5G基站供电管理智能配电单元系统设计

叶 鸽，康晓龙，马 强，周 鹏，熊 伟，张永红

（成都亨通光通信有限公司，四川 成都 610100）

1 概 述

5G时代，基站设备输出功率有望从4G时期的40～80 W增加至200 W甚至更高，运算量的上升也将推动BBU功率进一步提升。5G单站的供电功率预计将达到4 000 W甚至更高，且通信基站数量庞大，因此通信基站电源运维管理和节能降耗将成为各运营商需要解决的首要问题[1]。多网络共址的基站或特定场景的小微基站（含室内分布系统）可根据基站话务量、数据流量以及人流量的分布状况对基站设备实施开关机节能，降低基站电费支出。本文针对这一现状设计了供电管理智能配电单元系统，该系统根据各自负载用电量进行精准计量，实现基站电费精准分摊的需求，而且可以通过运维平台或者上位机设置不同的掉电存储参数，分时通断控制多路负载供电，从而达到节能目标。

2 系统组成

本系统选定意法半导体STM32G473RCT6芯片作为主MCU进行软硬件设计，内置运行速度可达170 MHz的32位Cotex-M4内核(支持FPU和DSP指令集)与3种不同的硬件加速器，较同等价位的103系列主频72 MHz高出两倍以上，大幅节省了芯片运行时间[2]。该芯片程序空间为256K，RAM空间为128K，支持远程应用程序升级功能。程序分为Boot Loader和应用层App两个区域，485接口通过在应用中编程技术可实现网络在线升级功能，能够达到无人监管进行远程升级操作的目标，节省人力和维护成本[3,4]。通过比较在电路编程、在系统编程以及在应用中编程3种升级方式可以看出，后者升级方式性能最优。目前，Bootloader程序为32K字节，App程序约162K字节，MCU各功能模块描述如下。

2.1 开关量模块

本系统采用基于I2C通信扩展用输入输出模块的方式设计输入输出模块，仅仅只需要两路硬件资源，即SCL和SDA接口资源，而普通设计方式需要多达16路硬件资源。IC2设计方式为系统小型化目标节省了多达14路硬件资源[5]。

2.2 ADC采样模块

STM32G473RCT6单片机有多达26路12位ADC外部通道资源，每个资源采样电压的范围为0～3.6 V。本系统使用其中6路ADC外部通道资源分别用来检测4路输出电流、控制电压以及设备温度[6]。

2.3 数据存储模块

目前，市场上主要的数据存储模式有I2C和SPI两种。但是基于I2C通信的EEPROM芯片模式只能满足256个字节或有限的需求，而需要保存的记录多达1 000条，因此采用基于SPI通信协议的外部存储器模式保存4M字节数据[7]。

2.4 485通信模块

此模块与PC实现通信，通过配置定时等功能参数实现系统分时下电功能，同时可以实现实时校正运行电压或电流值、提取运行数据以及上报报警和故障数据等功能。为了便于监控平台管理，该模块还兼容复用远程升级模式。为了避免主MCU和485通信模块之间的信号干扰，电路设计的时候使用光耦将MCU引脚和通信芯片进行隔离，达到了满足不同波特率下的通信要求。通过测试，100 ms间隔命令丢包率基本为0。

2.5 液晶模块

为了满足调试和近端操作的需求，设计了基于液晶显示屏和按键组合的方式来实现就地操作。上、下、确认以及返回4个按键通过筛选程序中固化的文字库和图片库将各个功能单元模块显示在液晶显示屏不同的页面层级上，包括总电压、电流及电量，同时按键组合具备操作设备上电、下电以及设置定时关、通等功能。

3 软件设计

3.1 程序设计思想

本系统软件基于C语言开发，程序主体主要包括底层驱动程序和应用层程序两部分。其中，底层驱动程序如图1所示，应用层程序图2所示。程序设计主要是以程序的描述形式、易用性、健壮性、可扩展性以及可移植性5个方面来考量。本系统程序全部模块化处理，将复杂的程序细化为一个个模块，最后统一为一个整体[8]。

图1 底层驱动程序框图

图2 应用层程序框图

3.2 模拟量采集

5G基站建设对电量的真实性非常敏感，正确的模拟量采集精度至关重要，因而需要设计一种稳定且可靠的采集模式和算法。ADC采样模块有多路采样通道，分别对电压、电流以及温度进行采样。根据一阶电路全响应可以发现通道之间会相互干扰，ADC的采样电容在两个通道之间进行切换时的电路如图3所示[9]。

图3 ADC多路切换

其中，Cs是ADC采样电容，Rs是ADC采样电阻。两路信号源A和B的电平分别为Ua和Ub，内阻分别为Ra和Rb。为了简化问题，假定两路信号扫描次序是由信号源B到信号源A，且信号源B接入的时间足够长，以至在通道切换时采样电容Cs上的电压可以近似等于Ub。在通道切换到信号源A后，采样电容Cs上电压的变化为：

随着时采样保持时间t的增长，采样电容Cs的电压逐渐趋近于Ua,两者之间的误差为：

该误差即信号源B通过采样电容Cs对信号源A的耦合值。随着采样保持时间t的增长，该值逐渐减小，最终趋近于零。

从式（1）和式（2）可以看出，有两种方法可以减少误差。一是通过增加采样保持时间t获得更多的衰减时间；二是通过减少信号源内阻Ra，使其具备更快的衰减时间。

以上两点可以作为消除ADC不同通道之间通过采样电容Cs产生寄生耦合的理论依据。在降低内阻方面可以通过在信号源与ADC之间加入跟随器进行隔离来实现。实际程序设计时通过均值滤波和增大采样时间来处理，流程如图4所示。

图4 ADC采样流程图

3.3 定时处理

为了应对闲时下电的需求，设计了5个定时时段的下电和上电模块，通过RTC实时时钟记录系统时间。上位机设置5个时段的参数并且将开通当前时段功能，程序通过比较关和开的时间段进行相应的继电器分合闸操作，完成节能降耗的功能[10]。

目前，智能配电系统每户输出电流100 A，电压50 V。按照5个定时时段，每个时段1 h的需求，一天可以至少节省5 kW·h的电能，一年可以节省1 825 kW·h的电能，为运营商大幅度降低了运营成本。

4 结 论

随着5G技术发展日益成熟，5G网络建设进一步加快。为满足5G基站分时能耗需求，必须实行配电管理。本文5G基站供电管理智能配电单元系统设计介绍了一种5G基站智能管理设备系统，为5G网络能效和管理提供了可行性方案。