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        基于ATT7022B多功能電能表的硬件設(shè)計

        2018-03-01 10:26:16孫艷琴
        無線互聯(lián)科技 2018年22期
        關(guān)鍵詞:硬件電能表

        孫艷琴

        摘 要:電能表作為計量電能大小的儀表,本設(shè)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(chǔ)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(guān)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(shù)。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(jī)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(zhǔn)確度,不需傳統(tǒng)的綜合誤差推導(dǎo)計算,能綜合比對傳統(tǒng)計量裝置中互感器、二次導(dǎo)線和電能表的總體計量準(zhǔn)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(jī)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(jìn)行精確計算。采樣信號由電流信道和電壓信道進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(dá)21次諧波。

        2 總體設(shè)計方案

        本設(shè)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(jìn)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(jìn)行SPI通信[4]??傮w硬件電路設(shè)計方案如圖5所示。

        本次設(shè)計采用Altium Designer軟件,是在國內(nèi)外享有盛名的一款PCB輔助設(shè)計軟件。它集成PCB設(shè)計系統(tǒng)、電能仿真系統(tǒng)、FPGA設(shè)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(shè)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(jī)主要對存儲電路、通信電路、校正電路等進(jìn)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(bǔ)償、抗干擾、體積小等一系列特點。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1]任寶宏,徐科軍.MSP30單片機(jī)原理與應(yīng)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(xué),2010.

        [3]盧瑛.基于MSP430電能表的設(shè)計研究與應(yīng)用[D].杭州:浙江大學(xué),2010.

        [4]施喜平,王桂蘭.智能電表的應(yīng)用現(xiàn)狀及其展望[J].長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)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(xué)院學(xué)報,2017(3):67-71.

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