信息時代的到來,，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，要針對諧波這些特性研究出能夠?qū)χC波實(shí)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(jìn)算法。

針對上述存在的問題,，基于ZigBee設(shè)計了數(shù)據(jù)中心智慧能耗和諧波監(jiān)測節(jié)點(diǎn),。對用電設(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(jìn)行了諧波檢測,、諧波能耗的計算，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

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)行信號傳輸,?；赯igBee技術(shù)的多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)能夠在短時間內(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)信號的檢測,；后者完成信號的無線傳輸，接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)配置控制命令,，同時將測量數(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,，轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)共模線圈的濾波后進(jìn)入差模放大電路進(jìn)行信號放大調(diào)理調(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)行能耗的計算，經(jīng)過傅里葉變換運(yùn)算來對諧波進(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

設(shè)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(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

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)對電數(shù)據(jù)參數(shù)的實(shí)時監(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多的數(shù)據(jù)透明傳輸通道,。設(shè)計選用Mesh網(wǎng)絡(luò),，能夠減少消息時延，增強(qiáng)通信的可靠性。

3.2諧波分析

電流互感器將大信號轉(zhuǎn)化為小信號傳輸進(jìn)單片機(jī)中,，單片機(jī)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(diǎn)，然后對這些諧波數(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；接這對其位置進(jìn)行分析,，一個周期為256個點(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▽ΨQ的特性，則偶次諧波相互抵消,。因?yàn)榘氩▽ΨQ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(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,。

這個公式變換后的數(shù)據(jù)就是將初始信號進(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,，k代表和頻率為多少的正弦相關(guān),，而n和N則是在一個正弦周期內(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)對監(jiān)測區(qū)域的全面覆蓋。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對設(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)計分析（能源管理）解決方案

5.1概述

建立高效的能耗監(jiān)測管理系統(tǒng),，對建筑各類耗能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時測量，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)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(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(jìn)行實(shí)時監(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,、能量）,，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(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：各個功能區(qū)能耗對比,，實(shí)現(xiàn)能耗排名,，增強(qiáng)工作人員的節(jié)能意識；

⑦對能耗的使用數(shù)據(jù)進(jìn)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(yùn)營管理部門提供可靠的依據(jù),；

⑧能耗數(shù)據(jù)采集，隨時查詢,，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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

應(yīng)用場景	型號	圖片	保護(hù)功能
能耗管理云平臺	AcrelCloud-5000		采用泛在物聯(lián),、云計算,、大數(shù)據(jù)、移動通訊,、智能傳感等技術(shù)手段可為用戶提供能源數(shù)據(jù)采集,、統(tǒng)計分析,、能效分析、用能預(yù)警,、設(shè)備管理等服務(wù),，平臺可以廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。
智能網(wǎng)關(guān)	Anet系列網(wǎng)管		采用嵌入式硬件計算機(jī)平臺,，具有多個下行通信接口及一個或者多個上行網(wǎng)絡(luò)接口,，作為信息采集系統(tǒng)中采集終端與平臺系統(tǒng)間的橋梁，能夠根據(jù)不同的采集規(guī)約進(jìn)行水表,、氣表,、電表、微機(jī)保護(hù)等設(shè)備終端的數(shù)據(jù)采集匯總,，并使用相應(yīng)的規(guī)約轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)給平臺系統(tǒng),。
高壓重要回路或低壓進(jìn)線柜	APM810		具有全電量測量，電能統(tǒng)計,，電能質(zhì)量分析及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能,，主要用于對電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監(jiān)控診斷及電能管理。該系列儀表采用了模塊化設(shè)計,，當(dāng)客戶需要增加開關(guān)量輸入輸出,，模擬量輸入輸出，SD卡記錄,，以太網(wǎng)通訊時,，只需在背部插入對應(yīng)模塊即可。
高壓重要回路或低壓進(jìn)線柜	APM520		三相全電量測量,，2-63次諧波,，不平衡度，*大需量,，支持付費(fèi)率,，越限報警，SOE,4-20mA輸出,。
低壓聯(lián)絡(luò)柜,、出線柜	AEM96		三相多功能電能表，均集成三相電力參數(shù)測量及電能計量及考核管理,，提供上24時,、上31日以及上12月的電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計。具有63次分次諧波與總諧波含量檢測,，帶有開關(guān)量輸入和繼電器輸出可實(shí)現(xiàn)“遙信"和“遙控"功能,，并具備報警輸出，可廣泛應(yīng)用于多種控制系統(tǒng),，SCADA系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)中,。
動力柜	ACR120EL		測量所有的常用電力參數(shù),，如三相電流、電壓,，有功、無功功率,，電度,，諧波等，并具備完善的通信聯(lián)網(wǎng)功能,，非常適合于實(shí)時電力監(jiān)控系統(tǒng),。
	DTSD1352		DIN35mm導(dǎo)軌式安裝結(jié)構(gòu)，體積小巧,，能測量電能及其他電參量,，可進(jìn)行時鐘、費(fèi)率時段等參數(shù)設(shè)置,，精度高,、可靠性好、性能指標(biāo)符合國標(biāo)GB/T17215-2002,、GB/T17883-1999和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T614-2007對電能表的各項技術(shù)要求,，并且具有電能脈沖輸出功能；可用RS485通訊接口與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,。
	AEW100		三相全電量測量,，剩余電流、2-63次諧波,，支持付費(fèi)率,，量值、電纜溫度,，可選2G/4G通訊,。