高精度智能電表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張 程，何大飛

(1.西安科技大學(xué)電氣與控制學(xué)院，陜西西安 710054;2.西安科技大學(xué)高新學(xué)院，陜西西安 710054)

隨著智能電表的發(fā)展，對我國智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息化、自動化、規(guī)范化及多元化起到重要作用。智能電表使智能電網(wǎng)高效、安全、節(jié)能、環(huán)保的性能得到充分體現(xiàn)。

傳統(tǒng)的機(jī)械、電子式電能表對電能只有簡單的計(jì)量功能。工作人員必需到現(xiàn)場抄/讀用戶的用電數(shù)據(jù)，不但消耗大量人力、物力，且工作效率低下，還存在誤抄、漏抄和誤算等問題。文中設(shè)計(jì)的智能電表系統(tǒng)性能穩(wěn)定且精度高，具有有功電能和無功電能的雙向計(jì)量、分時(shí)段計(jì)費(fèi)、防竊電、RS－485遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信等功能［1］。通過實(shí)際測試，該系統(tǒng)對電能信號的采集及時(shí)、準(zhǔn)確，處理器單元能快速、精確地計(jì)算出實(shí)際使用的電量、電費(fèi)等參數(shù)，并通過分布式網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程終端，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和管理。

1 ATT7022的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)

1.1 ATT7022內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ATT7022是珠海炬力集成電路設(shè)計(jì)公司生產(chǎn)的高精度三相電能專用計(jì)量芯片，可應(yīng)用于三相三線和三相四線電路的應(yīng)用。ATT7022能測量各相以及合相的功率和能量，其不僅可測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角和頻率等參數(shù)，且可滿足三相復(fù)費(fèi)率多功能電能表的需求。ATT022還支持全數(shù)字的增益和相位校正［2］。如圖1所示。

1.2 ATT7022的功能

(1)電源監(jiān)控電路。ATT7022芯片內(nèi)包含一個(gè)電源監(jiān)控電路。目的是對模擬電源(AVCC)監(jiān)控，當(dāng)電源電壓低于4 V，自動復(fù)位，這可使電路在上電和掉電時(shí)正常工作。有時(shí)為最大程度防止電源噪聲引起的誤差，可將電源監(jiān)控電路放在延時(shí)和濾波環(huán)節(jié)中。所以電源監(jiān)控電路的 AVCC波動不超過5 V［3］。如圖2所示。

(2)模數(shù)轉(zhuǎn)換。ATT7022含有6路16位的ADC，因此采用雙端差分信號輸入，此時(shí)最大輸入電壓1.5 V，最大正弦信號有效值1 V。將電壓通道輸入在約0.5 V，電流輸入通道選在0.1 V，如圖3所示。

(3)計(jì)量模塊。交流電流和電壓波形均含有諧波分量、瞬時(shí)電流和電壓可通過傅里葉變換，表示成電流、電壓的平均值與各諧波分量之和，即

圖1 ATT7022內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

式中，U(t)為瞬時(shí)電壓;U0為電壓的平均值;Uh為h次電壓諧波有效值;αh為h次電壓諧波的相位;I(t)為瞬時(shí)電流;I0為電流的平均值;Ih為h次電流諧波有效值;βh為h次電流諧波的相位。

通過式(1)、式(2)，得到有功功率P是基波有功功率P1和諧波有功功率PH之和即P=P1+PH，P1=βh，由此可知各諧波分量均產(chǎn)生了諧波有功功率。通過ATT7022，在純正弦波情況下可以精確計(jì)算出功率因數(shù)和有功功率。

(4)通信接口。計(jì)量參數(shù)是通過SPI提供給外部MCU，在SCLK低于200 kHz時(shí)，SPI寫入1個(gè)8 bit的命令，延時(shí)1μs，SPI再讀取24 bit的數(shù)據(jù)，延時(shí)3μs。

