三相多功能電力儀表的研究與設計

昆明理工大學津橋學院電氣與信息工程學院 張興超 王 陸

1.引言

隨著電力工業的飛速發展，“智能電網”被逐漸運用于電力系統中解決電能使用的諸多問題。作為智能電網末端的監測單元，智能電力儀表主要用于采集電壓、電流、頻率、相位、功率和電能等電力基礎信息，以提高電力資源的利用率。當前大規模集成電路的廣泛應用，使得電力儀表已從簡單的零部件發展到了集多種功能于一體的集成部件型式。電力行業對其豐富的功能性要求也賦予了電力儀表更多的職能。

傳統電力監控儀表廣泛采用的設計方案包括三種形式：一是SOC芯片架構，硬件結構簡單、性能好，但大數據量的處理能力較弱，且系統功能具有突出的局限性；二是單MCU結構，具有調理電路復雜、硬件設計困難、軟件處理數據量大等缺點；三是MCU+A/D采樣芯片混合結構，需要擴展電路、增加同步程序，且測量精度低、開發成本高①。

鑒于此，本文提出了一種基于STM32+ATT7022E的智能化三相多功能電力儀表的設計方案。其硬件結構簡單、軟件功能性強、測量精度高。通過二者的配合使用，可以滿足智能電力儀表寬量程、高精度、低功耗、智能化和網絡化的要求；具有一定的可行性，便于工程實現。

圖1 系統整體結構框圖

2.系統的整體結構

適用于三相三線制和三線四線制的智能化電力儀表應具有多樣性的功能，包括電力參數的測量、通信、顯示、報警、存儲、人機交互功能和輸入輸出功能等。結合系統的結構特點與設計要求，本文采用了模塊化的設計思想對STM32+ATT7022E多功能電力儀表的整體結構進行了設計。系統整體結構框圖如圖1所示。

3.多功能電力儀表的硬件設計

根據系統整體硬件結構設計框圖，基于模塊化設計思想的STM32+ATT7022E三相多功能電力儀表主要由主控芯片、電能計量芯片、輸入輸出電路、采樣電路、通信電路、輔助電源、存儲單元、按鍵及顯示單元等組成。

本系統選擇意法半導體公司基于ARM32位的增強型STM-32F103C8T6芯片作為主控芯片。該器件擁有20K的SRAM和64K的Flash程序存儲器，工作電壓為2.0-3.6V，時鐘頻率達72MHz；內置4個驅動單元和4個被動單元，并可通過系統總線控制芯片的所有外設。另外，該芯片內部還自帶RC振蕩器、溫度傳感器、可編程電壓檢測器，同時具有長時間存儲數據、上電斷電復位等功能。

作為一種專用電能計量芯片，ATT7022E可用于測量三相三線制和三線四線制的電能。該器件測量誤差小、精度高，且內部集成了參考電壓電路、各類數字信號處理電路和ADC模塊等；其電源電壓為3.3V，可通過SPI接口與MCU實現通信，具有實時獲取采樣數據，進行諧波分析的功能②。

三相多功能電力儀表輸入輸出電路含4路光耦輸入和2路繼電器輸出。其中，光耦輸入電路包括有源與無源兩種不同形式接法，主要用于刀閘和斷路器位置信號、斷路器脫扣信號等狀態信息的監測。繼電器輸出電路均為無源接法，其容量為AC 250V/5A，DC 30V/5A；由STM32F103C8T6芯片通過控制I/O引腳的高低電平形式決定繼電器閉合斷開狀態。

采樣電路主要由三相電壓與電流的采集、電壓與電流互感器、信號調理電路組成。利用電壓電流互感器可將原電壓電流信號變換成小信號以滿足ATT7022E對電壓的要求，結合信號調理電路的使用可將電流信號轉換成電壓信號形式以供給電能計量芯片的ADC模塊進行數據處理。為滿足輸入輸出信號的測量需求，本設計選擇的高精度互感器參數如下：電壓互感器ZMPT107：額定輸入輸出2mA，精度0.2%，線性度≤0.2%，角差≤45°；電流互感器ZMCT102：額定輸入5A，額定輸出2.5mA，精度與線性度0.2%，角差≤20°③。

通信電路采用的是RS-485總線形式，該通信方式具有接線簡單、傳輸距離遠、穩定性好、復雜環境適應性強等優點。通過RS-485通信電路可使該電力儀表具有數據通信和遠程監控功能。另外，帶隔離功能的ISO3082半雙工差分總線式RS-485接收器芯片的使用可實現信號傳輸與儀表硬件電路的隔離；能有效的減少通信傳輸線路的干擾信號，提高了儀表硬件電路的工作穩定性。

圖2 系統主程序流程圖

儀表的輔助電源采用的是小體積、低成本、高效率，且具有寬幅電壓輸入的開關電源。綜合考慮系統穩定性和儀表小型化的需求，電源核心電路采用AC/DC模塊電源進行設計。多功能電力儀表對讀寫速度和次數都有著較高的要求，為了滿足系統對存儲功能的要求，本設計選擇FRAM鐵電存儲器用于儀表的存儲單元。按鍵及顯示單元主要用于實現儀表的人機交互功能；其中，顯示模塊采用的是TFT-LCD；按鍵電路則通過軟硬件消抖方法的配合使用保證其可靠性。

4.多功能電力儀表的軟件設計

多功能電力儀表的軟件結構由主程序和若干子程序組成；其中，主程序用于系統初始化、資源分配以及子程序的調度管理等；而子程序主要用于實現各硬件模塊的功能。本系統軟件采用C語言和循環體+中斷的軟件結構進行設計，主要包括：系統初始化、電力參量測量、諧波分析、通信、TFT-LCD顯示及數據存儲等功能。其系統主程序流程圖如圖2所示。

5.結語

電力系統自動化程度的提高使得智能化和高精度成為了現代多功能電力儀表的基本要求。本文從硬件結構和軟件設計的角度詳細介紹了智能電力儀表的設計。提出了一種基于STM32+ATT7022E的三相多功能電力儀表的設計方案。其硬件結構簡單、軟件功能性強、測量精度高；可以滿足智能電力儀表寬量程、高精度、低功耗、智能化和網絡化的要求；具有一定的可行性，便于工程實現。

引文

①蔣海鵬.基于STM32和ADE7878的多功能電力監控儀表的設計與實現[D].廣西大學,2017.

②李天培,陳沖.采用ATT7022E和MK02的多功能綜合電力儀表設計[J].福建水力發電,2017(02):24-27.

③曾志超.基于STM32的多功能電力儀表的設計與實現[D].貴州大學,2017.