付軍, 涂永飛, 李鵬

　　（鎮(zhèn)江華東電力設(shè)備制造廠有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212004）

         摘要：主要介紹一種微機(jī)測(cè)控保護(hù)裝置中電能參數(shù)計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)采用LPC1788、ATT7022、AD7606為核心處理器件，ATT7022負(fù)責(zé)對(duì)裝置中各項(xiàng)電能參量進(jìn)行精確計(jì)算，LPC1788和AD7606負(fù)責(zé)裝置保護(hù)電氣參量的快速計(jì)算，運(yùn)行保護(hù)控制程序，同時(shí)讀取ATT7022電能參量計(jì)算結(jié)果。

　　關(guān)鍵詞：微機(jī)測(cè)控；電能計(jì)量；LPC1788； ATT7022；AD7606

　　中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.08.010

　　引用格式：付軍, 涂永飛, 李鵬.微機(jī)測(cè)控保護(hù)裝置中電氣計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（8）：28-30.

0引言

　　微機(jī)測(cè)控保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)中一種集電氣量測(cè)量、開(kāi)關(guān)量采集、保護(hù)、控制、報(bào)警和通信等功能于一體，廣泛用于發(fā)電廠、變電站所、鋼鐵、石化及煤炭等企業(yè)電氣控制保護(hù)系統(tǒng)的裝置［1］。與以往保護(hù)裝置相比，測(cè)控保護(hù)裝置需增加電能參數(shù)計(jì)量功能，包括有功功率、無(wú)功功率、視在功率、有功能量、無(wú)功能量、功率因數(shù)、相位、諧波等。這將大大增加主控CPU芯片的計(jì)算負(fù)擔(dān)，影響其他保護(hù)電氣參數(shù)的計(jì)算速度，進(jìn)而影響裝置保護(hù)動(dòng)作的響應(yīng)速度。同時(shí)，計(jì)量功能要求精度很高，由于A/D采樣芯片精度的限制，使得通過(guò)CPU計(jì)算的電氣參數(shù)結(jié)果難以滿足計(jì)量的精度要求，如采用更高精度的A/D采樣芯片，將極大地增加裝置的硬件成本。本文介紹一種新的測(cè)控裝置計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，將電能計(jì)量表中常用的電能計(jì)量芯片ATT7022引入到微機(jī)測(cè)控保護(hù)裝置的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，成功應(yīng)用于本公司開(kāi)發(fā)的微機(jī)測(cè)控保護(hù)裝置。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本裝置計(jì)量部分硬件設(shè)計(jì)以32位ARM單片機(jī)LPC1788、電能計(jì)量芯片ATT7022EU及A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7606為核心，ATTTO22負(fù)責(zé)計(jì)算裝置中有關(guān)電能參量的計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果通過(guò)SPI總線傳給LPC1788,A/D7606負(fù)責(zé)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，LPC1788通過(guò)并行總線讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果后，快速計(jì)算保護(hù)電氣參量，并將計(jì)算結(jié)果運(yùn)用到保護(hù)程序運(yùn)行中。

　　1.132位ARM單片機(jī)芯片LPC1788

　　LPC1788是NXP公司生產(chǎn)的32位CortexM3內(nèi)核的ARM單片機(jī)［2］，運(yùn)行速度高達(dá)120 MHz，內(nèi)含512 KB片上Flash，96 KB片上SRAM，5個(gè)串口，3個(gè)SPI接口，2個(gè)CAN口，1個(gè)MAC口，1個(gè)8通道12位ADC，4個(gè)通用定時(shí)器，1個(gè)低功耗RTC,1個(gè)內(nèi)部看門狗，1個(gè)8/16/32位外部存儲(chǔ)器控制器，可支持外部靜態(tài)存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器連接，208腳LQFP封裝提供多達(dá)165個(gè)通用I/O口，是一款高集成度的MCU控制芯片，豐富的外設(shè)接口、較高的運(yùn)行速度及強(qiáng)大的電磁抗干擾能力使得其非常適合作為微機(jī)測(cè)控保護(hù)的主控芯片，能大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

