姚 波

（安科瑞電氣股份有限公司，上海 201801）

1 引言

據(jù)調(diào)查，我國服務(wù)器保有量約為366萬臺，服務(wù)器耗電總量約132億 kW·h，數(shù)據(jù)中心總耗電量約364億 kW·h，約占當年全國電力總消耗量的 1%。隨著云計算等新概念、新技術(shù)的迅速發(fā)展，在給IT產(chǎn)業(yè)和用戶帶來革命性改變的同時，也使數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與運維面臨著更多的挑戰(zhàn)。降低能耗、節(jié)約成本，成為建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心的核心目標。2011年，在國家發(fā)改委、工信部和財政部聯(lián)合開展的云計算示范工程中，明確要求數(shù)據(jù)中心的PUE小于1.5。

根據(jù)《數(shù)據(jù)中心能耗檢測標準及實施細則》中對 PUE的定義為數(shù)據(jù)中心總耗能與 IT設(shè)備耗能的比值，它是衡量數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施

能效的綜合指標：數(shù)據(jù)中心能耗由以下部分組成，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心能耗結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Data center energy consumption structure diagram

圖中可以看出，PIT為列頭柜輸出能耗，因此，為了檢測PIT，需要對列頭柜的輸出回路進行檢測，這樣才能得到一個準確的PIT值，用于評估數(shù)據(jù)中心的PUE值。

ADPF電源配電柜針對數(shù)據(jù)中心機房電源監(jiān)控要求，綜合采集所有電量數(shù)據(jù)，通過顯示單元實時反映電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對整個配電系統(tǒng)的實施監(jiān)控和運行質(zhì)量的有效管理。幫助用戶加強數(shù)據(jù)中心能耗管理，提高服務(wù)器機架運行效率，為實現(xiàn)全方位綠色IDC提供可靠保障。電源柜上配置LCD觸摸屏，內(nèi)置電源管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)以下功能：

1)一次系統(tǒng)圖（圖2）直觀顯示電源柜內(nèi)部的系統(tǒng)配置；

2)進線監(jiān)測（圖3）。三相電壓、三相電流、系統(tǒng)頻率；各相及總的有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)；各相及總的有功電能、無功電能；電壓不平衡度、電流不平衡度；進線開關(guān)狀態(tài)檢測；電流、電壓諧波分量。

3)出線監(jiān)測（圖4）。額定電流設(shè)置、各分路電流值；負載百分比；分路開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測；分路有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)；分路有功電能、無功電能。

4)告警功能（圖5）。實時顯示當前故障告警狀態(tài)；進線過電流2段閥值越限告警；進線欠電流2段閥值越限告警；進線過壓、欠壓、缺相、過頻率、欠頻率越限告警；分路跳閘告警；聲光告警。

5)事件記錄（圖6）。各種電參量越限報警記錄；開關(guān)動作事件記錄。

圖2 一次圖Fig.2 Interface

圖3 進線參數(shù)Fig.3 Into line parameters

圖4 出線參數(shù)

圖6 報警記錄Fig.6 Alarm record

需要實現(xiàn)以上系統(tǒng)功能，電源柜內(nèi)必須配置相應(yīng)的電參數(shù)采集裝置，針對數(shù)據(jù)中心精密電源配電柜使用需求，AMC16M系列多回路檢測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(tǒng)電源輸入方式。該裝置能夠精確地測量配電系統(tǒng)各項參數(shù)，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(shù)、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(shù)、有功電能、無功電能、支路的通斷狀態(tài)等電參量，通過通訊端口，將數(shù)據(jù)實時傳輸給 ADPF電源柜上所配置的LCD觸摸屏，由觸摸屏對相關(guān)數(shù)據(jù)進行處理。

2 設(shè)計思路

要實現(xiàn)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，考慮到硬件的成本和軟件實現(xiàn)的難易程度，我們選擇采用多個電子開關(guān)+單芯片（內(nèi)部帶有ADC的CPU）的設(shè)計方法。

3 整體硬件系統(tǒng)設(shè)計

考慮到裝置所使用的場合為數(shù)據(jù)中心精密電源配電柜，并需要實現(xiàn)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A，出線回路電流都比較小，一般都在63 A以下，因此裝置的進線部分電流采用5 A電流輸入，內(nèi)置小型5 A電流互感器，出線部分采用20 mA電流輸入，外置100 A/20 mA互感器。裝置由于安裝于機柜內(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RS485通訊連接，將數(shù)據(jù)傳輸給觸摸屏進行顯示。整體硬件系統(tǒng)如圖1所示。主要分為信號處理部分、電源部分、通訊部分、設(shè)置部分、數(shù)據(jù)存儲部分及CPU部分。

圖7 硬件系統(tǒng)圖Fig.7 Diagram of hardware system

所有電流信號總共有42個，本設(shè)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(guān)CD4051進行選擇，見圖8，電子開關(guān)由CPU控制進行分時導(dǎo)通，在同一時間內(nèi)有7個電流信號流入CPU的ADC進行AD轉(zhuǎn)換。

結(jié)合本設(shè)計的硬件方式及軟件處理方式，本設(shè)計中的CPU采用ST公司的基于ARM最新的、進行架構(gòu) Cortex-M3內(nèi)核的 32位處理器STM32F103VBT6，時鐘頻率最高可達72 MHz，內(nèi)置128 k的Flash、20 k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(shè)計的應(yīng)用。

圖8 信號采集電路Fig.8 Signal acquisition circuit

4 軟件設(shè)計

程序設(shè)計流程如圖9所示。本軟件的設(shè)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(guān)切換的方式，在每個采樣周期內(nèi)，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20 ms，每個周期內(nèi)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(nèi)，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(xiàn)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(chǔ)上提高6倍才能保證42個電流信號在一個周期內(nèi)都被采集到。而且CPU在控制電子開關(guān)切換的時序上也要控制好，否則容易出現(xiàn)電子開關(guān)內(nèi)的信號殘留，導(dǎo)致CPU采集本通道信號時，會采集到上一個通道的信號。

圖9 軟件流程圖Fig.9 Software flow diagram

軟件的再一個重點就在于信號的運算，由于數(shù)據(jù)的運算量非常大，相當于在20 ms內(nèi)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(shù)、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(shè)計中CPU的時鐘頻率采用了72 MHz，保證了每個信號周期內(nèi)的數(shù)據(jù)處理。經(jīng)測試，整個測量周期所用時間為13 ms左右，完全滿足在20 ms內(nèi)完成所有運算任務(wù)。

5 測量精度

根據(jù) YD/T-2011《數(shù)據(jù)設(shè)備用網(wǎng)絡(luò)機柜技術(shù)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(nèi)）。測試按本方案設(shè)計的裝置測量精度，結(jié)果如表1～表2所示。由下表數(shù)據(jù)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(shè)計測量精度為電壓、電流1%；電能1%。

表1 進線測量數(shù)據(jù)Tab.1 Into line of measurement data參數(shù) 輸入實測

表2 出線測量數(shù)據(jù)Tab.2 Out line of measurement data

表2

6 結(jié)論

按以上方式進行設(shè)計的AMC16M系列多回路監(jiān)控裝置結(jié)合數(shù)據(jù)中心電源管理系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心精密配電柜中，實現(xiàn)對服務(wù)器末端設(shè)備的精細化管理。按照本文思路所設(shè)計的數(shù)據(jù)中心電源管理系統(tǒng)方案，能夠符合《數(shù)據(jù)中心能耗檢測標準及實施細則》中對PIT的精密檢測，及相關(guān)功能要求，是數(shù)據(jù)中心用電管理中理想的解決方案。

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