ATT7022C在电参数测量中的应用研究

陈少良　田秀霞

摘  要： 为满足高速发展的社会趋势，设计一种以单片机STC12C5A60S2为控制核心和电能计量芯片ATT7022C为基础的电参数测量终端，并结合Visual Studio 2017开发数据监控界面，其中，主要包括12864液晶显示、存储、RS 232通信等模块，实现了对关键测量数据的实时监控功能。实验结果表明：所测数据均符合误差国家标准 GB/T 17215.322—2008《0.2S级和0.5S级静止式有功电能表》要求;该方案具有能耗低、精度高、高效低廉易推广等优点，并且对电网输配电和电力能源结构合理配置具有促进作用，在设计工业及家庭用电智能测量设备及扩展应用方面均有较好的实用价值。

關键词： ATT7022C应用; 电参数测量; 方案设计; 监控界面开发; 数据监控; 实验测试

中图分类号： TN949.6?34; TM93                 文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）24?0013?04

Research on application of ATT7022C in electrical parameter measurement

CHEN Shaoliang， TIAN Xiuxia

（Shanghai University of Electric Power， Shanghai 200090， China）

Abstract： An electrical parameter measuring terminal with single chip microcomputer STC12C5A60S2 as its control core and the power metering chip ATT7022C as its base is designed to meet the social trend of rapid development. The Visual Studio 2017 is combined with it to develop the data monitoring interface. It mainly includes the 12864 liguid crystal display， storage， RS 232 communication and other modules. The real?time monitoring function of key measurement data is realized. The experimental results show that the measured data is in accord with the requirements of the national standard GB/T 17215.322?2008 “0.2S and grade 0.5S static active energy meter”. This scheme has the advantages of low energy consumption， high precision， high efficiency， low cost and easy promotion， and can promote the rational allocation of the power transmission and distribution of power grid， and power energy structure. It has a good reference value in the design of intelligent measuring equipment of the industrial and household electricity， and the extension of application.

Keywords： ATT7022C application; electrical parameter measurement; scheme design; monitoring interface development; data monitoring; experimental testing

0  引  言

电能作为一种边生产边消耗不易存储的特殊商品，随着西电东送南、中、北三条通道的形成，以及各大超高压输电线路工程的实施，使智能电网更加的庞大和完善，我国的能源结构得到不断优化。同时各行业飞速发展，必然引起对耗电量的不断增加，为了适应社会发展新需求，对用电检测仪表提出了更高的要求，电能质量检测技术结合各学科优势迅速发展[1?3]。目前主要有以下4种计量终端方案：

1） 电磁式互感器的电子式电能计量终端;

2） 弱输出式互感器的电子式电能计量终端;

3） 电子式互感器的电子式计量终端;

4） 将计量电路与传感信号结合配合专业计量芯片的电子式计量终端[4?6]。

方案1）由于存在铁芯铜材致使能耗体积重量较大，方案1）～方案3）均存在设计步骤繁琐，结构不紧凑，稳定性较差的问题，方案4）常出现计算能力过剩，造价一般较高，且安全问题仍然突出等问题。同时，出于不同用电环境的考虑，电计量终端开始往定制化、人性化的方向发展。基于以上问题，综合考虑，提出一种采用单片机STC12C5A60S2和专业计量芯片ATT7022C设计的电参数测量终端，该方案对电能测量仪表设计有较好的应用前景，便于工程实现。

1  总体设计方案和工作原理

总体设计方案中，控制核心为STC12C5A60S2单片机，通过SPI（Serial Peripheral Interface）总线与专业电能计量芯片ATT7022C通信，总体设计框图如图1所示。

为了合理高效地利用芯片内部资源，复杂的数学运算均在计量芯片ATT7022C内完成，单片机仅需完成少量控制运算就能实现方案主体设计。以下为本终端设置的功能模块：数据采集模块、电源模块、串口通信模块、液晶显示模块，E2PROM存储模块。互感器采集电压电流转换为小信号送入专业计量芯片处理，三相电流电压小信号在计量芯片接收端分别为VXP，VXN。其中，电源模块由外置电源供电。电压采集互感器型号为TV31B02，正常工作时，当原边电流为2 mA时，副边得到的小电流信号为2 mA，比差允许为±0.1%，角差小于等于15 V。输入最大电流为10 mA，当接可靠限流电阻时，最大可输入电压为1 000 V，原边和副边最大工作电流均不得大于10 mA，为电流型精密电压互感器;电流采集互感器型号为TA32BM，正常工作时原边和副边工作电流分别为5 A和2.5 mA，且正常工作时相位差小于等于15 V，线性度小于等于0.2%，接100 Ω标准电阻，为初级单匝穿心微型互感器。此两款互感器精度满足国家标准、成本低、体积小，适合小型终端的扩展设计[7?10]。ATT7022C芯片内部包含80个计量参数寄存器，可选择各类电能计量参数原始值。用户端由LCD12864实时显示数据，屏幕共4行，每行可显示16个ASCⅡ码字符，符合此次设计屏幕空间需求。E2PROM模块应用IAP（In Application Programming）应用编程，通过控制部分IAP内置寄存器常在主函数前设置一段代码使程序运行中对单片机程序存储区再次写入数据[11?12]。由于程序存储空间较小，此处仅对重要单个数据操作，完成对该数据量的累加并保存至程序存储区，具有掉电不丢失特征。本方案通过RS 232串口通信连接计算机，在计算机端借助Visual Studio 2017编程生成交互界面，实时监控所需数据，并将数据保存至计算机。

