在全球光伏裝機量持續(xù)增長的背景下，光伏逆變器的技術(shù)升級和創(chuàng)新變得尤為重要?？煽啃宰鳛槟孀兤骱蛢δ芗夹g(shù)發(fā)展不斷追求的性能，對光伏系統(tǒng)發(fā)電量和安全有著至關(guān)重要的影響。人工智能（AI）技術(shù)的發(fā)展為光伏系統(tǒng)帶來新的解決方案，尤其是在直流電弧故障電路保護(hù)方面。AFCI（電弧故障斷路器）可通過識別電路中的電弧故障特征信號，在電弧故障發(fā)展成為火災(zāi)或電路出現(xiàn)短路之前斷開電源電路，成為儲能系統(tǒng)（ESS）可靠部署中不可或缺的一環(huán)。
在電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，AFCI在逆變器和ESS產(chǎn)品中使用非常廣泛，是關(guān)鍵的差異化因素。恩智浦（NXP）的智能拉弧檢測方案，配合eIQ Time Series Studio（eIQ TSS）工具，通過自動化的機器學(xué)習(xí)（ML）工作流程，簡化基于時間序列機器學(xué)習(xí)的開發(fā)和部署，為光伏系統(tǒng)提供更可靠、更安全的保護(hù)。
12月17日，集微網(wǎng)舉辦第82期“集微公開課”活動，特邀恩智浦大中華區(qū)電力與能源市場經(jīng)理楊柳源源、恩智浦半導(dǎo)體大中華區(qū)通用MCU系統(tǒng)與應(yīng)用工程師宋一宵、恩智浦半導(dǎo)體大中華區(qū)應(yīng)用處理器系統(tǒng)與應(yīng)用工程師高新意帶來《端側(cè)機器學(xué)習(xí)：實現(xiàn)智能拉弧檢測的快速部署與工業(yè)控制的無限可能》的主題分享。三位嘉賓詳細(xì)介紹了恩智浦的能源策略及電源轉(zhuǎn)換方案，恩智浦拉弧檢測的完整解決方案與案例，eIQ Time Series Studio優(yōu)勢及應(yīng)對的技術(shù)挑戰(zhàn)，端到端的開發(fā)及部署工具賦能邊緣AI，實現(xiàn)AI應(yīng)用快速落地等精彩內(nèi)容。
恩智浦打造可持續(xù)、可靠、自動化能源方案
恩智浦在綠色能源領(lǐng)域有深厚的經(jīng)驗和豐富的產(chǎn)品組合，從端到端進(jìn)行能源優(yōu)化。據(jù)恩智浦大中華區(qū)電力與能源市場經(jīng)理楊柳源源介紹，恩智浦的能源策略聚焦在三大方面：可持續(xù)、可靠、智能化與自動化，并圍繞這三個策略打造產(chǎn)品組合。恩智浦致力于為客戶開發(fā)高效安全的解決方案，加速產(chǎn)品落地，打造長期、穩(wěn)健的能源應(yīng)用。電源轉(zhuǎn)換方案方面，楊柳源源表示，恩智浦產(chǎn)品助力打造安全高效的逆變器解決方案，優(yōu)化能源生成、傳輸與配置的效率。
對于恩智浦產(chǎn)品方案如何保證10年或以上的可靠運行，楊柳源源從三個維度進(jìn)行了解答。她表示，首先在硬件開發(fā)上，恩智浦芯片產(chǎn)品的工業(yè)場景下工作溫度范圍為-40℃至105℃，拓展產(chǎn)品可達(dá)到125℃，使其在極端溫度場景和環(huán)境下達(dá)到可靠性；第二，在產(chǎn)品生命周期方面，針對超長服務(wù)期限，恩智浦的產(chǎn)品會進(jìn)行7x24小時不間斷的88000個小時的質(zhì)量驗證；第三，在產(chǎn)品供應(yīng)方面，恩智浦承諾保證15年超長供貨，即使在考慮后續(xù)產(chǎn)品的快速迭代及配合情況下，也會持續(xù)供貨此前的產(chǎn)品。
智能拉弧檢測市場加速增長，恩智浦優(yōu)化高性能、低功耗方案
機構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，全球AFCI市場需求及規(guī)模在不斷增長，將從2024年的56.36億美元增長至2030年的80.99億美元，2023年至2030年期間復(fù)合年均增長率（CAGR）為6.4%。
恩智浦半導(dǎo)體大中華區(qū)通用MCU系統(tǒng)與應(yīng)用工程師宋一宵介紹到，受法規(guī)和更高安全要求的推動，美國是2023年全球安裝量最大的市場；中國光伏安裝量在2024年達(dá)到240GW，占全球市場的43%，推動中國AFCI市場的增長。光伏和ESS（儲能系統(tǒng)）中AFCI的采用率不斷提高，ESS的市場規(guī)模預(yù)計到2030年將超過4000億美元，復(fù)合年均增長率為28%。
宋一宵表示，恩智浦的智能拉弧檢測方案基于NXP MCX N或i.MX RT系列高性能MCU，可提供邊緣處理能力，使用NXP EIQ工具訓(xùn)練模型并實施部署（包括時間序列和異常檢測工具），同時進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和推理，數(shù)據(jù)記錄及收集，異常數(shù)據(jù)可保存，并將采樣數(shù)據(jù)并上傳到PC，在PC上進(jìn)行預(yù)處理和驗證，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，適合訓(xùn)練。該方案還支持可擴展，同時支持單通道或多通道，根據(jù)計算選擇不同的MCU。
