居民非侵入量測終端電源的優(yōu)化設(shè)計

聶卓杰，夏 勇

（1.東南大學(xué)，江蘇 南京 210096；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

終端電源的研發(fā)理論上可以有效監(jiān)測居民用電情況，并且監(jiān)測各電力設(shè)備的電壓電流穩(wěn)定情況，是解決居民用電難的有效方法。終端電源量測分為直接侵入式量測和非侵入式量測兩部分[1]。其中，非侵入式量測是以終端電源為載體，在其入口處采集用電設(shè)備的電壓和電流情況，并且在內(nèi)部設(shè)置出及時斷電的裝置，當(dāng)電壓不穩(wěn)或電流較大時，終端電源會及時斷電，防止災(zāi)害的發(fā)生。同時，非侵入式量測的終端電源擁有不妨礙居民生活、安裝便捷以及成本合理等優(yōu)點(diǎn)，對居民用電信息獲取準(zhǔn)確，居民接受度較高。因此，在眾多量測電源中，非侵入式量測終端電源的使用頻率最高。

但是研究發(fā)現(xiàn)，此類終端電源輸出電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓的差距較大，僅適用于單個用電設(shè)備工作，多個用電設(shè)備同時使用時電壓會出現(xiàn)忽上忽下的情況，居民用電較困難。因此，在優(yōu)化設(shè)計居民非侵入量測終端電源時，首先多組采集電壓數(shù)據(jù)，以保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。其次設(shè)計低功耗的電路，保證電壓持續(xù)穩(wěn)定。最后優(yōu)化內(nèi)核電源的配置，保證終端電源正常工作，并且經(jīng)過多次實(shí)驗，確保該終端電源的各項性能均能達(dá)到指標(biāo)。

1 居民非侵入量測終端電源的優(yōu)化設(shè)計

1.1 采集居民非侵入量測電壓電流數(shù)據(jù)

居民非侵入量測電壓電流數(shù)據(jù)的采集是通過7個ADC通道，并在其中切換路徑的一種采集方式，具體如下。首先，測量4組終端電源的輸入電壓電流、輸出電壓電流數(shù)據(jù)，并且在采樣過程中分別標(biāo)注不同的ADC通道，嚴(yán)格遵守采集順序，保證采集的數(shù)據(jù)真實(shí)有效。其次，調(diào)整輸入電壓和電流數(shù)據(jù)，控制其符合設(shè)計好的電壓、電流數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。如果出現(xiàn)電壓或電流超過標(biāo)準(zhǔn)的情況，則需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整[2]。最后，確定準(zhǔn)確數(shù)據(jù)后更新新的電壓數(shù)據(jù)，并且觀察新輸入電壓條件下的輸出電壓、電流數(shù)據(jù)，及時記錄每一次數(shù)據(jù)波動的時間以及當(dāng)時的電壓電流數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采集。采集流程具體如圖1所示。

圖1 采集流程圖

1.2 繪制低功耗電路圖

常規(guī)的負(fù)載終端電源模塊內(nèi)部有兩組8個電路提供終端電源的供電，需要1.8 V的電源電壓和5.8 V的電源電壓，功耗較高，成本較大[3]。而低功耗終端電源只需要1.8 V的電源電壓，電壓降低代表其功耗也會降低，成本也相應(yīng)減少。首先，減少原始終端電源的兩組電路中的控制開關(guān)數(shù)量。其次，低功耗終端電源在初始化配置完成后，MIPID總線工作在低速模式，Lane會隨著MIPID共同處于低速模式，降低了無關(guān)電路對終端電源的消耗。最后，低功耗終端電源電路分別連接一個復(fù)位信號和TE信號[4]。低功耗終端電源的終端輸出信號為MSM852上的GPIO。當(dāng)?shù)凸慕K端電源關(guān)閉時，GPIO默認(rèn)設(shè)置為低電流，只有當(dāng)用戶需要用電時才開啟所需的低功耗終端電源設(shè)備，并控制GPIO完成用電工作。

1.3 配置內(nèi)核電源

內(nèi)核電源的配置應(yīng)支持居民非侵入量測終端電源進(jìn)行PM Core管理、電源休眠管理以及運(yùn)行時電源管理，并遵守Waklock和自動休眠等機(jī)制，將CPU設(shè)備調(diào)節(jié)成Defreq等。在此基礎(chǔ)上，內(nèi)核電源配置還需要選擇 Suspend to RAM、Standby、Auto Seep、Waklock以及RuntimeSeep的電源管理模式。Defreq作為調(diào)節(jié)電源內(nèi)部設(shè)備電壓和電流的程序，可以優(yōu)化居民非侵入量測終端電源的電路，處理電源內(nèi)部容易發(fā)生的短路和斷壓等電路問題[5]。內(nèi)核電源的配置為居民非侵入量測終端電源提供了電源管理接口，通過Pow Mager接口、Power Service接口以及JNI接口，調(diào)用Frameworks的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)內(nèi)核電源對終端電源的內(nèi)部控制，進(jìn)一步優(yōu)化居民非侵入量測終端電源。

