三相多功能電力儀表的研究與設(shè)計

昆明理工大學(xué)津橋?qū)W院電氣與信息工程學(xué)院 張興超 王 陸

1.引言

隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展，“智能電網(wǎng)”被逐漸運用于電力系統(tǒng)中解決電能使用的諸多問題。作為智能電網(wǎng)末端的監(jiān)測單元，智能電力儀表主要用于采集電壓、電流、頻率、相位、功率和電能等電力基礎(chǔ)信息，以提高電力資源的利用率。當(dāng)前大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，使得電力儀表已從簡單的零部件發(fā)展到了集多種功能于一體的集成部件型式。電力行業(yè)對其豐富的功能性要求也賦予了電力儀表更多的職能。

傳統(tǒng)電力監(jiān)控儀表廣泛采用的設(shè)計方案包括三種形式：一是SOC芯片架構(gòu)，硬件結(jié)構(gòu)簡單、性能好，但大數(shù)據(jù)量的處理能力較弱，且系統(tǒng)功能具有突出的局限性；二是單MCU結(jié)構(gòu)，具有調(diào)理電路復(fù)雜、硬件設(shè)計困難、軟件處理數(shù)據(jù)量大等缺點；三是MCU+A/D采樣芯片混合結(jié)構(gòu)，需要擴(kuò)展電路、增加同步程序，且測量精度低、開發(fā)成本高①。

鑒于此，本文提出了一種基于STM32+ATT7022E的智能化三相多功能電力儀表的設(shè)計方案。其硬件結(jié)構(gòu)簡單、軟件功能性強(qiáng)、測量精度高。通過二者的配合使用，可以滿足智能電力儀表寬量程、高精度、低功耗、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的要求；具有一定的可行性，便于工程實現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2.系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

適用于三相三線制和三線四線制的智能化電力儀表應(yīng)具有多樣性的功能，包括電力參數(shù)的測量、通信、顯示、報警、存儲、人機(jī)交互功能和輸入輸出功能等。結(jié)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點與設(shè)計要求，本文采用了模塊化的設(shè)計思想對STM32+ATT7022E多功能電力儀表的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3.多功能電力儀表的硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖，基于模塊化設(shè)計思想的STM32+ATT7022E三相多功能電力儀表主要由主控芯片、電能計量芯片、輸入輸出電路、采樣電路、通信電路、輔助電源、存儲單元、按鍵及顯示單元等組成。

本系統(tǒng)選擇意法半導(dǎo)體公司基于ARM32位的增強(qiáng)型STM-32F103C8T6芯片作為主控芯片。該器件擁有20K的SRAM和64K的Flash程序存儲器，工作電壓為2.0-3.6V，時鐘頻率達(dá)72MHz；內(nèi)置4個驅(qū)動單元和4個被動單元，并可通過系統(tǒng)總線控制芯片的所有外設(shè)。另外，該芯片內(nèi)部還自帶RC振蕩器、溫度傳感器、可編程電壓檢測器，同時具有長時間存儲數(shù)據(jù)、上電斷電復(fù)位等功能。

作為一種專用電能計量芯片，ATT7022E可用于測量三相三線制和三線四線制的電能。該器件測量誤差小、精度高，且內(nèi)部集成了參考電壓電路、各類數(shù)字信號處理電路和ADC模塊等；其電源電壓為3.3V，可通過SPI接口與MCU實現(xiàn)通信，具有實時獲取采樣數(shù)據(jù)，進(jìn)行諧波分析的功能②。

三相多功能電力儀表輸入輸出電路含4路光耦輸入和2路繼電器輸出。其中，光耦輸入電路包括有源與無源兩種不同形式接法，主要用于刀閘和斷路器位置信號、斷路器脫扣信號等狀態(tài)信息的監(jiān)測。繼電器輸出電路均為無源接法，其容量為AC 250V/5A，DC 30V/5A；由STM32F103C8T6芯片通過控制I/O引腳的高低電平形式?jīng)Q定繼電器閉合斷開狀態(tài)。

采樣電路主要由三相電壓與電流的采集、電壓與電流互感器、信號調(diào)理電路組成。利用電壓電流互感器可將原電壓電流信號變換成小信號以滿足ATT7022E對電壓的要求，結(jié)合信號調(diào)理電路的使用可將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號形式以供給電能計量芯片的ADC模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為滿足輸入輸出信號的測量需求，本設(shè)計選擇的高精度互感器參數(shù)如下：電壓互感器ZMPT107：額定輸入輸出2mA，精度0.2%，線性度≤0.2%，角差≤45°；電流互感器ZMCT102：額定輸入5A，額定輸出2.5mA，精度與線性度0.2%，角差≤20°③。

通信電路采用的是RS-485總線形式，該通信方式具有接線簡單、傳輸距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定性好、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點。通過RS-485通信電路可使該電力儀表具有數(shù)據(jù)通信和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。另外，帶隔離功能的ISO3082半雙工差分總線式RS-485接收器芯片的使用可實現(xiàn)信號傳輸與儀表硬件電路的隔離；能有效的減少通信傳輸線路的干擾信號，提高了儀表硬件電路的工作穩(wěn)定性。

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖

儀表的輔助電源采用的是小體積、低成本、高效率，且具有寬幅電壓輸入的開關(guān)電源。綜合考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性和儀表小型化的需求，電源核心電路采用AC/DC模塊電源進(jìn)行設(shè)計。多功能電力儀表對讀寫速度和次數(shù)都有著較高的要求，為了滿足系統(tǒng)對存儲功能的要求，本設(shè)計選擇FRAM鐵電存儲器用于儀表的存儲單元。按鍵及顯示單元主要用于實現(xiàn)儀表的人機(jī)交互功能；其中，顯示模塊采用的是TFT-LCD；按鍵電路則通過軟硬件消抖方法的配合使用保證其可靠性。

4.多功能電力儀表的軟件設(shè)計

多功能電力儀表的軟件結(jié)構(gòu)由主程序和若干子程序組成；其中，主程序用于系統(tǒng)初始化、資源分配以及子程序的調(diào)度管理等；而子程序主要用于實現(xiàn)各硬件模塊的功能。本系統(tǒng)軟件采用C語言和循環(huán)體+中斷的軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，主要包括：系統(tǒng)初始化、電力參量測量、諧波分析、通信、TFT-LCD顯示及數(shù)據(jù)存儲等功能。其系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示。

5.結(jié)語

電力系統(tǒng)自動化程度的提高使得智能化和高精度成為了現(xiàn)代多功能電力儀表的基本要求。本文從硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計的角度詳細(xì)介紹了智能電力儀表的設(shè)計。提出了一種基于STM32+ATT7022E的三相多功能電力儀表的設(shè)計方案。其硬件結(jié)構(gòu)簡單、軟件功能性強(qiáng)、測量精度高；可以滿足智能電力儀表寬量程、高精度、低功耗、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的要求；具有一定的可行性，便于工程實現(xiàn)。

引文

①蔣海鵬.基于STM32和ADE7878的多功能電力監(jiān)控儀表的設(shè)計與實現(xiàn)[D].廣西大學(xué),2017.

②李天培,陳沖.采用ATT7022E和MK02的多功能綜合電力儀表設(shè)計[J].福建水力發(fā)電,2017(02):24-27.

③曾志超.基于STM32的多功能電力儀表的設(shè)計與實現(xiàn)[D].貴州大學(xué),2017.