【正文】 安全可靠、覆蓋面廣等優(yōu)點(diǎn)，本終端采用 GPRS 通訊方式與主站進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn) 配變終端的遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)傳輸 .而本設(shè)計(jì)終端的 GPRS 硬件接口如圖 所示。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 AT 91 S A M 7 S 256 G P R S 模塊 S I M 卡 圖 39 GPRS 模塊接口電路 鄧裕峰：智能配電網(wǎng)監(jiān)測終端的設(shè)計(jì) 26 第 4 章 電能表模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 電能表模塊總體結(jié)構(gòu) 電能表模塊 的職責(zé)是采集電力系統(tǒng)的多項(xiàng)物理量。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本配變監(jiān)測終端的總體硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 41 所示。 A T T 7022 B S T C 12 C 5412 上位機(jī)電壓信號轉(zhuǎn)換電流信號轉(zhuǎn)換電能脈沖輸出 圖 41 表模塊硬件結(jié)構(gòu)圖 經(jīng)過繼電器和互感器得到的弱電回路信號，在經(jīng)過 ATT7022B 采樣運(yùn)算后，得到三相電壓、電流、功率因數(shù)等參數(shù)，再通過接口送到表模塊主空氣 STC12C5412，同時該主控器會接收 CPU的控制信號，對采集的數(shù)據(jù)驚醒初步處理，再通過自定義的串行通信協(xié)議將結(jié)果發(fā)送給主控板。 三相電能計(jì)量芯片 ATT7022B 芯片簡介 表模塊的核心部件 ATT7022B 是珠海炬力公司推出的一款高可靠性、高精度、高穩(wěn)定性的三相基波 /諧波電能計(jì)量芯片，適用于三相三線或三相四線制應(yīng)用，在 1000:1 的動態(tài)范圍內(nèi)功率測量精度優(yōu)于 0. 1%，電流和電壓的有效值測量精度優(yōu)于 0. 5%。ATT7022B 具有計(jì)量參數(shù)齊全、校表功能完善，簡化硬件設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)成本，縮短了軟件開發(fā)周期等諸多優(yōu)點(diǎn)。 ATT7022B 內(nèi)部集成有 7 通道的 16 位高精度 ADC 和 24 位高速 DSP，能夠測量電流、電壓有效值，有功 /無功 /視在功率和有功 /無功 /視在能量等各項(xiàng)電力參數(shù)。 ATT7022B還可以對基波電能單獨(dú)計(jì)量 ，測量總有功 /無功電能、基波有功 /無功電能、諧波有功 /無功電能、視在電能等參數(shù)，消除諧波對電能計(jì)量的負(fù)面影響，為電力部門公平計(jì)費(fèi)提供參考依據(jù)。此外， ATT7022B 的第 7 路 ADC 可用于防竊電，片上還集成有溫度傳感安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 器，支持軟件校表。所有計(jì)量及校表參數(shù)都可以通過 ATT7022B 提供的 SPI 接口與外部MCU之間進(jìn)行傳遞。 ATT7022B 引腳描述 ATT7022B 的主要引腳布局如表 41 所示： 表 41 ATT7022B 主要引腳功能 引腳 標(biāo)識 特性 功能描述 1 RESET 輸入 復(fù)位管腳，地點(diǎn)憑有效 2 SIG 輸出 ATT7022B 上電復(fù)位或一場原因重新啟動時， SIG 變?yōu)榈碗娖?，?dāng)外部 MCU通過 SPI 寫入較表數(shù)據(jù)后， SIG立即變?yōu)楦唠娖健? 4 7 10 V1P/V1N V3P/V3N V5P/V5N 輸入 A、 B、 C 相電流通道正、負(fù)模擬輸入引腳。完全差動輸入方式，正常工作最大信號電平為 +，最大承受電壓+6V。 1 14 1 17 1 20 V2P/V2N V4P/V4N V5P/V5N 輸入 A, B, C 相電壓信道正、負(fù)模擬輸入引腳。完全差動輸入方式，正常工作最大信號電平為士 1. 5V，最大承受電壓+6V。 2 22 V7P/V7N 輸入 第七路 ADC 的正、負(fù)模擬輸入引腳。完全差動輸入方式。正常工作最大信號電平為 +，最大承受電壓為 +6V。 5 REFCAP 輸出 基準(zhǔn)電壓， 11 REFOUT 輸出 基準(zhǔn)電壓輸出，用作外部信號的直流偏置。 