5G基站供電管理智能配電單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉 鴿，康曉龍，馬 強(qiáng)，周 鵬，熊 偉，張永紅

（成都亨通光通信有限公司，四川 成都 610100）

1 概 述

5G時(shí)代，基站設(shè)備輸出功率有望從4G時(shí)期的40～80 W增加至200 W甚至更高，運(yùn)算量的上升也將推動(dòng)BBU功率進(jìn)一步提升。5G單站的供電功率預(yù)計(jì)將達(dá)到4 000 W甚至更高，且通信基站數(shù)量龐大，因此通信基站電源運(yùn)維管理和節(jié)能降耗將成為各運(yùn)營(yíng)商需要解決的首要問(wèn)題[1]。多網(wǎng)絡(luò)共址的基站或特定場(chǎng)景的小微基站（含室內(nèi)分布系統(tǒng)）可根據(jù)基站話務(wù)量、數(shù)據(jù)流量以及人流量的分布狀況對(duì)基站設(shè)備實(shí)施開(kāi)關(guān)機(jī)節(jié)能，降低基站電費(fèi)支出。本文針對(duì)這一現(xiàn)狀設(shè)計(jì)了供電管理智能配電單元系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)各自負(fù)載用電量進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)量，實(shí)現(xiàn)基站電費(fèi)精準(zhǔn)分?jǐn)偟男枨螅铱梢酝ㄟ^(guò)運(yùn)維平臺(tái)或者上位機(jī)設(shè)置不同的掉電存儲(chǔ)參數(shù)，分時(shí)通斷控制多路負(fù)載供電，從而達(dá)到節(jié)能目標(biāo)。

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)選定意法半導(dǎo)體STM32G473RCT6芯片作為主MCU進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，內(nèi)置運(yùn)行速度可達(dá)170 MHz的32位Cotex-M4內(nèi)核(支持FPU和DSP指令集)與3種不同的硬件加速器，較同等價(jià)位的103系列主頻72 MHz高出兩倍以上，大幅節(jié)省了芯片運(yùn)行時(shí)間[2]。該芯片程序空間為256K，RAM空間為128K，支持遠(yuǎn)程應(yīng)用程序升級(jí)功能。程序分為Boot Loader和應(yīng)用層App兩個(gè)區(qū)域，485接口通過(guò)在應(yīng)用中編程技術(shù)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在線升級(jí)功能，能夠達(dá)到無(wú)人監(jiān)管進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)操作的目標(biāo)，節(jié)省人力和維護(hù)成本[3,4]。通過(guò)比較在電路編程、在系統(tǒng)編程以及在應(yīng)用中編程3種升級(jí)方式可以看出，后者升級(jí)方式性能最優(yōu)。目前，Bootloader程序?yàn)?2K字節(jié)，App程序約162K字節(jié)，MCU各功能模塊描述如下。

2.1 開(kāi)關(guān)量模塊

本系統(tǒng)采用基于I2C通信擴(kuò)展用輸入輸出模塊的方式設(shè)計(jì)輸入輸出模塊，僅僅只需要兩路硬件資源，即SCL和SDA接口資源，而普通設(shè)計(jì)方式需要多達(dá)16路硬件資源。IC2設(shè)計(jì)方式為系統(tǒng)小型化目標(biāo)節(jié)省了多達(dá)14路硬件資源[5]。

2.2 ADC采樣模塊

STM32G473RCT6單片機(jī)有多達(dá)26路12位ADC外部通道資源，每個(gè)資源采樣電壓的范圍為0～3.6 V。本系統(tǒng)使用其中6路ADC外部通道資源分別用來(lái)檢測(cè)4路輸出電流、控制電壓以及設(shè)備溫度[6]。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

目前，市場(chǎng)上主要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式有I2C和SPI兩種。但是基于I2C通信的EEPROM芯片模式只能滿足256個(gè)字節(jié)或有限的需求，而需要保存的記錄多達(dá)1 000條，因此采用基于SPI通信協(xié)議的外部存儲(chǔ)器模式保存4M字節(jié)數(shù)據(jù)[7]。

2.4 485通信模塊

此模塊與PC實(shí)現(xiàn)通信，通過(guò)配置定時(shí)等功能參數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分時(shí)下電功能，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)校正運(yùn)行電壓或電流值、提取運(yùn)行數(shù)據(jù)以及上報(bào)報(bào)警和故障數(shù)據(jù)等功能。為了便于監(jiān)控平臺(tái)管理，該模塊還兼容復(fù)用遠(yuǎn)程升級(jí)模式。為了避免主MCU和485通信模塊之間的信號(hào)干擾，電路設(shè)計(jì)的時(shí)候使用光耦將MCU引腳和通信芯片進(jìn)行隔離，達(dá)到了滿足不同波特率下的通信要求。通過(guò)測(cè)試，100 ms間隔命令丟包率基本為0。

