CN202903904U - 一种能源使用效率检测仪及检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种能源使用效率检测仪及检测系统，涉及检测技术领域，以解决现有技术存在的能源效率检测周期长、成本高和局限性大的问题。该能源使用效率检测仪包括：采集被检测设备的能源使用数据的采集模块、配置该能源使用效率检测仪的检测参数以及显示获得的被检测设备的能源使用数据的交互模块、根据预先配置的检测参数对接收的能源使用数据进行计算的主控模块、以及存储数据和预置的多种能源使用效率计算策略对应的指令的存储模块，所述主控模块分别与交互模块、采集模块和存储模块连接。

Description

一种能源使用效率检测仪及检测系统

技术领域

本实用新型涉及检测技术领域，尤其涉及一种能源使用效率检测仪及检测系统。

背景技术

在节能减排的大趋势下，数据中心作为能耗大户，作为高新技术的依托与支撑者，自身的绿色低碳措施势在必行。现阶段，我国的数据中心整体平均能耗效率低下，每年的能耗费用基本超过IT设备的采购费用，成为运营维护费用的最大组成部分。数据中心的能源使用效率(PUE)低下，造成了巨大的资源浪费。检测数据中心的能源使用效率数据，为提上日程的节能减排和迫切实施的节能优化措施提供可靠的数据指导与支撑，成为迫切需要解决的问题。

目前，数据中心的动力环境监控系统已日益成熟，而基于动力环境监控技术而衍生出来的能耗监控手段不断进步。很多厂商为帮助客户实现节能减排战略，优化数据中心能源使用效率，降低运营维护成本，开始为客户数据中心部署能耗监测系统，而这些检测手段，都是通过部署电磁互感器或电流互感器等工程方式，再加上定制化的数据分析平台来实现的。这种方式在一定程度上能够满足客户的需求，但也有其很多的局限性。首先，在数据中心工程施工时，需要在众多待测点部署电磁互感器或电流互感器，涉及到供配电系统、综合布线系统、动力环境监控系统的设计与施工的整个过程，同时，后台的软件，需要定制开发，因此，建立能源使用效率检测系统的周期很长；并且现有的测试方法通常要监控数月甚至一年才能给出数据中心的能耗情况，测量周期也很长；其次，在工程设计与部署的过程中，由于周期长，存在很多不可控的因素，需要投入的人力成本高，而且系统的开发测试，有一定的不稳定因素，加上后续扩容的变更，存在很大的隐性成本，因此，建立能源使用效率检测系统的成本高；能源使用效率检测系统与供配电系统和综合布线系统一起施工，属于一次性工程，不便于日后扩容系统时进行检测能力扩展，局限性大。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种能源效率检测仪，以及基于该能源检测仪的检测系统，以解决现有技术存在的能源效率检测周期长、成本高和局限性大的问题，其中：一种能源使用效率检测仪，包括：采集被检测设备的能源使用数据的采集模块、配置该能源使用效率检测仪的检测参数以及显示获得的被检测设备的能源使用数据的交互模块、根据预先配置的检测参数对接收的能源使用数据进行计算的主控模块、以及存储数据和预置的多种能源使用效率计算策略对应的指令的存储模块，所述主控模块分别与交互模块、采集模块和存储模块连接。

所述主控模块为具有多个总线接口的中央处理单元及具有多个插槽的工业级主板；优选地，所述交互模块、存储模块为分别连接至所述中央处理单元的总线接口的独立功能模块；所述采集模块为连接至相应的插槽的可独立扩展的外部功能模块。

进一步地，所述采集模块包括：连接至被检测设备的输出接口的协议转换单元，用于从被检测设备的输出接口读取该待测设备的能源使用信息，并传输给主控模块；

连接于被检测设备和主控模块之间的电量测量单元，用于测量被检测设备的电量消耗数据，并传输给主控模块；

以及，环境参数测量单元，用于检测该检测仪所处环境的温度和湿度数据，并传输给主控模块。

所述协议转换单元进一步包括多个并行连接的协议转换子单元，每个协议转换子单元包括串行连接的接口连接器、协议转换器、RS485总线、RS485转RS232接口转换器、RS232总线；或者串行连接的接口连接器、协议转换器和TCP/IP协议采集器。

