一种用于数据中心列头柜的模块化监测监控装置和方法与流程

本发明涉及电力系统精密配电综合监控领域，尤其是涉及一种用于数据中心列头柜的模块化监测监控装置和方法，用于监测列头柜中进出线回路各项电参量情况。

背景技术：

列头柜在当前的电能供应及控制中有着极为广泛的应用，使用量巨大，而且不同的场合有不同的需求，但在实际的使用中，往往存在线缆较多，电能损耗较大，故障率高，设备和线路维护检修困难，容量和出路线数已固定，无法满足新增机柜和容量的需求，频率测量误差大，调整不平衡率费时费力等问题，而且对列头柜运行状态及运行环境监控能力相对较差，仅通过传统的温度传感器等设备进行监控，监控数据采集局限性较大，不能根据实际使用的需要对内部及外部特定位置进行监控。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足之处，提供一种用于数据中心列头柜的模块化监测监控装置和方法，将用于列头柜的监测监控装置进行了模块化的定义和划分，在较多主路以及支路的情况下能够搭配组合使用，便于组装和模块化管理，满足复杂工况的需求。

本发明的技术方案是：

1.一种用于数据中心列头柜的模块化监测监控装置，其特征在于，包括主路精密配电综合监控模块，支路精密配电综合监控模块，支路互感器模组，支路监控状态显示模块，以及人机交互智能显示模块；所述支路精密配电综合监控模块分别连接支路互感器模组和支路监控状态显示模块，所述主路精密配电综合监控模块和支路精密配电综合监控模块均与人机交互智能显示模块相连接；所述主路精密配电综合监控模块用于监测主进回路的电力运行参数，所述支路精密配电综合监控模块与支路互感器模组和支路监控状态显示模块配套使用完成多路支路出线的电力运行参数的监测，所述人机交互智能显示模块是用于监测参数集中显示的人机界面。

2.所述主路精密配电综合监控模块包括分别与主路cpu芯片连接的电压采集单元、电流采集单元、温度采集单元、漏电采集单元、开出控制单元、开入控制单元、通讯与存储单元以及电源系统；用于监测主路主进电压并计算其不平衡率、主进电流并计算其不平衡率以及漏电、温度、开入信号、开出信号、计算主进回路的有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、需量等电参数的监测；统计主进回路的电量，监测主进回路的2—31次谐波值和总谐波失真thd。

3.所述支路精密配电综合监控模块包括分别与支路cpu芯片连接的电压采集单元、电流采集单元、开入检测单元、开入状态led显示控制单元、复位及存储单元、通讯单元以及电源系统；用于支路出线电压监测并计算其不平衡率、支路出线电流监测、支路出线电流的2—31次谐波监测和thd；支路出线的有功功率、无功功率、视在功率以及功率因数的监测、支路出线的电量计算；且负载调相时能进行自适应调整。

4.所述支路互感器模组和支路监控状态显示模块分别通过db25线与支路精密配电综合监控模块的db25接口1和db25接口2连接；所述支路互感器模组包括多个电流互感器，用于将需要监测的支路分别穿过各个电流互感器，所述支路监控状态显示模块具有显示相应各个支路状态的led指示灯，由支路精密配电综合监控模块根据监测的各路开入状态控制其是否显示。

5.所述支路精密配电综合监控模块包括更换相序接线相位判断单元，用于当abc三相交流电中某相负载过重导致的不平衡时，可在柜体出线端直接更换相序接线，智能判断相序并计算相应的电参量。

6.所述主路精密配电综合监控模块包括过零检测和局部线性化处理单元，用以提高交流电频率的测量精度。

7.所述主路精密配电综合监控模块和支路精密配电综合监控模块通过rs-485接口与人机交互智能显示模块相连接；所述rs-485接口上具有并联电阻以进行信号匹配。

8.所述人机交互智能显示模块包括分别与显示cpu芯片连接的屏幕控制单元、存储单元、通信单元以及电源系统；用于实时显示主路以及支路采集到的各项数据。

9.采用上述装置，通过支路精密配电综合监控模块判断更换相序接线的相位并计算相应的电参量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采集abc三相以及工作零线参考输入端的电压信号并计算其幅值和相位角；

2)当某相位开入信号接入时，采集开入端电压信号并计算相应的幅值和相位角；

3)用计算得到的开入端相位角与参考输入端的abc三相的相位角做比较，判断出采集到的开入端相位角属于abc三相中的哪一相位；

4)同时采集当某相位开入信号接入时的电流信号，计算电流的幅值和相位角，并将采集到的电流信号转换成电压信号，根据不同开入端的电压幅值和相位角以及相对应的电流幅值和相位角，进一步计算功率等其他电参量。

