馬艷

摘 要： 對智能插座的功率分配系統(tǒng)進行設(shè)計是建設(shè)節(jié)約型社會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)計方法，對系統(tǒng)中的接口電路進行設(shè)計，保障電路中的信號不受強電干擾，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。實驗結(jié)果表明，所提方法的能耗小、功率分配效率高、穩(wěn)定性強，具有很高的實用價值。

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： TN710?34; TM503.5 文獻標識碼： A 文章編號： 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

當前市場的插座功能較為單一，其功能大多為用電的各種設(shè)備準備電源接口。目前市場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]。針對空調(diào)、電腦、飲水機、家庭影院和電視等用電設(shè)備設(shè)計智能插座，智能插座根據(jù)其智能電路實現(xiàn)自動斷電，具有明顯的省電效果，是建設(shè)節(jié)約型社會過程中較為重要的一部分[2?3]。

在我國電力系統(tǒng)的數(shù)字化改造中，功率分配具有重要意義。對智能插座的功率分配系統(tǒng)進行設(shè)計，可以對用戶電能的使用行為進行有效限制[4]。既可以在用電高峰期限制大負荷電器的使用行為，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行，需要對功率進行合理的分配[7]。功率分配中的關(guān)鍵點是實現(xiàn)功率配置[8]，采用軟件編程實現(xiàn)智能插座通道的自動管理和分配[9]。在節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)設(shè)計中，主通道不斷電的設(shè)置通過設(shè)定優(yōu)先級完成，智能插座連接的每個用電設(shè)備用戶都可以開啟，當開啟智能插座的某個主通道時，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

節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)由功率負載、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準以實現(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，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。接口電路中信號線設(shè)置在內(nèi)部，以外部為地進行設(shè)計，保障電路中的信號不受強電干擾，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單片機具有功耗小和體積小的特點，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)的實現(xiàn)原理圖如圖3所示。

以SoC單片機為操作核心的系統(tǒng)具有減少外設(shè)和電腦待機損耗的功能。節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)的電腦主機接入圖3中的插孔1;打印機、顯示器等電腦外設(shè)通過插孔2、插孔3和插孔4進行連接;供電電路通過插孔5進行連接，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，電流的功耗和主機的負載由電流監(jiān)測部分負責。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行設(shè)定;節(jié)能關(guān)電動作主要通過繼電器的開關(guān)完成，切斷外設(shè)和主機的供電。在智能插座中，每個插口設(shè)置具有讀取智能負載信息的信息接口，申請?批復的過程由系統(tǒng)的通信接口完成，滿足智能插座功率分配功能，傳統(tǒng)負載與數(shù)字負載的區(qū)別是前者少了信息部分，圖4為數(shù)字功率負載的結(jié)構(gòu)實現(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，可以在較短的時間內(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)將信號從主線傳送到副線中，從端口1傳送的信號根據(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雜度，在功率分配開始前對系統(tǒng)的比特數(shù)進行預(yù)先分配，每次分配比特數(shù)時都在功率分配系統(tǒng)的多個信道子區(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]個子信道發(fā)送信號功率[pi]和分配比特數(shù)[bi]之間滿足：

4 實驗方法及步驟

本次實驗在IAR EWARM V5環(huán)境下完成，為了檢測節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)的性能，需要對其進行測試。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)進行能耗測試，對比三種不同方法的測試結(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)的測試結(jié)果。分析圖6a）可知，在相同時間內(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)的測試結(jié)果。分析圖6b）可知，在相同時間內(nèi)，節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)所用的能量要遠遠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)進行測試，對比兩種不同方法在相同條件下的功率分配效率，測試結(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所用的平均時間為0.125 s，在端口2所用的平均時間為0.15 s，在端口3所用的平均時間為0.175 s，在端口4所用的平均時間為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所用的平均時間為0.2 s，在端口2所用的平均時間為0.275 s，在端口3所用的平均時間為0.3 s，在端口4所用的平均時間為0.25 s。對比兩種方法的測試結(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所用的時間均少于基于V9811的智能插座功率分配系統(tǒng)所用的時間，驗證了節(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，需要對節(jié)能型無線遙控智能插座的功率分配系統(tǒng)進行測試。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)進行測試，圖7為兩種方法的測試結(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，因為節(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線設(shè)置在內(nèi)部，以外部為地進行設(shè)計，保障了電路中的信號不受強電干擾，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

對智能插座的功率分配系統(tǒng)進行設(shè)計，可以對用戶電能的使用行為進行有效的限制，既可以在用電高峰期限制大負荷電器行為的使用，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)計方法，在能耗、功率分配效率和穩(wěn)定性方面進行了優(yōu)化設(shè)計，使智能插座安全高效地應(yīng)用到生活中。

參考文獻

[1] 李洲，周雯.基于博弈論的中繼系統(tǒng)功率分配[J].計算機仿真，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.復合地源熱泵系統(tǒng)負荷優(yōu)化分配研究[J].科技通報，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，余夢佳.基于非合作博弈論的CoMP系統(tǒng)功率分配算法[J].科學技術(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，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].計算機測量與控制，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，彭海霞.中繼協(xié)作認知無線電系統(tǒng)的最優(yōu)化功率分配[J].計算機工程，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.