配电柜监测信号采集装置的设计方案.pdf

数据 中心 能耗 采集 装置 的设 计 安科瑞 邱红江苏安科瑞电器制造有限公司 江苏江阴 21405阮长根1刘志坚 2姚 波 3（ 1.华信邮电咨询设计研究院有限公司 浙江 31014）（ 2.中国中轻国际工程有限公司 北京 1026）（ 3.上海安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801）DesignofdeviceforDatcenterenrgyacquistion摘要 本文系统介绍了一款数据中心精密电源配电柜用多回路能耗采集装置的设计方法详细说明了设计原理、硬件构成以及软件设计的方法以此方式设计的装置能够满足精密电源柜对多回路负载电量的集成 化测量和安装要求，为数据中心能耗管理提供可靠的测量依据 关键字 数据中心 多回路监控AbstractThispaerintroducesadatcenterprecisonpowerdistributionarkwithmultilopcolectionequipmentdesignmethodofenrgyconsumption.Itexplainsthedesignprinciple,hardwarestructureandsoftwaredesignmethod,whichinturnmeansthedevicecouldsatisfythedesignprecisonpowersuplyofpowerloadrklopofintegratedmeasuremntandinstalationrequiremnts,datcenterforenrgyconsumptionmangemntoprovidereliablebasiformeasuremnt.KeywordsDatcenter， multi-lopmonitoring1引言 随着数据中心的迅猛发展 ， 数据中心的能耗问题也越来越突出 ， 有关数据中心的能源管理和供配电设计已经成为热门问题，高效可靠的数据中心配电系统方案，是提高数据中心电能使用效率，降低设备能 耗的有效方式。

要实现数据中心的节能，首先需要对每个用电负载实现精确的监测，而数据中心负载回路 非常的多，传统的测量仪表无法满足成本、体积、安装、施工等多方面的要求，因此需要采用适用于数据 中心集中监控要求的多回路监控装置 本文所要介绍的是一种适用于数据中心精密电源配电柜使用需求的测量装置的设计方法 ， 该装置适用于单路输入、单段输出、单点检测；双路输入、单段输出、单点检测；双路输入、单段输出、双点检测 的系统电源输入方式 能够精确地测量配电系统各项参数 ， 包括三相进线的母线电压 、 频率和 2路三相进线的电流 、 分相和总有功功率 、 无功功率 、 功率因数 、 有功电能 、 无功电能 以及精确测量 36个出线 （ 单相 ）支路的电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能、支路的通断状态等电参量，并可通 过远程通讯，实现机房数据的集中监控2设计思路 要实现采用单个装置就能够集成测量相当于 14个三相多功能电力仪表的功能 ， 需要采用非常规的硬件设计思路才行我们知道目前三相多功能电力仪表的实现方式最常见的一般有三相电能芯片 +CPU、高精度 ADC芯 片 +CPU、 三相 SOC芯 片和 单芯 片（ 内部 带有 ADC的 CPU） 等方 式。

而单 个装 置来 实现 14个 三相 多功能仪表的功能，采用以上任意一种方式的多个组合都不是很合适，考虑到硬件的成本和软件实现的难易程度，我们选择采用多个电子开关 +单芯片（内部带有 ADC的 CPU）的设计方法3整体硬件系统设计 考虑到装置所使用的场合为数据中心精密电源配电柜，并需要实现对 2路三相进线和 36个出线的各种电参量的测量，而进线回路由于电流一般都比较大，能够达到几百安培，出线回路电流都比较小，一般 都在 63安培以下 ， 因此装置的进线部分电流采用 5A电流输入 ， 内置小型 5A电流互感器 ， 出线部分采用 20mA电 流输 入， 外置 10A/20mA互 感器 装 置由 于安 装于 机柜 内部 ，因 此装 置本 身不 带有 显示 ，需 要显 示则 采用触摸屏方式 ， 通过 RS485通讯连接 ， 将数据传输给触摸屏进行显示 整体硬件系统如图 1所示 主要分为信号处理部分、电源部分、通讯部分、设置部分、数据存储部分及 CPU部分图 13.1信号处理 信号处理部分最关键的在于交流采样的信号处理及电子开关的切换 由于本设计采用的是交流采样的 方式 ， ADC的 采样 只能 针对 正信 号， 而交 流信 号是 一个 正弦 波信 号， 信号 有正 有负 ，因 此需 要将 信号 进行 抬高 ，以 保证 信号 的最 低点 也能 被 ADC进 行采 样处 理。

这里 采用 的是 TL431进 行信 号抬 高， 将所 采的 电流信号抬高到最低点也能由 ADC进行采样 如图 2所示 所有电流信号总共有 42个 ， 本设计中将其分为 7组 ，每组 6个电流信号 ， 每组电流信号通过一个电子开关 CD4051进行选择 ， 图 3， 电子开关由 CPU控制进行分时导通，在同一时间内有 7个电流信号流入 CPU的 ADC进行 AD转换图 2图 33.2电源 装置采用开关电源模块 电源模块输入电压为 AC85V～ 265V， 输入频率 45Hz～ 60Hz， 具有多路隔离电 压 输 出 ， 满 足 多 种 功 能 对 不 同 供 电 电 压 的 要 求 输 出 电 压 稳 定 、 故 障 率 小 ， 输 出 纹 波 <1％ ， 转 换 效 率≥ 75％具有过压、过流保护该模块经实际现场使用，具有很高的稳定性、可靠性和抗干扰能力装置可选配双路电源供电模式，可选双路交流、双路直流或一路交流 +一路直流供电模式，便于精密配电柜在割接或检修时，装置仍能正常工作 3.通讯 通讯接口模块采用通用的 RS-485、 ModbusRTU通讯规约，能实现遥测、遥控、遥信等功能。