10.采用上述装置，通过主路精密配电综合监控模块进行过零检测和局部线性化处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)数据采集：首先采集过零点参考电压ur，再采集abc三相中的任意一相电压值，第一次采集值记为u1；第二次采集值记为u2；

(2)过零点判断：当(u2-ur)*(u1-ur)<0或者(u2-ur)*(u1-ur)＝0，表明有过零点；记录电压过零次数及经历的时间t；当(u2-ur)*(u1-ur)>0，则将u2的值赋值给u1，继续采集新的电压值u2，进行过零点判断；

(3)穿越电压检测：将预设的最大穿越电压记为up，最小穿越电压记为un，当(u2-up)*(u1-up)<0或者(u2-up)*(u1-up)＝0，表明有电压先穿越最大穿越电压up；记录电压穿越次数及经历的时间t；当(u2-up)*(u1-up)>0，则将u2的值赋值给u1，继续采集新的电压值u2，进行穿越电压检测；

当(u2-un)*(u1-un)<0或者(u2-un)*(u1-un)＝0，表明有电压先穿越最小穿越电压记为un，记录电压穿越次数及经历的时间t；当(u2-un)*(u1-un)>0，则将u2的值赋值给u1，继续采集新的电压值u2，进行穿越电压检测；

(4)局部线性化：当电压过零点时，对过零前后两个点之间进行线性化处理，对采样间隔时间进行补偿，补偿值tb＝tc*(u2-ur)/(u2-u1)，其中，tc为采样间隔时间，u2为第二次采集到的数据，u1为第一次采集到的数据，ur为参考零点对应的数字量；周期采样结束同样可得tb1，计算方式与tb相同；则周期t1＝t+tb-tb1，频率f＝1/t1。

本发明的技术效果：

本发明提供一种用于数据中心列头柜的模块化监测监控装置和方法，能监测列头柜多路进出线电参量的运行状况以及温度和漏电等数据，能根据负载情况调整列头柜内部接线相序从而调整不平衡率，数据测量精度高，在较多主路以及支路的情况下能够搭配使用，便于组装和模块化管理，满足复杂工况的需求。

为解决传统列头柜不方便维护以及不便于后期扩展的问题，本发明将用于列头柜的监测监控装置按照结构以及功能进行了模块化的定义和划分，包括主路精密配电综合监控模块，支路精密配电综合监控模块，支路互感器模组，支路监控状态显示模块，以及人机交互智能显示模块五个模块，主路精密配电综合监控模块可监测1路主进回路的电力运行参数，支路精密配电综合监控模块最多可监测21路支路的电力运行参数，在较多主路以及支路的情况下，能方便组合使用以及现场的组装维护和后续的更新换代。

为解决现场abc三相中由于某相负载过重导致的不平衡问题，本发明在硬件设计和软件实现上进行了改进，可以在列头柜内部自适应换相，主路精密配电综合监控模块包括更换相序接线相位判断单元，能智能判断相序并计算相应的电参量，省去了调整负载端接线这些繁重的工作。

在支路精密配电综合监控模块中，为准确测量交流电的频率，提高测量频率的精度，在数据处理上采取了过零点检测和局部线性化处理相结合的方法，在不需要大量采样点的情况下提高了采集数据的精度。

附图说明

图1是本发明的模块化监控监测装置互联示意图。

图2是本发明的主路精密配电综合监控模块结构示意图。

图3是本发明的支路精密配电综合监控模块结构示意图。

图4是本发明的人机交互智能显示模块结构示意图。

图5是更换相序接线相位判断流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步说明。

如图1所示，是本发明的模块化监控监测装置互联示意图。一种用于数据中心列头柜的模块化监测监控装置，包括主路精密配电综合监控模块ove360b，支路精密配电综合监控模块ove360m，支路互感器模组ove360ct，支路监控状态显示模块ove360led，以及人机交互智能显示模块ove-hmi；支路精密配电综合监控模块ove360m分别连接支路互感器模组ove360ct和支路监控状态显示模块ove360led，主路精密配电综合监控模块ove360b和支路精密配电综合监控模块ove360m均与人机交互智能显示模块ove-hmi相连接；主路精密配电综合监控模块用于监测主进回路的电力运行参数，支路精密配电综合监控模块与支路互感器模组和支路监控状态显示模块配套使用完成多路支路出线的电力运行参数的监测，人机交互智能显示模块是用于监测参数集中显示的人机界面。