所述每个并行连接的协议转换子单元中的接口连接器为与该协议转换器匹配的不同类型的接口组件。

所述电量测量单元包括：电磁互感器或电流互感器或电量测量仪。

所述环境参数测量单元包括：温度传感器和/或湿度传感器，或温湿度测量仪表。

所述交互模块包括输入单元和输出单元，其中，所述输入单元包括：键盘或触控板；所述输出单元包括：显示屏。

优选地，所述能源使用效率检测仪还包括连接主控模块和数据分析平台的数据传输模块，用于将本检测仪检测获得的能源使用数据和/或计算得到的能源使用效率数据发送至数据分析平台。

本申请还公开了一种能源使用效率检测系统，包括并行连接的至少一个上述的能源使用效率检测仪。使用本实用新型的能源使用效率检测仪可以随时随地、快速地对数据中心各种设备的能源使用效率进行测量，快速地给出数据中心各设备的能源使用数据，为提高数据中心的能源使用效率和节能减排提供有效的数据依据。并且，本实用新型的能源使用效率检测仪内置常见的接口和能源使用效率计算策略指令，适应性强，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本实用新型能源使用效率检测仪一个实施例的结构框图；

图2为根据本实用新型能源使用效率检测仪一个实施例的具体结构框图；

图3为根据本实用新型能源使用效率检测仪另一实施例的实施系统示意图；

图4为根据本实用新型的能源使用效率检测系统的部署示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的主要思想在于，提供一种能源使用效率(PUE)检测仪，以下简称PUE检测仪，包括：主控模块、分别和所述主控模块连接的交互模块、采集模块、以及存储模块。所述主控模块执行预置的各种常见的协议解析指令和各种能源使用效率计算策略对应的指令，用于根据预先配置的检测参数对接收的能源使用数据进行计算，获得当前被检测设备能源使用效率数据和/或整个数据中心的能源使用效率数据；所述交互模块用于配置该检测仪的检测参数以及显示获得的被检测设备的能源使用数据；所述采集模块用于采集当前被检测设备的能源使用数据，并发送给主控模块；所述存储模块用于存储采集模块获得的能源使用数据、主控模块计算获得的能源使用效率数据和预先配置的检测参数，以及预先设置的多种常见的协议解析指令和多种能源使用效率计算策略对应的指令。所述采集模块进一步包括：协议转换单元、电量测量单元、环境参数测量单元。所述协议转换单元包括多种接口连接器和协议转换器(如：SNMP、modbus、RS232协议转换器等)，能兼容数据中心的各种耗电设备的输出接口。使用该能源使用效率检测仪可以快速、方便的获得数据中心的能源使用效率数据，且无需工程部署，成本低。

具体实施时，如图1所示，所述PUE检测仪包括：主控模块10、分别和主控模块10电连接的交互模块11、采集模块12、以及存储模块13。所述主控模块10用于根据预先配置的检测参数对能源使用数据进行计算，获得当前被检测设备实时能源使用效率数据和/或整个数据中心的能源使用效率数据。所述主控模块10可以为具有计算能力和控制其他接口模块能力的中央处理单元，该中央处理单元具有多个总线接口；也可以是具有多个插槽的工业级主板。主控模块10执行预置在存储模块13中的各种常见的协议解析指令和各种能源使用效率计算策略对应的指令，在使用过程中，通过预先配置检测参数，可以选择适应被检测数据中心的检测参数，获得更准确的检测数据。所述交互模块11通过总线接口连接至主控模块10，用于配置该检测仪的检测参数，包括：系统参数、计算参数和环境参数以及显示被检测设备的能源使用情况。所述采集模块12通过电缆连接至主控模块10的总线接口，用于根据主控模块10的控制采集能源使用数据(如电量)，并将采集到的能源使用数据传送给主控模块10，由主控模块10对采集到的能源使用数据进行解析、分析计算和存储。存储模块13用于存储预设的配置信息和采集到的设备能源使用数据、分析计算得到的能源使用情况数据等，以及各种常见的协议解析指令和各种能源使用效率计算策略对应的指令，存储模块10可以为可读写存储器，如闪存(FLASH)、同步动态随机存储器(SDRAM)等，本申请对此不作限定。存储模块13连接至主控模块10的数据总线接口，主控模块10运行预设的软件指令，采用数据库技术对存储模块13中的数据进行管理。

