于廣，高照玲，吳桐，周國順

（大連東軟信息學院智能與電子工程學院，遼寧 大連 116023）

在電力設備中或在電力系統(tǒng)的運行中，需要對電力數(shù)據(jù)，如三相電壓、三相電流、功率等進行測量和遠距離傳輸，同時電氣設備和電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展也對電力數(shù)據(jù)的測量精度和傳輸?shù)膶崟r性提出了更高的需求[1]。在電力系統(tǒng)和電氣設備中除了能對電氣參數(shù)進行精確測量外，還需要能實現(xiàn)電力系統(tǒng)的電力測量數(shù)據(jù)的通信傳輸，而這些都依賴于對電力系統(tǒng)電氣參數(shù)的實時和準確采集[2]。

1 設計方案

目前國內(nèi)外電力采集系統(tǒng)和電測儀表有利用交流電整流后的直流平均值和交流電有效值的對應關系，采用51單片機通過采樣數(shù)據(jù)進行簡單的計算得到電力數(shù)據(jù)，優(yōu)點是價格低廉、實現(xiàn)簡單，缺點是測量精度差。有進行電力參數(shù)檢測算法研究，利用高性能的數(shù)字處理器（DSP），通過算法對采樣數(shù)據(jù)進行計算處理得到電力數(shù)據(jù)，該方案優(yōu)點是測量精度高，缺點是實現(xiàn)復雜。而采用專用電能計量芯片和微處理器相結合的實現(xiàn)方案，集合了51單片機和DSP兩者的優(yōu)點，簡單而且高精度地實現(xiàn)電力數(shù)據(jù)實時采集和傳輸。

文中電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由主控芯片STM32和兩片電能計量芯片ATT7022E、電壓電流數(shù)據(jù)采集模塊、串口通訊模塊及電源模塊等部分組成，如圖1所示。采用的多功能專用電能計量芯片ATT7022E，能夠高精度地測量三相三線或者三相四線制模式下的三相交流電和單相交流電的電壓電流有效值、有功功率、無功功率、視在功率和功率因數(shù)等[3]。

圖1 系統(tǒng)結構框圖Fig.1 System structure diagram

ARMV7架構的ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32主控芯片，具有豐富的片上資源和強勁的性能，可有效地進行電力數(shù)據(jù)的處理，存儲和通訊傳輸[4]。電壓電流數(shù)據(jù)采集模塊，將采集到的電壓電流數(shù)據(jù)傳送給ATT7022E芯片，經(jīng)計算得到被測電壓、電流、有功功率、無功功率及功率因數(shù)等電力數(shù)據(jù)。STM32完成數(shù)據(jù)的處理、存儲，并通過串口通訊模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機或者其它控制器[5]。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 電源模塊設計

2.1.1 5 V輸出電源模塊設計

采用固定輸出版本的德州儀器（TI）生產(chǎn)的3 A電流輸出降壓開關型電壓調(diào)節(jié)器，完成12 V轉(zhuǎn)5 V的電源模塊設計，原理圖如圖2所示。

圖2 輸出5 V電源模塊原理圖Fig.2 Schematic diagram of output 5 V power module

LM2596是降壓型開關電壓調(diào)節(jié)器，其工作在150 kHz固定頻率，內(nèi)含1.23 V基準穩(wěn)壓器，且具有完備的電路保護功能。應用該芯片僅需很少的元器件，便可搭建成直流電壓轉(zhuǎn)換電路。開關型電壓調(diào)節(jié)器LM2596，因開關管工作在開關狀態(tài)，而非工作在線性區(qū)，故工作效率高，損耗小，溫升少，因此不用額外增加散熱裝置，同時具有良好的負載調(diào)節(jié)特性。

2.1.2 3.3 V輸出電源模塊設計

3.3 V電源模塊的主控電源穩(wěn)壓器，選用最大輸出電流為1 A的LM117低壓差線性穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器。因其價格便宜，尺寸小，故常用3.3 V固定電壓輸出版本的LM1117-3.3作為5 V轉(zhuǎn)3.3 V的單片機的電源芯片。輸出3.3 V電源模塊電路原理圖，如圖3所示。