2 硬件设计

2.1  ATT7022C硬件电路设计

硬件基本电路中，外接三相电流电压经所选互感器以及PCB電路将大电流电压模拟信号转换为计量芯片能够接收的小数字信号，通过VXP/VXN输入计量芯片，由于计量芯片内部已合成模数转换模块和专用DSP计算模块，芯片内完成所有复杂计算工作后，将结果安放在内部特定参数计量寄存器内。单片机在读取所需的某些数据之前必须先对ATT7022C计量芯片完成软件校表工作，即计算完校表参数之后只需将校表参数通过SPI接口输入到ATT7022C的校表寄存器中;然后再通过SPI接口总线读出所需的准确数据，该总线为主从控制模式，高速同步双向传输，并且只需4根线即能完成计量芯片与单片机通信操作，分别为数据输出端、数据输入端、时钟信号控制端、片选端，由于本设计控制核心为主设备，ATT7022C为从设备，无其他从设备，因此在片选端直接放置有效信号即可;此外再添加一条复位线和握手信号线，控制ATT7022C的启动，复位和数据传输[13?14]。

2.2  互感器电路设计

2.2.1  电压互感器电路设计

电能计量终端输入220 V的标准电压，ATT7022C电压信道的要求电压范围为10 mV～1 V，电路中串联的电阻大小为220 kΩ，当以额定模拟电压工作时，电压互感器转换后，小电流信号为1 mA，使得其在R6（130 Ω）两端产生的电压[UR6]=（220 V/220 kV）×130=0.13 V，满足ATT7022C的电压范围要求。在计量模块的电压信道前端设置由R4，C1，R7，C2组成的滤波电路。此时的电压信号就可以输入到ATT7022C的电压端口V2P/V2N、V4P/V4N和V6P/V6N。REFOUT为基础电压输出，它将待测量信号通过UREF的值不断计算误差并累积差值，通过反馈控制使得该差值无限趋近于0。三相电压互感器电路如图2所示。

2.2.2  电流互感器电路设计

电能计量终端接入的是0～5 A的标准电流信号，ATT7022C芯片要求电流信道的电压范围为2 mV～1 V。即当原边交流电流模拟信号为5 A时，相应得到的小电流信号为2.5 mA，可得其在电路中R21（50 Ω）电阻两端产生的电压[UR21]=2.5×50=0.75 V，满足ATT7022C的电压范围要求。为了避免在计量芯片ATT7022C的DSP运算环节出现频率混叠失真，设计由R20、R22、C7、C8组成的滤波电路，电流信号经处理后就可以被送入到ATT7022C的电流采样端口V1P/V1N、V3P/V3N、V5P/V5N，获得三相电流，B、C两相电流采集电路结构参数与A相相同，A相电流采集电路如图3所示。

3  软件设计

在本方案中软件设计主要为以下三部分：主程序、软件校表以及Visual Studio 2017通信编程。

3.1  主程序

本次设计主程序中包含的子程序模块有ATT7022C读写模块，12864液晶模块，RS 232通信模块，E2PROM模块。其中，main函数为执行函数，main函数中首先对各功能模块及参数进行初始化，然后依次实现各模块功能。

3.2  软件校表

软件校表的目的是使ATT7022C内部计量寄存器在正常工作时获得足够精度的原始初值，软件校表之前必须对ATT7022C进行初始化操作，使得对应校表寄存器值为0，校表完成后精度误差可控制在国家标准以下，以下提供一种快捷软件校表方法。

软件校表前需设置必要不变参数作为基准条件，其中，额定电压为220 V，电流为1.5 A，脉冲常数为6 400 imp/（kW·h）。电压电流互感器在设定输入参数运行时，首先测量各通道经转换后的小信号初值，读取此时A相相应电压电流校表寄存器值分别为2 085 069，470 495，然后对B、C两相完成相同操作。

首先设置高频脉冲参数：

[HFConst=INT2.592×1010×G2×Vu×ViEC×Un×Ib                =INT2.592×1010×1.1632×0.218×0.0516 400×220×1.5                =184]

式中：[G]为1.163;[EC]为电表脉冲常数[（imp/（kW·h））];[Vn]为参比电压（V）;[Ib]为参比电流（A）;[Vu]为电压通道采样电压（V）;[Vi]为电流通道采样电压（V）。

