馬艷

摘 要： 對(duì)智能插座的功率分配系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)是建設(shè)節(jié)約型社會(huì)過程中較為重要的一部分，為此，提出一種節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，對(duì)系統(tǒng)中的接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，保障電路中的信號(hào)不受強(qiáng)電干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用具有功耗小、體積小的SoC單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，減少系統(tǒng)在工作中的能量消耗，在不影響系統(tǒng)正常工作的情況下，將定向耦合器應(yīng)用到系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)的功率分配效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法的能耗小、功率分配效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 節(jié)能型; 無線遙控; 接口電路; 智能插座; 功率分配; 定向耦合器

中圖分類號(hào)： TN710?34; TM503.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）09?0142?05

Abstract： The design of the power distribution system of the intelligent socket is a more important part in the process of building a conservation?oriented society. Therefore， a design method of power distribution system for energy?saving wireless remote control intelligent socket is put forward. The interface circuit in the system is designed to ensure the signal in the circuit against the strong electric power and improve the stability of the system. The SoC single chip microcomputer with low?power consumption and small size is taken as the control core of the system to reduce the energy consumption of the system while working. The directional coupler is applied to the system to improve the power distribution efficiency of the system without affecting the normal operation of the system. The experimental results show that the method has low energy consumption， high power distribution efficiency， strong stability， and high practical value.

Keywords： energy?saving type; wireless remote control; interface circuit; smart socket; power distribution; directional coupler

0 引 言

當(dāng)前市場(chǎng)的插座功能較為單一，其功能大多為用電的各種設(shè)備準(zhǔn)備電源接口。目前市場(chǎng)上銷售插座的廠家較多，但其中并沒有成熟的智能化和信息化功能通用的插座[1]。針對(duì)空調(diào)、電腦、飲水機(jī)、家庭影院和電視等用電設(shè)備設(shè)計(jì)智能插座，智能插座根據(jù)其智能電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電，具有明顯的省電效果，是建設(shè)節(jié)約型社會(huì)過程中較為重要的一部分[2?3]。

在我國(guó)電力系統(tǒng)的數(shù)字化改造中，功率分配具有重要意義。對(duì)智能插座的功率分配系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以對(duì)用戶電能的使用行為進(jìn)行有效限制[4]。既可以在用電高峰期限制大負(fù)荷電器的使用行為，又可以滿足用戶生活的基本用電要求[5]。

1 功率分配策略

功率配置過小或過大都容易造成能耗的浪費(fèi)和日常用電設(shè)備不能正常工作的問題[6]。為了讓智能插座正常地高效運(yùn)行，需要對(duì)功率進(jìn)行合理的分配[7]。功率分配中的關(guān)鍵點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)功率配置[8]，采用軟件編程實(shí)現(xiàn)智能插座通道的自動(dòng)管理和分配[9]。在節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主通道不斷電的設(shè)置通過設(shè)定優(yōu)先級(jí)完成，智能插座連接的每個(gè)用電設(shè)備用戶都可以開啟，當(dāng)開啟智能插座的某個(gè)主通道時(shí)，智能插座其他通道連接的用電設(shè)備的功率容量大于容量的限制，節(jié)能無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)的控制中心會(huì)控制該通道關(guān)閉，以滿足主通道所連接的用電設(shè)備的用電需求。

2 主要功能設(shè)計(jì)

節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)由功率負(fù)載、功率分配器、定向耦合器和功率源組成，節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

定義功率接口的軟件和硬件標(biāo)準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)信息和功率的有效傳遞。在節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)中，功率分配系統(tǒng)的核心是實(shí)現(xiàn)功率分配，智能插座功率分配系統(tǒng)的基礎(chǔ)是功率器件。

2.1 數(shù)字接口

節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)的功率接口在原有地線、零線和火線的基礎(chǔ)上，增加配置了數(shù)字接口，數(shù)字接口具有即插即拔的特點(diǎn)，其接口方式與USB的接口方式類似，數(shù)字接口的內(nèi)部和外部分別為信號(hào)線和金屬層地，節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)中數(shù)字接口如圖2所示。

插座與插頭相匹配，插座內(nèi)部含有簧片，其作用是保證線路的可靠連接。接口電路中信號(hào)線設(shè)置在內(nèi)部，以外部為地進(jìn)行設(shè)計(jì)，保障電路中的信號(hào)不受強(qiáng)電干擾，提高了節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了適應(yīng)節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)中數(shù)字功率的傳遞，需要改進(jìn)電纜。電纜的內(nèi)部含有信息傳輸載體和功率傳輸載體，其中，信息傳輸載體為屏蔽電纜，電纜內(nèi)部的屏蔽層為地，其內(nèi)部為傳輸線。

