微機測控保護裝置中電氣計量系統設計

付 軍, 涂永飛, 李 鵬

(鎮江華東電力設備制造廠有限公司，江蘇 鎮江 212004)

微機測控保護裝置中電氣計量系統設計

付 軍, 涂永飛, 李 鵬

(鎮江華東電力設備制造廠有限公司，江蘇 鎮江 212004)

主要介紹一種微機測控保護裝置中電能參數計量系統的設計方法。該設計采用LPC1788、ATT7022、AD7606為核心處理器件，ATT7022負責對裝置中各項電能參量進行精確計算，LPC1788和AD7606負責裝置保護電氣參量的快速計算，運行保護控制程序，同時讀取ATT7022電能參量計算結果。

微機測控；電能計量；LPC1788； ATT7022；AD7606

0 引言

微機測控保護裝置是電力系統中一種集電氣量測量、開關量采集、保護、控制、報警和通信等功能于一體，廣泛用于發電廠、變電站所、鋼鐵、石化及煤炭等企業電氣控制保護系統的裝置[1]。與以往保護裝置相比，測控保護裝置需增加電能參數計量功能，包括有功功率、無功功率、視在功率、有功能量、無功能量、功率因數、相位、諧波等。這將大大增加主控CPU芯片的計算負擔，影響其他保護電氣參數的計算速度，進而影響裝置保護動作的響應速度。同時，計量功能要求精度很高，由于A/D采樣芯片精度的限制，使得通過CPU計算的電氣參數結果難以滿足計量的精度要求，如采用更高精度的A/D采樣芯片，將極大地增加裝置的硬件成本。本文介紹一種新的測控裝置計量系統設計方法，將電能計量表中常用的電能計量芯片ATT7022引入到微機測控保護裝置的開發設計中，成功應用于本公司開發的微機測控保護裝置。

1 系統硬件設計

本裝置計量部分硬件設計以32位ARM單片機LPC1788、電能計量芯片ATT7022EU及A/D轉換芯片AD7606為核心，ATTTO22負責計算裝置中有關電能參量的計算并將計算結果通過SPI總線傳給LPC1788,A/D7606負責模/數轉換，LPC1788通過并行總線讀取A/D轉換結果后，快速計算保護電氣參量，并將計算結果運用到保護程序運行中。

1.1 32位ARM單片機芯片LPC1788

LPC1788是NXP公司生產的32位Cortex-M3內核的ARM單片機[2]，運行速度高達120 MHz，內含512 KB片上Flash，96 KB片上SRAM，5個串口，3個SPI接口，2個CAN口，1個MAC口，1個8通道12位ADC，4個通用定時器，1個低功耗RTC,1個內部看門狗，1個8/16/32位外部存儲器控制器，可支持外部靜態存儲器和動態存儲器連接，208腳LQFP封裝提供多達165個通用I/O口，是一款高集成度的MCU控制芯片，豐富的外設接口、較高的運行速度及強大的電磁抗干擾能力使得其非常適合作為微機測控保護的主控芯片，能大大簡化系統硬件設計的復雜度。

1.2 電能專用計量芯片ATT7022EU

ATT7022EU是一款多功能高精度的三相電能專用計量芯片[3]，適用于三相四線制或三相三線制電氣接線系統電能計量，內部集成7路19位高精度二階ADC，最大能滿足有功功率0.2級、無功功率1級及電壓、電流0.2%的計量精度，可計算基波或全波電能參量，具有相序和斷線判斷功能，完全能夠滿足繼電保護測控裝置的電能參數計量要求，同時芯片帶有SPI串行通信接口，能非常方便地與MCU或DSP芯片進行通信。

具體電路設計如圖1所示。

由互感器采集來的電流、電壓信號經模擬電路變換以后轉換成100～500 mV的交流信號送人ATT7022芯片進行實時電能參數計算，LPC1788每隔500 ms左右通過SPI串行總線讀取一次電能計量結果，并將送給LCD顯示和非易失性存儲器中存儲，同時也可通過通信將電能計算結果遠傳給遠方監控系統。

1.3 A/D轉換芯片AD7606

雖然芯片ATT7022具備電流、電壓、頻率等電氣參數的計算功能，但是其計算速度較慢，難以滿足保護程序毫秒級的計算速度要求，因此，保護功能程序中使用的電氣參量的計算由MCU自己完成。雖然LPC1788自帶8路12位ADC，但采樣通道數量和采樣精度都難以達到裝置計算精度要求，所以系統選用16位高精度同步A/D轉換芯片AD7606，其特點是每個芯片具有8路采樣通道，每路通道的模擬量輸入范圍達±15 V,采樣速率高達250 kS/S，單5 V電源供電，自帶2.5 V基準電壓輸出模塊，接線簡單，具有并行數據接口和串行數據接口，方便與MCU連接，是目前測控保護產品中應用最廣的A/D采樣芯片[4]。

本系統設計中使用2片AD7606芯片進行A/D轉換，最多可同時采集16路模擬量信號，電流、電壓信號經模擬電路變換以后轉換成±10V以內的交流信號送人AD7606芯片采樣，LPC1788負責初始化AD7606、定時啟動A/D轉換，通過并行總線讀取轉換結果后進行數據錄波存儲，計算電流、電壓、頻率等保護功能用電氣參量，運行保護功能邏輯控制程序，并將結果進行顯示、存儲及遠傳。具體電路設計如圖2所示。

