数据中心电源管理系统方案设计

姚 波

（安科瑞电气股份有限公司，上海 201801）

1 引言

据调查，我国服务器保有量约为366万台，服务器耗电总量约132亿 kW·h，数据中心总耗电量约364亿 kW·h，约占当年全国电力总消耗量的 1%。随着云计算等新概念、新技术的迅速发展，在给IT产业和用户带来革命性改变的同时，也使数据中心基础设施建设与运维面临着更多的挑战。降低能耗、节约成本，成为建设绿色数据中心的核心目标。2011年，在国家发改委、工信部和财政部联合开展的云计算示范工程中，明确要求数据中心的PUE小于1.5。

根据《数据中心能耗检测标准及实施细则》中对 PUE的定义为数据中心总耗能与 IT设备耗能的比值，它是衡量数据中心基础设施

能效的综合指标：数据中心能耗由以下部分组成，如图1所示。

图1 数据中心能耗结构图Fig.1 Data center energy consumption structure diagram

图中可以看出，PIT为列头柜输出能耗，因此，为了检测PIT，需要对列头柜的输出回路进行检测，这样才能得到一个准确的PIT值，用于评估数据中心的PUE值。

ADPF电源配电柜针对数据中心机房电源监控要求，综合采集所有电量数据，通过显示单元实时反映电能质量数据，实现对整个配电系统的实施监控和运行质量的有效管理。帮助用户加强数据中心能耗管理，提高服务器机架运行效率，为实现全方位绿色IDC提供可靠保障。电源柜上配置LCD触摸屏，内置电源管理系统，该系统能实现以下功能：

1)一次系统图（图2）直观显示电源柜内部的系统配置；

2)进线监测（图3）。三相电压、三相电流、系统频率；各相及总的有功功率、无功功率、视在功率、功率因数；各相及总的有功电能、无功电能；电压不平衡度、电流不平衡度；进线开关状态检测；电流、电压谐波分量。

3)出线监测（图4）。额定电流设置、各分路电流值；负载百分比；分路开关状态监测；分路有功功率、无功功率、视在功率、功率因数；分路有功电能、无功电能。

4)告警功能（图5）。实时显示当前故障告警状态；进线过电流2段阀值越限告警；进线欠电流2段阀值越限告警；进线过压、欠压、缺相、过频率、欠频率越限告警；分路跳闸告警；声光告警。

5)事件记录（图6）。各种电参量越限报警记录；开关动作事件记录。

图2 一次图Fig.2 Interface

图3 进线参数Fig.3 Into line parameters

图4 出线参数

图6 报警记录Fig.6 Alarm record

需要实现以上系统功能，电源柜内必须配置相应的电参数采集装置，针对数据中心精密电源配电柜使用需求，AMC16M系列多回路检测装置适用于单路输入、单段输出、单点检测；双路输入、单段输出、单点检测；双路输入、单段输出、双点检测的系统电源输入方式。该装置能够精确地测量配电系统各项参数，包括三相进线的母线电压、频率和2路三相进线的电流、分相和总有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能。以及精确测量 36个出线（单相）支路的电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能、支路的通断状态等电参量，通过通讯端口，将数据实时传输给 ADPF电源柜上所配置的LCD触摸屏，由触摸屏对相关数据进行处理。

2 设计思路

要实现采用单个装置就能够集成测量相当于 14个三相多功能电力仪表的功能，考虑到硬件的成本和软件实现的难易程度，我们选择采用多个电子开关+单芯片（内部带有ADC的CPU）的设计方法。

3 整体硬件系统设计

考虑到装置所使用的场合为数据中心精密电源配电柜，并需要实现对 2路三相进线和 36个出线的各种电参量的测量，而进线回路由于电流一般都比较大，能够达到几百A，出线回路电流都比较小，一般都在63 A以下，因此装置的进线部分电流采用5 A电流输入，内置小型5 A电流互感器，出线部分采用20 mA电流输入，外置100 A/20 mA互感器。装置由于安装于机柜内部，因此装置本身不带有显示，需要显示则采用触摸屏方式，通过RS485通讯连接，将数据传输给触摸屏进行显示。整体硬件系统如图1所示。主要分为信号处理部分、电源部分、通讯部分、设置部分、数据存储部分及CPU部分。