2.2 控制核心

采用SoC單片機(jī)作為節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)的控制核心。SoC單片機(jī)具有功耗小和體積小的特點(diǎn)，并具有JTAG系統(tǒng)編程和A/D轉(zhuǎn)換功能。節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理圖如圖3所示。

以SoC單片機(jī)為操作核心的系統(tǒng)具有減少外設(shè)和電腦待機(jī)損耗的功能。節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)的電腦主機(jī)接入圖3中的插孔1;打印機(jī)、顯示器等電腦外設(shè)通過插孔2、插孔3和插孔4進(jìn)行連接;供電電路通過插孔5進(jìn)行連接，作為功率分配系統(tǒng)中普通的備用電源。

2.3 數(shù)字負(fù)載

節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)中，電流的功耗和主機(jī)的負(fù)載由電流監(jiān)測(cè)部分負(fù)責(zé)。功率分配系統(tǒng)中控制單元主要根據(jù)系統(tǒng)的程序?qū)鞲衅餍畔⑦M(jìn)行設(shè)定;節(jié)能關(guān)電動(dòng)作主要通過繼電器的開關(guān)完成，切斷外設(shè)和主機(jī)的供電。在智能插座中，每個(gè)插口設(shè)置具有讀取智能負(fù)載信息的信息接口，申請(qǐng)?批復(fù)的過程由系統(tǒng)的通信接口完成，滿足智能插座功率分配功能，傳統(tǒng)負(fù)載與數(shù)字負(fù)載的區(qū)別是前者少了信息部分，圖4為數(shù)字功率負(fù)載的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)圖。

在節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)中，數(shù)字負(fù)載可采用插座電路板的通信單元和控制單元，還可完成JTAG編程的模擬。

2.4 定向耦合器

定向耦合器是一種具有4個(gè)端口的網(wǎng)絡(luò)元件，具有方向性的功率分配和功率耦合功能及互易、匹配和無耗的特點(diǎn)，可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成任意功率分配比的制作，提高節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)的效率。定向耦合器中包含副線和主線，主線傳輸線完成能量的輸入，另一條輸出線則為副線。通過定向耦合器的耦合因數(shù)將信號(hào)從主線傳送到副線中，從端口1傳送的信號(hào)根據(jù)因數(shù)耦合將功率傳輸?shù)蕉丝?，端口2接收剩余的所有輸入功率，端口4沒有功率。圖5為定向耦合器示意圖。

3 功率分配方法

為了降低功率分配方法的復(fù)雜度，在功率分配開始前對(duì)系統(tǒng)的比特?cái)?shù)進(jìn)行預(yù)先分配，每次分配比特?cái)?shù)時(shí)都在功率分配系統(tǒng)的多個(gè)信道子區(qū)間中完成。

由香濃定量可知，在節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)中，第[i]個(gè)子信道發(fā)送信號(hào)功率[pi]和分配比特?cái)?shù)[bi]之間滿足：

4 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

本次實(shí)驗(yàn)在IAR EWARM V5環(huán)境下完成，為了檢測(cè)節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)的性能，需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。分別采用節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)、基于V9811的智能插座功率分配系統(tǒng)及基于多智能體的智能插座功率分配系統(tǒng)進(jìn)行能耗測(cè)試，對(duì)比三種不同方法的測(cè)試結(jié)果，如圖6所示。

圖6a）為節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)和基于V9811的智能插座功率分配系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果。分析圖6a）可知，在相同時(shí)間內(nèi)，節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)所用的能量低于基于V9811的智能插座功率分配系統(tǒng)所用的能量，證明節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)的能耗小于基于V9811的智能插座功率分配系統(tǒng)的能耗。

圖6b）為節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)與基于多智能體的智能插座功率分配系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果。分析圖6b）可知，在相同時(shí)間內(nèi)，節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)所用的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于基于多智能體的智能插座功率分配系統(tǒng)所用的能量，證明節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)的能耗小于基于多智能體的智能插座功率分配系統(tǒng)的能耗。驗(yàn)證了節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)的能耗較小。

為了驗(yàn)證節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)的分配效率，采用基于V9811的智能插座功率分配系統(tǒng)和節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比兩種不同方法在相同條件下的功率分配效率，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