然后对电压电流校正：

[Ugain=UrUrms-1=2 085 069220×213-1=0.156 932]

由于[Ugain≥0]，则：

[Ugain=INT[Ugain×215]        =INT[0.156 932×215]=0x001416]

[Igain=IrIrms-1=DataI/（213×N）1.5-1      =470 495/2（213×40）1.5-1      =-0.042 775 5]

因为[Igain<0]，则：

[Igain=INT[216+Igain×215]       =INT[216-0.042 775 5×215]       =0x00FA86]

接着对功率增益进行计算，此时的脉冲误差百分比为-6.167 5%，可记作-0.061 675，校正A相在[Ib]点功率增益为[cos?=1]：

[Pgain=--err1+err=0.061 6751-0.061 675=0.065 728 825]

因为[Pgain≥0]，则：

[Pgain=INT[Pgain×215]        =INT[0.065 728 825×215]        =0x000869]

最后完成相位校正，此时的脉冲误差百分比为0.452 0%，计算A相在[Ib]点相位[cos ?=0.5]：

[PhSregpq=-err3=-0.004 523=-0.002 609 699 7]

因为[PhSregpq<0]，则：

[PhSregpq=INT[216+PhSregpq×215]                  =INT[216-0.002 609 699 7×215]                  =0x00FFA9]

将计算得到的增益值和电压电流相位校正值写入ATT7022C中对应校表寄存器，其中，每相2个校表寄存器写入值相同，B、C相完成上述同样计算操作后将值写入对应校表寄存器完成软件校表，备份校表写入值供后续使用。

3.3  Visual Studio 2017通信编程

Visual Studio 2017具有完备多样的开发功能，本方案中通过编写两个源文件，分别为界面生成程序和串口接收数据处理程序，最终生成交互界面窗口的可执行文件，作为此次设计计算机端的解决方案，效果如图4所示，并将所需数据每隔30 s自动以CSV格式保存至计算机。

4  實  验

从表1可知，经过校正后的仪表，根据测量数据电压最大误差为0.045%，电流最大误差为0.2%，有功功率和视在功率与理论值偏离0.03%，无功功率误差为0.1%，频率误差几乎为0。

5   结   语

针对目前电能监测终端智能化、多功能化的趋势，本方案在原有的基础上结合Visual Studio 2017完成了对电参数检测终端设计，极大地简化了校表的繁琐过程。最后实验结果表明，此设计精度在国家标准误差范围内，相比于其他方案而言，该方案硬件结构衔接性良好，程序资源配置合理，抗干扰性强，能耗及成本均低于设计预期，在电参数检测扩展项目中具有较好的应用前景。

参考文献

[1] 苗彧智，王艳.基于单片机的智能电表设计[J].现代电子技术，2015，38（2）：59?61.

[2] 朱文韬.新型智能电表的设计和研究[D].南京：东南大学，2018.

[3] 祝海宁.基于ATT7022E多功能电力数据采集系统的设计[J].实验室研究与探索，2018，37（5）：82?86.

[4] 倪健华，谈恩民，姚普粮.基于ATT7022E与STM32多功能电力监测仪设计[J].国外电子测量技术，2015，34（5）：48?51.

[5] 孙艳琴.基于ATT7022B多功能电能表的硬件设计[J].无线互联科技，2018，15（22）：15?16.

[6] 鲍建新，陈国平，忻尚芝，等.基于ARM的电能数据采集终端的设计[J].农业装备与车辆工程，2018，56（2）：60?63.

[7] 黄涌涛.基于S3C2440的电能质量检测系统的设计[D].马鞍山：安徽工业大学，2016.

[8] 曲霏，伏冬红，刘丹，等.基于ARM技术的电能采集终端设计[J].制造业自动化，2019，41（2）：146?148.

[9] 王龙飞，陈尚文，陈瑞杰.基于ADE7880的分布式微网监测系统设计[J].通信电源技术，2016，33（2）：127?129.

[10] 王子龙.基于ARM的智能电表系统研究与设计[J].电脑知识与技术，2019，15（1）：259?261.

[11] 郑欣.智能电表在智能电网中的功能及扩展应用研究[D].北京：华北电力大学，2016.

[12] 冀友，黄鹤松，公茂法，等.基于MSP430+ATT7022B的三相三线多回路多功能电能表的研究[J].电测与仪表，2014，51（6）：1?4.

[13] 夏国标.基于Zynq?7000的电能质量检测装置的研制[D].南昌：华东交通大学，2018.

[14] 庄骏，陈苏声.一种新型电能质量在线检测装置[J].电气自动化，2017，39（1）：116?118.

作者简介：陈少良（1995—），男，浙江绍兴人，在读硕士研究生，研究方向为电力数据采集与安全。

田秀霞（1976—），女，河南安阳人，博士，教授，研究方向为数据库安全、隐私保护（大数据与计算）、安全机器学习、面向电力用户的安全计算、数字图像篡改检测。