配變監測終端的研究及開發設計

王 強 ，劉映杰，張晨曦，南維斌

(1.蘭州大學 信息科學與工程學院，甘肅 蘭州 730000;2.甘肅省武威市供電公司，甘肅 武威 733000)

配變監測終端用于對配電變壓器的信息采集和控制，能夠實時監測配電變壓器的運行工況，用以完成傳統的電壓表、電流表、功率因數表及負荷指示儀和電壓監視儀等的功能。它能與其他后臺設備進行通信，提供配電系統運行控制機管理所需的數據，以便及時發現并處理事故和緊急情況，就地與遠方進行無功補償。配變監測終端的引入，為提高配電網安全和經濟運行提供了有力工具[1]。

本文研發的配變監測終端，其微控制器采用高性能單片機，電能測量模塊采用三相電能專用計量芯片ATT7022E，系統能夠采集三相電壓/電流，計算三相有功功率、無功功率、功率因數、總有功功率、總無功功率及總功率因數等，實現線路監測功能。同時，根據設定的補償方式，配變監測終端控制電容器的投切，實現無功功率自動補償。配變監測終端支持RS232、RS485和GPRS通信方式，便于現場聯網使用，為配網自動化的實現提供可能。

1 硬件設計

配變監測終端主要包括數據采集部分和控制管理部分，其硬件結構如圖1所示。

1.1 數據采集部分

數據采集部分主要通過專用的計量芯片ATT7022E采集互感器的輸出信號，并通過SPI串行通信將采樣數據傳遞給CPU進行處理。

ATT7022E是一顆精度高且功能強的多功能防竊電三相電能專用計量芯片[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的采樣，輸出采樣數據和有效值，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）的各項電參數測量的數字信號處理電路，能夠測量各相及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量、無功能量、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，同時還能測量頻率、各相電流/電壓有效值、功率因數、相角和電壓夾角等參數。

ATT7022E內部的電壓監測電路可以保證加電和斷電時正常工作；提供一個SPI接口，方便與外部MCU之間進行計量參數及校表參數的傳遞；支持全數字域的增益、相位校正及純軟件校表；有功、無功、視在、基波有功電能脈沖輸出 CF1、CF2、CF3、CF4可以直接接到標準表進行誤差校正。

由PT和CT將變壓器低壓側的電壓和電流信號轉換為低電壓、小電流信號，并且使電網部分與檢測部分隔離開來[3],轉換來的信號經過調整和濾波送入ATT7022E芯片。ATT7022E片內集成了7路16 bit的ADC，采用雙端差分信號輸入。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內部集成一個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據線：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ISP Flash微控制器C8051F120來控制數據存儲單元、時鐘單元、人機界面單元、通信單元、看門狗單元和開關量輸入/輸出單元。

C8051F120是完全集成的混合信號片上系統型MCU芯片，具有64個數字IO引腳，高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核（100 MIPS），全速、非侵入式的在系統調試接口，2周期的16×16乘法和累加引擎，128 KB可在系統編程的Flash存儲器，8 KB+256 B的片內 RAM，以及硬件實現的SPI、SMBus/I2C和兩個UART串行接口。

C8051F120是具有片內VDD監視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的真正能獨立工作的片上系統。所有模擬和數字外設均可由用戶固件使能/禁止和配置。Flash存儲器還具有在系統重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場更新8051固件。

片內 JTAG調試電路允許使用安裝在最終應用系統上的產品 MCU進行非侵入式（不占用片內資源）、全速的在系統調試。該調試系統支持觀察、修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用JTAG調試時，所有的模擬和數字外設都可全功能運行。C8051F120可在工業溫度范圍（-45℃～+85℃）工作。端口I/O、/RST和 JTAG引腳都容許5 V的輸入信號電壓。

其他硬件單元(如人機界面單元、時鐘單元等)都是常見的通用型的設計，在此不再詳細介紹。

2 軟件設計

軟件設計是在Silicon Labs IDE V4.20環境下，采用C語言開發。為了確保軟件結構簡單、清晰，提高軟件的可讀性和可維護性，軟件設計采用模塊化的設計方法，其中包括電能芯片接口模塊、諧波計算模塊、保護模塊、電容投切模塊、統計模塊、人機界面模塊和通信模塊。

系統上電后，由主程序完成系統的復位和初始化工作，之后開始任務輪詢[4]；當某個任務需要被執行時，主程序通過調用與之對應的功能模塊去完成該任務，任務完成后,系統又返回到主程序。系統軟件結構圖如圖2所示。

本文采用高性能單片機C8051F120和專用電能計量芯片ATT7022E設計的配變監測終端，實現了配變監測終端所要求的功能，系統運行穩定、可靠，具有一定的應用和推廣價值。

[1]陳堂.配電系統及其自動化技術[M].北京:中國電力出版社,2003.

[2]ATT7022E應用筆記[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.智能配電變壓器監測終端的設計[J].電力系統保護與控制,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.