基于ATT7022的电能多参数测量终端的设计与实现

王 刚 郝 丹

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046）

基于ATT7022的电能多参数测量终端的设计与实现

王 刚 郝 丹

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046）

针对电气设备配电终端电能参数计量问题，本文采用智能芯片ATT7022作为计量芯片，其测量准确、接口简单、易于实现，较好地解决了多参数电能计量问题。本文详细论述了测量原理、硬件设计、软件校表与程序流程等问题，并详细阐述了实际软硬件设计与应用方面的技术细节。本项设计不失为一项良好的解决方案，对工程实践具有指导意义。

电能参数计量 ATT7022 校表

引言

随着电力系统的发展，电气用电设备遍及工业生产的每个角落，电气设备的安全、可靠、准确和经济运行都必须依靠安装在生产现场的监测电压、电流、功率、电能、功率因数、频率、相位等电能参数的仪器仪表来保证。对各种电能参数的准确测量、现场显示，可以使设备维护人员及时了解运行情况。通过数据通信方式，将电能参数上传至管理系统，可以使决策部门及时掌握现场设备运行情况，以控制设备工况，提高生产效率，且通过各参数实现设备的故障诊断与判断。

电能参数的测量方法主要分为两类：第一类为直流采样法，该方法是对经过变换后的直流量进行采样。直流采样法通常是通过测量平均值来计算电压、电流有效值的。第二类为交流采样法，该方法是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样后，再用一定的数值计算法求得被测量的值。交流采样法与直流采样法的最大区别是用软件功能代替硬件功能。直流采样法精度低，不适用于含有高次谐波的情况。交流采样法算法比较复杂，占用微处理器系统资源多，实现比较困难。本文采用ATT7022作为电能参数采集芯片，它集电能多参数采集于一身，接口简便，是一种低成本、高性能、易于实现的系统解决方案。

1 电能参数测量原理

ATT7022是一款高精度的三相电能专用计量芯片，它主要被用于三相三线和三相四线的测量。它能测量各相以及合相的无功功率、有功功率、视在功率、无功能量及有功能量，同时还可以测量各相电流、电压的有效值、功率因数、频率及相角等参数。ATT7022还能提供一个SPI接口，通过该接口实现与外部MCU之间的校表参数和计量参数的传递，

所有计量参数都可以通过这个接口读出。

通过对电压、电流的采样值进行相应运算，可得出电压、电流的有效值。在电压采样通道内输入10mV～1000mV的信号时，电压有效值的误差可以保证在0.5%以内；在电流采样通道内输入2mV～1000mV的信号时，电流有效值的误差可以保证在0.5%。以内。如图1所示。

电压、电流有效值为式（1）：

图1 电压、电流有效值测量

各相的有功功率是通过对直流分量后的电流、电压信号进行乘法、加法、数字滤波等一系列数字信号处理得到的。电压、电流等采样数据中包含高达21次的谐波信息，所以通过此方法得到的有功功率也至少包含21次谐波信息，有功功率的测量原理图如图2所示，合相有功功率的公式为：Pt=Pa+Pb+Pc。

图2 有功功率测量

有功功率的计算为式（2）：

根据正弦式无功功率的定义公式，无功功率应为式（3）：

无功功率的计量算法所需的信号是采用移相90°后的信号，测量带宽因此要受到数字移相滤波器的带宽限制。ATT7022无功功率的测量带宽最高可达21次谐波。ATT7022采用的数字90°移相滤波器具有优越的频率响应特性，它的幅频特性为1，频带范围内的所有频率成分进行-90°相移的线性滤波器，因此，即使测量相当高次谐波无功功率，测量结果的准确度也较高。无功功率的测量原理图如图3所示。

图3 无功功率测量

视在功率和功率因数的计算是在有功功率和无功功率的基础上实现的，视在功率的计算为式（4）：

功率因数计算公式为式（5）：

有功能量通过瞬时有功功率对时间的积分得到式（6）。

无功能量通过瞬时无功功率对时间的积分得到式（7）。

2 系统硬件设计

整个系统包括电能参数采集、单片机最小系统、液晶显示、继电器控制及通讯等几部分。ATT7022及其外围电路主要完成电能参数的采集。单片机系统完成整个系统的控制与管理，采用Aduc812单片机，包括复位电路及振荡电路。液晶显示器可以对电能参数进行实时显示，采用液晶显示模块12864来实现。继电器可以控制外围电气设备，由单片机I/O口输出信号给驱动电路进行控制。数据通讯部分采用485通讯方式，将电能参数及时上传，由MAX485来实现。系统框图如图4所示。