如图2所示，是本发明的主路精密配电综合监控模块结构示意图。主路精密配电综合监控模块包括分别与主路cpu芯片连接的电压采集单元、电流采集单元、温度采集单元、漏电采集单元、开出控制单元、开入控制单元、通讯与存储单元以及电源系统；t1—t4为温度监测接线端；l1—l4为漏电监测接线端；g、a、b为485通讯接线端；scom、di1—di4为开入接线端，其中scom为开入的公共接线端；“-”、“+”分别为24v电源的负极和正极的接线端；r1—r4为继电器开出接线端；u0+、u0-、ua、ub、uc、un为电压接线端,其中u0+为工作零线n线接线端，u0-为地线pe接线输入端，un为工作零线n线接线端；ia、ib、ic、i0为电流的接线端，其中i0为零序电流。(此为示意图，实际顺序是：ia+、ia-、ib+、ib-、ic+、ic-、i0+、i0-)。

因此，ove360b主路精密配电综合监控模块可独立完成主路的电参量监测任务，一台ove360b可同时监测1路主进(三相)的多个运行参数，同时带有开关量输入输出、温度、漏电等辅助性监测功能。其包括以下功能：(1)监测1路主进电压(ua、ub、uc、u0)并计算其不平衡率；(2)监测1路主进电流(ia、ib、ic、i0)并计算其不平衡率；(3)可采集4路温度、4路漏电/4路温度；(4)具有4路开入信号，可监测断路器开关的开合状态；(5)具有4路开出信号，可远程控制开关分断；(6)可计算1路主进回路的有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、需量等；(7)可统计1路主进回路的电量，并可月计量；(8)可监测1路主进回路的2—31次谐波值和thd；(9)具备rtc对时功能。在列头柜中较多主路的情况下，每个主路采用一个模块，便于模块化管理，具有更好的灵活性。

如图3所示，是本发明的支路精密配电综合监控模块结构示意图。支路精密配电综合监控模块包括分别与支路cpu芯片连接的电压采集单元、电流采集单元、开入检测单元、开入状态led显示控制单元、复位及存储单元、通讯单元以及电源系统；un、uc、ub、ua为电压接线端；di1—di21为21路开入接线端，可同时接入21路支路出线；“-”、“+”分别为24v电源的负极和正极的接线端；g、a、b为485通讯接线端；db25接口1为互感器模组ove360ct的接线端；db25接口2为支路监控状态显示模块ove360led的接线端。本实施例互感器模组ove360ct包括21个电流互感器，可同时穿入21路支路出线，默认情况下每路额定电流为50a；ove360led为ove360m精密配电综合监控装置配套的开入状态显示板，当某通道闭合时，对应的指示灯亮起。此外，该板上的按键具有调整主板地址的功能。

因此，ove360m支路精密配电综合监控模块与互感器模组ove360ct和支路监控状态显示模块ove360led配套使用，可独立完成支路的电参量监测任务。一台ove360m可同时监测21路支路出线(单相)的运行参数，其包括以下功能：(1)电压监测功能(ua、ub、uc)并计算其不平衡率；(2)21路支路出线(单相)的电流监测；(3)21路支路出线(单相)电流的2—31次谐波监测和thd；(4)21路支路出线(单相)的有功功率、无功功率、视在功率以及功率因数的监测，且负载调相时能进行自适应调整；(5)21路支路出线(单相)的电量，并可月计量；(6)具备rtc对时功能；(7)支路电流归零(延时超过2秒)等故障的告警功能。在列头柜中采用此模块，在较多支路的情况下使用方便，配置灵活。

如图4所示，是本发明的人机交互智能显示模块结构示意图。人机交互智能显示模块ove-hmi包括分别与显示cpu芯片连接的屏幕控制单元、存储单元、通信单元以及电源系统；ove-hmi模块是用于配电柜监测参数集中显示的人机界面。采用电阻式触摸屏，可实时显示主路以及支路采集到的各项数据，对异常数据进行记录并进行报警，方便维护和检修。

此外，主路精密配电综合监控模块和支路精密配电综合监控模块通过rs-485接口与人机交互智能显示模块相连接。为了防止信号反射，在rs-485网络末端并联上一个大约120欧姆的电阻以进行信号匹配。软件实现上，485通信采用标准modbus数据格式，数据帧中包含地址信息、功能码、信息域以及校验码；功能码支持03h和10h指令读写寄存器；通信遵循主-从通信方式，数据采用1个起始位，8个数据位、1个停止位、无校验位格式，校验码采用crc-16格式，通信帧之间的间隔必须大于30毫秒。