图7 硬件系统图Fig.7 Diagram of hardware system

所有电流信号总共有42个，本设计中将其分为7组，每组6个电流信号，每组电流信号通过一个电子开关CD4051进行选择，见图8，电子开关由CPU控制进行分时导通，在同一时间内有7个电流信号流入CPU的ADC进行AD转换。

结合本设计的硬件方式及软件处理方式，本设计中的CPU采用ST公司的基于ARM最新的、进行架构 Cortex-M3内核的 32位处理器STM32F103VBT6，时钟频率最高可达72 MHz，内置128 k的Flash、20 k的RAM、12位AD、4个16位定时器、3路USART通讯口等多种资源，具有极高的性价比，能够满足本设计的应用。

图8 信号采集电路Fig.8 Signal acquisition circuit

4 软件设计

程序设计流程如图9所示。本软件的设计重点在于信号的采样。由于采用的是多路信号通过电子开关切换的方式，在每个采样周期内，每个电流信号都要完成一次采样，因此必须要提高AD的采样速率。例：每路信号的周期为20 ms，每个周期内采集32个点，所有的电流回路分为7组，每组6个，那么也就是同一时间内，CPU会对其中的7个信号进行采样。且CPU需要切换6次才能实现所有42个电流的采样。因此CPU的AD采样频率必须在每个周期32个点的基础上提高6倍才能保证42个电流信号在一个周期内都被采集到。而且CPU在控制电子开关切换的时序上也要控制好，否则容易出现电子开关内的信号残留，导致CPU采集本通道信号时，会采集到上一个通道的信号。

图9 软件流程图Fig.9 Software flow diagram

软件的再一个重点就在于信号的运算，由于数据的运算量非常大，相当于在20 ms内要运算完成42个单相回路的电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能，并且还要随时处理各种其他事件，如通讯等。因此软件的算法和 CPU的运算速率非常重要。在本设计中CPU的时钟频率采用了72 MHz，保证了每个信号周期内的数据处理。经测试，整个测量周期所用时间为13 ms左右，完全满足在20 ms内完成所有运算任务。

5 测量精度

根据 YD/T-2011《数据设备用网络机柜技术要求和检验方法》5.6.2要求机柜配置的检测装置的测量精度为2级或更高（即误差为±2%以内）。测试按本方案设计的装置测量精度，结果如表1～表2所示。由下表数据可以看出，其测量准确度远远超出2级要求，完全符合标准的要求，是一款精度较高的多回路采集装置。本装置设计测量精度为电压、电流1%；电能1%。

表1 进线测量数据Tab.1 Into line of measurement data参数 输入实测

表2 出线测量数据Tab.2 Out line of measurement data

表2

6 结论

按以上方式进行设计的AMC16M系列多回路监控装置结合数据中心电源管理系统已经广泛应用于数据中心精密配电柜中，实现对服务器末端设备的精细化管理。按照本文思路所设计的数据中心电源管理系统方案，能够符合《数据中心能耗检测标准及实施细则》中对PIT的精密检测，及相关功能要求，是数据中心用电管理中理想的解决方案。

［1］上海安科瑞电气股份有限公司.智能电网用户端电力监控/电能管理/电气安全系统解决方案[M].2012.

［2］ST，STM32F103 数据手册[EB/OL].2008.05 http：//www.st.com/

［3］姚波，涂时亮.基于 ADE7758+MC9S08AW32方案的多回路监控单元的设计[J].电测与仪表，2007，44（4）：56-59.

［4］景沈锋、姚波、汤建军.基于STM32F103R8T6的数字式量度继电器设计与应用[J]，低压电气，2010，366（21）：46-50.

［5］徐斌，古雄文，刘岩.数据中心用电管理解决方案[J].智能建筑电气技术，2012，6（1）：101-103.

［6］YD/T-2011 数据设备用网络机柜技术要求和检验方法.邮电推 21.97 -荐0.0标02 准1[.0S0]0.0.0110.019503

［7］数据中心能耗检测规范及实施细则.行业标准[S].