26 SEL 輸入 三項(xiàng)三線 (低電平 )/三相四線 (高電平 )選擇。 27 CF1 輸出 有功電能脈沖暑促，其頻率反應(yīng)合相平均有功功率的大小。 28 CF2 輸出 無功電能脈沖輸出 30 CF3 輸出 基波有功電能脈沖輸入 /RMS 視在電能脈沖輸出 31 CF4 輸出 基波無功電能脈沖輸入 /PQS 視在電能脈沖輸出 35 CS 輸入 SPI 片選信號，下降沿有效 36 SCLK 輸入 SPI 串行時鐘輸入 37 DIN 輸入 SPI 串行數(shù)據(jù)輸入 38 DOUT 輸出 SPI 串行數(shù)據(jù)輸出 40 REVP 輸出 當(dāng)監(jiān)測到任一相有功功率為負(fù)時，輸出高電平 當(dāng)檢測到各相有功功率均為正時，輸出低電平 鄧裕峰：智能配電網(wǎng)監(jiān)測終端的設(shè)計(jì) 28 ATT7022B 功能概述 集成了六路二階 sigmadelta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測量的 數(shù)字信號處理 等電路。能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足三相復(fù)費(fèi)率多功能電能表的需求。支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即純軟件校表。有功、無功電能 脈沖輸出 CF CF2 提供瞬時有功、無功功率信息，可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)表，進(jìn)行誤差校正。詳細(xì)校表方法請參考第三部分校表方法 。可以對基波有功、無功功率進(jìn)行測量，提供脈沖輸出 CF3 和 CF4 提供瞬時基波有功功率以及基波無功功率信息，可直接用于基波的校正。提供兩類視在能量輸出，RMS 視在能量以及 PQS 視在能量， CF3 和 CF4 也可被配置為視在能量脈沖輸出。 提供一個 SPI 接口，方便與外部 MCU之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。 起結(jié)構(gòu)框圖和管腳簡圖分別如圖 42 和圖 43 所示。 圖 42 ATT7022B 內(nèi)部框圖 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 圖 43 ATT7022B 管腳 ATT7022B 數(shù)據(jù)處理原理 經(jīng)過查閱 ATT7022B 的用戶手冊等有關(guān)資料，了解到該芯片具備模數(shù)轉(zhuǎn)換、電壓 /電流相序檢測、功率方向判斷和失壓檢測等功能，并同時提供硬件復(fù)位和軟件復(fù)位兩種復(fù)位方式。結(jié)合所學(xué)的電路知識，本設(shè)計(jì)監(jiān)測終端對配變的電能參數(shù)測量公式原理如下： （ 1） 電壓 /電流有效值測量 ： 電壓有效值： U = √1T ∫ u2T0 (t)dt () 電流有效值： I = √1T∫ i2(t)dt T0 () （ 2） 有功 /無功功率測量： 單相有功功率： P = 1N∑ U(n) ?I(nnn=0 ) () 合相有功功率： Pt = Pa + Pb+ Pc () 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(jìn)行乘法、加法、數(shù)字濾波等一系列處理后得到的。由于電壓、電流采樣數(shù)據(jù)中包含高達(dá) 21 次諧波信息，鄧裕峰：智能配電網(wǎng)監(jiān)測終端的設(shè)計(jì) 30 所以依據(jù)公式 4. 3 計(jì)算得到的有功功率也至少包含 21 次諧波信息。合相有功功率按公式 4. 4 計(jì)算得到。 單相無功功率： Q = ∑ UnIn sin (φ)∞n=1 () 合相無功功率： Qt = Qa +Qb +Qc () 無功的算法與有功一樣，區(qū)別在于電壓信號要超前 90 度。 （ 3） 視在功率測量： PQS 視在功率： S = √P2 +Q2 () RMS 視在功率： S = Urms?Irms () 由于 ATT7022B 可以直接提供電流和電壓的有效值，所以本設(shè)計(jì)中僅采用RMS 視在功率計(jì)算。 （ 4） 有 /無功電能測量： 有功能量： Ep= ∫p(t)dt () 無功能量： Eq = ∫q(t)dt () 合相代數(shù)和累加： Ept = Epa+ Epb+Epc () 合相絕對值累加： Eqt = Eqa+Eqb+Eqc () 有功 /無功能量通過瞬時有功 /無功功率對時間的積分得到。合相有功 /無功能量可以根據(jù)設(shè)置按代數(shù)或者絕對值的模式進(jìn)行累加。 （ 5） 電壓線頻率測量 ATT7022B 芯片可以測量 10Hz500Hz 的頻率，并可以自動選擇三相中的任意一相作為基準(zhǔn)。 （ 6） 功率因數(shù)測量： Pf = sign(Q) abs(P)abs(S) 當(dāng)完成上述的參數(shù)采集與運(yùn)算后，這些參數(shù)以補(bǔ)碼的形式被保存到 ATT7022B相對應(yīng)的 24 位計(jì)量參數(shù)寄存器中，用 SPI 讀出之后只需要進(jìn)行簡單的換算即可得到實(shí)際測量值。 信號轉(zhuǎn)換 電路 由于本監(jiān)測終端的設(shè)計(jì)使用范圍主要適用于配電側(cè)的配變參數(shù)監(jiān)測，所以需要一組電壓 /電流互感器對交流電進(jìn)行測量轉(zhuǎn)化成弱電回路，并同時實(shí)現(xiàn)兩側(cè)的電氣隔離。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 電流采樣輸入方案 電流采樣采用差分輸入方式，輸入端疊 加 直流偏置電壓，該偏置電壓由ATT7022B 的參考電壓輸出 REFOUT 提供，電路原理圖如圖 44 所示。 電流輸入20 Ω1 . 2 K Ω1 . 2 K Ω10 nF10 K Ω10 K ΩVPVNR E F O U T1 . 5 （ 6 ） / 5 mA10 nF 圖 44 電流采樣輸入電路 電壓采樣輸入方案 電壓采樣輸入信號最高可達(dá) 500V，而 ATT7022B的電壓輸入范圍是 01 V(有效值 )，因此 ATT7022B 的電壓輸入采用內(nèi)部放大四倍。根據(jù)最小絕緣間距、高精度和高穩(wěn)定性等原則，分壓網(wǎng)絡(luò)選用溫度特性較好的四個 590kΩ(600kΩ左右 )和一個 ，精度為1%的插件金屬膜電阻組成。這樣，在額定電壓輸入時，電壓差動輸入電壓有效值在 0. 5V左右。 其結(jié)構(gòu)圖如圖 45 所示。 鄧裕峰：智能配電網(wǎng)監(jiān)測終端的設(shè)計(jì) 32 電壓輸入R E F O U T590 K * 41 . 2 K1 . 2 K1 . 2 KVNVPVPVN10 nF10 nF1 . 2 K590 K * 4（ a ） 零接線參考輸出（ b ） 零線接地電壓輸入1 %1 %1 %1 %1 %1 %1 % 圖 45 電壓采樣輸入電路 數(shù)據(jù)采集與處理電路 經(jīng)過對種類繁多的單片機(jī)進(jìn)行對比、篩選，本設(shè)計(jì)的監(jiān)測終端決定采用增強(qiáng)型 8051單片機(jī) STC12C5412 作為主控器， STC12C5412 是一款高性能、低成本的單片機(jī)，其主要性能特點(diǎn)如下： （ 1） 指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051； （ 2） 帶有 1T 模式，速度比普通 8051 快； （ 3） 帶有 12KB 片內(nèi) FLASH 程序存儲器， 512B 片內(nèi)數(shù)據(jù) RAM，支持 EEPROM功能； （ 4） 提供 UART 和 SPI 兩種串行通信接口； （ 5） 自帶硬件看門狗； （ 6） 在系統(tǒng)可編程 /在應(yīng)用可編程； （ 7） 具有較寬的工作電壓范圍； （ 8） 通過 4KV快速脈沖干擾測試。 STC12C5412 中的 12KB Flash 程序存儲器分為 24 個扇區(qū)，每個扇區(qū)大小為 512KB,全部可進(jìn)行 IAP 讀寫操作，適合用來存儲 ATT7022B 的校準(zhǔn)參數(shù)。但是每個扇區(qū)都是按字節(jié)編程，按扇區(qū)擦除，因此，選用最后兩個扇區(qū)交換存儲校準(zhǔn)過程中更新的數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)采集與處理電路如圖 46 所示。 STC12C5412 與 ATT7022B 之間共有六條數(shù)據(jù) /控制線，其中， CS, SCLK, DIN, DOUT 用于 SPI 通訊。 SIG 是當(dāng) ATT7022B 上電或異常復(fù)位時， STC12C5412 的外部中斷 1 接收到的握手信號。為了在上電和單片機(jī)復(fù)位后， ATT7022B 能與 STC12C5412 同步工作， ATT7022B 的復(fù)位需要由 STC12C5412 的P1. 0 口控制。 表模塊與主控板間通過 20 芯信號線傳輸信號，其中包括四路電能脈沖 (CF1`CF4)DART 通信接口，電源及復(fù)位信號，如圖 46 示。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33