数据中心智慧能耗和谐波监测节点设计

中国移动通信集团福建有限公司宁德分公司 姜鸿羽

根据数据中心对能耗监测的需求，践行节能低碳理念，设计了基于MSP430单片机的能耗与谐波监测节点。该节点由电力参数监测模块和ZigBee网络模块组成，前者实现信号的检测，后者完成信号的无线传输，二者共同构成一个完整的监测节点，对数据中心用电设备所产生的能耗进行监测，完成电流、电压测量和异常报警。针对电能质量监测与管理平台中十分重要的谐波问题，数据分析模块进行了谐波检测、谐波能耗的计算。监测结果可以为数据中心降低功耗、提高用电效率提供参数依据。

1 能耗和谐波监测需求分析

信息时代的到来，大数据中心的建设越来越多，对电能可靠性和电能质量提出更高要求，同时能耗也日益提高。而推动节能低碳是践行绿色发展理念、建设资源节约型和环境友好型社会的重要体现，是实现碳达峰、碳中和目标。所以对用电设备电能质量、功耗及谐波污染情况进行监测，进而为降低功耗、提高用电效率提供参数依据。大型数据中心的能耗管理包括机房环境监测和能耗设备的监测，通过实时采集掌握能耗状态，从而实现能耗管理的优化[1,2]。由于谐波具有不确定性和随机性，要针对谐波这些特性研究出能够对谐波实时追踪和特性识别的方法，目前，在电力系统中稳态谐波检测中大多采用FFT及其改进算法。

针对上述存在的问题，基于ZigBee设计了数据中心智慧能耗和谐波监测节点。对用电设备所产生的能耗进行监测，实现电流、电压测量和异常报警，针对电能质量监测与管理平台中十分重要的谐波问题，进行了谐波检测、谐波能耗的计算，进而为降低功耗、提高用电效率提供参数依据。

2 监测节点系统架构设计

数据中心包含大量能耗设备，这些设备经过长期运行可能会偏离最佳运行状态。因此需要对用电设备的功耗及谐波污染情况进行监测以便随时掌握其电能损耗和电力干扰情况，为其安全运行和节能改造工程提供参数依据。由此，设计以MSP430单片机为核心的数据中心无线功耗与谐波监测节点，数据采用ZigBee网络模块进行信号传输。基于ZigBee技术的多参数监测系统能够在短时间内实现大数据监测，确保得到完整的数据[3]，并且具有布点灵活、安装方便等特点[4]。

监测节点电路（如图1所示）主要由数据监测模块和 ZigBee网络模块组成，前者通过电压、电流互感器实现信号的检测；后者完成信号的无线传输，接收远程数据配置控制命令，同时将测量数据进行无线数据传输到控制中心。二者共同构成一个完整的监测节点，对数据中心用电设备所产生的能耗进行监测。数据监测模块将数字信息传输给单片机处理，单片机进行能耗计算和谐波电流分析，监测结果经由LCD供现场数据监控。

图1 监测节点结构图Fig.1 Monitoring node structure diagram

2.1 能耗监测模块

能耗监测模块主要采集电压、电流互感器经过隔离电路获取电流、电压信号，转换后的电信号经共模线圈的滤波后进入差模放大电路进行信号放大调理调整到后续电路能接受的范围然后进入AD采样芯片模数转换后由单片机进行能耗的计算，经过傅里叶变换运算来对谐波进行分析，具体电路如图2所示。

图2 能耗监测电路图Fig.2 Energy consumption monitoring diagram

2.2 ZigBee无线节点设计

设计采用DRF1607H CC2530 ZigBee封装芯片，内含非常丰富的片上资源，用户只需在软件中配置各种资源的控制寄存器，便可以方便地使用片上资源实现各种控制需求。ZigBee模块与单片机的电路接线（如图3所示）简单，单片机的RXD2、TXD2两根引线分别与CC2530的TX、RX连接。该芯片使用TI公司Z-Stack 2007 ZigBee通信协议，具有ZigBee的全部功能，可建立起数据透明传输。

