基于ATT7022B多功能電能表的硬件設計

孫艷琴

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

關鍵詞：計量芯片；電能表；ATT7022B；硬件

隨著國內(nèi)外研究電能計量和數(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。通過調(diào)研總結(jié)國內(nèi)不同廠家的高壓計量產(chǎn)品，主要有4種計量方式。（1）傳統(tǒng)電磁式互感器和電子式電能表的計量方式。（2）使用弱輸出式互感器配合電子式電能表的計量方式。（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量裝置，基于專業(yè)電能計量芯片，將計量電路與信號傳感部分有機結(jié)合制造的一體式高壓計量裝置。第一種中間環(huán)節(jié)多，功耗大，鐵芯，銅材耗費多，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量整體準確度，不需傳統(tǒng)的綜合誤差推導計算，能綜合比對傳統(tǒng)計量裝置中互感器、二次導線和電能表的總體計量準確性，研制難度較高[1]。本方案采用電能參數(shù)專用計量芯片ATT7022B，以及單片機MSP430F149，研制數(shù)字式高精度電能表。

1 系統(tǒng)測量原理

ATT7022B采用QFP44封裝，內(nèi)部集成了多個適于電信號采集、變換，能對電能、電功率、電流有效值、電壓有效值、功率因數(shù)、頻率等參數(shù)進行精確計算。采樣信號由電流信道和電壓信道進入，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換之后送到數(shù)字信號處理模塊中，數(shù)字信號處理模塊對采集來的數(shù)據(jù)進行運算處理之后，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 電壓有效值測量

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

1.2 電流有效值測量

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

1.3 有功功率測量

如圖3所示，各相的有功功率是通過對去直流分量后的電流、電壓信號進行乘法、加法、數(shù)字濾波等一系列數(shù)字信號處理后得到的。電流電壓采樣數(shù)據(jù)中包含高達21次的諧波信息，所以依據(jù)公式 計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），無功功率計量算法與有功類似，只是電壓信號采用移相90度之后的。測量帶寬主要受到數(shù)字移相濾波器的帶寬限制，ATT7022B無功功率的測量帶寬也可高達21次諧波。

2 總體設計方案

本設計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三相交流電電壓和電流進行采樣，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，然后輸入至電能計量芯片ATT7022B。ATT7022B與MSP430F149進行SPI通信[4]?？傮w硬件電路設計方案如圖5所示。

本次設計采用Altium Designer軟件，是在國內(nèi)外享有盛名的一款PCB輔助設計軟件。它集成PCB設計系統(tǒng)、電能仿真系統(tǒng)、FPGA設計系統(tǒng)于一體，可以實現(xiàn)從芯片級到PCB級的全套電路設計，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物[5]，硬件實物如圖6所示。

3 結(jié)語

電能表以ATT7022B芯片作為專業(yè)計量芯片用來對電壓、電流采樣，MSP430F149單片機主要對存儲電路、通信電路、校正電路等進行處理。主要功能是實時測量電流、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)點于一身，具備高精度、多功能、長壽命、誤差補償、抗干擾、體積小等一系列特點。

[參考文獻]

[1]任寶宏，徐科軍.MSP30單片機原理與應用[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，2010.

[3]盧瑛.基于MSP430電能表的設計研究與應用[D].杭州：浙江大學，2010.

[4]施喜平，王桂蘭.智能電表的應用現(xiàn)狀及其展望[J].長江工程職業(yè)技術學院學報，2014（3）：17-18.

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