摘   要： 以C8051F120單片機(jī)為主控核心，結(jié)合三相電能專用計(jì)量芯片ATT7022E，設(shè)計(jì)了一種配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)終端。對(duì)硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了說(shuō)明，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器電壓電流值、有功功率、無(wú)功功率、電能和功率因數(shù)等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該裝置具有精度高、可靠性強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)，完全能夠滿足配電系統(tǒng)的需求。
關(guān)鍵詞： 配變監(jiān)測(cè)終端; C8051F120; ATT7022E

    配變監(jiān)測(cè)終端用于對(duì)配電變壓器的信息采集和控制，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)配電變壓器的運(yùn)行工況，用以完成傳統(tǒng)的電壓表、電流表、功率因數(shù)表及負(fù)荷指示儀和電壓監(jiān)視儀等的功能。它能與其他后臺(tái)設(shè)備進(jìn)行通信，提供配電系統(tǒng)運(yùn)行控制機(jī)管理所需的數(shù)據(jù)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理事故和緊急情況，就地與遠(yuǎn)方進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。配變監(jiān)測(cè)終端的引入，為提高配電網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了有力工具[1]。
    本文研發(fā)的配變監(jiān)測(cè)終端，其微控制器采用高性能單片機(jī)，電能測(cè)量模塊采用三相電能專用計(jì)量芯片ATT7022E，系統(tǒng)能夠采集三相電壓/電流，計(jì)算三相有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、總有功功率、總無(wú)功功率及總功率因數(shù)等，實(shí)現(xiàn)線路監(jiān)測(cè)功能。同時(shí)，根據(jù)設(shè)定的補(bǔ)償方式，配變監(jiān)測(cè)終端控制電容器的投切，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償。配變監(jiān)測(cè)終端支持RS232、RS485和GPRS通信方式，便于現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)使用，為配網(wǎng)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)提供可能。
1 硬件設(shè)計(jì)
    配變監(jiān)測(cè)終端主要包括數(shù)據(jù)采集部分和控制管理部分，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)采集部分
    數(shù)據(jù)采集部分主要通過(guò)專用的計(jì)量芯片ATT7022E采集互感器的輸出信號(hào)，并通過(guò)SPI串行通信將采樣數(shù)據(jù)傳遞給CPU進(jìn)行處理。
    ATT7022E是一顆精度高且功能強(qiáng)的多功能防竊電三相電能專用計(jì)量芯片[2],它集成了7路二階sigma-delta ADC，其中3路用于三相電壓采樣，3路用于三相電流采樣，還有1路可用于零線電流或其他防竊電參數(shù)的采樣，輸出采樣數(shù)據(jù)和有效值，使用十分方便。該芯片適用于三相三線和三相四線應(yīng)用。
    該芯片還集成了參考電壓電路以及所有包括基波和全波（即基波+諧波）的各項(xiàng)電參數(shù)測(cè)量的數(shù)字信號(hào)處理電路，能夠測(cè)量各相及合相的有功功率、無(wú)功功率、視在功率、有功能量、無(wú)功能量、視在能量(有PQS、RMS兩種方式可選擇)，以及基波有功功率、基波有功能量和基波電壓/電流有效值，同時(shí)還能測(cè)量頻率、各相電流/電壓有效值、功率因數(shù)、相角和電壓夾角等參數(shù)。
    ATT7022E內(nèi)部的電壓監(jiān)測(cè)電路可以保證加電和斷電時(shí)正常工作；提供一個(gè)SPI接口，方便與外部MCU之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)及校表參數(shù)的傳遞；支持全數(shù)字域的增益、相位校正及純軟件校表；有功、無(wú)功、視在、基波有功電能脈沖輸出CF1、CF2、CF3、CF4可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行誤差校正。
    由PT和CT將變壓器低壓側(cè)的電壓和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為低電壓、小電流信號(hào)，并且使電網(wǎng)部分與檢測(cè)部分隔離開(kāi)來(lái)[3],轉(zhuǎn)換來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)整和濾波送入ATT7022E芯片。ATT7022E片內(nèi)集成了7路16 bit的ADC，采用雙端差分信號(hào)輸入。其中，VIP/V1N、V3P/V3N和V5P/V5N為電流輸入通道，V2P/V2N、V4P/V4N和V6P/V6N為電壓輸入通道，V0P/V0N為零序電流輸入通道。ATT7022E內(nèi)部集成一個(gè)SPI串行通信接口，采用從屬方式工作，使用兩條控制線和兩條數(shù)據(jù)線：CS/SCLK/DIN/DOUT。
1.2 控制管理部分
    控制管理部分采用Silicon Lab公司的混合信號(hào)ISP Flash微控制器C8051F120來(lái)控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、時(shí)鐘單元、人機(jī)界面單元、通信單元、看門(mén)狗單元和開(kāi)關(guān)量輸入/輸出單元。
    C8051F120是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU芯片，具有64個(gè)數(shù)字IO引腳，高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核（100 MIPS），全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口，2周期的16×16乘法和累加引擎，128 KB可在系統(tǒng)編程的Flash存儲(chǔ)器，8 KB+256 B的片內(nèi)RAM，以及硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和兩個(gè)UART串行接口。
    C8051F120是具有片內(nèi)VDD 監(jiān)視器、看門(mén)狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置。Flash存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051固件。
    片內(nèi) JTAG 調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品 MCU 進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察、修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用 JTAG 調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。C8051F120可在工業(yè)溫度范圍（-45℃~+85℃）工作。端口 I/O、/RST 和 JTAG 引腳都容許5 V的輸入信號(hào)電壓。
    其他硬件單元(如人機(jī)界面單元、時(shí)鐘單元等)都是常見(jiàn)的通用型的設(shè)計(jì)，在此不再詳細(xì)介紹。
2 軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)是在Silicon Labs IDE V4.20環(huán)境下，采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。為了確保軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清晰，提高軟件的可讀性和可維護(hù)性，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，其中包括電能芯片接口模塊、諧波計(jì)算模塊、保護(hù)模塊、電容投切模塊、統(tǒng)計(jì)模塊、人機(jī)界面模塊和通信模塊。
    系統(tǒng)上電后，由主程序完成系統(tǒng)的復(fù)位和初始化工作，之后開(kāi)始任務(wù)輪詢[4]；當(dāng)某個(gè)任務(wù)需要被執(zhí)行時(shí)，主程序通過(guò)調(diào)用與之對(duì)應(yīng)的功能模塊去完成該任務(wù)，任務(wù)完成后,系統(tǒng)又返回到主程序。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

    本文采用高性能單片機(jī)C8051F120和專用電能計(jì)量芯片ATT7022E設(shè)計(jì)的配變監(jiān)測(cè)終端，實(shí)現(xiàn)了配變監(jiān)測(cè)終端所要求的功能，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。　　
參考文獻(xiàn)
[1] 陳堂. 配電系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)[M]. 北京:中國(guó)電力出版社, 2003.
[2] ATT7022E應(yīng)用筆記[Z]. 鉅泉光電科技（上海）股份有限公司,2012.
[3] 陳少華，陶濤，陳章寶，等. 智能配電變壓器監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2008,36(21):56-60.
[4] Li Yan, Lu Wenmei, Li Wencai. The research of distribution transformer remote terminal units based on DSP[C].2009 Second International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation, 2009,3:145-148.