微機(jī)測控保護(hù)裝置中電氣計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付 軍, 涂永飛, 李 鵬

(鎮(zhèn)江華東電力設(shè)備制造廠有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212004)

微機(jī)測控保護(hù)裝置中電氣計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付 軍, 涂永飛, 李 鵬

(鎮(zhèn)江華東電力設(shè)備制造廠有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212004)

主要介紹一種微機(jī)測控保護(hù)裝置中電能參數(shù)計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)采用LPC1788、ATT7022、AD7606為核心處理器件，ATT7022負(fù)責(zé)對裝置中各項(xiàng)電能參量進(jìn)行精確計(jì)算，LPC1788和AD7606負(fù)責(zé)裝置保護(hù)電氣參量的快速計(jì)算，運(yùn)行保護(hù)控制程序，同時(shí)讀取ATT7022電能參量計(jì)算結(jié)果。

微機(jī)測控；電能計(jì)量；LPC1788； ATT7022；AD7606

0 引言

微機(jī)測控保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)中一種集電氣量測量、開關(guān)量采集、保護(hù)、控制、報(bào)警和通信等功能于一體，廣泛用于發(fā)電廠、變電站所、鋼鐵、石化及煤炭等企業(yè)電氣控制保護(hù)系統(tǒng)的裝置[1]。與以往保護(hù)裝置相比，測控保護(hù)裝置需增加電能參數(shù)計(jì)量功能，包括有功功率、無功功率、視在功率、有功能量、無功能量、功率因數(shù)、相位、諧波等。這將大大增加主控CPU芯片的計(jì)算負(fù)擔(dān)，影響其他保護(hù)電氣參數(shù)的計(jì)算速度，進(jìn)而影響裝置保護(hù)動(dòng)作的響應(yīng)速度。同時(shí)，計(jì)量功能要求精度很高，由于A/D采樣芯片精度的限制，使得通過CPU計(jì)算的電氣參數(shù)結(jié)果難以滿足計(jì)量的精度要求，如采用更高精度的A/D采樣芯片，將極大地增加裝置的硬件成本。本文介紹一種新的測控裝置計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，將電能計(jì)量表中常用的電能計(jì)量芯片ATT7022引入到微機(jī)測控保護(hù)裝置的開發(fā)設(shè)計(jì)中，成功應(yīng)用于本公司開發(fā)的微機(jī)測控保護(hù)裝置。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本裝置計(jì)量部分硬件設(shè)計(jì)以32位ARM單片機(jī)LPC1788、電能計(jì)量芯片ATT7022EU及A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7606為核心，ATTTO22負(fù)責(zé)計(jì)算裝置中有關(guān)電能參量的計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果通過SPI總線傳給LPC1788,A/D7606負(fù)責(zé)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，LPC1788通過并行總線讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果后，快速計(jì)算保護(hù)電氣參量，并將計(jì)算結(jié)果運(yùn)用到保護(hù)程序運(yùn)行中。

1.1 32位ARM單片機(jī)芯片LPC1788

LPC1788是NXP公司生產(chǎn)的32位Cortex-M3內(nèi)核的ARM單片機(jī)[2]，運(yùn)行速度高達(dá)120 MHz，內(nèi)含512 KB片上Flash，96 KB片上SRAM，5個(gè)串口，3個(gè)SPI接口，2個(gè)CAN口，1個(gè)MAC口，1個(gè)8通道12位ADC，4個(gè)通用定時(shí)器，1個(gè)低功耗RTC,1個(gè)內(nèi)部看門狗，1個(gè)8/16/32位外部存儲(chǔ)器控制器，可支持外部靜態(tài)存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器連接，208腳LQFP封裝提供多達(dá)165個(gè)通用I/O口，是一款高集成度的MCU控制芯片，豐富的外設(shè)接口、較高的運(yùn)行速度及強(qiáng)大的電磁抗干擾能力使得其非常適合作為微機(jī)測控保護(hù)的主控芯片，能大大簡化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