进一步的，如图2所示，所述交互模块11包括：输入单元111和输出单元112。所述输入单元111可以为键盘、触控板等输入设备，用于预先配置PUE检测仪的检测参数，如：系统参数、计算参数和环境参数等。其中系统参数包括：待检测的设备数量、总线接口协议等；计算参数包括选择的能源使用效率计算策略、数据中心各子系统能源使用效率计算策略等；环境参数包括检测温度或湿度的有效范围等。输出单元112包括：显示屏。其中显示屏用于显示PUE检测仪的配置界面和被检测设备的能源使用情况，以及被检测数据中心的能源使用效率。

如图2所示，所述采集模块12进一步包括：协议转换单元121、电量测量单元122和环境参数测量单元123。其中，协议转换单元121可以包括多个并行连接的协议转换子单元，每个协议转换子单元分别用于从数据中心的各提供能源使用信息输出接口的设备(如空调、UPS)读取该设备的能源使用信息，如电流、电压、功率等。每个协议转换子单元又包括串行连接的接口连接器、协议转换器、RS485总线、RS485到RS232的接口转换器、RS232总线，所述RS232转换接口的RS232输出端连接至主控模块10的总线接口。所述协议转换子单元还可以为基于协议转换器和TCP/IP协议采集器的高级协议结构，由串行连接的接口连接器、协议转换器(如SNMP简单网络管理协议)和TCP/IP协议采集器组成。所述每个并行连接的协议转换子单元中的接口连接器为与该协议转换子单元中的协议转换器匹配的不同类型的接口组件，用于从数据中心的设备输出端口读取该设备的能源使用信息，如功率、电量等，然后通过modbus标准协议，经RS485总线、RS485到RS232接口转换器、RS232总线传输至主控模块10。因为RS485总线适合较长距离的信号传输，RS232总线可以直接从主控模块10取电，无须额外的供电模块，因此，这种连接方式既简单，又保证了信号传输的稳定性。协议转换器可以连接一个或多个(一组)接口连接器，每个接口连接器是标准的接口组件，根据终端设备不同的接口类型，而采用不用类型的接口组件和协议转换器，目的都是把这种终端采集数据转换成按照统一协议传输的数据，适应性更强。

所述电量测量单元122用于从数据中心的各没有提供能源使用输出接口的设备(如空调开关、照明灯)检测能源使用信息，所述电量测量单元122包括多个并行连接的电量测量子单元。所述电量测量子单元可以为：电磁互感器、电流互感器、电量检测仪等。所述电量测量子单元一端连接耗电设备，另一端通过数据传输线连接至主控模块10，用于测量小型设备(如照明灯)的能源消耗，并将测量得到的数据传输给主控模块10，进行存储或分析计算。

所述环境参数测量单元123用于测量数据中心的环境参数，所述环境参数包括温度、湿度等，所述环境参数测量单元123包括温度测量子单元和湿度测量子单元。温度测量子单元包括温度传感器，湿度测量仪包括湿度传感器，所述温度、湿度传感器将模拟信号直接传输至中央处理单元的A/D转换接口，或者将数字信号直接传输至中央处理单元的数据总线接口，环境参数测量单元123也可以由温湿度测量仪表组成，本申请对此不作限定。环境参数测量单元123将采集到的环境温湿度数据传输至主控模块10，作为能源使用效率(PUE)测算结果的一个条件限制，如果环境数据不符合数据中心应有的标准，那么所测算出来的PUE数值是没有意义的。

使用本实用新型的能源使用效率检测仪，将能源使用效率检测仪的采集模块的各采集单元分别连接至数据中心的各待检测设备，通过交互模块进行PUE检测仪的检测参数配置，就可以方便、快速、准确地获得待检测的数据中心的能源使用效率数据，为数据中心的节能减排工程实施提供准确地数据依据。

图3是本实用新型的另一具体实施例，如图3所示，所述能源使用效率检测仪包括：主控模块10、分别与主控模块10连接的交互模块11、采集模块12和存储模块13。本实施例中，所述主控模块10采用高性能计算机或工业级主板，如便携工控机主板，主板上有多个插槽，可以用于连接交互模块11、采集模块12和存储模块13。交互模块11可以为独立的功能模块，如键盘、显示器，分别连接之键盘和显卡的插槽。存储模块13为独立的功能模块，如闪存，主控模块10通过运行预先设置的MySQL数据库指令管理存储模块13。采集模块12为连接至相应的插槽的可独立扩展的外部功能模块，如电量仪。