在支路精密配电综合监控模块ove360m中，包括更换相序接线相位判断单元，用于当abc三相交流电中某相负载过重导致的不平衡时，可在柜体出线端直接更换相序接线，智能判断相序并计算相应的电参量。为解决现场abc三相中某相负载过重导致的不平衡问题，可在柜体出线端直接更换相序接线，软件能智能判断相序并计算相应的电参量。更换相序接线相位判断流程图如图5所示。采用上述支路精密配电综合监控模块判断更换相序接线的相位并计算相应的电参量的方法，包括以下步骤：

1)采集abc三相以及工作零线参考输入端电压信号并计算其幅值和相位角；首先在硬件设计上引入abc三相以及工作零线的参考输入端；在参考输入端将三相电压降压经运放将电压控制到ad采集范围内并采集其幅值和相位角；

2)当某相位开入信号接入时，经过分压降压以及运放将电压控制到ad采集范围内，并采集计算相应的幅值和相角；

3)用计算得到的开入端相位角与参考输入端的abc三相的相位角做比较，判断出采集到的开入端相位角属于abc三相中的哪一相位；

4)同时采集当某相位开入信号接入时的电流信号，计算电流的幅值和相位角，并将采集到的电流信号转换成电压信号并经运放控制到ad采集范围内，根据不同开入端的电压幅值和相位角以及相对应的电流幅值和相位角，可进一步计算功率等其他电参量。

在主路精密配电综合监控模块在ove360b中，包括过零检测和局部线性化处理单元，用以提高交流电频率的测量精度。为准确测量交流电的频率，在程序中采用了过零检测以及线性补偿算法。为解决单片机无法采集负值的问题，硬件上对参考电平进行了抬升，将零点参考电平抬升到ad部分供电电压的1/2，从而使得整个周期的值都能得到采集。采用上述主路精密配电综合监控模块进行过零检测和局部线性化处理的方法，包括以下步骤：

(1)数据采集：首先对第一次采集到的abc三相中的任意一相电压值做保存，记为u1；第二次采集到的电压值记为u2；过零点参考电压对应的数字值记为ur；电压穿越零点次数记为flag，初始值为0。

(2)过零点判断：

当(u2-ur)*(u1-ur)<0或者(u2-ur)*(u1-ur)＝0，表明有过零点，当flag＝0,表明新的周期开始，打开定时器开始计时；当flag＝1,表明周期内二次穿越零点，定时器继续计时，并将flag设置为2；当flag＝3，表明一个周期的采集结束，关闭定时器，计算从打开到关闭经历的时间t，并将flag置零；当flag为其他值，flag置零并重新打开定时器计时。

当(u2-ur)*(u1-ur)>0，则将u2的值赋值给u1，继续采集新的电压值u2。

(3)穿越电压检测：将预设的最大穿越电压100v记为up，最小穿越电压-100v记为un，为保证交流电压不小于100v，对100v和-100v电压进行穿越检测。

当(u2-up)*(u1-up)<0或者(u2-up)*(u1-up)＝0，表明有电压穿越100v。当flag＝0,表明周期内先穿越100v后穿越-100v，将flag赋值为1，定时器继续计时；当flag＝1或者flag＝3,定时器继续计时；当flag＝2，表明周期内先穿越-100v后穿越100v，将flag置为3，定时器继续计时。

当(u2-up)*(u1-up)>0，则将u2的值赋值给u1，继续采集新的电压值u2。

当(u2-un)*(u1-un)<0或者(u2-un)*(u1-un)＝0，表明有数值穿越-100v电压，当flag＝0，表明周期内电压先穿越-100v电压后穿越100v，将flag赋值为1，定时器继续计时；当flag＝1或者flag＝3，定时器继续计时；当flag＝2，表明周期内电压先穿越100v再穿越-100v，将flag置为3，定时器继续计时。

当(u2-un)*(u1-un)>0，则将u2的值赋值给u1，继续采集新的电压值u2。

(4)局部线性化：由于在过参考零点的时候，当已经穿越零轴的时候才打开定时器，若一个周期内采集的点数不是太多，由于打开或关闭定时器的时候已经穿越零点，会存在计时上的误差。为进一步提高精度，当穿越参考零点的时候，若需要打开或者关闭定时器，在穿越零轴的两个点之间进行线性化处理，对定时器得到的数值进行补偿，补偿值tb＝tc*(u2-ur)/(u2-u1)，其中，tc为采样间隔时间，u2为第二次采集到的数据，u1为第一次采集到的数据，ur为参考零点对应的数字量。周期采样结束同样可得tb1，计算方式与tb相同。则周期t1＝t+tb-tb1，频率f＝1/t1。

以上实施案例中，仅是本发明的一种举例，对于本技术领域的人员来说，在具体实施方式及应用范围上仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明专利的保护范围当中。