基于ATT7022B的交流配電柜設(shè)計

0 引言

　　具有對各項電力參數(shù)監(jiān)測的智能型交流配電柜，在電力及通訊行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛。使用專用電能計量芯片實現(xiàn)對電力參數(shù)的采集和測量有比較明顯的優(yōu)勢，它克服了傳統(tǒng)設(shè)計中元器件數(shù)量多，電路復雜，成本高等缺點。ATT7022B是一款三相多功能電能計量芯片，具有精密測量多種電力參數(shù)功能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于三相電度表或其他三相電能計量儀表中。本文介紹在電力配電系統(tǒng)中對較大電流監(jiān)控中應(yīng)用該芯片的一些實踐經(jīng)驗，供讀者參考。

l ATT7022B特性

1．1 功能簡介

　　ATr7022B是一顆精度高且功能強的多功能防竊電基波諧波三相電能專用計量芯片，它集成了六路二階sigma—delta ADC，其中三路用于三相電壓采樣，三路用于電流采樣，還有一路可用于零線電流或其他防竊電參數(shù)的采樣，輸出采樣數(shù)據(jù)和有效值，使用十分方便。該芯片適用于三相三線和三相四線應(yīng)用。

　　該芯片還集成了參考電壓電路以及所有包括基波、諧波和全波(基波+諧波)的各項電參數(shù)測量的數(shù)字信號處理等電路。ATT7022B能夠測量各相以及合相包括基波、諧波和全波的有功功率、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)，充分滿足三相復費率多功能電能表的需求。

　　ATF7022B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CFl、CF2提供瞬時有功、無功功率信息，可以直接接到標準表，進行誤差校正?？梢詫ㄓ泄?、無功功率進行測量，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。

　　ATT7022B內(nèi)部的電壓檢測電路可以保證加電和斷電時芯片正常工作。提供一個SPI接口，方便于外部MCU之間進行計量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞，所有計量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出。

1．2 芯片特性

　　內(nèi)部集成七通道(ATT7022A為六通道)的16位高精度ADC和24位高速DSP，在輸入動態(tài)工作范圍(1000：1)內(nèi)，非線性測量誤差小于0．1％；
　　有功測量滿足0．2S、0．5S，支持IEC 62053—22、GB/T 17883—1998；
　　無功測量滿足2級、3級，支持IEC 62053—23、GB/T 17882—1999；
　　提供基波、諧波電能以及總電能測量功能。可單獨計量基波電能，消除諧波影響，公平計費；
　　電壓通道輸入有效值為10mV到1V信號，或電流通道輸入有效值為2mV到1V信號時輸出電壓或電流有效值的誤差小于0．5％；
　　第七路ADC提供零線電流檢測，也可用于防竊電(ATT7022A只有六路)；
　　提供失壓判斷功能，具有反向功率指示；
　　提供有功、無功、視在校表脈沖輸出；
　　提供基波有功、基波無功校表脈沖輸出；
　　合相能量絕對值相加與代數(shù)相加可選；
　　電表常數(shù)、起動電流可調(diào)；
　　可準確測量到含21次諧波的有功、無功和視在功率；
　　支持增益和相位補償、小電流非線性補償；
　　具有SPI接口，方便與單片機或其它設(shè)備通訊；
　　適用于三相三線和三相四線模式，可選擇；
　　電壓、電流信號均以交流差動電壓方式輸入，外部電路極為簡單；
　　提供2．45V基準電壓作為外部交流輸入信號的直流偏置電壓，避免輸入失真；
　　采用QFP44封裝，單+5V供電。

1．3 內(nèi)部框圖

　　內(nèi)部框圖如圖1所示。

2 配電柜電力參數(shù)監(jiān)控整體電路設(shè)計

2．1 總體設(shè)計

　　交流配電柜主要檢測的電力參數(shù)有三相電壓、電流有效值，各相或合相的有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率、相位等，同時對開關(guān)狀態(tài)、熔絲通斷等開關(guān)量進行檢測。在傳統(tǒng)的設(shè)計中經(jīng)常使用集成運算放大器等分立電子器件實現(xiàn)上述功能，這樣的電路一般是一套非常復雜、龐大的電路，不但成本很高，而且設(shè)計、調(diào)試都可能遇到很大困難，甚至有的功能很難實現(xiàn)。

