基于ARM和ATT7022B的智能電表系統(tǒng)

呂小強，張 濤，白燕羽，趙成仁，林興泰

（四川大學激光應(yīng)用研究所，四川 成都 610065）

0引言

目前，國內(nèi)外的電能表研究開發(fā)處于全電子式電能表階段。全電子式電能表以數(shù)字采樣技術(shù)為基礎(chǔ)，以微處理器為核心，將被測的電壓和電流進行數(shù)字化運算和處理，實現(xiàn)了電能計量和功率、電流、電壓等電參數(shù)的測量。隨著科技的不斷進步和社會經(jīng)濟發(fā)展迅速，各行業(yè)對電力的需求量也在飛速增長。中國國家電網(wǎng)公司在“2009特高壓輸電技術(shù)國際會議”上提出了名為“堅強智能電網(wǎng)”的發(fā)展規(guī)劃，宣布在2020年要建成堅強的智能電網(wǎng)。部署智能電網(wǎng)的第一步就是安裝智能電表，我國政府計劃未來的5年，在全國范圍內(nèi)安裝2.4億個智能電表。隨著智能電網(wǎng)將在全世界范圍內(nèi)逐漸普及，智能電表將會呈現(xiàn)非常大的市場需求量。

對于目前的電網(wǎng)而言，由于電力系統(tǒng)非線性的用戶越來越多，如電梯、電子整流器、變頻調(diào)速器等非線性負載的大量使用，對電網(wǎng)造成日益嚴重的諧波污染，而目前的電能表等電參數(shù)測量儀表都是按照工頻設(shè)計的，當輸入信號中含有諧波時，不能夠?qū)崿F(xiàn)準確的測量。因此，新式電能表除了實現(xiàn)準確計量含諧波電能的基本功能之外，既可以測量電網(wǎng)中的有功功率、無功功率、電流、電壓、功率因素等參數(shù)，又具備通信功能，可實現(xiàn)自動抄表[1-2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

目前智能電表的設(shè)計構(gòu)架主要有兩大類：（1）采用通用芯片的構(gòu)架；（2）采用專用電能計量芯片的構(gòu)架。該系統(tǒng)采用電能專用計量芯片與ARM核微處理器的框架結(jié)構(gòu)來設(shè)計，主要是由電能計量模塊，微處理器控制管理模塊，包括外部存儲器、通信接口、人機交互等部分組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

電能計量芯片ATT7022B對電壓互感器、電流互感器輸出的ABC三相電壓、電流信號采樣和處理，實現(xiàn)有功電量、無功電量、功率因素等參數(shù)的計算。微處理器LPC2214負責控制管理整個系統(tǒng)的運行，從ATT7022B的寄存器讀取上述參數(shù)進行再處理，實現(xiàn)電量累加、需量計算等功能，能夠處理按鍵響應(yīng)，管理中斷、顯示和通信等。設(shè)有4個按鍵，可實現(xiàn)LED報警顯示和LCD顯示。通信方面采用RS485通信和紅外通信兩種通信接口。數(shù)據(jù)存儲采用鐵存儲器和外部Flash存儲器的兩級存儲。

2 電力參數(shù)數(shù)學模型

有功功率的離散化計算公式為

式中：u（n）、i（n）——被測電壓、電流信號模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的離散數(shù)列。

無功功率的離散化計算公式為

式（1）和式（2）中N都為一個周期內(nèi)的采樣次數(shù)。

功率因素的計算公式為

式中：sign（Q）——無功功率符號。功率因素的符號由無功功率符號確定[3]。

3 硬件設(shè)計

3.1 電能計量模塊

ATT7022B是一款性能優(yōu)良的三相電能專用計量芯片，具有高精度和多功能等優(yōu)點。在輸入動態(tài)工作范圍1000∶1之內(nèi)，非線性測量誤差小于0.1%，有功功率的電能測量等級為0.2 S、0.5 S，無功功率的電能測量等級為0.2 S、0.3 S，電壓、電流有效值的測量精度優(yōu)于0.5%。提供齊全的參數(shù)測量功能，可準確測量到含21次諧波的有功、無功和視在功率/電能，可以采用三相三線或者三相四線模式。因此，ATT7022B能夠充分滿足智能電表的電能參數(shù)計量的需求。

3.2 微處理器控制管理模塊

3.2.1 微處理器

微處理器是整個智能電表的控制管理核心，采用Philips公司的ARM核處理器芯片LPC2214作為智能電表的微處理器。LPC2214是一個32/16位ARM7TDMI-S核的微控制器，支持實時仿真和嵌入式跟蹤，內(nèi)部集成了符合16C550工業(yè)標準的UART接口、SPI接口和高速I2C接口，此外還有32位定時器、脈寬調(diào)制器PWM模塊（帶6路PWM輸出）、實時時鐘RTC和看門狗WDT[4-5]。

