基于ARM和ATT7022B的智能電表系統

呂小強，張 濤，白燕羽，趙成仁，林興泰

（四川大學激光應用研究所，四川 成都 610065）

0引言

目前，國內外的電能表研究開發處于全電子式電能表階段。全電子式電能表以數字采樣技術為基礎，以微處理器為核心，將被測的電壓和電流進行數字化運算和處理，實現了電能計量和功率、電流、電壓等電參數的測量。隨著科技的不斷進步和社會經濟發展迅速，各行業對電力的需求量也在飛速增長。中國國家電網公司在“2009特高壓輸電技術國際會議”上提出了名為“堅強智能電網”的發展規劃，宣布在2020年要建成堅強的智能電網。部署智能電網的第一步就是安裝智能電表，我國政府計劃未來的5年，在全國范圍內安裝2.4億個智能電表。隨著智能電網將在全世界范圍內逐漸普及，智能電表將會呈現非常大的市場需求量。

對于目前的電網而言，由于電力系統非線性的用戶越來越多，如電梯、電子整流器、變頻調速器等非線性負載的大量使用，對電網造成日益嚴重的諧波污染，而目前的電能表等電參數測量儀表都是按照工頻設計的，當輸入信號中含有諧波時，不能夠實現準確的測量。因此，新式電能表除了實現準確計量含諧波電能的基本功能之外，既可以測量電網中的有功功率、無功功率、電流、電壓、功率因素等參數，又具備通信功能，可實現自動抄表[1-2]。

1 系統設計

目前智能電表的設計構架主要有兩大類：（1）采用通用芯片的構架；（2）采用專用電能計量芯片的構架。該系統采用電能專用計量芯片與ARM核微處理器的框架結構來設計，主要是由電能計量模塊，微處理器控制管理模塊，包括外部存儲器、通信接口、人機交互等部分組成。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

電能計量芯片ATT7022B對電壓互感器、電流互感器輸出的ABC三相電壓、電流信號采樣和處理，實現有功電量、無功電量、功率因素等參數的計算。微處理器LPC2214負責控制管理整個系統的運行，從ATT7022B的寄存器讀取上述參數進行再處理，實現電量累加、需量計算等功能，能夠處理按鍵響應，管理中斷、顯示和通信等。設有4個按鍵，可實現LED報警顯示和LCD顯示。通信方面采用RS485通信和紅外通信兩種通信接口。數據存儲采用鐵存儲器和外部Flash存儲器的兩級存儲。

2 電力參數數學模型

有功功率的離散化計算公式為

式中：u（n）、i（n）——被測電壓、電流信號模數轉換后得到的離散數列。

無功功率的離散化計算公式為

式（1）和式（2）中N都為一個周期內的采樣次數。

功率因素的計算公式為

式中：sign（Q）——無功功率符號。功率因素的符號由無功功率符號確定[3]。

3 硬件設計

3.1 電能計量模塊

ATT7022B是一款性能優良的三相電能專用計量芯片，具有高精度和多功能等優點。在輸入動態工作范圍1000∶1之內，非線性測量誤差小于0.1%，有功功率的電能測量等級為0.2 S、0.5 S，無功功率的電能測量等級為0.2 S、0.3 S，電壓、電流有效值的測量精度優于0.5%。提供齊全的參數測量功能，可準確測量到含21次諧波的有功、無功和視在功率/電能，可以采用三相三線或者三相四線模式。因此，ATT7022B能夠充分滿足智能電表的電能參數計量的需求。

3.2 微處理器控制管理模塊

3.2.1 微處理器

微處理器是整個智能電表的控制管理核心，采用Philips公司的ARM核處理器芯片LPC2214作為智能電表的微處理器。LPC2214是一個32/16位ARM7TDMI-S核的微控制器，支持實時仿真和嵌入式跟蹤，內部集成了符合16C550工業標準的UART接口、SPI接口和高速I2C接口，此外還有32位定時器、脈寬調制器PWM模塊（帶6路PWM輸出）、實時時鐘RTC和看門狗WDT[4-5]。

系統的微處理器的基本外圍電路主要由晶振電路、復位電路和兩組電源等構成。圖2是微處理器的基本外圍電路的原理圖。

圖2 微處理器基本外圍電路圖

3.2.2 存儲及擴展

智能電表具有兩級存儲系統。第一級存儲系統是指LPC2214的內部存儲器，包括256kB的程序存儲器Flash和16kB的隨機存儲器SRAM；第二級存儲系統采用非易失性存儲器。LPC2214提供了專門的外部存儲器擴展接口。該設計采用FRAM鐵電存儲器和Flash存儲器兩種非易失性存儲器作為外部存儲器。鐵電存儲器讀寫速度快、可擦寫次數幾乎無限；Flash存儲器存儲容量很大[6-7]。

3.2.3 通信接口

該設計采用RS485通信和紅外線通信兩種通信接口。美國TEXAS公司的SN75LBC184芯片是一款用于RS485通信的低功率半雙工收發器件，內置高能量瞬變噪聲保護裝置，可承受峰值為400W過壓瞬變。紅外線通信是一種點對點的近距離無線數據傳輸技術，傳輸速度較快，抗干擾能力較強，傳輸距離一般在5～15 m之間[8]，因此智能電表采用紅外線通信來實現無線抄表功能。

4 軟件設計

圖3是智能電表系統主程序流程圖，由系統初始化模塊、主循環程序模塊和中斷處理模塊3部分組成。

圖3 主程序流程圖

該設計將ADS1.2集成開發環境作為智能電表系統的軟件開發工具。它是ARM公司推出的ARM核為控制器開發工具，是由包含匯編器和C/C++編譯器、連接器的代碼生成工具、CodeWarrior IDE集成開發環境、ADX調試器、指令模擬器、ARM開發包、ARM應用庫7部分組成，支持匯編、提供豐富的函數庫、支持軟件仿真調試等，給ARM核為控制器的系統軟件開發和調試帶來了很大的方便[9]。

5 實驗測試

將0.5 S的CL311E三相標準電能表和智能電表樣機接到JCD4060三相精密測試電源，連接示意圖如圖4所示。

圖4 實驗方案連接示意圖

電壓檔和電流檔分別選擇220V和10A，疊加10次諧波分量，電流大小選擇值5%、10%、20%、50%、100%、200%依次變化，分別記錄相應的標準電表和智能電表樣機的有功功率、無功功率、電壓、電流和功率因素的測量值，然后計算出各參數的相對誤差。表1是A相參數的誤差數據表，B、C相做同樣的測試。

表1 A相參數誤差數據表

從表1可以看出，有功功率的最大誤差為0.29%，無功功率的最大誤差為1.05%，電壓的最大誤差為0.29%，電流的最大誤差為0.31%，功率因素的最大誤差為0.53%。結果表明有功功率的最大誤差值小于5%，達到了0.5S的有功精度；無功功率的最大誤差值小于2%，達到了0.2S的有功精度。

6 結束語

在現階段多功能電表的特點、功能和技術開發基礎上，該文設計了一款穩定性好、抗干擾能力強、可靠性高、使用壽命長、功能齊全的多功能三相智能電表系統。有功計量精度和無功計量精度均滿足系統設計要求，具有很高的實用價值，它既能滿足我國未來智能電網建設的需求，又可以解決當前電網中帶諧波電能的準確計量和多項電能參數的測量問題。

[1]周勇.智能電網的發展現狀優勢及前[J].黑龍江電力，2009，31（6）：404-406.

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