所述交互模块11包括液晶显示屏和键盘。其中，液晶显示屏是输出单元，用于显示用户进行检测参数配置的界面和显示被检测设备能源使用信息；键盘是输入单元，用于进行检测参数配置。所述采集模块12包括协议转换单元121和电量测量单元122、环境参数测量单元123。

其中，协议转换单元121用于连接至大型设备的信号输出接口，如连接至空调、UPS的输出端，读取被测设备的能源使用数据。所述协议转换单元121包括多个并行连接的协议转换子单元，本实施例中，协议转换子单元由接口连接器、2路K-8512LRS485模拟量输入模块和RS-485/422信号与RS-232信号互换的接口转换器DCP-2125串联组成，数据信号采用modbus标准协议传输。PUE检测仪的每个协议转换子单元的模拟量输入模块的输入端连接有多种通用的接口组件。电量测量单元122用于测量不提供能源使用输出接口的设备的能源使用情况，如照明灯、空调开关等。

电量测量单元122可以包括多个并联的电量测量子单元，每个电量测量子单元测量一个设备的电量。本实施例中采用一个具有多路测量功能的多功能电量监测仪，可以将多个待测设备的电量使用情况发送给主控模块10。具体实施时还可以使用多个单路的电量测量仪分别测量每一个设备的电量使用情况。

本实施例中，环境参数测量单元123采用高精度数字显示温湿度测量仪，所述温湿度测量仪包括温度传感器、湿度传感器、变送器和传输线，可以准确地测量数据中心的温湿度，并传输至主控模块10，供主控模块采用预先设置的计算策略分析、计算数据中心的能源使用效率时参考。

本实施例中的能源使用效率检测仪在使用时，首先，在存储模块13中预先设置协议解析指令和计算分析能源使用效率的计算分析策略对应的指令，并通过交互模块11配置系统参数(如温湿度范围、计算分析策略等)；然后，将采集模块12中的协议转换单元121、电量测量单元122以及环境参数测量单元123分别接入数据中心的待测设备；最后，启动检测，主控模块10就会接收到采集模块12发送的数据中心的各设备的实时电能消耗数据，并存入存储模块13，并采用预先配置的计算分析策略进行计算，将计算结果保存至存储模块13同时发送至交互模块11进行显示。

下面，以预先配置的计算分析策略为公式(1)为例对能源使用效率的计算过程进行说明。 $\mathrm{PUE}=\frac{{\∫}_0^t{P}_M\left(t\right)d_t+{\∫}_0^t{P}_P\left(t\right)d_t+{\∫}_0^t{P}_O\left(t\right)d_t}{{\∫}_0^t{P}_{\mathrm{IT}}\left(t\right)d_t}---\left(1\right)$

在公式(1)中，PUE为数据中心能源使用效率，为一段时间T内机械系统总功耗；为电力系统在时间T内的总功耗；为其他系统在时间T内的总功耗；

为IT系统在时间T内的总功耗；P_M(t)为数据中心机械系统的功率函数，P_P(t)为电力系统的功率函数，P_O(t)为其他系统的功率函数，P_IT(t)为IT系统的功率函数。其中，机械系统包括风扇、空调室外机等；电力系统包括UPS、空调室内机、数据中心机柜等；其他系统包括开关、照明等。功率函数的值可以通过采集模块采集得到，通过公式(1)计算获得的能源使用效率值真实反映一定时间内数据中心的能耗效率，相对于现有技术测量数月甚至一年的数据中心的能源消耗相比，获取数据中心能源使用效率的周期短，可以大大缩短加快数据中心节能减排的实施。

本实用新型的能源使用效率检测仪PUE检查仪为了同时满足快速测量数据中心能源消耗和找出能源能源损耗的关键点，为下一步的节能改造提供数据参考，内置了一套能源使用效率计算方法，即在规定的测量时间段内，对各个系统的功率数值的读取与记录设定较小的时间粒度，如最小时间粒度细分到分钟，这样最终就可以得到修正的能源使用效率值，修正的能源使用效率值近似等于公式(1)计算得到的能源使用效率值。本实施例使用的能源使用效率计算公式为：