　　本文提出一種用ATT7022B智能芯片設(shè)計400A三相交流配電柜電力參數(shù)監(jiān)控的方案，如圖2所示，其工作原理如下所述。

　　ATT7022B智能芯片應(yīng)用到交流配電柜監(jiān)控系統(tǒng)中則非常方便地測量各項電力參數(shù)，特別是三相電壓、三相電流信號均為交流電壓差動輸入方式，只要將被測系統(tǒng)的電壓經(jīng)過電壓互感器降壓到芯片允許范圍，并經(jīng)電流互感器或電流一電壓轉(zhuǎn)換器將被測電流轉(zhuǎn)換成芯片允許范圍內(nèi)的電壓值，以差動方式輸入芯片，即可完成各種參數(shù)的自動測量。

　　系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)分為模擬信號和數(shù)字信號兩部分。模擬信號是來自電壓互感器的三路相電壓差動信號；來自電流互感器的三路線電流差動信號和一路零線電流差動信號。數(shù)字信號主要是來自標識各輸出分路開關(guān)是否接通的二次電壓信號，或開關(guān)上輔助觸點和跳閘報警觸點的開關(guān)信號；鍵盤控制信號；避雷器失效信號等。

　　模擬信號經(jīng)輸入整定電路調(diào)整后，再輸入ATT7022B芯片。芯片進行取樣、運算，將結(jié)果輸出到相應(yīng)的寄存器。每秒完成3次數(shù)據(jù)更新。單片機通過SPI總線讀取片內(nèi)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換、處理后在LCD上顯示出結(jié)果來。

　　LCD液晶顯示器上以菜單和數(shù)據(jù)列表或圖形模式顯示數(shù)據(jù)，如各種參數(shù)測量結(jié)果、系統(tǒng)運行狀態(tài)、分路開關(guān)狀態(tài)、系統(tǒng)非正常運行或故障報警等等。
　　根據(jù)人為設(shè)定的各參數(shù)極限值，單片機通過報警電路進行聲光報警。

　　系統(tǒng)通過232／485串行通訊模塊與上位機或其它設(shè)備通信。如果需要轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)TCP／IP協(xié)議，則可以在RS232串口上接一個“串行服務(wù)器”(模塊化商品)，即可以提供RL45網(wǎng)絡(luò)接口了。

　　鍵盤輸入主要用于輸入校表數(shù)據(jù)，設(shè)置報警極限參數(shù)，查詢運行數(shù)據(jù)等。

2．2 ATT7022B電壓輸入電路設(shè)計

　　ATF7702B電壓采樣輸入電路如圖3所示，其中三相電壓輸入電路中元件參數(shù)相同。根據(jù)電壓互感器二次電壓是0．5V還是幾伏來確定電壓信號輸入回路中的電阻和電位器。原則是電位器兩端的電壓能調(diào)整到不超過ATT7022B最大輸入電壓有效值范圍。

　　本系統(tǒng)選用220／6V電壓互感器，輸入電路中的電阻值如圖3中所示，電位器兩端電壓調(diào)整范圍為0~0．86V，在實際中1kΩ電位器兩端電壓調(diào)整到0．22V左右。簡單的調(diào)整方法是，在某相電路上接上標準電壓表，調(diào)整對應(yīng)的1kΩ電位器，使LCD上顯示的電壓值與標準表上讀數(shù)相同。當然，要在軟件運行正確、輸入準確校表數(shù)據(jù)后才能保證數(shù)據(jù)的準確性。