圖3 輸出3.3 V電源模塊原理圖Fig.3 Schematic diagram of output 3.3 V power module

2.2 電壓電流采樣輸入設計

2.2.1 電壓采樣電路設計

采用電阻分壓網(wǎng)絡實現(xiàn)的電壓采樣電路，具有體積小、成本低廉的絕對優(yōu)勢，但不能實現(xiàn)電氣隔離。因此電阻分壓網(wǎng)絡較適合三相四線制及三相三線制接地點不好選取的場合。而采用電壓互感器實現(xiàn)的電壓采樣電路，具備強弱電的電氣隔離功能，但體積大、成本高。

文中采樣電路設計方案采用電阻分壓與電流互感器相結合的方式來實現(xiàn)電壓采樣，該實現(xiàn)方式兼顧了電阻分壓采樣的簡單和互感器電路隔離功能二者的優(yōu)點。被測強電電壓通過電阻分壓與電流互感器相連，經(jīng)過互感器隔離轉(zhuǎn)換成同相同頻的交流電流信號，經(jīng)由采樣電阻轉(zhuǎn)換成差分電壓信號，進行阻容低通濾波后輸出給ATT022E芯片[6]，電壓采樣電路如圖4所示。

圖4 電壓采樣電路Fig.4 Voltage sample circuit

由于電壓采樣輸入端為強電信號，采用電阻進行強弱電的轉(zhuǎn)換，電壓回路采樣信號輸入采用由7個1206封裝的27 kΩ的貼片電阻組成的總阻值為189 kΩ的電阻進行分壓和電壓電流轉(zhuǎn)換。

采用2 mA/2 mA電流型電壓互感器（差分方式）進行電壓采樣，電流互感器二次側(cè)信號經(jīng)由電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號2 mA×60 Ω=120 mV，該信號經(jīng)過濾波后接入ATT7022E的正負模擬輸入引腳（電壓通道），該值在芯片要求的電壓采樣通道0.2～500 mV的采樣范圍內(nèi)，線性度較好[7]。三相電壓電流采樣使用該種采樣方案，可使弱電與強電間進行有效的電氣隔離，使電路板具有良好的安全性和抗干擾性能。硬件設計中，輸入接口可以按電壓大小進行選擇接入，如果測量的是AC 380 V線電壓，采樣電路輸入端接P10的1和3引腳；如果測量的是AC 220 V的相電壓，采樣電路輸入端接P10的1和2引腳，這樣電流電壓互感器及電能計量芯片進行電氣數(shù)據(jù)的處理時，線電壓和相電壓便可以進行統(tǒng)一處理。

2.2.2 電流采樣電路設計

電流采樣電路采用差分輸入方式，電流采樣直接采用電流互感器進行電流采樣，經(jīng)過精密電阻轉(zhuǎn)換成500 mV以內(nèi)的差分交流電壓信號，再經(jīng)過濾波接入ATT7022E正負模擬輸入引腳[8]。設計中選用10 A/10 mA，0.2%精度的電流互感器，采樣電阻選用5.1 Ω的精密電阻，采樣電路如圖5所示。當額定電流10 A輸入時，采樣電阻得到的電信號為102 mV，當為額定電流的1%時，采樣信號為1.02 mV，若為最大極限電流50 A時，采樣信號為510 mV。根據(jù)ATT7022E的規(guī)格書，電流采樣信號線性誤差在小于0.1%范圍內(nèi)，從而保證了電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度要求。

圖5 電流采樣電路Fig.5 Current sample circuit

2.3 ATT7022E芯片計量電路設計

電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用鉅泉光科技（上海）股份有限公司推出的多功能高精度三相電能專用計量芯片ATT7022E，做為電力數(shù)據(jù)計量芯片。該計量芯片為44個引腳LQFP封裝型式，芯片內(nèi)部集成7路19位的ADC，可以實現(xiàn)三相電的電壓電流有效值、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)和電能質(zhì)量的監(jiān)控和測量，外圍電路如圖6所示。