　　1.2電能專用計(jì)量芯片ATT7022EU

　　ATT7022EU是一款多功能高精度的三相電能專用計(jì)量芯片［3］，適用于三相四線制或三相三線制電氣接線系統(tǒng)電能計(jì)量，內(nèi)部集成7路19位高精度二階ADC，最大能滿足有功功率0.2級(jí)、無(wú)功功率1級(jí)及電壓、電流0.2%的計(jì)量精度，可計(jì)算基波或全波電能參量，具有相序和斷線判斷功能，完全能夠滿足繼電保護(hù)測(cè)控裝置的電能參數(shù)計(jì)量要求，同時(shí)芯片帶有SPI串行通信接口，能非常方便地與MCU或DSP芯片進(jìn)行通信。

　　具體電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

　　由互感器采集來(lái)的電流、電壓信號(hào)經(jīng)模擬電路變換以后轉(zhuǎn)換成100~500 mV的交流信號(hào)送人ATT7022芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)電能參數(shù)計(jì)算，LPC1788每隔500 ms左右通過(guò)SPI串行總線讀取一次電能計(jì)量結(jié)果，并將送給LCD顯示和非易失性存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)，同時(shí)也可通過(guò)通信將電能計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)傳給遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)。

　　1.3A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7606

　　雖然芯片ATT7022具備電流、電壓、頻率等電氣參數(shù)的計(jì)算功能，但是其計(jì)算速度較慢，難以滿足保護(hù)程序毫秒級(jí)的計(jì)算速度要求，因此，保護(hù)功能程序中使用的電氣參量的計(jì)算由MCU自己完成。雖然LPC1788自帶8路12位ADC，但采樣通道數(shù)量和采樣精度都難以達(dá)到裝置計(jì)算精度要求，所以系統(tǒng)選用16位高精度同步A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7606，其特點(diǎn)是每個(gè)芯片具有8路采樣通道，每路通道的模擬量輸入范圍達(dá)±15 V,采樣速率高達(dá)250 kS/S，單5 V電源供電，自帶2.5 V基準(zhǔn)電壓輸出模塊，接線簡(jiǎn)單，具有并行數(shù)據(jù)接口和串行數(shù)據(jù)接口，方便與MCU連接，是目前測(cè)控保護(hù)產(chǎn)品中應(yīng)用最廣的A/D采樣芯片［4］。

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用2片AD7606芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最多可同時(shí)采集16路模擬量信號(hào)，電流、電壓信號(hào)經(jīng)模擬電路變換以后轉(zhuǎn)換成±10V以內(nèi)的交流信號(hào)送人AD7606芯片采樣，LPC1788負(fù)責(zé)初始化AD7606、定時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)并行總線讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果后進(jìn)行數(shù)據(jù)錄波存儲(chǔ)，計(jì)算電流、電壓、頻率等保護(hù)功能用電氣參量，運(yùn)行保護(hù)功能邏輯控制程序，并將結(jié)果進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)及遠(yuǎn)傳。具體電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

　　1.4模擬量轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

　　由電氣系統(tǒng)中接入的模擬量經(jīng)電流、電壓互感器轉(zhuǎn)換成低壓交流信號(hào)，再采用星格高精密互感器SPT204A和SCT254FK將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成毫安電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)成所需電壓信號(hào)，然后分成兩路，一路送入ATT7022進(jìn)行電能參數(shù)計(jì)算，一路經(jīng)運(yùn)算放大器放大及二階濾波后送人AD7606進(jìn)行采樣。設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。本文以三相電路中A相電路為例說(shuō)明，B、C相電路處理方式相同。

　　經(jīng)互感器變換后的信號(hào)Uap、Uan，一路采用差分輸入方式，經(jīng)過(guò)抗混疊濾波電路后，送人ATT7022計(jì)算電能參量，設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

