居民非侵入量測終端電源的優化設計

聶卓杰，夏 勇

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

0 引 言

終端電源的研發理論上可以有效監測居民用電情況，并且監測各電力設備的電壓電流穩定情況，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備的電壓和電流情況，并且在內部設置出及時斷電的裝置，當電壓不穩或電流較大時，終端電源會及時斷電，防止災害的發生。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點，對居民用電信息獲取準確，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。

但是研究發現，此類終端電源輸出電壓與標準電壓的差距較大，僅適用于單個用電設備工作，多個用電設備同時使用時電壓會出現忽上忽下的情況，居民用電較困難。因此，在優化設計居民非侵入量測終端電源時，首先多組采集電壓數據，以保證采集數據的準確率。其次設計低功耗的電路，保證電壓持續穩定。最后優化內核電源的配置，保證終端電源正常工作，并且經過多次實驗，確保該終端電源的各項性能均能達到指標。

1 居民非侵入量測終端電源的優化設計

1.1 采集居民非侵入量測電壓電流數據

居民非侵入量測電壓電流數據的采集是通過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、輸出電壓電流數據，并且在采樣過程中分別標注不同的ADC通道，嚴格遵守采集順序，保證采集的數據真實有效。其次，調整輸入電壓和電流數據，控制其符合設計好的電壓、電流數據標準。如果出現電壓或電流超過標準的情況，則需根據實際情況進行調整[2]。最后，確定準確數據后更新新的電壓數據，并且觀察新輸入電壓條件下的輸出電壓、電流數據，及時記錄每一次數據波動的時間以及當時的電壓電流數據，完成數據采集。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

常規的負載終端電源模塊內部有兩組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，成本也相應減少。首先，減少原始終端電源的兩組電路中的控制開關數量。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。當低功耗終端電源關閉時，GPIO默認設置為低電流，只有當用戶需要用電時才開啟所需的低功耗終端電源設備，并控制GPIO完成用電工作。

1.3 配置內核電源

內核電源的配置應支持居民非侵入量測終端電源進行PM Core管理、電源休眠管理以及運行時電源管理，并遵守Waklock和自動休眠等機制，將CPU設備調節成Defreq等。在此基礎上，內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作為調節電源內部設備電壓和電流的程序，可以優化居民非侵入量測終端電源的電路，處理電源內部容易發生的短路和斷壓等電路問題[5]。內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，調用Frameworks的應用程序，實現內核電源對終端電源的內部控制，進一步優化居民非侵入量測終端電源。

1.4 優化電池充電電源

常規的負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，導致終端電源的損失，所以需優化電池的充電電源。首先設置出與終端電源相匹配的USB接口，并調整工作模式至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，達成驅動終端電源的目的。優化后的終端電源在充電時分為涓流充電、預充電、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，且當電流或電壓較高時，該充電電源會自行斷電，避免電力災害發產生[8-10]。終端電源的充電電源已注冊到充電器和電量計驅動電源架構。每次運行可以通過上述內核電源中的Power_supply設備通信，方便充電電源對輸入輸出的電壓、電流檢測，并且優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 實驗測試

通過本文的分析與設計，組裝出優化后的居民非侵入量測終端電源。組裝完成后，對文獻[2]基于卷積神經網絡的電源與本文設計的終端電源進行測試，并且要調整電源的溫度，保證二者在同一環境下，驗證本文優化后的居民非侵入量測終端電源在電壓上是否穩定。

2.1 實驗準備

本次實驗需要準備出常規電源、本文設計的終端電源、電流表、電壓表以及溫度計等實驗測試器械，通過測試常規負載終端電源，與本文設計的終端電源輸入輸出電流、電壓結果作對比，驗證本文設計終端電源電壓的穩定程度。

2.2 實驗結果

在常規的負載電源開始工作前，首先需要調整溫度，在保證室溫為25℃的前提下給出常規負載電源的3個輸入電壓定值，并以標準輸出電壓為基礎記錄輸出電流以及文獻[2]負載電源的輸出電壓，具體測試結果如表1所示，需要注意的是高壓的標準電壓為48 V，低壓的標準電壓為24 V。

表1 文獻[2]負載終端電源測試結果

由表1可知，輸入電壓不同，輸出電流與文獻[2]負載電源的輸出電壓也不同，高壓均超過標準電壓，而低壓均不滿足標準電壓，幾乎沒有穩定的輸出電壓，因此在用電時就會出現電壓不穩、短路，或是更為嚴重的問題。

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

表2 本文設計的終端電源測試結果

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

3 結 論

隨著居民非量測終端電源設計的不斷優化，終端電源相關技術受到越來越多技術人員的重視。居民非量測終端電源與居民的用電生活活動不可分割，終端電源的質量直接決定了居民的用電生活質量，因此作為用電中的重要一環，終端電源優化后電壓的可靠性與穩定性逐漸成為終端電源發展中的一大難題。本文首先采集并分析居民非量測終端電源的電壓、電流數據，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，這也是優化該終端電源最重要的一環，通過繪制較低功耗的終端電源實現居民用電易的愿望，最后通過實驗測試，得出本文設計的優化方案電壓更穩定的結論，也更具有實用性。