中國移動通信集團福建有限公司寧德分公司 姜鴻羽

根據(jù)數(shù)據(jù)中心對能耗監(jiān)測的需求，踐行節(jié)能低碳理念，設計了基于MSP430單片機的能耗與諧波監(jiān)測節(jié)點。該節(jié)點由電力參數(shù)監(jiān)測模塊和ZigBee網(wǎng)絡模塊組成，前者實現(xiàn)信號的檢測，后者完成信號的無線傳輸，二者共同構成一個完整的監(jiān)測節(jié)點，對數(shù)據(jù)中心用電設備所產(chǎn)生的能耗進行監(jiān)測，完成電流、電壓測量和異常報警。針對電能質(zhì)量監(jiān)測與管理平臺中十分重要的諧波問題，數(shù)據(jù)分析模塊進行了諧波檢測、諧波能耗的計算。監(jiān)測結(jié)果可以為數(shù)據(jù)中心降低功耗、提高用電效率提供參數(shù)依據(jù)。

1 能耗和諧波監(jiān)測需求分析

信息時代的到來，大數(shù)據(jù)中心的建設越來越多，對電能可靠性和電能質(zhì)量提出更高要求，同時能耗也日益提高。而推動節(jié)能低碳是踐行綠色發(fā)展理念、建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的重要體現(xiàn)，是實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標。所以對用電設備電能質(zhì)量、功耗及諧波污染情況進行監(jiān)測，進而為降低功耗、提高用電效率提供參數(shù)依據(jù)。大型數(shù)據(jù)中心的能耗管理包括機房環(huán)境監(jiān)測和能耗設備的監(jiān)測，通過實時采集掌握能耗狀態(tài)，從而實現(xiàn)能耗管理的優(yōu)化[1,2]。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?qū)χC波實時追蹤和特性識別的方法，目前，在電力系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)諧波檢測中大多采用FFT及其改進算法。

針對上述存在的問題，基于ZigBee設計了數(shù)據(jù)中心智慧能耗和諧波監(jiān)測節(jié)點。對用電設備所產(chǎn)生的能耗進行監(jiān)測，實現(xiàn)電流、電壓測量和異常報警，針對電能質(zhì)量監(jiān)測與管理平臺中十分重要的諧波問題，進行了諧波檢測、諧波能耗的計算，進而為降低功耗、提高用電效率提供參數(shù)依據(jù)。

2 監(jiān)測節(jié)點系統(tǒng)架構設計

數(shù)據(jù)中心包含大量能耗設備，這些設備經(jīng)過長期運行可能會偏離最佳運行狀態(tài)。因此需要對用電設備的功耗及諧波污染情況進行監(jiān)測以便隨時掌握其電能損耗和電力干擾情況，為其安全運行和節(jié)能改造工程提供參數(shù)依據(jù)。由此，設計以MSP430單片機為核心的數(shù)據(jù)中心無線功耗與諧波監(jiān)測節(jié)點，數(shù)據(jù)采用ZigBee網(wǎng)絡模塊進行信號傳輸?；赯igBee技術的多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)能夠在短時間內(nèi)實現(xiàn)大數(shù)據(jù)監(jiān)測，確保得到完整的數(shù)據(jù)[3]，并且具有布點靈活、安裝方便等特點[4]。

監(jiān)測節(jié)點電路（如圖1所示）主要由數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊和 ZigBee網(wǎng)絡模塊組成，前者通過電壓、電流互感器實現(xiàn)信號的檢測；后者完成信號的無線傳輸，接收遠程數(shù)據(jù)配置控制命令，同時將測量數(shù)據(jù)進行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?。二者共同構成一個完整的監(jiān)測節(jié)點，對數(shù)據(jù)中心用電設備所產(chǎn)生的能耗進行監(jiān)測。數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊將數(shù)字信息傳輸給單片機處理，單片機進行能耗計算和諧波電流分析，監(jiān)測結(jié)果經(jīng)由LCD供現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)控。

圖1 監(jiān)測節(jié)點結(jié)構圖Fig.1 Monitoring node structure diagram

2.1 能耗監(jiān)測模塊

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

圖2 能耗監(jiān)測電路圖Fig.2 Energy consumption monitoring diagram

2.2 ZigBee無線節(jié)點設計

設計采用DRF1607H CC2530 ZigBee封裝芯片，內(nèi)含非常豐富的片上資源，用戶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現(xiàn)各種控制需求。ZigBee模塊與單片機的電路接線（如圖3所示）簡單，單片機的RXD2、TXD2兩根引線分別與CC2530的TX、RX連接。該芯片使用TI公司Z-Stack 2007 ZigBee通信協(xié)議，具有ZigBee的全部功能，可建立起數(shù)據(jù)透明傳輸。

