中心智慧能耗和諧波監測設計

更新時間：2023-09-26

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摘要：根據數據中心降低功耗、提高用電效率提供參數依據。

關鍵詞：數據中心；能耗；諧波監測

1能耗和諧波監測需求分析

信息時代的到來，大數據中心的能耗管理包括機房環境監測和能耗設備的監測，通過實時采集掌握能耗狀態，從而實現能耗管理的優化。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對諧波實時追蹤和特性識別的方法，目前，在電力系統中穩態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設計了數據中心智慧能耗和諧波監測節點。對用電設備所產生的能耗進行監測，實現電流、電壓測量和異常，針對電能質量監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依據。

2監測節點系統架構設計

數據中心無線功耗與諧波監測節點，數據采用ZigBee網絡模塊進行信號傳輸。基于ZigBee技術的多參數監測系統能夠在短時間內實現大數據監測，確保得到完整的數據，并且具有布點靈活、安裝方便等特點。

監測節點電路（如圖1所示）主要由數據監測模塊和ZigBee網絡模塊組成，前者通過電壓、電流互感器實現信號的檢測；后者完成信號的無線傳輸，接收遠程數據配置控制命令，同時將測量數據進行無線數據傳輸到控制中心用電設備所產生的能耗進行監測。數據監測模塊將數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，監測結果經由LCD供現場數據監控。

圖1監測節點結構圖

2.1能耗監測模塊

能耗監測模塊主要采集電壓、電流互感器經過隔離電路獲取電流、電壓信號，轉換后的電信號經共模線圈的濾波后進入差模放大電路進行信號放大調理調整到后續電路能接受的范圍然后進入AD采樣芯片模數轉換后由單片機進行能耗的計算，經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能耗監測電路圖

2.2ZigBee無線節點設計

設計采用DRF1607HCC2530ZigBee封裝芯片，內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-Stack2007ZigBee通信協議，具有ZigBee的全部功能，可建立起數據透明傳輸。

圖3ZigBee模塊與單片機電路接線圖

3系統軟件設計

3.1ZigBee節點

ZigBee節點具有無線接受和發送能力，應用程序只需配置好協議棧注冊應用端口，添加操作系統任務，準備好協議棧數據，就可以通過協議棧發送數據，接收方通過消息處理函數接收來自發送方的數據。系統上位機軟件采用C#編寫，主要實現對電數據參數的實時監測、處理，顯示數據中心系統能耗狀態的實時信息。監測節點主程序流程詳見圖4

圖4監測節點主程序流程圖

DRF1607HCC2530ZigBee封裝芯片協調器（Coordinator）從串口收到的數據發送給所在無線局域網內所有的路由(Router)節點。這樣協調器節點和路由節點之間就建立起了一條一對多的數據透明傳輸通道。設計選用Mesh網絡，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，將其轉化成AD信號共有768個點，然后對這些諧波數據進行分析，先分析其*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*大值的位置是在0-768之間。

FFT算法由法國數學家傅立葉(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點數據賦值0，而后面N/2點就為奇次諧波分量。運用FFT計算所測電壓波的基波和奇次諧波系數。DFT變換的表達式如式(1)所示。

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

這個公式變換后的數據就是將初始信號進行三角函數運算，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采樣的點數。

*后如式(3)所示將其諧波系數算出顯示。

4硬件及測試結果分析

實驗將在線監測節點依次接入ZigBee無線傳感器網絡，測試選擇透傳模式，兩個節點之間的傳輸距離在60～100m，且可根據覆蓋面積增加協調器的數量，實現對監測區域的全面覆蓋。監測節點可實現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安科瑞能耗統計分析（能源管理）解決方案

5.1概述

建立高效的能耗監測管理系統，對建筑各類耗能設備能耗數據進行實時測量，對采集數據進行統計和分析。能夠合理的確定各區域建筑能耗經濟指標及績效考核指標，發現能源使用規律和能源浪費情況，提高人員主動節能的意識。

①搭建數據中心智慧能源管理系統的基本框架，對各個用能環節進行實時監測；

②排碳數據化：通過系統可實現建筑單位內人均能耗分析（包括水、電、能量），實現低碳辦公數據化；

③區域能效比：實現建筑單位內區域能耗對比，方便能耗考核；

④同期能效比：實現同年、同期、同一區域能耗對比，方便節能數據分析；

⑤能耗評估管理：按照能源消耗定額標準約束值、標準值、引導值進行分析單位面積能耗和人均能耗指標；

⑥能耗競爭排名：各個功能區能耗對比，實現能耗排名，增強工作人員的節能意識；

⑦對能耗的使用數據進行綜合的分析、統計、打印和查詢等功能，并根據能耗監測管理系統的需要可選擇不同樣式報表的打印。為能耗運營管理部門提供可靠的依據；

⑧能耗數據采集，隨時查詢，并根據采集數據進行統計分析，監測異常能源用量，對能源智能儀表故障進行，提高系統信息化、自動化水平。

5.2平臺部署硬件選型

應用場景	型號	圖片	保護功能
能耗管理云平臺	AcrelCloud-5000		采用泛在物聯、云計算、大數據、移動通訊、智能傳感等技術手段可為用戶提供能源數據采集、統計分析、能效分析、用能預警、設備管理等服務，平臺可以廣泛應用于多種領域。
智能網關	Anet系列網管		采用嵌入式硬件計算機平臺，具有多個下行通信接口及一個或者多個上行網絡接口，作為信息采集系統中采集終端與平臺系統間的橋梁，能夠根據不同的采集規約進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數據采集匯總，并使用相應的規約轉發現場設備的數據給平臺系統。
高壓重要回路或低壓進線柜	APM810		具有全電量測量，電能統計，電能質量分析及網絡通訊等功能，主要用于對電網供電質量的綜合監控診斷及電能管理。該系列儀表采用了模塊化設計，當客戶需要增加開關量輸入輸出，模擬量輸入輸出，SD卡記錄，以太網通訊時，只需在背部插入對應模塊即可。
高壓重要回路或低壓進線柜	APM520		三相全電量測量，2-63次諧波，不平衡度，*大需量，支持付費率，越限，SOE,4-20mA輸出。
低壓聯絡柜、出線柜	AEM96		三相多功能電能表，均集成三相電力參數測量及電能計量及考核管理，提供上24時、上31日以及上12月的電能數據統計。具有63次分次諧波與總諧波含量檢測，帶有開關量輸入和繼電器輸出可實現“遙信"和“遙控"功能，并具備輸出，可廣泛應用于多種控制系統，SCADA系統和能源管理系統中。
動力柜	ACR120EL		測量所有的常用電力參數，如三相電流、電壓，有功、無功功率，電度，諧波等，并具備完善的通信聯網功能，非常適合于實時電力監控系統。
	DTSD1352		DIN35mm導軌式安裝結構，體積小巧，能測量電能及其他電參量，可進行時鐘、費率時段等參數設置，精度高、可靠性好、性能指標符合國標GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和電力行業標準DL/T614-2007對電能表的各項技術要求，并且具有電能脈沖輸出功能；可用RS485通訊接口與上位機實現數據交換。
	AEW100		三相全電量測量，剩余電流、2-63次諧波，支持付費率，量值、電纜溫度，可選2G/4G通訊。