　　另一路采用單端輸入方式，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器將信號(hào)放大，再經(jīng)過(guò)二階有源濾波電路濾除高次諧波后，送人AD7606進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)原理如圖5所示。僅以A相電壓為例。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，編程軟件為KEIL MDK5.11，支持JTAG仿真口進(jìn)行軟件仿真，裝置計(jì)量系統(tǒng)軟件編程主要分為ATT7022設(shè)置與計(jì)量結(jié)果讀取、存儲(chǔ)，AD7606初始化、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換、相應(yīng)A/D中斷讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果及保護(hù)電氣參數(shù)計(jì)算等部分。

　　2.1ATT7022軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件運(yùn)行后，要正確讀取ATT7022電能計(jì)算結(jié)果，首先要運(yùn)行校表程序［5］，芯片支持全數(shù)字化軟件校表，通過(guò)軟件對(duì)芯片中各個(gè)寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置，校表完畢后可以通過(guò)SPI接口讀取電能參量計(jì)算結(jié)果，由于該結(jié)果只用于電能計(jì)量，不涉及保護(hù)程序運(yùn)行，所以不需要太高的實(shí)時(shí)性圖6ATT7022程序流程圖，本設(shè)計(jì)中裝置通過(guò)定時(shí)器每隔500 ms左右讀取一次計(jì)算結(jié)果并更新顯示，即滿足了計(jì)量要求，也大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，節(jié)約運(yùn)行時(shí)間。程序流程圖如圖6所示。

　　2.2AD7606軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)運(yùn)行后，首先復(fù)位初始化AD7606芯片，然后設(shè)置毫秒定時(shí)器，每1 ms通過(guò)芯片管腳CONVSTA\\B\\C啟動(dòng)A/D芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后通過(guò)中斷通知LPC1788讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并錄波，為了滿足保護(hù)程序運(yùn)行速度要求（保護(hù)功能要求響應(yīng)時(shí)間<20 ms），程序定為每隔5 ms對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行一次計(jì)算，采用全波傅氏變換方法計(jì)算各保護(hù)電氣參量，并將結(jié)果運(yùn)用到保護(hù)邏輯控制程序中。程序流程圖如圖7所示。

3結(jié)論

　　微機(jī)測(cè)控保護(hù)裝置中電氣計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)是其研發(fā)核心，其性能將直接影響裝置整體性能，設(shè)計(jì)要求是既要保證測(cè)量結(jié)果的精確度，又要保證保護(hù)電氣參量測(cè)量的快速性，本設(shè)計(jì)方法將電能專用計(jì)量芯片引入裝置設(shè)計(jì)中，利用其高精度計(jì)量特點(diǎn)完成實(shí)時(shí)性要求不高但計(jì)算復(fù)雜的電能參量的計(jì)算，而MCU主控芯片專注于實(shí)時(shí)型要求很高的保護(hù)參量計(jì)算及保護(hù)程序運(yùn)行，不僅減輕了主控芯片負(fù)擔(dān)，增強(qiáng)了實(shí)時(shí)性能，還簡(jiǎn)化了計(jì)算程序編程復(fù)雜度，大大減少了程序編程代碼。在實(shí)際裝置設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，本設(shè)計(jì)方案既滿足了裝置對(duì)測(cè)量結(jié)果精確度的要求，又保證了保護(hù)裝置響應(yīng)的快速性，取得了良好的運(yùn)行效果。

參考文獻(xiàn)

　?。?］ 許正亞.變壓器及中低壓網(wǎng)絡(luò)數(shù)字式保護(hù)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社,2004.

　?。?］ 張勇. ARM CortexM3嵌入式開(kāi)發(fā)與實(shí)踐——基于LPC1788和μC/OSII ［M］.北京：清華大學(xué)出版社,2015.

　　［3］ 王建龍，張宏科，劉俊. 電能計(jì)量芯片ATT7022E在智能電表中的應(yīng)用［J］.電測(cè)與儀表,2015,52(12)：52-55.

　?。?］ 王小進(jìn)，涂煜. 基于AD7606的繼電保護(hù)數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)［J］.船電技術(shù),2014,34(9)：46-49.

　?。?］ 朱琳. ATT7022B在電力參數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用 ［J］.測(cè)控技術(shù),2007,26(1)：9-11.