圖2 AD7606設計電路圖

1.4 模擬量轉換電路設計

由電氣系統中接入的模擬量經電流、電壓互感器轉換成低壓交流信號，再采用星格高精密互感器SPT204A和SCT254FK將交流信號轉換成毫安電流信號，經過采樣電阻轉成所需電壓信號，然后分成兩路，一路送入ATT7022進行電能參數計算，一路經運算放大器放大及二階濾波后送人AD7606進行采樣。設計原理圖如圖3所示。本文以三相電路中A相電路為例說明，B、C相電路處理方式相同。

圖3 互感器轉換電路

經互感器變換后的信號Uap、Uan，一路采用差分輸入方式，經過抗混疊濾波電路后，送人ATT7022計算電能參量，設計原理如圖4所示。

圖4 抗混疊濾波電路

另一路采用單端輸入方式，經過運算放大器將信號放大，再經過二階有源濾波電路濾除高次諧波后，送人AD7606進行A/D轉換，設計原理如圖5所示。僅以A相電壓為例。

圖5 A/D放大及濾波電路

2 系統軟件設計

系統軟件采用C語言進行編程，采用模塊化程序設計方法，編程軟件為KEIL MDK5.11，支持JTAG仿真口進行軟件仿真，裝置計量系統軟件編程主要分為ATT7022設置與計量結果讀取、存儲，AD7606初始化、啟動轉換、相應A/D中斷讀取轉換結果及保護電氣參數計算等部分。

2.1 ATT7022軟件設計

圖6 ATT7022程序流程圖

系統軟件運行后，要正確讀取ATT7022電能計算結果，首先要運行校表程序[5]，芯片支持全數字化軟件校表，通過軟件對芯片中各個寄存器進行初始化設置，校表完畢后可以通過SPI接口讀取電能參量計算結果，由于該結果只用于電能計量，不涉及保護程序運行，所以不需要太高的實時性，本設計中裝置通過定時器每隔500 ms左右讀取一次計算結果并更新顯示，即滿足了計量要求，也大大簡化了系統負擔，節約運行時間。程序流程圖如圖6所示。

2.2 AD7606軟件設計

系統運行后，首先復位初始化AD7606芯片，然后設置毫秒定時器，每1 ms通過芯片管腳CONVSTABC啟動A/D芯片進行轉換，轉換結束后通過中斷通知LPC1788讀取轉換結果并錄波，為了滿足保護程序運行速度要求(保護功能要求響應時間<20 ms)，程序定為每隔5 ms對采樣數據進行一次計算，采用全波傅氏變換方法計算各保護電氣參量，并將結果運用到保護邏輯控制程序中。程序流程圖如圖7所示。

圖7 AD7606程序流程圖

3 結論

微機測控保護裝置中電氣計量系統設計是其研發核心，其性能將直接影響裝置整體性能，設計要求是既要保證測量結果的精確度，又要保證保護電氣參量測量的快速性，本設計方法將電能專用計量芯片引入裝置設計中，利用其高精度計量特點完成實時性要求不高但計算復雜的電能參量的計算，而MCU主控芯片專注于實時型要求很高的保護參量計算及保護程序運行，不僅減輕了主控芯片負擔，增強了實時性能，還簡化了計算程序編程復雜度，大大減少了程序編程代碼。在實際裝置設計和運行中，本設計方案既滿足了裝置對測量結果精確度的要求，又保證了保護裝置響應的快速性，取得了良好的運行效果。

[1] 許正亞.變壓器及中低壓網絡數字式保護[M].北京：中國水利水電出版社,2004.

[2] 張勇. ARM Cortex-M3嵌入式開發與實踐——基于LPC1788和μC/OS-II [M].北京：清華大學出版社,2015.

[3] 王建龍，張宏科，劉俊. 電能計量芯片ATT7022E在智能電表中的應用[J].電測與儀表,2015,52(12)：52-55.

[4] 王小進，涂煜. 基于AD7606的繼電保護數據處理設計[J].船電技術,2014,34(9)：46-49.

[5] 朱琳. ATT7022B在電力參數測量中的應用 [J].測控技術,2007,26(1)：9-11.

Design of electric metering system for microcomputer measurement protection device

Fu Jun, Tu Yongfei, Li Peng

(Zhenjiang East China Electric Power Equipment Company Ltd.，Zhenjiang 212004,China)

This paper introduces a design of electric metering system for microcomputer measurement protection device. In the design, LPC1788, ATT7022 and AD7606 are used as core processing chips. ATT7022 chip is responsible for electric energy calculation. LPC1788 and AD7606 are responsible for fast protection calculation, running protection software and read energy calculations from ATT7022.

microcomputer measurement and control； energy calculation；LPC1788；ATT7022；AD7606

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.08.010

付軍, 涂永飛, 李鵬.微機測控保護裝置中電氣計量系統設計[J].微型機與應用，2017,36(8)：28-30.

2016-10-30)

付軍(1979-)，男，工程師，主要研究方向：電力系統自動裝置。E-mail：fujun35303@163.com。

涂永飛(1983-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：電力系統自動裝置。

李鵬(1981-)，男，工程師，主要研究方向：電力系統設備。

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