【解決方案】數(shù)據(jù)中心智慧能耗和諧波監(jiān)測設(shè)計(jì)方案

未曉妃

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

1能耗和諧波監(jiān)測需求分析

   信息時(shí)代的到來，大數(shù)據(jù)中心的能耗管理包括機(jī)房環(huán)境監(jiān)測和能耗設(shè)備的監(jiān)測，通過實(shí)時(shí)采集掌握能耗狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)能耗管理的優(yōu)化。由于諧波具有不確定性和隨機(jī)性，要針對(duì)諧波這些特性研究出能夠?qū)χC波實(shí)時(shí)追蹤和特性識(shí)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(jìn)算法。

   針對(duì)上述存在的問題，基于ZigBee設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)中心智慧能耗和諧波監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。對(duì)用電設(shè)備所產(chǎn)生的能耗進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)電流、電壓測量和異常報(bào)警，針對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測與管理平臺(tái)中十分重要的諧波問題，進(jìn)行了諧波檢測、諧波能耗的計(jì)算，進(jìn)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(diǎn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

   數(shù)據(jù)中心無線功耗與諧波監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行信號(hào)傳輸。基于ZigBee技術(shù)的多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)監(jiān)測，確保得到完整的數(shù)據(jù)，并且具有布點(diǎn)靈活、安裝方便等特點(diǎn)。

   監(jiān)測節(jié)點(diǎn)電路（如圖1所示）主要由數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊和ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊組成，前者通過電壓、電流互感器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測；后者完成信號(hào)的無線傳輸，接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)配置控制命令，同時(shí)將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行挠秒娫O(shè)備所產(chǎn)生的能耗進(jìn)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(jī)處理，單片機(jī)進(jìn)行能耗計(jì)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(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

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(hào)，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)共模線圈的濾波后進(jìn)入差模放大電路進(jìn)行信號(hào)放大調(diào)*調(diào)整到后續(xù)電路能接受的范圍然后進(jìn)入AD采樣芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)進(jìn)行能耗的計(jì)算，經(jīng)過傅里葉變換運(yùn)算來對(duì)諧波進(jìn)行分析，具體電路如圖2所示。

圖2能耗監(jiān)測電路圖

2.2ZigBee無線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

  設(shè)計(jì)采用DRF1607HCC2530ZigBee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(shí)現(xiàn)各種控制需求。ZigBee模塊與單片機(jī)的電路接線（如圖3所示）簡單，單片機(jī)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(xié)議，具有ZigBee的全部功能，可建立起數(shù)據(jù)透明傳輸。

圖3ZigBee模塊與單片機(jī)電路接線圖

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1ZigBee節(jié)點(diǎn)

   ZigBee節(jié)點(diǎn)具有無線接受和發(fā)送能力，應(yīng)用程序只需配置好協(xié)議棧注冊(cè)應(yīng)用端口，添加操作系統(tǒng)任務(wù)，準(zhǔn)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(jī)軟件采用C#編寫，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電數(shù)據(jù)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、處理，顯示數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)能耗狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)主程序流程詳見圖4

圖4監(jiān)測節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

  DRF1607HCC2530ZigBee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(diǎn)。這樣協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)之間就建立起了一條一對(duì)多的數(shù)據(jù)透明傳輸通道。設(shè)計(jì)選用Mesh網(wǎng)絡(luò)，能夠減少消息時(shí)延，增強(qiáng)通信的可靠性。

3.2諧波分析

  電流互感器將大信號(hào)轉(zhuǎn)化為小信號(hào)傳輸進(jìn)單片機(jī)中，單片機(jī)每38us采集三個(gè)周期的電壓波形，將其轉(zhuǎn)化成AD信號(hào)共有768個(gè)點(diǎn)，然后對(duì)這些諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，先分析其*大值的大小，其值的大小是在0-4096當(dāng)中；接這對(duì)其位置進(jìn)行分析，一個(gè)周期為256個(gè)點(diǎn)，所以*大值的位置是在0-768之間。

  FFT算法由法國數(shù)學(xué)家傅立葉(M．Fourier)提出，一切的波形都是基波和諧波組成的。因?yàn)榘氩▽?duì)稱的特性，則偶次諧波相互抵消。因?yàn)榘氩▽?duì)稱波形中不含直流分量和偶次諧波分量，所以在編程的時(shí)候，將前N/2點(diǎn)數(shù)據(jù)賦值0，而后面N/2點(diǎn)就為奇次諧波分量。運(yùn)用FFT計(jì)算所測電壓波的基波和奇次諧波系數(shù)。DFT變換的表達(dá)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(shí)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(gè)公式變換后的數(shù)據(jù)就是將初始信號(hào)進(jìn)行三角函數(shù)運(yùn)算，包括一次求和與一次相加累次運(yùn)算至n-1項(xiàng)，k代表和頻率為多少的正弦相關(guān)，而n和N則是在一個(gè)正弦周期內(nèi)采樣的點(diǎn)數(shù)。

*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(shí)驗(yàn)將在線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)依次接入ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，測試選擇透傳模式，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測區(qū)域的-*面覆蓋。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備能耗以及溫度的準(zhǔn)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(tǒng)計(jì)分析（能源管理）解決方案

5.1概述

   建立高*的能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)，對(duì)建筑各類耗能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。能夠合理的確定各區(qū)域建筑能耗經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及績效考核指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)能源使用規(guī)律和能源浪費(fèi)情況，提高人員主動(dòng)節(jié)能的意識(shí)。

①搭建數(shù)據(jù)中心智慧能源管理系統(tǒng)的基本框架，對(duì)各個(gè)用能環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；

②排碳數(shù)據(jù)化：通過系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)建筑單位內(nèi)人均能耗分析（包括水、電、能*），實(shí)現(xiàn)低碳辦公數(shù)據(jù)化；

③區(qū)域能效比：實(shí)現(xiàn)建筑單位內(nèi)區(qū)域能耗對(duì)比，方便能耗考核；

④同期能效比：實(shí)現(xiàn)同年、同期、同一區(qū)域能耗對(duì)比，方便節(jié)能數(shù)據(jù)分析；

⑤能耗評(píng)估管理：按照能源消耗定額標(biāo)準(zhǔn)約束值、標(biāo)準(zhǔn)值、引導(dǎo)值進(jìn)行分析單位面積能耗和人均能耗指標(biāo)；

⑥能耗競爭排名：各個(gè)功能區(qū)能耗對(duì)比，實(shí)現(xiàn)能耗排名，增強(qiáng)工作人員的節(jié)能意識(shí)；

⑦對(duì)能耗的使用數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的分析、統(tǒng)計(jì)、打印和查詢等功能，并根據(jù)能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的需要可選擇不同樣式報(bào)表的打印。為能耗運(yùn)營管理部門提供可靠的依據(jù)；

⑧能耗數(shù)據(jù)采集，隨時(shí)查詢，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，監(jiān)測異常能源用量，對(duì)能源智能儀表故障進(jìn)行報(bào)警，提高系統(tǒng)信息化、自動(dòng)化水平。

5.2平臺(tái)部署硬件選型

作者介紹

未曉妃，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)能效管理和環(huán)保安全用電。