1.2 電能專用計(jì)量芯片ATT7022EU

ATT7022EU是一款多功能高精度的三相電能專用計(jì)量芯片[3]，適用于三相四線制或三相三線制電氣接線系統(tǒng)電能計(jì)量，內(nèi)部集成7路19位高精度二階ADC，最大能滿足有功功率0.2級(jí)、無功功率1級(jí)及電壓、電流0.2%的計(jì)量精度，可計(jì)算基波或全波電能參量，具有相序和斷線判斷功能，完全能夠滿足繼電保護(hù)測控裝置的電能參數(shù)計(jì)量要求，同時(shí)芯片帶有SPI串行通信接口，能非常方便地與MCU或DSP芯片進(jìn)行通信。

具體電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

由互感器采集來的電流、電壓信號(hào)經(jīng)模擬電路變換以后轉(zhuǎn)換成100～500 mV的交流信號(hào)送人ATT7022芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)電能參數(shù)計(jì)算，LPC1788每隔500 ms左右通過SPI串行總線讀取一次電能計(jì)量結(jié)果，并將送給LCD顯示和非易失性存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)，同時(shí)也可通過通信將電能計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)傳給遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)。

1.3 A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7606

雖然芯片ATT7022具備電流、電壓、頻率等電氣參數(shù)的計(jì)算功能，但是其計(jì)算速度較慢，難以滿足保護(hù)程序毫秒級(jí)的計(jì)算速度要求，因此，保護(hù)功能程序中使用的電氣參量的計(jì)算由MCU自己完成。雖然LPC1788自帶8路12位ADC，但采樣通道數(shù)量和采樣精度都難以達(dá)到裝置計(jì)算精度要求，所以系統(tǒng)選用16位高精度同步A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7606，其特點(diǎn)是每個(gè)芯片具有8路采樣通道，每路通道的模擬量輸入范圍達(dá)±15 V,采樣速率高達(dá)250 kS/S，單5 V電源供電，自帶2.5 V基準(zhǔn)電壓輸出模塊，接線簡單，具有并行數(shù)據(jù)接口和串行數(shù)據(jù)接口，方便與MCU連接，是目前測控保護(hù)產(chǎn)品中應(yīng)用最廣的A/D采樣芯片[4]。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用2片AD7606芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最多可同時(shí)采集16路模擬量信號(hào)，電流、電壓信號(hào)經(jīng)模擬電路變換以后轉(zhuǎn)換成±10V以內(nèi)的交流信號(hào)送人AD7606芯片采樣，LPC1788負(fù)責(zé)初始化AD7606、定時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，通過并行總線讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果后進(jìn)行數(shù)據(jù)錄波存儲(chǔ)，計(jì)算電流、電壓、頻率等保護(hù)功能用電氣參量，運(yùn)行保護(hù)功能邏輯控制程序，并將結(jié)果進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)及遠(yuǎn)傳。具體電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 AD7606設(shè)計(jì)電路圖

1.4 模擬量轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

由電氣系統(tǒng)中接入的模擬量經(jīng)電流、電壓互感器轉(zhuǎn)換成低壓交流信號(hào)，再采用星格高精密互感器SPT204A和SCT254FK將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成毫安電流信號(hào)，經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)成所需電壓信號(hào)，然后分成兩路，一路送入ATT7022進(jìn)行電能參數(shù)計(jì)算，一路經(jīng)運(yùn)算放大器放大及二階濾波后送人AD7606進(jìn)行采樣。設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。本文以三相電路中A相電路為例說明，B、C相電路處理方式相同。

圖3 互感器轉(zhuǎn)換電路

經(jīng)互感器變換后的信號(hào)Uap、Uan，一路采用差分輸入方式，經(jīng)過抗混疊濾波電路后，送人ATT7022計(jì)算電能參量，設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

圖4 抗混疊濾波電路

另一路采用單端輸入方式，經(jīng)過運(yùn)算放大器將信號(hào)放大，再經(jīng)過二階有源濾波電路濾除高次諧波后，送人AD7606進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)原理如圖5所示。僅以A相電壓為例。

圖5 A/D放大及濾波電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語言進(jìn)行編程，采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，編程軟件為KEIL MDK5.11，支持JTAG仿真口進(jìn)行軟件仿真，裝置計(jì)量系統(tǒng)軟件編程主要分為ATT7022設(shè)置與計(jì)量結(jié)果讀取、存儲(chǔ)，AD7606初始化、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換、相應(yīng)A/D中斷讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果及保護(hù)電氣參數(shù)計(jì)算等部分。