系統(tǒng)的微處理器的基本外圍電路主要由晶振電路、復位電路和兩組電源等構(gòu)成。圖2是微處理器的基本外圍電路的原理圖。

圖2 微處理器基本外圍電路圖

3.2.2 存儲及擴展

智能電表具有兩級存儲系統(tǒng)。第一級存儲系統(tǒng)是指LPC2214的內(nèi)部存儲器，包括256kB的程序存儲器Flash和16kB的隨機存儲器SRAM；第二級存儲系統(tǒng)采用非易失性存儲器。LPC2214提供了專門的外部存儲器擴展接口。該設(shè)計采用FRAM鐵電存儲器和Flash存儲器兩種非易失性存儲器作為外部存儲器。鐵電存儲器讀寫速度快、可擦寫次數(shù)幾乎無限；Flash存儲器存儲容量很大[6-7]。

3.2.3 通信接口

該設(shè)計采用RS485通信和紅外線通信兩種通信接口。美國TEXAS公司的SN75LBC184芯片是一款用于RS485通信的低功率半雙工收發(fā)器件，內(nèi)置高能量瞬變噪聲保護裝置，可承受峰值為400W過壓瞬變。紅外線通信是一種點對點的近距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，傳輸速度較快，抗干擾能力較強，傳輸距離一般在5～15 m之間[8]，因此智能電表采用紅外線通信來實現(xiàn)無線抄表功能。

4 軟件設(shè)計

圖3是智能電表系統(tǒng)主程序流程圖，由系統(tǒng)初始化模塊、主循環(huán)程序模塊和中斷處理模塊3部分組成。

圖3 主程序流程圖

該設(shè)計將ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境作為智能電表系統(tǒng)的軟件開發(fā)工具。它是ARM公司推出的ARM核為控制器開發(fā)工具，是由包含匯編器和C/C++編譯器、連接器的代碼生成工具、CodeWarrior IDE集成開發(fā)環(huán)境、ADX調(diào)試器、指令模擬器、ARM開發(fā)包、ARM應(yīng)用庫7部分組成，支持匯編、提供豐富的函數(shù)庫、支持軟件仿真調(diào)試等，給ARM核為控制器的系統(tǒng)軟件開發(fā)和調(diào)試帶來了很大的方便[9]。

5 實驗測試

將0.5 S的CL311E三相標準電能表和智能電表樣機接到JCD4060三相精密測試電源，連接示意圖如圖4所示。

圖4 實驗方案連接示意圖

電壓檔和電流檔分別選擇220V和10A，疊加10次諧波分量，電流大小選擇值5%、10%、20%、50%、100%、200%依次變化，分別記錄相應(yīng)的標準電表和智能電表樣機的有功功率、無功功率、電壓、電流和功率因素的測量值，然后計算出各參數(shù)的相對誤差。表1是A相參數(shù)的誤差數(shù)據(jù)表，B、C相做同樣的測試。

表1 A相參數(shù)誤差數(shù)據(jù)表

從表1可以看出，有功功率的最大誤差為0.29%，無功功率的最大誤差為1.05%，電壓的最大誤差為0.29%，電流的最大誤差為0.31%，功率因素的最大誤差為0.53%。結(jié)果表明有功功率的最大誤差值小于5%，達到了0.5S的有功精度；無功功率的最大誤差值小于2%，達到了0.2S的有功精度。

6 結(jié)束語

在現(xiàn)階段多功能電表的特點、功能和技術(shù)開發(fā)基礎(chǔ)上，該文設(shè)計了一款穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、可靠性高、使用壽命長、功能齊全的多功能三相智能電表系統(tǒng)。有功計量精度和無功計量精度均滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，具有很高的實用價值，它既能滿足我國未來智能電網(wǎng)建設(shè)的需求，又可以解決當前電網(wǎng)中帶諧波電能的準確計量和多項電能參數(shù)的測量問題。

[1]周勇.智能電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀優(yōu)勢及前[J].黑龍江電力，2009，31（6）：404-406.

[2] 王月志.電能計量技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3] 鄭小平.關(guān)于無功功率的定義及計算方法[J].電測與儀表，2006，43（486）：1-4.

[4] Yang C L.Software-controlled cache architecturefor energy efficiency[J].IEEE Transactions on Circuits&Systems for Video Technology，2005，15（5）：634-644.

[5] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[6]谷豐.基于ARM設(shè)計嵌入式電力負荷管理控制終端[J].科學時代，2010（17）：91-92.

[7] 原明亭.多功能智能電表中的數(shù)據(jù)安全存儲技術(shù)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2005（4）：45-47.

[8] 陳雄陶，維青，張林獻.基于MS320F2812負荷管理終端的紅外線通訊的實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機，2009，22（5）：11-12.

[9] 趙寒星.ARM開發(fā)工具ADS原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.