于在20ms內要運算完成42個單相回路的電流、有功功率、無功功率、功率因數、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。在本設計中CPU的時鐘頻率采用了72MHz，保證了每個信號周期內的數據處理。經測試，整個測量周期所用時間為13ms左右，完全滿足在20ms內完成所有運算任務。 5 測量精度 根據YD/T-2011《數據設備用網絡機柜技術要求和檢驗方法》5.6.2要求機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）。測試按本方案設計的裝置測量精度，結果如表1-表7所示。由下表數據可以看出，其測量準確度遠遠超出2級要求，完全符合標準的要求，是一款精度較高的多回路采集裝置。本裝置設計測量精度為電壓、電流1%；電能1%。 表1 進線測量準確度測試數據 表2 出線測量準確度測試數據 表3 出線測量準確度測試數據
表4 出線測量準確度測試數據 表5 出線測量準確度測試數據
表6 出線測量準確度測試數據 表7 出線測量準確度測試數據
6 裝置的應用 按以上方式進行設計的AMC16MA系列數據中心用多回路監控裝置已經廣泛應用于數據中心精密配電柜中，結合配置的觸摸屏實現完整的精密配電柜監測系統，實現對服務器末端設備的精細化管理，該監測系統能夠實現以下功能，顯示界面見圖5：
圖5 5.1進線監測： 1）三相電壓、三相電流、系統頻率； 2）各相及總的有功功率、無功功率、視在功率、功率因數； 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）進線開關監測。 6）可選配監測諧波電流； 5.2出線監測： 1）額定電流設置、各相電流值； 2）負載百分比； 3）開關量狀態監測； 4）各相有功功率、無功功率、視在功率、功率因數； 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）進線過電流2段閥值越限告警，可任意設定告警值； 2）進線欠電流2段閥值越限告警，可任意設定告警值； 3）進線過壓、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據上傳； 5.5 事件記錄： 1）各種電參量越限報警記錄（當前報警和報警記錄各128條） 2）開關量動作事件記錄128條。 6 總結 按照本文思路所設計的多回路監測裝置是一款專用于數據中心精密電源配電柜的產品，該產品能夠符合精密電源柜對多回路配電的需求。產品硬件設計簡單，在性能和成本上達到了較高的性價比，是數據中心用電管理中理想的監控裝置。
