數據中心智慧能耗和諧波監測節點設計

中國移動通信集團福建有限公司寧德分公司 姜鴻羽

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

1 能耗和諧波監測需求分析

信息時代的到來，大數據中心的建設越來越多，對電能可靠性和電能質量提出更高要求，同時能耗也日益提高。而推動節能低碳是踐行綠色發展理念、建設資源節約型和環境友好型社會的重要體現，是實現碳達峰、碳中和目標。所以對用電設備電能質量、功耗及諧波污染情況進行監測，進而為降低功耗、提高用電效率提供參數依據。大型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[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、電壓測量和異常報警，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

數據中心包含大量能耗設備，這些設備經過長期運行可能會偏離最佳運行狀態。因此需要對用電設備的功耗及諧波污染情況進行監測以便隨時掌握其電能損耗和電力干擾情況，為其安全運行和節能改造工程提供參數依據。由此，設計以MSP430單片機為核心的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[3]，并且具有布點靈活、安裝方便等特點[4]。

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。二者共同構成一個完整的監測節點，對數據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Fig.1 Monitoring node structure diagram

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Fig.2 Energy consumption monitoring diagram

2.2 ZigBee無線節點設計

設計采用DRF1607H CC2530 ZigBee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-Stack 2007 ZigBee通信協議，具有ZigBee的全部功能，可建立起數據透明傳輸。

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

3 系統軟件設計

3.1 ZigBee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Fig.4 Main program flow chart of monitor node

DRF1607H CC2530 ZigBee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[5]。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。

最后如式(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 結語

本文介紹了一種基于ZigBee技術的數據中心能耗和諧波智慧監測方案，監測節點以MSP430F5418為核心控制器，實時采集監測點電壓、電流、溫度等參數，并通過能耗計量和諧波分析模塊進行數據分析、顯示和提醒等功能；組建無線傳感器網絡實現數據的無線傳輸，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和能耗，可廣泛應用于能源能耗監測領域。

引用

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

[2] 王堅.大型數據中心能耗監測系統應用研究[J].科技風,2020(4):93.

[3] 趙艷啟.基于ZigBee技術的機場環境多參數監測系統設計[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測系統設計[J].數字技術與應用,2018,36(09):174-175+177.

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