一種新型網絡化智能諧波儀表的設計

陳衛峰，鄧小穎，陳 磊

(揚州大學 信息工程學院， 江蘇 揚州 225127)

0 引言

隨著電力電子技術的飛速發展，各種高電壓、大容量非線性負載設備在現代工業生產中得到了大量應用，如電子調壓設備、電弧爐等[1-3]，但其在運行時產生了大量的諧波電流注入電網，使電網電壓和電流波形發生畸變，對電能質量、輸電設備和各類儀表產生極其不利的影響。因此，諧波檢測是解決諧波問題的首要環節，它對諧波的治理，電力系統的分析、測量及治理起著極其重要的作用[4-6]。

目前，市場上有一些可以用來檢測電網諧波含量的儀器儀表，但這些儀表價格比較昂貴，智能化程度不夠高。因此，為了滿足工業諧波測量的需求，設計了一種新型網絡化智能諧波表。在本設計中，諧波表采用三相電能專用計量IC，實現電壓、電流、功率和電能等數據的測量，無需通過CPU，而通過ADC進行數據采集，大大減輕了CPU的負擔。軟件上采用了成熟的RL-TCPnet協議棧，實現了網絡通信。

1 諧波表的構成

儀表采用MCU+電能計量IC的結構。網絡化智能諧波表的總體結構如圖1所示。

其中，MCU采用STM32F407VET6。該MCU是基于Cortex-M4內核并且內置浮點運算單元，工作頻率高達168 MHz，從而可以輕松處理復雜的FFT運算[7-8]。MCU具有極其豐富的外設(UART，SPI，I2C，ADC，DAC等)。

電能計量IC ATT7022E是一款多功能高精度三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線應用。ATT7022E集成了多路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值和功率因數等數字信號處理電路[9]，能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率和各種電能等，同時還能測量各相電壓、電流等。內置容量為2 KB的ADC，提供同步采樣數據，便于分詞諧波分析，無需進行預處理[10]。

2 硬件設計

ATT7022E作為本設計的核心，所以它的設計好壞影響著整個系統的數據采集精度。

ATT7022E內部集成了7路19位A/D轉換器，其電流通道有效值在0.1～500 mV時線性誤差小于0.1%[11]；電壓通道有效值在0.2～500 mV時線性誤差小于0.1%；電壓有效值取值在0.2～0.5 V，電流取值在0.2～500 mV，電能線性誤差小于0.1%[12]。

每路ADC的交流輸入由VxP和VxN輸入，以地為中心，不需要偏置電壓。系統的交流電壓采樣和電流采樣如圖2所示。

圖2 交流電壓電流采樣

電壓采樣電路的原理：先把電壓轉換成電流，然后進入電流互感器初級，從而在次級得到感生電流，再把電流轉換成電壓。圖2中的UN和UA是電網電壓，參數是對220 V為參考電壓而設計的。電流采樣電路的原理和電壓采樣類似，通過變比為5 A/5 mA電流互感器ZMCT203C把初級安培級大電流降至mA級小電流，然后進行電阻取樣，送至AT7022E的采樣口。采樣電路均采用通過互感器的方式，能夠很好地把電路板和高壓電網進行電氣隔離，保證了電路板的安全性，從而獲得良好的抗干擾性能[13-15]。

采樣電路中1.2 kΩ電阻和0.01 μF電容構成了抗混疊濾波器，其低通截止頻率為：

其結構和參數要對稱，并且采用了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。ATT7022E的外圍電路如圖3所示。

圖3 ATT7022E外圍電路

在ATT7022E外圍電路中，供電電源加了常規的10 μF鉭電容和0.1 μF瓷片電容，保證電源的穩定和抗干擾性能。ATT7022E同時也需要提供模擬電源，為了避免數字電源的噪聲，在模擬電源和數字電源以及在模擬地和數字地之間加了0 Ω電阻。單片機和ATT7022E的接口為高速的SPI接口，為了防止SPI信號受到干擾，在SPI信號線上串聯一個10 Ω電阻，并且在信號輸入端接一個100 pF電容，形成一個低通濾波器，從而可以有效消除接收信號的高頻干擾。

STM32F407芯片內置一個以太網模塊，該模塊包括帶專用DMA控制器的MAC 802.3介質訪問控制器，支持介質獨立接口(MII)和簡化介質獨立接口。在本設計中，采用了低功耗的LAN8720作為外部的以太網PHY層芯片。LAN8720的外圍電路如圖4所示。

圖4 以太網電路

在以太網電路設計中，電源部分的設計也采用電感隔離的方式，并且加了電容實現濾波。采用了內置變壓器的網絡接口芯片HR911105A。

3 軟件設計

基于ATT7022E的網絡化智能諧波表的軟件設計主要包含以下幾個模塊：系統初始化程序、電參數測量程序、按鍵程序、校表程序、顯示程序、以太網通信程序和鐵電存儲器讀寫程序等多個程序模塊。系統軟件流程如圖5所示。