圖4 SPI通信時(shí)序圖

在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)MSB在前，LSB在后。CK為高時(shí)更新DI或DO的數(shù)據(jù)，在寄存器讀或?qū)懖僮饕淮蜟S。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括互感器的選擇，抗混疊濾波器和MCU模塊。為滿足功率和功率因數(shù)的精度要求，所以技術(shù)指標(biāo)應(yīng)高于基本指標(biāo)，ATT7022的電流和電壓輸入范圍在0～1 V。選擇電流互感器規(guī)格是1.5 A/5 mA、精度 0.05級、負(fù)載 20π、電壓互感器選擇220 V/0.5 V，即電流和電壓的差動輸入電壓的有效值分別約在0.1 V和0.5 V。而采用抗混疊濾波器為了防止失真，放置在ADC的模擬輸入前。同時(shí)，采用低通濾波器(LPF)為抗混濾波器，其是一種單極點(diǎn)濾波器，以 －20 dB/十倍頻程衰減，R=1.2Kπ，C=10 nF，這會導(dǎo)致誤差，可將誤差的相位與互感器的角差得到校正。并采用S3C44B0微處理器為核心的ARM7嵌入式系統(tǒng)，32位精簡指令集(RISC)微處理器，具有功耗低、性能好、體積小及主頻高等特點(diǎn)［4］。圖5為硬件連接圖。

圖5 硬件連接圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分包括微處理器軟件和PC軟件組成。微處理器軟件設(shè)計(jì)包括付費(fèi)率管理程序、LCD顯示程序、通訊程序及異常處理部分。PC軟件設(shè)計(jì)包括抄表部分和校表軟件，以ATT7022用戶手冊上的計(jì)算公式為基礎(chǔ)。將校表系數(shù)通過通訊接口發(fā)送至微處理器，微處理器再將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)寫入EEPROM中保存。常用的嵌入式操作系統(tǒng)有 Linux、μC/OS－II、WinCE、Symbian、Android、iOS等。嵌入式應(yīng)用中的操作系統(tǒng)多為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。μC/OS是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，內(nèi)核代碼僅幾kB十幾kB，并已被移植到嵌入式應(yīng)用類CPU上。其具有的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性已得到公認(rèn)。uCLinux帶有文件系統(tǒng)、功能更強(qiáng)，其內(nèi)核需至少512 kB 存儲空間［5］。

圖6 軟件流程圖

4 智能電表的功能應(yīng)用

智能電表具有電量記憶、抄表時(shí)間凍結(jié)和信息遠(yuǎn)程傳送等功能特性。安裝使用智能電表后，電力用戶可直接通過電表上的液晶顯示屏查詢電量、表號、當(dāng)前時(shí)間及用電功率等信息。如客戶所反應(yīng)家中電閘關(guān)閉后電表仍在“跳動”，就是智能電表液晶顯示屏在循環(huán)顯示日期、時(shí)間、電量等信息。客戶可利用這些信息，及時(shí)了解家中不同時(shí)間的用電情況，根據(jù)需求，制定科學(xué)合理的用電計(jì)劃，減少電費(fèi)支出。將來還可通過網(wǎng)站查詢實(shí)時(shí)情況，大幅提高抄表精確性，有效避免人工抄表的誤差，并可遠(yuǎn)程分析電表數(shù)據(jù)，幫助供電公司和電力用戶第一時(shí)間獲取異常情況，方便及時(shí)搶修，減少停電時(shí)間。

5 結(jié)束語

文中采用ATT7022計(jì)量芯片設(shè)計(jì)的智能電表，采用LCD顯示，具有遠(yuǎn)程通信接口、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，且誤差小、成本低。

［1］李保瑋.智能電表簡介［J］.裝備機(jī)械，2010(3):70－73.

［2］楊麗飛，馬金元.基于 ATT7722的高性能電能表的設(shè)計(jì)［J］.工礦自動化，2007(3):104 －107.

［3］倪修建.一種新型智能電表的研制［J］.國外電子元器件，2001(6):63－65.

［4］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(xué)出版社，2005.

［5］黃華軍，余水寶，李三波，等.學(xué)生公寓安全用電智能電表設(shè)計(jì)［J］.電子科技，2011，24(4):110 －112.