2．3 ATT7022B電流輸入電路設(shè)計

　　ATT7702B電流采樣輸入電路如圖4所示，三相電流輸入電路中元件參數(shù)也相同。如果不需要檢測零線電流，可以不安裝零線電流互感器，而將對應(yīng)的兩個輸入端短接起來。零線電流互感器根據(jù)零線電流大小的實際情況進行選擇。所有的電流互感器都要根據(jù)二次電流是lA還是5A來確定電流互感器二次線圈并接的電阻。原則是二次電流在該電阻上的壓降不超過ATT7022B電流輸入最大有效值。

　　本設(shè)計選用400／5A電流互感器，二次線圈并接電阻為O．2Ω／10W，線路滿載400A時輸入電壓為lV。在輸入電壓為2mV～1V時，ATIT022B非線性誤差小于0．5％。當然，為了減小非線性誤差，可以將輸入到芯片的電壓降低。例如選用400／1A的電流互感器，不過價格要高許多，并接電阻選用0．5Ω／2W，線路滿載400A時互感器輸出電壓為0．5V。調(diào)整電流輸入電路中的lkΩ電位器，使電位器兩端電壓為400mV時，對于滿載400A電流來說，每mV輸入電壓即可對應(yīng)lA電流。這里所說的輸入電壓指的是lkΩ電位器兩端的電壓。因為芯片輸入阻抗極高，所以1．2kΩ電阻前面的電壓基本上就是芯片管腳上的輸入電壓。該電位器可以方便地調(diào)整輸入電壓，在系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)和校表時具有重要作用?；ジ衅鞫尉€圈并接的電阻、電位器及輸入電路的其它電阻都應(yīng)該選擇精密的、熱穩(wěn)定性好的元件，以保證測量精度和穩(wěn)定性。

　　廠家推薦電壓輸入信號最好在0．2V；電流輸入信號在O．1V。這個范圍線性度最好。如果芯片使用在普通小電流三相電度表時，采用推薦的輸入范圍是最好的。但用于配電系統(tǒng)較大電流的監(jiān)控時，輸入電壓太小會降低測量值的分辨率。所以只能根據(jù)實際情況權(quán)衡考慮。

3 在信號采樣、輸入電路設(shè)計中應(yīng)注意的幾點問題

　　芯片各輸入引腳的VxP和VxN的直流偏置電壓為2．45V左右，偏置電壓由芯片的第1l腳REFOUT提供，也可由外電路提供，否則不能準確計量。

　　為保證測量精度，芯片第5腳外接濾波電容應(yīng)盡量靠近管腳處，走線粗短，遠離其它信號線，且兩個電容均不可省去。電容的接地點應(yīng)與采樣信號的地線盡可能短的連在一起。

　　VxP和VxN輸入電路中電阻1．2kΩ和電容0．01μF構(gòu)成了抗混疊濾波器，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)要講究對稱，并采用溫度性能較好的元器件，從而保證電表獲得良好的溫度特性。

　　任意一相電流與電壓反向時，芯片第40腳REVP輸出高電平，據(jù)此可以判斷接線是否有錯。

　　芯片的輸入腳SEL接高電平為選擇三相四線接線方式，接低電平為選擇三相三線接線方式。

　　電源電壓VCC、AVCC應(yīng)在5(1±5％)V以內(nèi)。GND與AGND為數(shù)字和模擬電源參考點，在PCB布線時應(yīng)將他們就近接大面積地，不要區(qū)分GND和AGND，更不要在GND和AGND之間接電感、電阻和磁珠等元件。

4 結(jié)語

　　筆者在400A交流配電柜監(jiān)控系統(tǒng)中成功地使用了ATT7022B芯片，取得了令人滿意的運行效果。利用該設(shè)計能夠很好地測量各項電力參量，極大地減小了計算上的誤差和設(shè)計復雜性。測試的結(jié)果表明，在交流配電柜中用該芯片實現(xiàn)對各項電力參數(shù)采集的應(yīng)用具有精度高、性價比高、操作方便等優(yōu)點。