居民非侵入量测终端电源的优化设计

聂卓杰，夏 勇

（1.东南大学，江苏 南京 210096；2.国网江苏省电力有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

终端电源的研发理论上可以有效监测居民用电情况，并且监测各电力设备的电压电流稳定情况，是解决居民用电难的有效方法。终端电源量测分为直接侵入式量测和非侵入式量测两部分[1]。其中，非侵入式量测是以终端电源为载体，在其入口处采集用电设备的电压和电流情况，并且在内部设置出及时断电的装置，当电压不稳或电流较大时，终端电源会及时断电，防止灾害的发生。同时，非侵入式量测的终端电源拥有不妨碍居民生活、安装便捷以及成本合理等优点，对居民用电信息获取准确，居民接受度较高。因此，在众多量测电源中，非侵入式量测终端电源的使用频率最高。

但是研究发现，此类终端电源输出电压与标准电压的差距较大，仅适用于单个用电设备工作，多个用电设备同时使用时电压会出现忽上忽下的情况，居民用电较困难。因此，在优化设计居民非侵入量测终端电源时，首先多组采集电压数据，以保证采集数据的准确率。其次设计低功耗的电路，保证电压持续稳定。最后优化内核电源的配置，保证终端电源正常工作，并且经过多次实验，确保该终端电源的各项性能均能达到指标。

1 居民非侵入量测终端电源的优化设计

1.1 采集居民非侵入量测电压电流数据

居民非侵入量测电压电流数据的采集是通过7个ADC通道，并在其中切换路径的一种采集方式，具体如下。首先，测量4组终端电源的输入电压电流、输出电压电流数据，并且在采样过程中分别标注不同的ADC通道，严格遵守采集顺序，保证采集的数据真实有效。其次，调整输入电压和电流数据，控制其符合设计好的电压、电流数据标准。如果出现电压或电流超过标准的情况，则需根据实际情况进行调整[2]。最后，确定准确数据后更新新的电压数据，并且观察新输入电压条件下的输出电压、电流数据，及时记录每一次数据波动的时间以及当时的电压电流数据，完成数据采集。采集流程具体如图1所示。

图1 采集流程图

1.2 绘制低功耗电路图

常规的负载终端电源模块内部有两组8个电路提供终端电源的供电，需要1.8 V的电源电压和5.8 V的电源电压，功耗较高，成本较大[3]。而低功耗终端电源只需要1.8 V的电源电压，电压降低代表其功耗也会降低，成本也相应减少。首先，减少原始终端电源的两组电路中的控制开关数量。其次，低功耗终端电源在初始化配置完成后，MIPID总线工作在低速模式，Lane会随着MIPID共同处于低速模式，降低了无关电路对终端电源的消耗。最后，低功耗终端电源电路分别连接一个复位信号和TE信号[4]。低功耗终端电源的终端输出信号为MSM852上的GPIO。当低功耗终端电源关闭时，GPIO默认设置为低电流，只有当用户需要用电时才开启所需的低功耗终端电源设备，并控制GPIO完成用电工作。

1.3 配置内核电源

内核电源的配置应支持居民非侵入量测终端电源进行PM Core管理、电源休眠管理以及运行时电源管理，并遵守Waklock和自动休眠等机制，将CPU设备调节成Defreq等。在此基础上，内核电源配置还需要选择 Suspend to RAM、Standby、Auto Seep、Waklock以及RuntimeSeep的电源管理模式。Defreq作为调节电源内部设备电压和电流的程序，可以优化居民非侵入量测终端电源的电路，处理电源内部容易发生的短路和断压等电路问题[5]。内核电源的配置为居民非侵入量测终端电源提供了电源管理接口，通过Pow Mager接口、Power Service接口以及JNI接口，调用Frameworks的应用程序，实现内核电源对终端电源的内部控制，进一步优化居民非侵入量测终端电源。

1.4 优化电池充电电源

常规的负载终端电源的充电电源是较为繁重的充电接口，充电不便利，用户甚至嫌麻烦而弃用，导致终端电源的损失，所以需优化电池的充电电源。首先设置出与终端电源相匹配的USB接口，并调整工作模式至USB OTG模式，保证其可以识别SDP、CDP、DCP等多种类型的充电接口[6,7]。用户通过USB接口给电池充电，并且使用PMIC PMI852识别USB接口的终端电源，达成驱动终端电源的目的。优化后的终端电源在充电时分为涓流充电、预充电、恒流充电以及恒压充电4个阶段。在每个充电阶段，用户均可自行选择，且当电流或电压较高时，该充电电源会自行断电，避免电力灾害发产生[8-10]。终端电源的充电电源已注册到充电器和电量计驱动电源架构。每次运行可以通过上述内核电源中的Power_supply设备通信，方便充电电源对输入输出的电压、电流检测，并且优化后的充电电源更小巧，更快捷，完美地满足了居民非侵入量测终端电源的要求。

2 实验测试

通过本文的分析与设计，组装出优化后的居民非侵入量测终端电源。组装完成后，对文献[2]基于卷积神经网络的电源与本文设计的终端电源进行测试，并且要调整电源的温度，保证二者在同一环境下，验证本文优化后的居民非侵入量测终端电源在电压上是否稳定。

2.1 实验准备

本次实验需要准备出常规电源、本文设计的终端电源、电流表、电压表以及温度计等实验测试器械，通过测试常规负载终端电源，与本文设计的终端电源输入输出电流、电压结果作对比，验证本文设计终端电源电压的稳定程度。

2.2 实验结果

在常规的负载电源开始工作前，首先需要调整温度，在保证室温为25℃的前提下给出常规负载电源的3个输入电压定值，并以标准输出电压为基础记录输出电流以及文献[2]负载电源的输出电压，具体测试结果如表1所示，需要注意的是高压的标准电压为48 V，低压的标准电压为24 V。

表1 文献[2]负载终端电源测试结果

由表1可知，输入电压不同，输出电流与文献[2]负载电源的输出电压也不同，高压均超过标准电压，而低压均不满足标准电压，几乎没有稳定的输出电压，因此在用电时就会出现电压不稳、短路，或是更为严重的问题。

保持与文献[2]负载电源相同的测试方法，测试出本文设计的终端电源输入输出电压、电流情况，具体测试结果如表2所示。

表2 本文设计的终端电源测试结果

如表2所示，在其他与文献[2]电源测试方法保持一致的前提下，本文设计的终端电源，在电压上一直与标准电压相差较小，甚至在输入电压为交流260 V时，本文设计的终端电源输出电压与标准输出电压保持一致。相较于文献[2]电源，本文设计的终端电源的电压更为稳定，更具有应用价值。

3 结 论

随着居民非量测终端电源设计的不断优化，终端电源相关技术受到越来越多技术人员的重视。居民非量测终端电源与居民的用电生活活动不可分割，终端电源的质量直接决定了居民的用电生活质量，因此作为用电中的重要一环，终端电源优化后电压的可靠性与稳定性逐渐成为终端电源发展中的一大难题。本文首先采集并分析居民非量测终端电源的电压、电流数据，在此过程中，不断地观察电压、电流变化，其次绘制出功耗较低的居民非量测终端电源的电路，这也是优化该终端电源最重要的一环，通过绘制较低功耗的终端电源实现居民用电易的愿望，最后通过实验测试，得出本文设计的优化方案电压更稳定的结论，也更具有实用性。