2.1 ATT7022軟件設(shè)計(jì)

圖6 ATT7022程序流程圖

系統(tǒng)軟件運(yùn)行后，要正確讀取ATT7022電能計(jì)算結(jié)果，首先要運(yùn)行校表程序[5]，芯片支持全數(shù)字化軟件校表，通過軟件對芯片中各個(gè)寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置，校表完畢后可以通過SPI接口讀取電能參量計(jì)算結(jié)果，由于該結(jié)果只用于電能計(jì)量，不涉及保護(hù)程序運(yùn)行，所以不需要太高的實(shí)時(shí)性，本設(shè)計(jì)中裝置通過定時(shí)器每隔500 ms左右讀取一次計(jì)算結(jié)果并更新顯示，即滿足了計(jì)量要求，也大大簡化了系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，節(jié)約運(yùn)行時(shí)間。程序流程圖如圖6所示。

2.2 AD7606軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行后，首先復(fù)位初始化AD7606芯片，然后設(shè)置毫秒定時(shí)器，每1 ms通過芯片管腳CONVSTABC啟動(dòng)A/D芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后通過中斷通知LPC1788讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并錄波，為了滿足保護(hù)程序運(yùn)行速度要求(保護(hù)功能要求響應(yīng)時(shí)間<20 ms)，程序定為每隔5 ms對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行一次計(jì)算，采用全波傅氏變換方法計(jì)算各保護(hù)電氣參量，并將結(jié)果運(yùn)用到保護(hù)邏輯控制程序中。程序流程圖如圖7所示。

圖7 AD7606程序流程圖

3 結(jié)論

微機(jī)測控保護(hù)裝置中電氣計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)是其研發(fā)核心，其性能將直接影響裝置整體性能，設(shè)計(jì)要求是既要保證測量結(jié)果的精確度，又要保證保護(hù)電氣參量測量的快速性，本設(shè)計(jì)方法將電能專用計(jì)量芯片引入裝置設(shè)計(jì)中，利用其高精度計(jì)量特點(diǎn)完成實(shí)時(shí)性要求不高但計(jì)算復(fù)雜的電能參量的計(jì)算，而MCU主控芯片專注于實(shí)時(shí)型要求很高的保護(hù)參量計(jì)算及保護(hù)程序運(yùn)行，不僅減輕了主控芯片負(fù)擔(dān)，增強(qiáng)了實(shí)時(shí)性能，還簡化了計(jì)算程序編程復(fù)雜度，大大減少了程序編程代碼。在實(shí)際裝置設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，本設(shè)計(jì)方案既滿足了裝置對測量結(jié)果精確度的要求，又保證了保護(hù)裝置響應(yīng)的快速性，取得了良好的運(yùn)行效果。

[1] 許正亞.變壓器及中低壓網(wǎng)絡(luò)數(shù)字式保護(hù)[M].北京：中國水利水電出版社,2004.

[2] 張勇. ARM Cortex-M3嵌入式開發(fā)與實(shí)踐——基于LPC1788和μC/OS-II [M].北京：清華大學(xué)出版社,2015.

[3] 王建龍，張宏科，劉俊. 電能計(jì)量芯片ATT7022E在智能電表中的應(yīng)用[J].電測與儀表,2015,52(12)：52-55.

[4] 王小進(jìn)，涂煜. 基于AD7606的繼電保護(hù)數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)[J].船電技術(shù),2014,34(9)：46-49.

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Design of electric metering system for microcomputer measurement protection device

Fu Jun, Tu Yongfei, Li Peng

(Zhenjiang East China Electric Power Equipment Company Ltd.，Zhenjiang 212004,China)

This paper introduces a design of electric metering system for microcomputer measurement protection device. In the design, LPC1788, ATT7022 and AD7606 are used as core processing chips. ATT7022 chip is responsible for electric energy calculation. LPC1788 and AD7606 are responsible for fast protection calculation, running protection software and read energy calculations from ATT7022.

microcomputer measurement and control； energy calculation；LPC1788；ATT7022；AD7606

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.08.010

付軍, 涂永飛, 李鵬.微機(jī)測控保護(hù)裝置中電氣計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(8)：28-30.

2016-10-30)

付軍(1979-)，男，工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置。E-mail：fujun35303@163.com。

涂永飛(1983-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置。

李鵬(1981-)，男，工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)設(shè)備。

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