数据中心能耗采集装置的设计

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%。