圖5 系統軟件流程

系統上電后，首先執行系統的初始化程序，包括LCD初始化、配置以太網的網絡參數等；然后從FRAM中讀取存儲的校表數據，加載到校表參數寄存器中；然后從ATT7022E的有效值寄存器讀取有關相電壓、相電流等數據，并進行換算，從而得到實際的采樣結果；把采樣結果顯示在LCD上；在主程序的循環中，檢測按鍵的狀態，如果有按鍵按下，則進行按鍵的處理，包括操作菜單和執行校表命令等；在主循環中，還需要進行網絡命令的判斷，如果收到網絡命令，還需要命令幀的解析。

本系統還支持Modbus通信協議。為了保證通信不丟包，Modbus協議處理放在串口中斷服務程序中。

3.1 校表程序

在本系統設計中，最影響系統電參數精度的是校表過程。在對電表進行校正時，需要提供標準電能表。利用標準電能表校準時，有功能量脈沖輸出CF1可以直接連到標準表上，然后根據標準電能表的誤差讀數對ATT7022E進行校正，ATT7022E只需要對有功功率進行校正即可，無功功率增益校正寄存器校正的系數和有功功率增益校正的系數相同。對于不同電量參數，校正系數的計算方法類似。下面就以相電壓參數為例說明校正系數的計算方法。

先執行對電壓增益校正寄存器全部清零，即在Ugain=0時，標注表上讀出實際輸入電壓有效值Ur，程序讀出測量值為DataU，可以計算出測量電壓有效值為Urms=DataU/213，由此可以計算出：

如果Ugain≥0，則：

Ugain=INT[Ugain×215]；

如果Ugain<0，則：

Ugain=INT[216+Ugain×215]。

最后，把Ugain寫入電壓增益校正寄出器，即完成對相電壓的校正。

3.2 諧波分析

ATT7022E提供了同步數據采樣的功能，便于分次諧波分析，無需進行預處理。內置了2 KB的ADC緩存，用來保存采集7路ADC的原始采樣結果，供程序做進一步分析。程序上發送同步采樣命令后，ATT7022E在每個采樣周期將相應的ADC數據保存到緩存中，直到緩存滿為止。只要不發送新的命令，緩存的數據會保持上一次的結果。

讀取的采樣數據為24位數據，其中高8位0，低16位為實際采樣的ADC數據。在緩存中存儲順序為Ua，Ub，Uc，Ia，Ib，Ic，In。

根據內存容量，6路信號的采樣長度都取128點，2個周期。采樣數據被讀入STM32F407后，需對其做頻譜分析。為減小在非嚴格同步采樣的情況下，截斷所引起的頻譜泄露效應，對信號加哈明窗后再做FFT，加窗在時域就是乘窗函數，哈明窗函數如下[16-18]：

(1)

式中，N=128。

加窗和不加窗2種情況下，Ua信號的幅度譜如圖6所示。測試信號中加入了16次諧波成分，圖6中縱坐標為信號幅度，對基波做了歸一化處理，諧波峰為與基波比較的相對幅值。橫坐標取64點作圖(對應數字頻率0～π，模擬頻率0～1 600 Hz)，16次諧波出現在第32點附近。從圖中可看出，加窗后的頻譜諧波成分更加明顯，無諧波部分更加平滑，說明有效地抑制了頻譜泄露和高頻處的頻譜混疊。

圖6 加窗頻譜分析比較

考慮到6路信號都需要做頻譜分析，為了提高計算速度，選取同一路的電壓、電流信號為一組，即根據UaIa，UbIb和UcIc將6路信號分為3組，然后對2路實信號同時進行FFT的算法。方法為構造復信號x(n)=U(n)+jI(n)。若FFT[x(n)]=X(k)，則有：

(2)

式中，N=128。編程時將實部和虛部分別計算，再求取每點的幅度。標準臺輸入諧波下測量結果如表1所示。

表1 諧波分量測試結果

3.3 網絡通信

本設計中采用STM32F407內置的以太網MAC控制器，外置LAN8720和網絡變壓器，一起構成以太網通信硬件部分，軟件部分采用了集成開發環境MDK內置的RL-TCPnet庫。此庫作為小型的網絡協議棧，支持HTTP、Telnet、SMTP、FTP網絡應用層協議。占用內存小，支持裸機和OS兩種方式。

RL-TCPnet庫是不開源的，只需要把相應的庫文件添加至工程文件中，選擇相應的STM32自帶的MAC驅動和PHY的驅動，即可完成庫的移植。在應用層中，實現了本系統作為Web Server，用戶可以通過手機或者電腦瀏覽器去查詢諧波的數據[19-20]。

4 結束語

ATT7022E作為一款高性能的電能計量芯片，計量精度高，采用它可以大大減少系統的外圍電路，提高系統的集成度和穩定性，也大大減輕了CPU的負擔。只要簡單的校表流程，就可實現測量數據。并且測量結果可以通過Modbus協議進行傳輸。在本系統設計中，如果采用TFT觸摸液晶顯示器，將會增強系統的人機交互性能。