图4 系统构成框图

电能参数采集部分需要通过电压互感器和电流互感器将三相高电压、大电流信号转换成弱信号，由ATT7022进行处理。ATT7022内部集成了6路16位A/D转换器，其线性误差在有效值0.001V～0.8V范围内小于0.1%。因为电网电压在-40%～+30%的范围内波动，且具有良好的信噪比特性，所以在参比电压下，芯片电压输入脚上的采样值应为0.2～0.5V。电流测量时需考虑8倍量程的过流能力，当输入额定电流时，芯片电流输入脚上的采样电压值为0.1V。由此进行互感器的选型及参数匹配。

芯片的输入通道引脚需提供偏置电压，由引脚Refout外加上拉电阻提供。而每一通道由电阻和电容构成抗混叠滤波器，以抑制采样过程中的噪声混叠干扰。整个电压、电流输入通道采取差分输入方式，以抑制共模信号干扰。系统采用有源晶振，可以提供更加稳定的时钟信号。

3 系统校准步骤

ATT7022校表方式称为软件校表。仪表经过校正后，无功精度可高达2级，有功精度可高达0.2级。功率校正包括角差校正和比差校正。比差校正是根据电流设置不同的区域，相应地设置不同的功率增益系数，以弥补互感器输入与输出的非线性。角差校正和比差校正一样，在电流区域分段对相角进行修正。ATT7022还可以通过寄存器修正电流、电压的有效值，这些参数都是通过芯片测量值与标准表读数的偏差进行修正的，芯片手册中提供了相应的计算公式。芯片的参数校正非常重要，只有校正以后的芯片才能正常使用，图5列出了芯片校正的具体步骤。

图5 校表流程图

要注意的是，高频输出参数HFConst的设置，实际上它是一仪表常数，对整个芯片的正常工作起着重要作用。其计算公式如（8）所示：

式（8）中，INT为取整操作运算。为额定输入电流，经电流互感器后对应到输入通道上的电压有效值应该在100mV左右；为额定输入电压，经电压互感器或电阻分压网络后对应到输入通道上的电压有效值应该在500mV左右。G是指ATT7022的ADC增益系数，G恒定为0.648。为经过电压互感器后，电压输入通道的电压。为经过电流互感器后，电流输入通道的电压。为消耗1kwh电能，芯片输出的脉冲数目。

在进行电压、电流和功率等参数校正之前，需要完成HFConst的设置，只有在HFConst设置完成的基础上，对其他参数的校正才有效，因为这样可以保证测量值与校正值在同一仪表常数下得到。

4 程序设计

ATT7022内部集成了一个SPI串行通讯接口，SPI接口采用从属方式工作，它在工作的过程中使用2条数据线和2条控制线，分别为DOUT和CS、SCLK和DIN。CS：片选输入脚是一条能够允许访问串口的控制线，CS由高电平变为低电平时表示SPI操作开始，CS由低电平变为高电平时表示SPI操作结束，所以每次操作SPI时，CS必须出现下降沿，CS出现上升沿时表示SPI操作结束。DIN：串行数据输入（输入脚）表示把用户的数据（如数据/命令/地址等）传输到ATT7022。DOUT：串行数据输出（输出脚）表示从ATT7022A寄存器读出数据。SCLK：串行时钟（输入脚），控制数据移出或移入串行口的传输率。上升沿写入数据，下降沿读取数据，SCLK下降沿时将DIN上的数据采集到ATT7022A中，SCLK上升沿时将ATT7022A的数据放置于DOUT上输出。这些信号时序可以由单片机I/O口模拟完成。

ATT7022的计量参数寄存器和校表参数寄存器是分别存储的，计量参数1/3s更新一次，当需要读取电能参数时，只需按寄存器的地址读取数据即可。校表参数寄存器，需要在单片机初始化中进行设置，将设置参数写入相应的校表寄存器即可，芯片即按校表参数工作。芯片的复位时间较长，需要大于500μs的时间，校表参数需要在复位后由初始化程序进行设置，否则不能有效写入校表参数。

图6 系统工作流程图

整个系统工作流程图如图6所示。

5 结论

本文采用ATT7022作为配电终端的电能计量芯片，实现了多项电能参数高效、准确测量，节省了单片机的大量资源，使系统易于实现。文中详细论述了ATT7022进行电能参数计量的原理，硬件设计需注意的原则及软件设计流程和校准方法方面的细节，对实践应用具有指导、推广意义。

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Design and Implement of Measurement Terminal for Multi Power Parameters Based on ATT7022

WANG Gang,HAO Dan
(Harbin Steam Turbine Factory Co., Ltd., Harbin 150046)

Aimed at m ulti power parameters measurement of power distribution terminal of electrical equipment, this paper takes the smart chip ATT 7022 as measure chip, which has the characteristics of high precis ion, simple inter face and eas y to implement, and well solves the above mentioned issue. This paper deals with measuring principle, hardware design, software calibration and program flow in detail, and discusses the technical details about the design of hardware、software and engineering application. This design is a very good solution and has the guiding significance for engineering practice

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