孫艷琴

摘 要：電能表作為計(jì)量電能大小的儀表，本設(shè)計(jì)硬件電路主要部分采用高精度計(jì)量芯片ATT7022B與微控制器MSP430F149為基礎(chǔ)平臺(tái)，此外還包括 RS485通信電路、存儲(chǔ)電路、電源電路等，實(shí)現(xiàn)了硬件整體構(gòu)建。

關(guān)鍵詞：計(jì)量芯片；電能表；ATT7022B；硬件

隨著國內(nèi)外研究電能計(jì)量和數(shù)據(jù)通信的理論趨于成熟，傳統(tǒng)電表已經(jīng)不能滿足人類的需要，短短幾百年來電能表經(jīng)歷了巨大的改變，國內(nèi)外已經(jīng)把研究的重心聚焦在智能電網(wǎng)中多功能電能表的現(xiàn)代化和智能化技術(shù)。通過調(diào)研總結(jié)國內(nèi)不同廠家的高壓計(jì)量產(chǎn)品，主要有4種計(jì)量方式。（1）傳統(tǒng)電磁式互感器和電子式電能表的計(jì)量方式。（2）使用弱輸出式互感器配合電子式電能表的計(jì)量方式。（3）使用電子式互感器替代電磁式互感器，配合電子式電能表。（4）傳感器式高壓電能計(jì)量裝置，基于專業(yè)電能計(jì)量芯片，將計(jì)量電路與信號(hào)傳感部分有機(jī)結(jié)合制造的一體式高壓計(jì)量裝置。第一種中間環(huán)節(jié)多，功耗大，鐵芯，銅材耗費(fèi)多，體積重量比較大，研制難度低，配套容易。第二種和第三種一體化程度不高。第四種該型結(jié)構(gòu)緊湊，一體化程度高，無配套電能表配合的問題，高壓電能表具有唯一的計(jì)量整體準(zhǔn)確度，不需傳統(tǒng)的綜合誤差推導(dǎo)計(jì)算，能綜合比對(duì)傳統(tǒng)計(jì)量裝置中互感器、二次導(dǎo)線和電能表的總體計(jì)量準(zhǔn)確性，研制難度較高[1]。本方案采用電能參數(shù)專用計(jì)量芯片ATT7022B，以及單片機(jī)MSP430F149，研制數(shù)字式高精度電能表。

1 系統(tǒng)測(cè)量原理

ATT7022B采用QFP44封裝，內(nèi)部集成了多個(gè)適于電信號(hào)采集、變換，能對(duì)電能、電功率、電流有效值、電壓有效值、功率因數(shù)、頻率等參數(shù)進(jìn)行精確計(jì)算。采樣信號(hào)由電流信道和電壓信道進(jìn)入，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換之后送到數(shù)字信號(hào)處理模塊中，數(shù)字信號(hào)處理模塊對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理之后，可以得到全波、基波和諧波的有功、無功、視在功率，有功、無功能量，電流、電壓有效值，頻率、功率因數(shù)、相角等參數(shù)[2-3]。

1.1 電壓有效值測(cè)量

如圖1所示，通過對(duì)電壓采樣值進(jìn)行平方、開方以及數(shù)字濾波等一系列運(yùn)算得到。電壓通道輸入10～1 000 MV的信號(hào)時(shí)電流有效值的誤差小于0.5%。

1.2 電流有效值測(cè)量

如圖2所示，通過對(duì)電流采樣值進(jìn)行平方、開方以及數(shù)字濾波等一系列運(yùn)算得到。電流通道輸入2～1 000 MV的信號(hào)時(shí)電流有效值的誤差小于0.5%。

1.3 有功功率測(cè)量

如圖3所示，各相的有功功率是通過對(duì)去直流分量后的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行乘法、加法、數(shù)字濾波等一系列數(shù)字信號(hào)處理后得到的。電流電壓采樣數(shù)據(jù)中包含高達(dá)21次的諧波信息，所以依據(jù)公式 計(jì)算得到的有功功率也至少包含21次諧波信息。有功功率的測(cè)量原理圖如圖3所示，合相有功功率Pt=Pa+Pb+Pc。

1.4 無功功率測(cè)量

如圖4所示，根據(jù)真無功功率（正弦式無功功率）定義公式無功功率Q=ΣU（n）I（n）sin（θ），無功功率計(jì)量算法與有功類似，只是電壓信號(hào)采用移相90度之后的。測(cè)量帶寬主要受到數(shù)字移相濾波器的帶寬限制，ATT7022B無功功率的測(cè)量帶寬也可高達(dá)21次諧波。

2 總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)方案主要由以下幾部分組成：電流變換電路、電壓變換電路、計(jì)量芯片、MCU、接口部分、電源部分等，如圖5所示。通過電壓互感器和電流互感器對(duì)三相交流電電壓和電流進(jìn)行采樣，其作用類似于變壓器，把高電壓大電流轉(zhuǎn)化為小電壓小電流，然后輸入至電能計(jì)量芯片ATT7022B。ATT7022B與MSP430F149進(jìn)行SPI通信[4]。總體硬件電路設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

本次設(shè)計(jì)采用Altium Designer軟件，是在國內(nèi)外享有盛名的一款PCB輔助設(shè)計(jì)軟件。它集成PCB設(shè)計(jì)系統(tǒng)、電能仿真系統(tǒng)、FPGA設(shè)計(jì)系統(tǒng)于一體，可以實(shí)現(xiàn)從芯片級(jí)到PCB級(jí)的全套電路設(shè)計(jì)，原理圖的繪制和PCB的布板均使用此軟件完成，制作的三相三線的電路硬件實(shí)物[5]，硬件實(shí)物如圖6所示。

3 結(jié)語

電能表以ATT7022B芯片作為專業(yè)計(jì)量芯片用來對(duì)電壓、電流采樣，MSP430F149單片機(jī)主要對(duì)存儲(chǔ)電路、通信電路、校正電路等進(jìn)行處理。主要功能是實(shí)時(shí)測(cè)量電流、電壓、有功功率、無功功率等電能參數(shù)。該電能表集眾多傳統(tǒng)電表優(yōu)點(diǎn)于一身，具備高精度、多功能、長(zhǎng)壽命、誤差補(bǔ)償、抗干擾、體積小等一系列特點(diǎn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]任寶宏，徐科軍.MSP30單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[2]鄧陽.高精度數(shù)字式電能表的研制[D].大連：大連理工大學(xué)，2010.

[3]盧瑛.基于MSP430電能表的設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

[4]施喜平，王桂蘭.智能電表的應(yīng)用現(xiàn)狀及其展望[J].長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（3）：17-18.

[5]張佑春，潘曉君.采用ATT7022B與PIC16F877的電能計(jì)量研究[J].蘭州工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017（3）：67-71.