圖6 ATT7022E芯片外圍電路Fig.6 Peripheral circuit of ATT7022E

2.4 MCU與計量芯片及上位機串口通訊模塊設計

電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是意法半導體公司的片上資源十分豐富的32位的STM32F103RBT6作為核心處理器[9]。ATT7022E內(nèi)部集成一個全雙工、高速、同步的通信總線，并且只占芯片4個引腳，控制線和數(shù)據(jù)線各2條：CS/SCLK/DIN/DOUT[10]。ATT7022E與外部MCU的SPI通訊接口典型接線，如圖7所示。

圖7 MCU與SPI通信模塊電路Fig.7 MCU and SPI communication module circuit

為了克服SPI傳輸信號線被干擾，在信號線上串聯(lián)一個10 Ω電阻，并在信號線輸入端并上一個10 pF的貼片電容，來組成一個低通濾波器，用來克服SPI接口上信號的高頻噪聲干擾[11]。

主控器與上位機通訊采用MAX3232芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，通過RS-232接口進行串口通信實現(xiàn)電力數(shù)據(jù)傳輸，電路如圖8所示。

圖8 MCU與上位機通信模塊電平轉(zhuǎn)換電路Fig.8 Voltage conversion circuit of MCU and upper machine communicatioin module

3 軟件部分設計

文中系統(tǒng)軟件部分包含以下幾個部分：單片機和ATT7022E的SPI通訊、ATT7022E電氣數(shù)據(jù)測量并校準、MCU對ATT7022E電氣數(shù)據(jù)的讀取和進行數(shù)據(jù)處理，并能根據(jù)設定好的通訊協(xié)議，將需要的電力數(shù)據(jù)發(fā)送給其它控制器。

3.1 單片機和ATT7022E的SPI通訊

ATT7022E芯片含有SPI串行通信接口，可實現(xiàn)與MCU間的高速數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率可達10 Mb/s。SPI通訊格式是相同的，8位地址、24位數(shù)據(jù)，MSB在前，LSB在后。通訊開始時SCLK為低電平，每完成一個寄存器的讀或?qū)懖僮鳎珻S均需動作一次。在時鐘信號的下降沿，MCU從DIN線寫入數(shù)據(jù)給芯片ATT7022E。在時鐘信號上升沿時，單片機從其讀取數(shù)據(jù)。

3.2 讀取ATT7022E電氣數(shù)據(jù)并校準

校表是對各相電壓增益、電流增益、功率增益、相位等進行的校正補償。ATT7022E軟件校表時，電壓、電流校正，啟動電流設置，斷相閾值電壓設置，沒有順序上的要求[12]。而進行功率校正，需先進行電壓電流校正，且要對合相能量累加模式及高頻輸出參數(shù)進行設定后，才能進行功率校正。下面詳細介紹下220 V/20 A規(guī)格輸入的校表實現(xiàn)過程[13]。

3.2.1 電壓電流采樣及ADC增益的設定

電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在220 V電壓/20 A電流輸入下，A相電壓采樣采用差分輸入，其得到的采樣信號為2 mA×30 Ω×2=0.12 V信號輸入；A相電流采樣，采用差分輸入為2 mA×5.1 Ω×2=0.0204 V信號輸入。采樣通道的ADC放大倍數(shù)，可以通過ADC增益選擇寄存器來控制設定。參比電壓Un取樣信號乘以放大倍數(shù)后等于0.22 V時，額定電流Ib取樣信號乘以放大倍數(shù)后等于0.05 V時，可獲得良好的線性特性，故ADC增益設定為2。