分析表1可知，采用節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)在端口1所用的平均時(shí)間為0.125 s，在端口2所用的平均時(shí)間為0.15 s，在端口3所用的平均時(shí)間為0.175 s，在端口4所用的平均時(shí)間為0.125 s。采用基于V9811方法的智能插座功率分配系統(tǒng)在端口1所用的平均時(shí)間為0.2 s，在端口2所用的平均時(shí)間為0.275 s，在端口3所用的平均時(shí)間為0.3 s，在端口4所用的平均時(shí)間為0.25 s。對(duì)比兩種方法的測(cè)試結(jié)果可知，節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)在端口1、端口2、端口3和端口4所用的時(shí)間均少于基于V9811的智能插座功率分配系統(tǒng)所用的時(shí)間，驗(yàn)證了節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)的功率分配效率較高。

智能插座功率分配系統(tǒng)的穩(wěn)定性是保證用電設(shè)備和用戶安全的基礎(chǔ)，為了保障用戶和用電設(shè)備的安全，需要對(duì)節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。分別采用節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)和基于多智能體的智能插座功率分配系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，圖7為兩種方法的測(cè)試結(jié)果。

分析圖7可知，節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)的穩(wěn)定性高于基于多智能體的智能插座功率分配系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因?yàn)楣?jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)將接口電路中的信號(hào)線設(shè)置在內(nèi)部，以外部為地進(jìn)行設(shè)計(jì)，保障了電路中的信號(hào)不受強(qiáng)電干擾，提高了節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語

對(duì)智能插座的功率分配系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以對(duì)用戶電能的使用行為進(jìn)行有效的限制，既可以在用電高峰期限制大負(fù)荷電器行為的使用，又可以滿足用戶生活的基本用電要求。本文提出的節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，在能耗、功率分配效率和穩(wěn)定性方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使智能插座安全高效地應(yīng)用到生活中。

參考文獻(xiàn)

[1] 李洲，周雯.基于博弈論的中繼系統(tǒng)功率分配[J].計(jì)算機(jī)仿真，2016，33（2）：227?233.

LI Zhou， ZHOU Wen. Power allocation of relay system based on game theory [J]. Computer simulation， 2016， 33（2）： 227?233.

[2] 楊偉斌，張九根，陳奇，等.復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)負(fù)荷優(yōu)化分配研究[J].科技通報(bào)，2016，32（1）：93?96.

YANG Weibin， ZHANG Jiugen， CHEN Qi， et al. Research on optimal load distribution of composite GSHP system [J]. Bulletin of science and technology， 2016， 32（1）： 93?96.

[3] 舒暢，余夢(mèng)佳.基于非合作博弈論的CoMP系統(tǒng)功率分配算法[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2015，15（9）：103?108.

SHU Chang， YU Mengjia. A game theoretical power allocation for downlink CoMP system [J]. Science technology and engineering， 2015， 15（9）： 103?108.

[4] 董天強(qiáng)，陳波，周克，等.一種裕量最大的高速載波比特功率分配算法[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2017，25（6）：192?194.

DONG Tianqiang， CHEN Bo， ZHOU Ke， et al. A bit and power allocation algorithm based on max margin for high speed carrier [J]. Computer measurement & control， 2017， 25（6）： 192?194.

[5] 杜淳.室內(nèi)LED可見光語音通信網(wǎng)絡(luò)的信道分配算法研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（11）：18?20.

DU Chun. Research on channel assignment algorithm for visible?light voice communication network of indoor LED [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（11）： 18?20.

[6] ELDURSSI A M， O′CONNELL R M. A Fast nondominated sorting guided genetic algorithm for multi?objective power distribution system reconfiguration problem [J]. IEEE transactions on power systems， 2015， 30（2）： 593?601.

[7] PRASAD P S， RAO B P. Condition monitoring of 11 kV overhead power distribution line insulators using combined wavelet and LBP?HF features [J]. IET generation transmission & distribution， 2017， 11（5）： 1144?1153.

[8] 王仕果，易進(jìn)，彭海霞.中繼協(xié)作認(rèn)知無線電系統(tǒng)的最優(yōu)化功率分配[J].計(jì)算機(jī)工程，2015，41（5）：93?96.

WANG Shiguo， YI Jin， PENG Haixia. Optimal power allocation in relay cooperative cognitive radio system [J]. Computer engineering， 2015， 41（5）： 93?96.

[9] STRASSER T， ANDR?N F P， LAUSS G， et al. Towards holistic power distribution system validation and testing： an overview and discussion of different possibilities [J]. Elektrotechnik and informationstechnik， 2017， 134（1）： 71?77.