电能表中通讯接口电路的设计及实现

兰州供电公司 段朝阳 王 璟

随着电力和电子产业的蓬勃发展，及用户和电力公司对电能表的要求愈来愈高，电能表作为用户和电力公司交易平台，其作用至关重要。电能表作为衡量电能的计量仪器，其技术性要求很高，既要求精确、更要求稳定，并保证长期可靠运行，并且随着我国电力市场的逐步建立和完善，电力系统越来越复杂，作为电力系统重要组成部分的电能表受到了越来越多的关注。为了满足各方面的需求，电能表设计也朝着复费率、精确计量、智能化和网络化的方向发展，在工业用户的电力系统中，电能表从性能上还要满足恶劣的工作环境，电压高、电流大、负荷重等条件。但我国早先普遍使用的感应式电表存在精度差、功耗大、受谐波影响大等问题，在用电计费上给国家带来了很大的损失。随着电子技术发展和现代电力应用，电能表专用计量芯片如ATT7022B、ATT7022C也随即而出，从某种程度上提高了电能计量精度，简化了电度表设计结构，功能上也得到了更多的扩展[1]。但是为了提高电力管理部门工作效率，实现远程控制、自动抄表等，那么高精度智能电能表才是今后市场的迫切所需。

本系统采用专用计量芯片来检测电信号，配以微控制器（MCU）编程实现多种功能。检测部分由精密电流互感器、电压互感器和外围处理电路组成，从而得到电流、电压、频率、相位等电网的实时参数，经计量芯片ATT7022B处理，并使用FPGA实现其通信，将计量得到各种电网参数进行处理和相应的存储，最后通过液晶显示屏显示或通过通信模块（RS-485或红外）进行远程通信和红外抄表。

1.SPI通信接口

本论文设计的SPI接口电路连接可以参考图1，ATT7022B的SPI通信格式是相同的，8位地址，24位数据，MSB在前，LSB在后。CS为片选，允许访问串口的控制线，CS由高电平变为低电平是表示SPI操作开始，CS由低电平变为高电平时表示SPI操作结束，所以每次操作SPI时CS必须出现下降沿，CS出现上升沿时表示SPI操作结束；DIN为串行数据输入，用于把用户的数据（如数据/命令/地址等）传输到ATT7022B；DOUT为串行数据输出，用于从ATT7022B寄存器读出数据；SCLK为串行时钟，控制数据移出或移入时串行口的传输率，上升沿放数据，下降沿取数据。SCLK下降沿时将DIN上的数据采样到ATT7022B中，SCLK上升沿时将ATT7022B的数据放置于DOUT上输出。

SPI读操作时序图如图2。ATT7022B的计量参数以及校表参数寄存器是通过SPI

提供给外部FPGA来进行处理。

其命令格式为

图1 SPI通讯接口

图2 SPI读时序

图3 SPI写时序

图4 误差实验图

表1 电压测量数据及误差分析

Bit7：0表示读命令，用于读取ATT70 22B的计量及校表寄存器。

Bit7：1表示写命令，用于更新校表数据。

Bit6…0：表示数据地址，可参考数据输出寄存器。

SPI读工作过程中，通过SPI写入一个8Bits的命令字之后，需要一个等待时间，然后才能通过SPI读取24Bits的数据。在SCLK低于200kHz时，可以不需要等待；当SCLK频率高于200kHz时，则需要等待大约3us。

SPI写操作时序图如图3。外部处理器可通过SPI对ATT7022B的校表寄存器进行写操作。

其命令格式为

Bit7/6：1 0表示写命令，用于更新校表数据寄存器。

Bit7/6：1 1表示写入特殊命令字。Bit7： 0表示读命令，用于外部处理器读取ATT7022B的计量数据。

Bit5…0：表示数据地址，可参考校表寄存器。

SPI写工作过程中，通过SPI写入一个8Bits的命令字之后，不需要一个等待时间，

继续通过SPI写入24Bits的数据即可。

2.实验及其结果

校表是对各相电流增益、电压增益、功率增益、相位进行补偿，功率增益不要分段。相位校正可根据精度要求，考虑分段或不分段进行。分段是按电流的大小来分，对相位校正，最多可分五段进行。ATT7022B做软件校表时，一般来说电压、电流校正，启动电流设置，断相阈值电压设置，均没有顺序上的要求，但在进行功率增益校正时，应先设置合相能量累加模式（这个步骤也可省去，直接使用缺省值）、电压通道ADC增益和高频输出参数，这是功率校正的条件，而后先作功率增益校正，再进行相位校正，相位校正是在完成功率增益校正后进行的。所有校正都是在相应的校表寄存器参数为零的条件下进行的[2]。

电能表主要功能是计量有功无功电量，对其精度的测试是判断产品是否满足设计要求首要条件，常用的测试方法是用精度更高的表（称作标准表）做参考，观察其与标准表的误差有多大，并把误差大小作为判断其合格与否的重要参数，图4为误差测试图，该实验主要是对有功、无功、电压、电流、频率等参数进行测试。这些数据都通过SPI通讯接口传输出来。所以只要能正确获得相关参数数据，那么就能验证SPI设计的正确性。

精密电源台提供电压、电流分别给电能表与精度为万分之五（0.05级）的标准表，通过标准表可测试有功、无功功率的误差。通过电能表LCD显示器可读取电压、电流、频率值，并与电源显示的标准值进行比较，计算出误差。对电压、电流、频率的测试过程是：读取电源台显示的电压、电流、频率值，同时通过LCD读取电能表显示的电压、电流、频率值，将测试的数据计算出相对误差与绝对误差。因以前没有电能表显示电压电流值的国家标准，根据1级表的概念，电压、频率的相对误差应小于1%，由于电流属于电能中变化范围非常宽的参数，对其小信号的判断不能按上述办法，根据经验，电流的绝对误差应小于0.1安培。表1记录了电压的测试结果，按照上述判断依据，电能表显示的电压值满足标准要求。而且也表明本文所设计的SPI工作稳定可靠。

3.结论

本文提出在电能表设计中使用FPGA实现电能表内部数据显示在外部显示其的方法，通过整机调试实验证明，该方法可行并且实用。本论文为进一步使用FPGA替代MCU来实现电能表的功能控制及通讯控制做了开拓性的研究，为进一步实现更高速的电能表的控制系统研究另辟了一条研究方向。

[1]郭松林,林海军,张礼勇.电子式电能表专用芯片分类及原理[J].电测与仪表,2002,39(10):5-7.

[2]杨蕾,黄光明.ATT7022B自动校表平台的实现[J].电测与仪表,2007,44(5):58-60.