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

瀏覽次數(shù):581更新時間:2023-10-19

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

   信息時代的到來,大數(shù)據(jù)中心的能耗管理包括機房環(huán)境監(jiān)測和能耗設備的監(jiān)測,通過實時采集掌握能耗狀態(tài),從而實現(xiàn)能耗管理的優(yōu)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?qū)χC波實時追蹤和特性識別的方法,目前,在電力系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)諧波檢測中大多采用FFT及其改進算法。

   針對上述存在的問題,基于ZigBee設計了數(shù)據(jù)中心智慧能耗和諧波監(jiān)測節(jié)點。對用電設備所產(chǎn)生的能耗進行監(jiān)測,實現(xiàn)電流、電壓測量和異常報警,針對電能質(zhì)量監(jiān)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(shù)依據(jù)。

2監(jiān)測節(jié)點系統(tǒng)架構(gòu)設計

   數(shù)據(jù)中心無線功耗與諧波監(jiān)測節(jié)點,數(shù)據(jù)采用ZigBee網(wǎng)絡模塊進行信號傳輸?;赯igBee技術的多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)能夠在短時間內(nèi)實現(xiàn)大數(shù)據(jù)監(jiān)測,確保得到完整的數(shù)據(jù),并且具有布點靈活、安裝方便等特點。

   監(jiān)測節(jié)點電路(如圖1所示)主要由數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊和ZigBee網(wǎng)絡模塊組成,前者通過電壓、電流互感器實現(xiàn)信號的檢測;后者完成信號的無線傳輸,接收遠程數(shù)據(jù)配置控制命令,同時將測量數(shù)據(jù)進行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行挠秒娫O備所產(chǎn)生的能耗進行監(jiān)測。數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊將數(shù)字信息傳輸給單片機處理,單片機進行能耗計算和諧波電流分析,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,轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)共模線圈的濾波后進入差模放大電路進行信號放大調(diào)*調(diào)整到后續(xù)電路能接受的范圍然后進入AD采樣芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換后由單片機進行能耗的計算,經(jīng)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(jiān)測電路圖

2.2ZigBee無線節(jié)點設計

  設計采用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現(xiàn)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(xié)議,具有ZigBee的全部功能,可建立起數(shù)據(jù)透明傳輸。

圖3ZigBee模塊與單片機電路接線圖

3系統(tǒng)軟件設計

3.1ZigBee節(jié)點

   ZigBee節(jié)點具有無線接受和發(fā)送能力,應用程序只需配置好協(xié)議棧注冊應用端口,添加操作系統(tǒng)任務,準備好協(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)上位機軟件采用C#編寫,主要實現(xiàn)對電數(shù)據(jù)參數(shù)的實時監(jiān)測、處理,顯示數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)能耗狀態(tài)的實時信息。監(jiān)測節(jié)點主程序流程詳見圖4

圖4監(jiān)測節(jié)點主程序流程圖

  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。這樣協(xié)調(diào)器節(jié)點和路由節(jié)點之間就建立起了一條一對多的數(shù)據(jù)透明傳輸通道。設計選用Mesh網(wǎng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化成AD信號共有768個點,然后對這些諧波數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)。DFT變換的表達式如式(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。

這個公式變換后的數(shù)據(jù)就是將初始信號進行三角函數(shù)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(nèi)采樣的點數(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

   實驗將在線監(jiān)測節(jié)點依次接入ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡,測試選擇透傳模式,兩個節(jié)點之間的傳輸距離在60~100m,且可根據(jù)覆蓋面積增加協(xié)調(diào)器的數(shù)量,實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的-*面覆蓋。監(jiān)測節(jié)點可實現(xiàn)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(tǒng)計分析(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),對建筑各類耗能設備能耗數(shù)據(jù)進行實時測量,對采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。能夠合理的確定各區(qū)域建筑能耗經(jīng)濟指標及績效考核指標,發(fā)現(xiàn)能源使用規(guī)律和能源浪費情況,提高人員主動節(jié)能的意識。

①搭建數(shù)據(jù)中心智慧能源管理系統(tǒng)的基本框架,對各個用能環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)測;

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

③區(qū)域能效比:實現(xiàn)建筑單位內(nèi)區(qū)域能耗對比,方便能耗考核;

④同期能效比:實現(xiàn)同年、同期、同一區(qū)域能耗對比,方便節(jié)能數(shù)據(jù)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(qū)能耗對比,實現(xiàn)能耗排名,增強工作人員的節(jié)能意識;

⑦對能耗的使用數(shù)據(jù)進行綜合的分析、統(tǒng)計、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表的打印。為能耗運營管理部門提供可靠的依據(jù);

⑧能耗數(shù)據(jù)采集,隨時查詢,并根據(jù)采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,監(jiān)測異常能源用量,對能源智能儀表故障進行報警,提高系統(tǒng)信息化、自動化水平。

5.2平臺部署硬件選型

 

作者介紹

未曉妃,安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向為微電網(wǎng)能效管理和環(huán)保安全用電。

 

 

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