3.2.2 電壓電流校正過程

電壓電流讀取寄存器值除以213，即為電壓電流測量值，在讀取寄存器值前，需要對電壓電流測試數(shù)據(jù)進行校正。電壓電流校正相對于功率增益和相位校正是獨立的，電壓電流校正，測試計算出一個變換系數(shù)將采樣電壓變換為標準電壓值。以A相電壓電流校正為例來說明該計量芯片的校正過程：MCU通過SPI口讀出ATT7022E測量電壓有效值寄存器0x0D的電壓值，即電壓通道采樣電壓為Vu，經(jīng)由有效值計算：Urms_a=Vu×210/223=Vu/213轉(zhuǎn)換為測量電壓的有效值。標準表上讀出實際輸入電壓有效值為Ur_a，電壓增益為Ugain_a；電壓校正過程為

將計算的增益值寫入對應電壓增益寄存器，比如計算值為0x51B4，將0x51B4寫入寄存器0x97，即完成了A相電壓校正，電壓B，C相校正方法與A相相同。將220 V和380 V兩個常用的額定電壓測量通過不同接入端子接入，但共用一套采樣電路，使兩個等級的額定電壓用相同的采樣信號傳入電能計量芯片，從而使軟件只經(jīng)過一次校準便可適用于220 V和380 V兩個額定電壓等級的校準。額定電流輸入時，讀電流寄存器值Vi，有效值計算：Urms_a=Vi/213/N，其中電流系數(shù)N的確定依據(jù)為：當額定電流對應采樣信號為25 mV時，則N=30/Ib；當額定電流對應采樣信號為50 mV時，則N=60/Ib。電流校正值與電壓校正值的計算過程基本相同，只是對于電流校正，軟件設計中通過分段校正的方式，在不同的測量量程內(nèi)，依據(jù)采樣信號的大小進行校正參數(shù)的選擇，從而實現(xiàn)不同電流的測量精度，尤其小電流的測量精度。

3.2.3 功率增益校正和相位校正

ATT7022E功率測量校正，僅需對有功功率校正，無功功率和視在功率取同一校正系數(shù)填入功率增益寄存器中即可。ATT7022E在三相電連接成三相三線制模式，可以根據(jù)三相三線制電能計量的兩元件測量方法來計算，其中的B相采集通道可不參與合相的功率計量，B相通道可單獨進行其它電氣數(shù)據(jù)測量，只需A相和C相參與電能測量即可。功率增益校正步驟如下。

設置高頻脈沖系數(shù)：

式中：G為ATT7022E增益，其值為1.163；Vi為電流通道采樣電壓，V；Un為參比電壓，V；Ib為參比電流，A；EC為電表脈沖常數(shù)，IMP/（kW·h）。

計算功率系數(shù)：

式中：HFConst為寄存器寫入的高頻脈沖系數(shù)。

功率增益校正是在功率因數(shù)為1的條件下和額定電流條件下進行校正，校正公式為

式中：Pgain為功率增益校正值；err為電能誤差。

相位校正是在功率因數(shù)為0.5L的條件下進行，校正公式為

式中：PhSregpq為相位校正值。

將計算得到的功率增益進行補碼還原處理，如果Pgain≥ 0，則

如果Pgain＜ 0，則

將計算的值寫入功率增益寄存器，即完成功率增益補償校正。MCU從電能計量芯片ATT7022E能夠讀取有功功率、無功功率、視在功率和基波有功功率。既可以得到各分相的值，也可以得到三相總的功率值，功率為有符號的量，寄存器以補碼形式存放。讀取功率寄存器值，將其還原為原碼，乘以功率系數(shù)，分相功率乘以功率系數(shù)K，三相的總功率乘以2倍的功率系數(shù)，即乘以2K，所得到的即為實際功率。校表結束，需對校表中所得的校正數(shù)據(jù)進行存儲和備份，將校表數(shù)據(jù)寫入計量芯片，計量芯片才能得到準確的測量結果，用于MCU對測量數(shù)據(jù)的讀取和傳輸。

