5G基站供電管理智能配電單元系統設計

葉 鴿，康曉龍，馬 強，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時代，基站設備輸出功率有望從4G時期的40～80 W增加至200 W甚至更高，運算量的上升也將推動BBU功率進一步提升。5G單站的供電功率預計將達到4 000 W甚至更高，且通信基站數量龐大，因此通信基站電源運維管理和節能降耗將成為各運營商需要解決的首要問題[1]。多網絡共址的基站或特定場景的小微基站（含室內分布系統）可根據基站話務量、數據流量以及人流量的分布狀況對基站設備實施開關機節能，降低基站電費支出。本文針對這一現狀設計了供電管理智能配電單元系統，該系統根據各自負載用電量進行精準計量，實現基站電費精準分攤的需求，而且可以通過運維平臺或者上位機設置不同的掉電存儲參數，分時通斷控制多路負載供電，從而達到節能目標。

2 系統組成

本系統選定意法半導體STM32G473RCT6芯片作為主MCU進行軟硬件設計，內置運行速度可達170 MHz的32位Cotex-M4內核(支持FPU和DSP指令集)與3種不同的硬件加速器，較同等價位的103系列主頻72 MHz高出兩倍以上，大幅節省了芯片運行時間[2]。該芯片程序空間為256K，RAM空間為128K，支持遠程應用程序升級功能。程序分為Boot Loader和應用層App兩個區域，485接口通過在應用中編程技術可實現網絡在線升級功能，能夠達到無人監管進行遠程升級操作的目標，節省人力和維護成本[3,4]。通過比較在電路編程、在系統編程以及在應用中編程3種升級方式可以看出，后者升級方式性能最優。目前，Bootloader程序為32K字節，App程序約162K字節，MCU各功能模塊描述如下。

2.1 開關量模塊

本系統采用基于I2C通信擴展用輸入輸出模塊的方式設計輸入輸出模塊，僅僅只需要兩路硬件資源，即SCL和SDA接口資源，而普通設計方式需要多達16路硬件資源。IC2設計方式為系統小型化目標節省了多達14路硬件資源[5]。

2.2 ADC采樣模塊

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

2.3 數據存儲模塊

目前，市場上主要的數據存儲模式有I2C和SPI兩種。但是基于I2C通信的EEPROM芯片模式只能滿足256個字節或有限的需求，而需要保存的記錄多達1 000條，因此采用基于SPI通信協議的外部存儲器模式保存4M字節數據[7]。

2.4 485通信模塊

此模塊與PC實現通信，通過配置定時等功能參數實現系統分時下電功能，同時可以實現實時校正運行電壓或電流值、提取運行數據以及上報報警和故障數據等功能。為了便于監控平臺管理，該模塊還兼容復用遠程升級模式。為了避免主MCU和485通信模塊之間的信號干擾，電路設計的時候使用光耦將MCU引腳和通信芯片進行隔離，達到了滿足不同波特率下的通信要求。通過測試，100 ms間隔命令丟包率基本為0。

2.5 液晶模塊

為了滿足調試和近端操作的需求，設計了基于液晶顯示屏和按鍵組合的方式來實現就地操作。上、下、確認以及返回4個按鍵通過篩選程序中固化的文字庫和圖片庫將各個功能單元模塊顯示在液晶顯示屏不同的頁面層級上，包括總電壓、電流及電量，同時按鍵組合具備操作設備上電、下電以及設置定時關、通等功能。

3 軟件設計

3.1 程序設計思想

本系統軟件基于C語言開發，程序主體主要包括底層驅動程序和應用層程序兩部分。其中，底層驅動程序如圖1所示，應用層程序圖2所示。程序設計主要是以程序的描述形式、易用性、健壯性、可擴展性以及可移植性5個方面來考量。本系統程序全部模塊化處理，將復雜的程序細化為一個個模塊，最后統一為一個整體[8]。

圖1 底層驅動程序框圖

圖2 應用層程序框圖

3.2 模擬量采集

5G基站建設對電量的真實性非常敏感，正確的模擬量采集精度至關重要，因而需要設計一種穩定且可靠的采集模式和算法。ADC采樣模塊有多路采樣通道，分別對電壓、電流以及溫度進行采樣。根據一階電路全響應可以發現通道之間會相互干擾，ADC的采樣電容在兩個通道之間進行切換時的電路如圖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。兩路信號源A和B的電平分別為Ua和Ub，內阻分別為Ra和Rb。為了簡化問題，假定兩路信號掃描次序是由信號源B到信號源A，且信號源B接入的時間足夠長，以至在通道切換時采樣電容Cs上的電壓可以近似等于Ub。在通道切換到信號源A后，采樣電容Cs上電壓的變化為：

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

該誤差即信號源B通過采樣電容Cs對信號源A的耦合值。隨著采樣保持時間t的增長，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。一是通過增加采樣保持時間t獲得更多的衰減時間；二是通過減少信號源內阻Ra，使其具備更快的衰減時間。

以上兩點可以作為消除ADC不同通道之間通過采樣電容Cs產生寄生耦合的理論依據。在降低內阻方面可以通過在信號源與ADC之間加入跟隨器進行隔離來實現。實際程序設計時通過均值濾波和增大采樣時間來處理，流程如圖4所示。

圖4 ADC采樣流程圖

3.3 定時處理

為了應對閑時下電的需求，設計了5個定時時段的下電和上電模塊，通過RTC實時時鐘記錄系統時間。上位機設置5個時段的參數并且將開通當前時段功能，程序通過比較關和開的時間段進行相應的繼電器分合閘操作，完成節能降耗的功能[10]。

目前，智能配電系統每戶輸出電流100 A，電壓50 V。按照5個定時時段，每個時段1 h的需求，一天可以至少節省5 kW·h的電能，一年可以節省1 825 kW·h的電能，為運營商大幅度降低了運營成本。

4 結 論

隨著5G技術發展日益成熟，5G網絡建設進一步加快。為滿足5G基站分時能耗需求，必須實行配電管理。本文5G基站供電管理智能配電單元系統設計介紹了一種5G基站智能管理設備系統，為5G網絡能效和管理提供了可行性方案。