其中，在數(shù)據(jù)采樣、收集、驗證階段，需要完成正常運行模式下無電弧時采樣數(shù)據(jù)，產(chǎn)生電弧時采樣數(shù)據(jù)，還有不同負(fù)載下正常和異常數(shù)據(jù)采樣，數(shù)據(jù)將被標(biāo)記以進(jìn)行分類，然后在PC端驗證數(shù)據(jù)以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。
在AFCI示例中，宋一宵展示了HW1.0設(shè)計框圖，這是一款電容信號采集板（SIGNAL EVK），共有四個通道，每個通道配有相應(yīng)的濾波器、放大器，允許在特定的頻率范圍內(nèi)采集電弧發(fā)生時的信號。該演示采用MCXN947上的16bit ADC對多路電流信號進(jìn)行采集，采集到的信號將通過高速USB發(fā)送到電腦端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并按照提前設(shè)計好的長度，在MCXN947內(nèi)置的數(shù)學(xué)加速器PowerQuad加持下，進(jìn)行計算。之后將計算得到的頻譜數(shù)據(jù)送入模型中進(jìn)行推理，推理過程中使用內(nèi)置NPU進(jìn)行加速，最終得到的結(jié)果會通過串口輸出，同時點亮板載的LED來提醒客戶檢測到了電弧。
恩智浦的AFCI項目支持流程方面，包括數(shù)據(jù)收集過程、驗證，數(shù)據(jù)分析和模型開發(fā)，模型訓(xùn)練和驗證，模型部署和測試，然后基于測試結(jié)果的迭代（重復(fù)以上步驟），來不斷平衡性能、準(zhǔn)確性、模型復(fù)雜度。據(jù)介紹，恩智浦AFCI工具可實現(xiàn)在線模型測試，并實時收集當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行模型測試，同時在PC端驗證模型的效果。
在展示的太陽能逆變器直流AFCI檢測項目中，工程師使用AFCI工具進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，包括正常信號和異常電弧數(shù)據(jù)，在320KHz采樣頻率下，每個數(shù)據(jù)樣本有2048個點。結(jié)合頻域信號分析，實驗室的結(jié)果顯示，恩智浦方案2048點FFT + CNN的準(zhǔn)確度達(dá)到了100%，在150MHz CM33 CPU上進(jìn)行FFT+NN計算的估計時間小于1ms。使用PowerQuad，計算時間可以縮短至小于200us。該方案采用Python編寫，不過數(shù)據(jù)集僅來自一個設(shè)備實例，可能有更多類型的AFCI波形，這就需要使用更大的模型來處理。
宋一宵詳細(xì)介紹了恩智浦的NXP MCX N系列芯片，可通過將工作負(fù)載劃分到不同的內(nèi)核和外設(shè)，來實現(xiàn)更好的性能和更低的功耗。該芯片亮點包括：
頻率150+MHz的雙Cortex M33，可同時運行多個任務(wù)，例如在檢測電弧的同時，可以保存數(shù)據(jù)到PC端或外置存儲。
片上閃存達(dá)2MB，512KB RAM帶可選ECC。
加速器支持NPU（可加速深度模型的推理速度）、智能DMA、PowerQuad（用于加速傅里葉變換的計算）、第三方支持的CoolFlux DSP（PLC，電力線通信）。
具備豐富的外設(shè)。
支持EdgeLock安全子系統(tǒng)等。
宋一宵表示，在使用NXP eIQ軟件開發(fā)環(huán)境下，與單純Cortex M33 CPU相比，加持NPU后的ML吞吐量提高約30倍，這意味著使用MCX NPU實現(xiàn)ML運算加速方面，會帶來意想不到的好處。
比如，在異常檢測情況時，使用MCX N9xx M3+NPU時，推理時間可達(dá)到1.37ms，同時功耗為170μJ。相比起同頻率的MCX N9xx M33 CPU，推理加快6.4倍，能效大幅提升4.9倍。
在如何提高測量與控制的穩(wěn)健與精確方面，恩智浦工程師解答表示，恩智浦的拉弧檢測工具，支持不同的機器學(xué)習(xí)模型，比如可選擇更大尺寸的模型，配合采集更加完善的數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，計算量也會相應(yīng)增加?？紤]到現(xiàn)實環(huán)境下不同的噪聲影響，因此需要確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量，從而進(jìn)一步提升檢測的準(zhǔn)確度和可靠性。
恩智浦eIQ TSS端到端開發(fā)及部署工具 賦能邊緣AI