图3 ZigBee模块与单片机电路接线图Fig.3 Wiring diagram between ZigBee and MCU

3 系统软件设计

3.1 ZigBee节点

ZigBee节点具有无线接受和发送能力，应用程序只需配置好协议栈注册应用端口，添加操作系统任务，准备好协议栈数据，就可以通过协议栈发送数据，接收方通过消息处理函数接收来自发送方的数据。系统上位机软件采用C#编写，主要实现对电数据参数的实时监测、处理，显示数据中心系统能耗状态的实时信息。监测节点主程序流程详见图4。

图4 监测节点主程序流程图Fig.4 Main program flow chart of monitor node

DRF1607H CC2530 ZigBee封装芯片协调器（Coordinator）从串口收到的数据发送给所在无线局域网内所有的路由(Router)节点。这样协调器节点和路由节点之间就建立起了一条一对多的数据透明传输通道。设计选用Mesh网络，能够减少消息时延，增强通信的可靠性。

3.2 谐波分析

电流互感器将大信号转化为小信号传输进单片机中，单片机每38us采集三个周期的电压波形，将其转化成AD信号共有768个点，然后对这些谐波数据进行分析，先分析其最大值的大小，其值的大小是在0-4096当中；接这对其位置进行分析，一个周期为256个点，所以最大值的位置是在0-768之间。

FFT算法由法国数学家傅立叶(M．Fourier)提出，一切的波形都是基波和谐波组成的。因为半波对称的特性，则偶次谐波相互抵消。因为半波对称波形中不含直流分量和偶次谐波分量，所以在编程的时候，将前N/2点数据赋值0，而后面N/2点就为奇次谐波分量[5]。运用FFT计算所测电压波的基波和奇次谐波系数。DFT变换的表达式如式(1)所示。

其中X(k)为经过FFT变换后的数据，X(n)为模拟量，实际上X(n)为数字量，所以虚部为0可以将它根据欧拉公式展开如式(2)所示。

这个公式变换后的数据就是将初始信号进行三角函数运算，包括一次求和与一次相加累次运算至n-1项，k代表和频率为多少的正弦相关，而n和N则是在一个正弦周期内采样的点数。

最后如式(3)所示将其谐波系数算出显示。

4 硬件及测试结果分析

实验将在线监测节点依次接入ZigBee无线传感器网络，测试选择透传模式，两个节点之间的传输距离在60～100m，且可根据覆盖面积增加协调器的数量，实现对监测区域的全面覆盖。监测节点可实现对设备能耗以及温度的准确测量和可靠性传输；FFT谐波算法合理、软件功能完善。

5 结语

本文介绍了一种基于ZigBee技术的数据中心能耗和谐波智慧监测方案，监测节点以MSP430F5418为核心控制器，实时采集监测点电压、电流、温度等参数，并通过能耗计量和谐波分析模块进行数据分析、显示和提醒等功能；组建无线传感器网络实现数据的无线传输，运行成本较低，且运行可靠，在控制中心即可实时了解到用电设备的工作状态和能耗，可广泛应用于能源能耗监测领域。

引用

[1] 李康,李欣,张子凡,等.基于电力物联网建设的数据中心能耗管理研究[J].上海电力大学学报,2021,37(3):241-246+283.

[2] 王坚.大型数据中心能耗监测系统应用研究[J].科技风,2020(4):93.

[3] 赵艳启.基于ZigBee技术的机场环境多参数监测系统设计[J].电子设计工程,2020,28(15):61-64+69.

[4] 崔凤新.基于ZigBee的电力多变量无线监测系统设计[J].数字技术与应用,2018,36(09):174-175+177.

[5] 汤天浩,郑慧.一类半波对称FFT改进算法与电网谐波分析[J].电源学报,2011(2):80-85.