修正 $\mathrm{PUE}=\frac{\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_M\left(i\right)+\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_P\left(i\right)+\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_O\left(i\right)}{\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{IT}}\left(i\right)}---\left(2\right)$

上述公式(2)中，P_M(i)为数据中心机械系统第i个时间粒度的功率，P_P(i)为电力系统第i个时间粒度的功率，P_O(i)为其他系统第i个时间粒度的功率，P_IT(i)为IT系统的第i个时间粒度的功率，N为检测的时间段中的时间粒度数量，如分钟数。通过公式(2)计算得到修正的PUE值，计算策略简单，计算量小，并且可以快速地获得数据中心能源消耗数据，以及进一步找出能源能源损耗的关键点，为数据中心的节能改造提供有效的数据支持。

具体实施时，本实用新型的能源使用效率检测仪的交互模块11还可以包括USB接口，用于更新检测仪内预置的计算分析策略指令和导出检测仪采集到的数据及计算分析结果数据。

如图4所示，本实用新型的能源使用效率检测仪也可以集成到现有的数据中心能源检测系统中使用。所述能源使用效率检测仪的还包括数据传输模块14，如：WIFI通信组件、以太网通信组件等，用于将本检测仪检测获得的能源使用数据和/或计算分析得到的能源使用效率数据发送至数据分析平台，再由数据分析平台进一步处理。多个能源使用效率检测仪并行部署于数据中心，可以检测大型数据中心的能源使用数据，且无须工程部署、扩展能力强。

本说明书中的各个实施例一般采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块或单元。一般地，程序模块或单元可以包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。一般来说，程序模块或单元可以由软件、硬件或两者的结合来实现。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块或单元可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其主要思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (11)

1.一种能源使用效率检测仪，其特征在于，包括：采集被检测设备的能源使用数据的采集模块、配置该能源使用效率检测仪的检测参数以及显示获得的被检测设备的能源使用数据的交互模块、根据预先配置的检测参数对接收的能源使用数据进行计算的主控模块、以及存储数据和预置的多种能源使用效率计算策略对应的指令的存储模块，所述主控模块分别与交互模块、采集模块和存储模块连接。

2.根据权利要求1所述的检测仪，其特征在于，所述主控模块为具有多个总线接口的中央处理单元，所述交互模块、采集模块、存储模块分别连接至所述中央处理单元的总线接口。

3.根据权利要求1所述的检测仪，其特征在于，所述主控模块为具有多个插槽的工业级主板，所述交互模块、存储模块分别为连接至相应的插槽的独立功能模块；所述采集模块为独立扩展的外部功能模块。

4.根据权利要求2或3所述的检测仪，其特征在于，所述采集模块包括：

连接至被检测设备的输出接口的协议转换单元；

连接于被检测设备和主控模块之间的电量测量单元；

以及，环境参数测量单元。

5.根据权利要求4所述的检测仪，其特征在于，所述协议转换单元进一步包括多个并行连接的协议转换子单元，每个协议转换子单元包括串行连接的接口连接器、协议转换器、RS485总线、RS485转RS232接口转换器、RS232总线；或者串行连接的接口连接器、协议转换器、TCP\IP协议采集器。

6.根据权利要求5所述的检测仪，其特征在于，所述每个协议转换子单元中的接口连接器分别为与该协议转换器匹配的不同类型的接口组件。

7.根据权利要求5所述的检测仪，其特征在于，所述电量测量单元包括：电磁互感器或电流互感器或电量测量仪。

8.根据权利要求5所述的检测仪，其特征在于，所述环境参数测量单元包括：温度传感器和/或湿度传感器，或温湿度测量仪表。

9.根据权利要求6至8任一项所述的检测仪，其特征在于，所述交互模块包括输入单元和输出单元，其中，

所述输入单元包括：键盘或触控板；所述输出单元包括：显示屏。

10.根据权利要求2或3所述的检测仪，其特征在于，还包括连接主控模块和数据分析平台的数据传输模块。

11.一种能源使用效率检测系统，其特征在于，包括并行连接的至少一个如权利要求10所述的能源使用效率检测仪。

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