隨著大型智能模型的發(fā)展，越來越多的應(yīng)用要求能夠在配備MCU和微處理器的端側(cè)/邊緣設(shè)備上運行AI，這帶來了更低延遲、更低能耗以及更強數(shù)據(jù)隱私保護(hù)等性能提升。在這些應(yīng)用中，時間序列（Time Series）數(shù)據(jù)通常用于開發(fā)三類主要任務(wù)：異常檢測、分類和回歸。在該領(lǐng)域，恩智浦是提供硬件參考設(shè)計、軟件包和機器學(xué)習(xí)工具包等系統(tǒng)解決方案的佼佼者。
為了推進(jìn)端側(cè)/邊緣AI，恩智浦推出了eIQ? Time Series Studio（eIQ TSS），具有自動化的機器學(xué)習(xí)工作流程，簡化跨MCU類開發(fā)和部署基于時間序列的機器學(xué)習(xí)模型設(shè)備（例如MCX產(chǎn)品組合MCU和i.MX RT跨界MCU產(chǎn)品組合），提供全面的開發(fā)環(huán)境，包括數(shù)據(jù)管理、可視化和分析以及模型自動生成、優(yōu)化、仿真和部署。
據(jù)恩智浦半導(dǎo)體大中華區(qū)應(yīng)用處理器系統(tǒng)與應(yīng)用工程師高新意介紹，TSS為嵌入式設(shè)備訓(xùn)練小型機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)模型，主要部署在MCU上運行，為嵌入式設(shè)備添加智能屬性加成，而開發(fā)者無需專業(yè)的AI技能，即可輕松快速構(gòu)建，相較于云端部署，擁有更快響應(yīng)、更高隱私的優(yōu)勢。該工具還支持CML/NN深度學(xué)習(xí)、DSP/NPU加速，定制精簡模型并縮小輸入尺寸。
高新意表示，時間序列數(shù)據(jù)是指按一致、均勻的時間間隔記錄的一系列數(shù)據(jù)點。而異常檢測的目的是識別超出預(yù)期的行為。它依賴時間序列數(shù)據(jù)來檢測與正常行為的偏差，從而觸發(fā)警報或緊急停止，以盡量減少損害。
高新意詳細(xì)介紹了恩智浦TSS工具，該工具支持多種傳感器輸入信號，包括電壓、電流、溫度、振動、壓力、聲音和飛行時間等，還支持這些信號的組合，實現(xiàn)多模態(tài)傳感器融合。其自動機器學(xué)習(xí)功能使開發(fā)人員能夠從原始時間序列數(shù)據(jù)中提取有意義的見解，并快速構(gòu)建AI模型，以滿足MCU的精度、RAM和存儲標(biāo)準(zhǔn)。該工具提供了全面的開發(fā)環(huán)境，包括數(shù)據(jù)策展、可視化和分析，以及模型的自動生成、優(yōu)化、模擬和部署。
在示例環(huán)節(jié)，高新意講述了利用恩智浦TSS工具的三個端側(cè)機器學(xué)習(xí)的案例，分別是在設(shè)備上訓(xùn)練的異常檢測，風(fēng)機堵塞狀態(tài)檢測（RTOS+MC+AI），基于AI和真實衣物的高精度洗衣機稱重方案。
在設(shè)備上的異常檢測案例，是基于MCX N9xx（也可移植到其他MCU），將模型放置在MCU上進(jìn)行訓(xùn)練和推理，通過在風(fēng)扇上貼上3軸加速度傳感器（200Hz），僅使用30個數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行訓(xùn)練，通過TSS工具進(jìn)行頻域和時域分析，將生成的模型部署到開發(fā)板后進(jìn)行運行，LCD屏幕會輸出風(fēng)扇狀態(tài)和模型標(biāo)簽。
在風(fēng)機堵塞狀態(tài)檢測案例中，通過FreeMASTER獲取風(fēng)機不同堵塞情況下數(shù)據(jù)集，使用TSS訓(xùn)練ML模型并將其部署到MCU。轉(zhuǎn)矩電流由ADC采樣并送到TSS生成分類模型，后處理代碼將離散類轉(zhuǎn)換為連續(xù)回歸值，并估計出風(fēng)口堵塞率的百分比。
在高精度洗衣機稱重方案中，基于永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩電流數(shù)據(jù)，應(yīng)用回歸模型，相較于按照等級分類的模型具有更高的測量精度；采用深度學(xué)習(xí)模型，僅占用33K Flash和12K RAM（浮點模型）及基于TSS的ML，僅占用43K Flash和12K RAM。該案例無需重量傳感器，即可測量5kg以內(nèi)混合衣物的任意重量，實現(xiàn)更方便、性價比更高的解決方案。
在問答環(huán)節(jié)，高新意表示，除了以上應(yīng)用場景，端側(cè)機器學(xué)習(xí)還可應(yīng)用于設(shè)備故障檢測、預(yù)測性維護(hù)，實時監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)（比如震動、溫度等），從而避免停機損失，提高生產(chǎn)效率等。
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（校對/張杰）