1.4 優(yōu)化電池充電電源

常規(guī)的負(fù)載終端電源的充電電源是較為繁重的充電接口，充電不便利，用戶甚至嫌麻煩而棄用，導(dǎo)致終端電源的損失，所以需優(yōu)化電池的充電電源。首先設(shè)置出與終端電源相匹配的USB接口，并調(diào)整工作模式至USB OTG模式，保證其可以識別SDP、CDP、DCP等多種類型的充電接口[6,7]。用戶通過USB接口給電池充電，并且使用PMIC PMI852識別USB接口的終端電源，達(dá)成驅(qū)動終端電源的目的。優(yōu)化后的終端電源在充電時分為涓流充電、預(yù)充電、恒流充電以及恒壓充電4個階段。在每個充電階段，用戶均可自行選擇，且當(dāng)電流或電壓較高時，該充電電源會自行斷電，避免電力災(zāi)害發(fā)產(chǎn)生[8-10]。終端電源的充電電源已注冊到充電器和電量計驅(qū)動電源架構(gòu)。每次運(yùn)行可以通過上述內(nèi)核電源中的Power_supply設(shè)備通信，方便充電電源對輸入輸出的電壓、電流檢測，并且優(yōu)化后的充電電源更小巧，更快捷，完美地滿足了居民非侵入量測終端電源的要求。

2 實(shí)驗測試

通過本文的分析與設(shè)計，組裝出優(yōu)化后的居民非侵入量測終端電源。組裝完成后，對文獻(xiàn)[2]基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電源與本文設(shè)計的終端電源進(jìn)行測試，并且要調(diào)整電源的溫度，保證二者在同一環(huán)境下，驗證本文優(yōu)化后的居民非侵入量測終端電源在電壓上是否穩(wěn)定。

2.1 實(shí)驗準(zhǔn)備

本次實(shí)驗需要準(zhǔn)備出常規(guī)電源、本文設(shè)計的終端電源、電流表、電壓表以及溫度計等實(shí)驗測試器械，通過測試常規(guī)負(fù)載終端電源，與本文設(shè)計的終端電源輸入輸出電流、電壓結(jié)果作對比，驗證本文設(shè)計終端電源電壓的穩(wěn)定程度。

2.2 實(shí)驗結(jié)果

在常規(guī)的負(fù)載電源開始工作前，首先需要調(diào)整溫度，在保證室溫為25℃的前提下給出常規(guī)負(fù)載電源的3個輸入電壓定值，并以標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓為基礎(chǔ)記錄輸出電流以及文獻(xiàn)[2]負(fù)載電源的輸出電壓，具體測試結(jié)果如表1所示，需要注意的是高壓的標(biāo)準(zhǔn)電壓為48 V，低壓的標(biāo)準(zhǔn)電壓為24 V。

表1 文獻(xiàn)[2]負(fù)載終端電源測試結(jié)果

由表1可知，輸入電壓不同，輸出電流與文獻(xiàn)[2]負(fù)載電源的輸出電壓也不同，高壓均超過標(biāo)準(zhǔn)電壓，而低壓均不滿足標(biāo)準(zhǔn)電壓，幾乎沒有穩(wěn)定的輸出電壓，因此在用電時就會出現(xiàn)電壓不穩(wěn)、短路，或是更為嚴(yán)重的問題。

保持與文獻(xiàn)[2]負(fù)載電源相同的測試方法，測試出本文設(shè)計的終端電源輸入輸出電壓、電流情況，具體測試結(jié)果如表2所示。

表2 本文設(shè)計的終端電源測試結(jié)果

如表2所示，在其他與文獻(xiàn)[2]電源測試方法保持一致的前提下，本文設(shè)計的終端電源，在電壓上一直與標(biāo)準(zhǔn)電壓相差較小，甚至在輸入電壓為交流260 V時，本文設(shè)計的終端電源輸出電壓與標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓保持一致。相較于文獻(xiàn)[2]電源，本文設(shè)計的終端電源的電壓更為穩(wěn)定，更具有應(yīng)用價值。

3 結(jié) 論

隨著居民非量測終端電源設(shè)計的不斷優(yōu)化，終端電源相關(guān)技術(shù)受到越來越多技術(shù)人員的重視。居民非量測終端電源與居民的用電生活活動不可分割，終端電源的質(zhì)量直接決定了居民的用電生活質(zhì)量，因此作為用電中的重要一環(huán)，終端電源優(yōu)化后電壓的可靠性與穩(wěn)定性逐漸成為終端電源發(fā)展中的一大難題。本文首先采集并分析居民非量測終端電源的電壓、電流數(shù)據(jù)，在此過程中，不斷地觀察電壓、電流變化，其次繪制出功耗較低的居民非量測終端電源的電路，這也是優(yōu)化該終端電源最重要的一環(huán)，通過繪制較低功耗的終端電源實(shí)現(xiàn)居民用電易的愿望，最后通過實(shí)驗測試，得出本文設(shè)計的優(yōu)化方案電壓更穩(wěn)定的結(jié)論，也更具有實(shí)用性。