4 串口通訊

電力數(shù)據(jù)通過串口進行通訊傳輸，系統(tǒng)采用串口通信，實現(xiàn)了傳輸效率快、準確性高、造價低的優(yōu)點。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗位設定，波特率設定為115 200，數(shù)據(jù)傳輸報文格式如下。

4.1 上位機報文格式定義

上位機對MCU傳輸?shù)挠泄?、無功、視在功率、電壓電流有效值進行實時查詢操作。報文格式定義如表1所示。傳輸校驗碼，采用異或算法進行校驗，校驗范圍為從通訊序列號起始字節(jié)，到校驗碼的前一字節(jié)間的數(shù)據(jù)，將其按位進行異或操作，將其結果高低位各用一個字節(jié)ASCII表示，高4位在前，低4位在后。如查詢的有功功率的報文格式為：0x01 0x30 0x31 0x41 0x54 0x01 0x04 0x04。其中0x01代表報頭；0x30 0x31為通訊序列號；0x41 0x54為命令類型，表示查詢的為有功功率；0x01 0x04是校驗碼，尾部0x04是結束碼。

表1 上位機報文格式Tab.1 Host message format

4.2 下位機報文格式定義

下位機對測試的電力數(shù)據(jù)進行上傳操作。下位機報文格式定義如表2所示。

表2 下位機的報文格式Tab.2 Slave message format

例如：上位機查詢有功功率，下位機回復：0x01 0x30 0x31 0x41 0x54 0x00 0x00 0x00 0x00 0x01 0x04 x04，上位機從中得到4 bytes有功功率數(shù)據(jù)進行處理顯示。

5 實驗結果

輸入和輸出三相電壓電流測試結果驗證，為實現(xiàn)輸入輸出電壓可調(diào)，將三相調(diào)壓器（三相自耦變壓器）接入380 V三相交流電。用標準表監(jiān)測，調(diào)整得到需測量驗證的輸出三相交流電電壓。投入電子負載，為了更好地驗證在測試范圍內(nèi)的電流測量結果，實驗中將檢測電流值的互感器輸入端纏繞5圈，即將實際電流放大了5倍進行電流測量傳輸[14]。測試方案測試驗證得到輸入端A相電壓電流測試結果，如表3所示。

將三相電壓接入三角形連接的阻容負載，來驗證功率測量結果。標準表及高精度功率分析儀測量電壓標準值和電流功率值，線電壓為380 V（相電壓為220 V），線電流為0.593 A，有功功率360 W，無功功率150 var，視在功率390 V·A，功率因數(shù)0.920。測試方案測試驗證中，電流檢測互感器輸入端也是纏繞5圈，即放大5倍，以此來滿足電流量程測試驗證。輸入端ABC三相和輸出端ABC三相總功率測試結果如表4所示。

表4 總功率試驗結果（帶角形連接負載）Tab.4 Experiment results of total power（the load with delta connection）

從實驗結果來看，測量結果接近基準值，誤差很小，電壓電流測量精度滿足0.5級，功率測量精度滿足1級，滿足電力設備系統(tǒng)中的電力數(shù)據(jù)采集精度和國家電網(wǎng)對智能電表技術標準[15]。

6 結論

文中提出了一款基于STM32和ATT7022E的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)崟r準確地采集三相電網(wǎng)多種電力數(shù)據(jù)。其采集數(shù)據(jù)容量大、軟件流程設計簡單、傳輸效率高，克服了傳統(tǒng)電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時性差、存儲容量小、軟件算法復雜等缺點。詳細闡述了各模塊的硬件電路設計及其設計原理和器件參數(shù)選擇的理論依據(jù)，同時，也詳細闡述了軟件設計及其功能實現(xiàn)，包括測量數(shù)據(jù)的讀取和校準。該款高實時性、高穩(wěn)定性、高精度的電力數(shù)據(jù)采集的解決方案，適用于電力設備中的電氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時對三相智能電表和國家電網(wǎng)的電能計量方案也具有一定的參考價值。