配变监测终端的研究及开发设计

王 强 ，刘映杰，张晨曦，南维斌

(1.兰州大学 信息科学与工程学院，甘肃 兰州 730000;2.甘肃省武威市供电公司，甘肃 武威 733000)

配变监测终端用于对配电变压器的信息采集和控制，能够实时监测配电变压器的运行工况，用以完成传统的电压表、电流表、功率因数表及负荷指示仪和电压监视仪等的功能。它能与其他后台设备进行通信，提供配电系统运行控制机管理所需的数据，以便及时发现并处理事故和紧急情况，就地与远方进行无功补偿。配变监测终端的引入，为提高配电网安全和经济运行提供了有力工具[1]。

本文研发的配变监测终端，其微控制器采用高性能单片机，电能测量模块采用三相电能专用计量芯片ATT7022E，系统能够采集三相电压/电流，计算三相有功功率、无功功率、功率因数、总有功功率、总无功功率及总功率因数等，实现线路监测功能。同时，根据设定的补偿方式，配变监测终端控制电容器的投切，实现无功功率自动补偿。配变监测终端支持RS232、RS485和GPRS通信方式，便于现场联网使用，为配网自动化的实现提供可能。

1 硬件设计

配变监测终端主要包括数据采集部分和控制管理部分，其硬件结构如图1所示。

1.1 数据采集部分

数据采集部分主要通过专用的计量芯片ATT7022E采集互感器的输出信号，并通过SPI串行通信将采样数据传递给CPU进行处理。

ATT7022E是一颗精度高且功能强的多功能防窃电三相电能专用计量芯片[2],它集成了7路二阶sigma-delta ADC，其中3路用于三相电压采样，3路用于三相电流采样，还有1路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样，输出采样数据和有效值，使用十分方便。该芯片适用于三相三线和三相四线应用。

该芯片还集成了参考电压电路以及所有包括基波和全波（即基波+谐波）的各项电参数测量的数字信号处理电路，能够测量各相及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量、无功能量、视在能量(有PQS、RMS两种方式可选择)，以及基波有功功率、基波有功能量和基波电压/电流有效值，同时还能测量频率、各相电流/电压有效值、功率因数、相角和电压夹角等参数。

ATT7022E内部的电压监测电路可以保证加电和断电时正常工作；提供一个SPI接口，方便与外部MCU之间进行计量参数及校表参数的传递；支持全数字域的增益、相位校正及纯软件校表；有功、无功、视在、基波有功电能脉冲输出 CF1、CF2、CF3、CF4可以直接接到标准表进行误差校正。

由PT和CT将变压器低压侧的电压和电流信号转换为低电压、小电流信号，并且使电网部分与检测部分隔离开来[3],转换来的信号经过调整和滤波送入ATT7022E芯片。ATT7022E片内集成了7路16 bit的ADC，采用双端差分信号输入。其中，VIP/V1N、V3P/V3N和V5P/V5N为电流输入通道，V2P/V2N、V4P/V4N和 V6P/V6N为电压输入通道，V0P/V0N为零序电流输入通道。ATT7022E内部集成一个SPI串行通信接口，采用从属方式工作，使用两条控制线和两条数据线：CS/SCLK/DIN/DOUT。

1.2 控制管理部分

控制管理部分采用Silicon Lab公司的混合信号ISP Flash微控制器C8051F120来控制数据存储单元、时钟单元、人机界面单元、通信单元、看门狗单元和开关量输入/输出单元。

C8051F120是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，具有64个数字IO引脚，高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（100 MIPS），全速、非侵入式的在系统调试接口，2周期的16×16乘法和累加引擎，128 KB可在系统编程的Flash存储器，8 KB+256 B的片内 RAM，以及硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口。

C8051F120是具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。Flash存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。

片内 JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品 MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速的在系统调试。该调试系统支持观察、修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。C8051F120可在工业温度范围（-45℃～+85℃）工作。端口I/O、/RST和 JTAG引脚都容许5 V的输入信号电压。

其他硬件单元(如人机界面单元、时钟单元等)都是常见的通用型的设计，在此不再详细介绍。

2 软件设计

软件设计是在Silicon Labs IDE V4.20环境下，采用C语言开发。为了确保软件结构简单、清晰，提高软件的可读性和可维护性，软件设计采用模块化的设计方法，其中包括电能芯片接口模块、谐波计算模块、保护模块、电容投切模块、统计模块、人机界面模块和通信模块。

系统上电后，由主程序完成系统的复位和初始化工作，之后开始任务轮询[4]；当某个任务需要被执行时，主程序通过调用与之对应的功能模块去完成该任务，任务完成后,系统又返回到主程序。系统软件结构图如图2所示。

本文采用高性能单片机C8051F120和专用电能计量芯片ATT7022E设计的配变监测终端，实现了配变监测终端所要求的功能，系统运行稳定、可靠，具有一定的应用和推广价值。

[1]陈堂.配电系统及其自动化技术[M].北京:中国电力出版社,2003.

[2]ATT7022E应用笔记[Z].钜泉光电科技（上海）股份有限公司,2012.

[3]陈少华，陶涛，陈章宝，等.智能配电变压器监测终端的设计[J].电力系统保护与控制,2008,36(21):56-60.

[4]Li Yan,Lu Wenmei,Li Wencai.The research of distribution transformer remote terminal units based on DSP[C].2009 Second International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation,2009,3:145-148.