基于ATT7022B多功能電能表的硬件設計

孫艷琴

摘 要：電能表作為計量電能大小的儀表，本設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為基礎平臺，此外還包括 RS485通信電路、存儲電路、電源電路等，實現了硬件整體構建。

關鍵詞：計量芯片；電能表；ATT7022B；硬件

隨著國內外研究電能計量和數據通信的理論趨于成熟，傳統電表已經不能滿足人類的需要，短短幾百年來電能表經歷了巨大的改變，國內外已經把研究的重心聚焦在智能電網中多功能電能表的現代化和智能化技術。通過調研總結國內不同廠家的高壓計量產品，主要有4種計量方式。（1）傳統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，基于專業電能計量芯片，將計量電路與信號傳感部分有機結合制造的一體式高壓計量裝置。第一種中間環節多，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。第四種該型結構緊湊，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確度，不需傳統的綜合誤差推導計算，能綜合比對傳統計量裝置中互感器、二次導線和電能表的總體計量準確性，研制難度較高[1]。本方案采用電能參數專用計量芯片ATT7022B，以及單片機MSP430F149，研制數字式高精度電能表。

1 系統測量原理

ATT7022B采用QFP44封裝，內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、頻率等參數進行精確計算。采樣信號由電流信道和電壓信道進入，經過AD轉換之后送到數字信號處理模塊中，數字信號處理模塊對采集來的數據進行運算處理之后，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、相角等參數[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行平方、開方以及數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行平方、開方以及數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、電壓信號進行乘法、加法、數字濾波等一系列數字信號處理后得到的。電流電壓采樣數據中包含高達21次的諧波信息，所以依據公式 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21次諧波。

2 總體設計方案

本設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行采樣，其作用類似于變壓器，把高電壓大電流轉化為小電壓小電流，然后輸入至電能計量芯片ATT7022B。ATT7022B與MSP430F149進行SPI通信[4]。總體硬件電路設計方案如圖5所示。

本次設計采用Altium Designer軟件，是在國內外享有盛名的一款PCB輔助設計軟件。它集成PCB設計系統、電能仿真系統、FPGA設計系統于一體，可以實現從芯片級到PCB級的全套電路設計，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 結語

電能表以ATT7022B芯片作為專業計量芯片用來對電壓、電流采樣，MSP430F149單片機主要對存儲電路、通信電路、校正電路等進行處理。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。該電能表集眾多傳統電表優點于一身，具備高精度、多功能、長壽命、誤差補償、抗干擾、體積小等一系列特點。

[參考文獻]

[1]任寶宏，徐科軍.MSP30單片機原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2014.

[2]鄧陽.高精度數字式電能表的研制[D].大連：大連理工大學，2010.

[3]盧瑛.基于MSP430電能表的設計研究與應用[D].杭州：浙江大學，2010.

[4]施喜平，王桂蘭.智能電表的應用現狀及其展望[J].長江工程職業技術學院學報，2014（3）：17-18.

[5]張佑春，潘曉君.采用ATT7022B與PIC16F877的電能計量研究[J].蘭州工業學院學報，2017（3）：67-71.