在本设计中，由于装置没有显示，安装于柜内后，本地显示需要通过通讯将数据传给触摸屏，需占用掉一个通讯口，因此在装置上设计为双通讯方式，可以与 2个系统进行通讯3.4设置 由于装置不带有显示 ， 因此涉及到一些参数的设置就不是很方便 ， 在此选用拨码开关进行通讯地址 、波特率等参数的设置 3.5数据存储本设计采用 FM31256带有时钟的铁电存储器 ， 在实现数据存储的基础上集成有实时时钟 ， 进行各种故障或是状态的记录 3.6CPU结合本设计的硬件方式及软件处理方式，本设计中的 CPU采用 ST公司的基于 ARM最新的、进行架构 Cortex-M3内核的 32位处理器 STM32F103VBT6， 时钟频率最高可达 72MHz， 内置 128K的 Flash、 20K的 RAM、12位 AD、 4个 16位定时器、 3路 USART通讯口等多种资源，具有极高的性价比，能够满足本设计的应用4软件设计 程序设计流程如图 4所示本软件的设计重点在于信号的采样由于采用的是多路信号通过电子开关切换的方式 ， 在每个采样周期内 ， 每个电流信号都要完成一次采样 ， 因此必须要提高 AD的采样速率 例 ：每路信号的周期为 20ms，每个周期内采集 32个点，所有的电流回路分为 7组，每组 6个，那么也就是同一时间 内， CPU会 对其 中的 7个 信号 进行 采样 。

且 CPU需 要切 换 6次 才能 实现 所有 42个 电流 的采 样 因此 CPU的AD采 样频 率必 须在 每个 周期 32个 点的 基础 上提 高 6倍 才能 保证 42个 电流 信号 在一 个周 期内 都被 采集 到 而且 CPU在控制电子开关切换的时序上也要控制好，否则容易出现电子开关内的信号残留，导致 CPU采集本通道信号时，会采集到上一个通道的信号图 4软 件的 再一 个重 点就 在于 信号 的运 算， 由于 数据 的运 算量 非常 大， 相当 于在 20ms内 要运 算完 成 42个单相回路的电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能，并且还要随时处理各种其他 事件，如通讯等因此软件的算法和 CPU的运算速率非常重要在本设计中 CPU的时钟频率采用了 72MHz，保证了每个信号周期内的数据处理 经测试 ， 整个测量周期所用时间为 13ms左右 ， 完全满足在 20ms内完成所有运算任务 5测量精度 根 据 YD/T-201《 数据 设备 用网 络机 柜技 术要 求和 检验 方法 》 5.62要 求机 柜配 置的 检测 装置 的测量精度为 2级或更高 （ 即误差为 ± 2%以内 ） 。

测试按本方案设计的装置测量精度 ， 结果如表 1-表 7所示 由下表数据可以看出 ， 其测量准确度远远超出 2级要求 ， 完全符合标准的要求 ， 是一款精度较高的多回路采集装置本装置设计测量精度为电压、电流 1%；电能 1%表 1进线测量准确度测试数据表 2出线测量准确度测试数据表 3出线测量准确度测试数据表 4出线测量准确度测试数据表 5出线测量准确度测试数据表 6出线测量准确度测试数据表 7出线测量准确度测试数据6装置的应用 按 以 上 方 式 进 行 设 计 的 AMC16MA系 列 数 据 中 心 用 多 回 路 监 控 装 置 已 经 广 泛 应 用 于 数 据 中 心 精 密 配电柜中，结合配置的触摸屏实现完整的精密配电柜监测系统，实现对服务器末端设备的精细化管理，该监 测系统能够实现以下功能，显示界面见图 5：图 55.1进线监测：1）三相电压、三相电流、系统频率；2）各相及总的有功功率、无功功率、视在功率、功率因数；3）各相及总的有功电能、无功电能；4）电压不平衡度、电流不平衡度；5）进线开关监测6）可选配监测谐波电流；5.2出线监测：1）额定电流设置、各相电流值；2）负载百分比；3）开关量状态监测；4）各相有功功率、无功功率、视在功率、功率因数；5）各相有功电能、无功电能；6）能任意配置出线回路每个回路的相位。

5.3告警功能：1）进线过电流 2段阀值越限告警，可任意设定告警值；2）进线欠电流 2段阀值越限告警，可任意设定告警值；3）进线过压、欠压、缺相、过频率、低频率越限告警；4）声光告警功能5.4通讯：1）可通过触摸屏将采集到的数据上传；5.事件记录：1）各种电参量越限报警记录（当前报警和报警记录各 128条）2）开关量动作事件记录 128条6总结 按照本文思路所设计的多回路监测装置是一款专用于数据中心精密电源配电柜的产品 ， 该产品能够符合精密电源柜对多回路配电的需求产品硬件设计简单，在性能和成本上达到了较高的性价比，是数据 中心用电管理中理想的监控装置 文章来源于 ： 《电气应用》 2012年第１ 9期参考文献 【 1】 上海安科瑞电气股份有限公司，智能电网用户端电力监控 /电能管理 /电气安全系统解决方案 [M]， 2012.03【 2】 ST， STM32F103数据手册 [EB/OL]， 208.05【 3】 姚波 、 涂时亮 ， 基于 ADE758+MC9S08AW32方案的多回路监控单元的设计 [J]， 电测与仪表 207年第 4卷第 4期【 4】 景沈锋 、 姚波 、 汤建军 ， 基于 STM32F103R8T6的数字式量度继电器设计与应用 [J]， 低压电气 ,201(21)【 5】 徐斌，古雄文，刘岩 数据中心用电管理解决方案 [J]，智能建筑电气技术 2012， 6（ 1）【 6】 YD/T-201数据设备用网络机柜技术要求和检验方法。