数据中心能耗采集装置的设计
孙丽莉
Design of device for Data center energy acquisITion
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
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
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100A/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1
3.1 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3
3.2 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。
3.3 通讯
通讯接口模块采用通用的RS-485、Modbus RTU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。
3.6 CPU
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-2011《数据设备用网络机柜技术要求和检验方法》5.6.2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5
5.1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；
5.5 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。