圖3 ZigBee模塊與單片機電路接線圖Fig.3 Wiring diagram between ZigBee and MCU

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 ZigBee節(jié)點

ZigBee節(jié)點具有無線接受和發(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(tǒng)任務，準備好協(xié)議棧數(shù)據(jù)，就可以通過協(xié)議棧發(fā)送數(shù)據(jù)，接收方通過消息處理函數(shù)接收來自發(fā)送方的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)上位機軟件采用C#編寫，主要實現(xiàn)對電數(shù)據(jù)參數(shù)的實時監(jiān)測、處理，顯示數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)能耗狀態(tài)的實時信息。監(jiān)測節(jié)點主程序流程詳見圖4。

圖4 監(jiān)測節(jié)點主程序流程圖Fig.4 Main program flow chart of monitor node

DRF1607H CC2530 ZigBee封裝芯片協(xié)調(diào)器（Coordinator）從串口收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給所在無線局域網(wǎng)內(nèi)所有的路由(Router)節(jié)點。這樣協(xié)調(diào)器節(jié)點和路由節(jié)點之間就建立起了一條一對多的數(shù)據(jù)透明傳輸通道。設計選用Mesh網(wǎng)絡，能夠減少消息時延，增強通信的可靠性。

3.2 諧波分析

電流互感器將大信號轉(zhuǎn)化為小信號傳輸進單片機中，單片機每38us采集三個周期的電壓波形，將其轉(zhuǎn)化成AD信號共有768個點，然后對這些諧波數(shù)據(jù)進行分析，先分析其最大值的大小，其值的大小是在0-4096當中；接這對其位置進行分析，一個周期為256個點，所以最大值的位置是在0-768之間。

FFT算法由法國數(shù)學家傅立葉(M．Fourier)提出，一切的波形都是基波和諧波組成的。因為半波對稱的特性，則偶次諧波相互抵消。因為半波對稱波形中不含直流分量和偶次諧波分量，所以在編程的時候，將前N/2點數(shù)據(jù)賦值0，而后面N/2點就為奇次諧波分量[5]。運用FFT計算所測電壓波的基波和奇次諧波系數(shù)。DFT變換的表達式如式(1)所示。

其中X(k)為經(jīng)過FFT變換后的數(shù)據(jù)，X(n)為模擬量，實際上X(n)為數(shù)字量，所以虛部為0可以將它根據(jù)歐拉公式展開如式(2)所示。

這個公式變換后的數(shù)據(jù)就是將初始信號進行三角函數(shù)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，而n和N則是在一個正弦周期內(nèi)采樣的點數(shù)。

最后如式(3)所示將其諧波系數(shù)算出顯示。

4 硬件及測試結(jié)果分析

實驗將在線監(jiān)測節(jié)點依次接入ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡，測試選擇透傳模式，兩個節(jié)點之間的傳輸距離在60～100m，且可根據(jù)覆蓋面積增加協(xié)調(diào)器的數(shù)量，實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的全面覆蓋。監(jiān)測節(jié)點可實現(xiàn)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 結(jié)語

本文介紹了一種基于ZigBee技術的數(shù)據(jù)中心能耗和諧波智慧監(jiān)測方案，監(jiān)測節(jié)點以MSP430F5418為核心控制器，實時采集監(jiān)測點電壓、電流、溫度等參數(shù)，并通過能耗計量和諧波分析模塊進行數(shù)據(jù)分析、顯示和提醒等功能；組建無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，運行成本較低，且運行可靠，在控制中心即可實時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(jiān)測領域。

引用

[1] 李康,李欣,張子凡,等.基于電力物聯(lián)網(wǎng)建設的數(shù)據(jù)中心能耗管理研究[J].上海電力大學學報,2021,37(3):241-246+283.

[2] 王堅.大型數(shù)據(jù)中心能耗監(jiān)測系統(tǒng)應用研究[J].科技風,2020(4):93.

[3] 趙艷啟.基于ZigBee技術的機場環(huán)境多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].電子設計工程,2020,28(15):61-64+69.

[4] 崔鳳新.基于ZigBee的電力多變量無線監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].數(shù)字技術與應用,2018,36(09):174-175+177.

[5] 湯天浩,鄭慧.一類半波對稱FFT改進算法與電網(wǎng)諧波分析[J].電源學報,2011(2):80-85.