2.5 液晶模塊

為了滿足調(diào)試和近端操作的需求，設(shè)計(jì)了基于液晶顯示屏和按鍵組合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)就地操作。上、下、確認(rèn)以及返回4個(gè)按鍵通過(guò)篩選程序中固化的文字庫(kù)和圖片庫(kù)將各個(gè)功能單元模塊顯示在液晶顯示屏不同的頁(yè)面層級(jí)上，包括總電壓、電流及電量，同時(shí)按鍵組合具備操作設(shè)備上電、下電以及設(shè)置定時(shí)關(guān)、通等功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)思想

本系統(tǒng)軟件基于C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，程序主體主要包括底層驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用層程序兩部分。其中，底層驅(qū)動(dòng)程序如圖1所示，應(yīng)用層程序圖2所示。程序設(shè)計(jì)主要是以程序的描述形式、易用性、健壯性、可擴(kuò)展性以及可移植性5個(gè)方面來(lái)考量。本系統(tǒng)程序全部模塊化處理，將復(fù)雜的程序細(xì)化為一個(gè)個(gè)模塊，最后統(tǒng)一為一個(gè)整體[8]。

圖1 底層驅(qū)動(dòng)程序框圖

圖2 應(yīng)用層程序框圖

3.2 模擬量采集

5G基站建設(shè)對(duì)電量的真實(shí)性非常敏感，正確的模擬量采集精度至關(guān)重要，因而需要設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定且可靠的采集模式和算法。ADC采樣模塊有多路采樣通道，分別對(duì)電壓、電流以及溫度進(jìn)行采樣。根據(jù)一階電路全響應(yīng)可以發(fā)現(xiàn)通道之間會(huì)相互干擾，ADC的采樣電容在兩個(gè)通道之間進(jìn)行切換時(shí)的電路如圖3所示[9]。

圖3 ADC多路切換

其中，Cs是ADC采樣電容，Rs是ADC采樣電阻。兩路信號(hào)源A和B的電平分別為Ua和Ub，內(nèi)阻分別為Ra和Rb。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，假定兩路信號(hào)掃描次序是由信號(hào)源B到信號(hào)源A，且信號(hào)源B接入的時(shí)間足夠長(zhǎng)，以至在通道切換時(shí)采樣電容Cs上的電壓可以近似等于Ub。在通道切換到信號(hào)源A后，采樣電容Cs上電壓的變化為：

隨著時(shí)采樣保持時(shí)間t的增長(zhǎng)，采樣電容Cs的電壓逐漸趨近于Ua,兩者之間的誤差為：

該誤差即信號(hào)源B通過(guò)采樣電容Cs對(duì)信號(hào)源A的耦合值。隨著采樣保持時(shí)間t的增長(zhǎng)，該值逐漸減小，最終趨近于零。

從式（1）和式（2）可以看出，有兩種方法可以減少誤差。一是通過(guò)增加采樣保持時(shí)間t獲得更多的衰減時(shí)間；二是通過(guò)減少信號(hào)源內(nèi)阻Ra，使其具備更快的衰減時(shí)間。

以上兩點(diǎn)可以作為消除ADC不同通道之間通過(guò)采樣電容Cs產(chǎn)生寄生耦合的理論依據(jù)。在降低內(nèi)阻方面可以通過(guò)在信號(hào)源與ADC之間加入跟隨器進(jìn)行隔離來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)際程序設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)均值濾波和增大采樣時(shí)間來(lái)處理，流程如圖4所示。

圖4 ADC采樣流程圖

3.3 定時(shí)處理

為了應(yīng)對(duì)閑時(shí)下電的需求，設(shè)計(jì)了5個(gè)定時(shí)時(shí)段的下電和上電模塊，通過(guò)RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘記錄系統(tǒng)時(shí)間。上位機(jī)設(shè)置5個(gè)時(shí)段的參數(shù)并且將開(kāi)通當(dāng)前時(shí)段功能，程序通過(guò)比較關(guān)和開(kāi)的時(shí)間段進(jìn)行相應(yīng)的繼電器分合閘操作，完成節(jié)能降耗的功能[10]。

目前，智能配電系統(tǒng)每戶輸出電流100 A，電壓50 V。按照5個(gè)定時(shí)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段1 h的需求，一天可以至少節(jié)省5 kW·h的電能，一年可以節(jié)省1 825 kW·h的電能，為運(yùn)營(yíng)商大幅度降低了運(yùn)營(yíng)成本。

4 結(jié) 論

隨著5G技術(shù)發(fā)展日益成熟，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)一步加快。為滿足5G基站分時(shí)能耗需求，必須實(shí)行配電管理。本文5G基站供電管理智能配電單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹了一種5G基站智能管理設(shè)備系統(tǒng)，為5G網(wǎng)絡(luò)能效和管理提供了可行性方案。