基于ATT7022的電能多參數測量終端的設計與實現

王 剛 郝 丹

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

基于ATT7022的電能多參數測量終端的設計與實現

王 剛 郝 丹

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

針對電氣設備配電終端電能參數計量問題，本文采用智能芯片ATT7022作為計量芯片，其測量準確、接口簡單、易于實現，較好地解決了多參數電能計量問題。本文詳細論述了測量原理、硬件設計、軟件校表與程序流程等問題，并詳細闡述了實際軟硬件設計與應用方面的技術細節。本項設計不失為一項良好的解決方案，對工程實踐具有指導意義。

電能參數計量 ATT7022 校表

引言

隨著電力系統的發展，電氣用電設備遍及工業生產的每個角落，電氣設備的安全、可靠、準確和經濟運行都必須依靠安裝在生產現場的監測電壓、電流、功率、電能、功率因數、頻率、相位等電能參數的儀器儀表來保證。對各種電能參數的準確測量、現場顯示，可以使設備維護人員及時了解運行情況。通過數據通信方式，將電能參數上傳至管理系統，可以使決策部門及時掌握現場設備運行情況，以控制設備工況，提高生產效率，且通過各參數實現設備的故障診斷與判斷。

電能參數的測量方法主要分為兩類：第一類為直流采樣法，該方法是對經過變換后的直流量進行采樣。直流采樣法通常是通過測量平均值來計算電壓、電流有效值的。第二類為交流采樣法，該方法是按一定規律對被測信號的瞬時值進行采樣后，再用一定的數值計算法求得被測量的值。交流采樣法與直流采樣法的最大區別是用軟件功能代替硬件功能。直流采樣法精度低，不適用于含有高次諧波的情況。交流采樣法算法比較復雜，占用微處理器系統資源多，實現比較困難。本文采用ATT7022作為電能參數采集芯片，它集電能多參數采集于一身，接口簡便，是一種低成本、高性能、易于實現的系統解決方案。

1 電能參數測量原理

ATT7022是一款高精度的三相電能專用計量芯片，它主要被用于三相三線和三相四線的測量。它能測量各相以及合相的無功功率、有功功率、視在功率、無功能量及有功能量，同時還可以測量各相電流、電壓的有效值、功率因數、頻率及相角等參數。ATT7022還能提供一個SPI接口，通過該接口實現與外部MCU之間的校表參數和計量參數的傳遞，

所有計量參數都可以通過這個接口讀出。

通過對電壓、電流的采樣值進行相應運算，可得出電壓、電流的有效值。在電壓采樣通道內輸入10mV～1000mV的信號時，電壓有效值的誤差可以保證在0.5%以內；在電流采樣通道內輸入2mV～1000mV的信號時，電流有效值的誤差可以保證在0.5%。以內。如圖1所示。

電壓、電流有效值為式（1）：

圖1 電壓、電流有效值測量

各相的有功功率是通過對直流分量后的電流、電壓信號進行乘法、加法、數字濾波等一系列數字信號處理得到的。電壓、電流等采樣數據中包含高達21次的諧波信息，所以通過此方法得到的有功功率也至少包含21次諧波信息，有功功率的測量原理圖如圖2所示，合相有功功率的公式為：Pt=Pa+Pb+Pc。

圖2 有功功率測量

有功功率的計算為式（2）：

根據正弦式無功功率的定義公式，無功功率應為式（3）：

無功功率的計量算法所需的信號是采用移相90°后的信號，測量帶寬因此要受到數字移相濾波器的帶寬限制。ATT7022無功功率的測量帶寬最高可達21次諧波。ATT7022采用的數字90°移相濾波器具有優越的頻率響應特性，它的幅頻特性為1，頻帶范圍內的所有頻率成分進行-90°相移的線性濾波器，因此，即使測量相當高次諧波無功功率，測量結果的準確度也較高。無功功率的測量原理圖如圖3所示。

圖3 無功功率測量

視在功率和功率因數的計算是在有功功率和無功功率的基礎上實現的，視在功率的計算為式（4）：

功率因數計算公式為式（5）：

有功能量通過瞬時有功功率對時間的積分得到式（6）。

無功能量通過瞬時無功功率對時間的積分得到式（7）。

2 系統硬件設計

整個系統包括電能參數采集、單片機最小系統、液晶顯示、繼電器控制及通訊等幾部分。ATT7022及其外圍電路主要完成電能參數的采集。單片機系統完成整個系統的控制與管理，采用Aduc812單片機，包括復位電路及振蕩電路。液晶顯示器可以對電能參數進行實時顯示，采用液晶顯示模塊12864來實現。繼電器可以控制外圍電氣設備，由單片機I/O口輸出信號給驅動電路進行控制。數據通訊部分采用485通訊方式，將電能參數及時上傳，由MAX485來實現。系統框圖如圖4所示。

圖4 系統構成框圖

電能參數采集部分需要通過電壓互感器和電流互感器將三相高電壓、大電流信號轉換成弱信號，由ATT7022進行處理。ATT7022內部集成了6路16位A/D轉換器，其線性誤差在有效值0.001V～0.8V范圍內小于0.1%。因為電網電壓在-40%～+30%的范圍內波動，且具有良好的信噪比特性，所以在參比電壓下，芯片電壓輸入腳上的采樣值應為0.2～0.5V。電流測量時需考慮8倍量程的過流能力，當輸入額定電流時，芯片電流輸入腳上的采樣電壓值為0.1V。由此進行互感器的選型及參數匹配。

芯片的輸入通道引腳需提供偏置電壓，由引腳Refout外加上拉電阻提供。而每一通道由電阻和電容構成抗混疊濾波器，以抑制采樣過程中的噪聲混疊干擾。整個電壓、電流輸入通道采取差分輸入方式，以抑制共模信號干擾。系統采用有源晶振，可以提供更加穩定的時鐘信號。

3 系統校準步驟

ATT7022校表方式稱為軟件校表。儀表經過校正后，無功精度可高達2級，有功精度可高達0.2級。功率校正包括角差校正和比差校正。比差校正是根據電流設置不同的區域，相應地設置不同的功率增益系數，以彌補互感器輸入與輸出的非線性。角差校正和比差校正一樣，在電流區域分段對相角進行修正。ATT7022還可以通過寄存器修正電流、電壓的有效值，這些參數都是通過芯片測量值與標準表讀數的偏差進行修正的，芯片手冊中提供了相應的計算公式。芯片的參數校正非常重要，只有校正以后的芯片才能正常使用，圖5列出了芯片校正的具體步驟。

圖5 校表流程圖

要注意的是，高頻輸出參數HFConst的設置，實際上它是一儀表常數，對整個芯片的正常工作起著重要作用。其計算公式如（8）所示：

式（8）中，INT為取整操作運算。為額定輸入電流，經電流互感器后對應到輸入通道上的電壓有效值應該在100mV左右；為額定輸入電壓，經電壓互感器或電阻分壓網絡后對應到輸入通道上的電壓有效值應該在500mV左右。G是指ATT7022的ADC增益系數，G恒定為0.648。為經過電壓互感器后，電壓輸入通道的電壓。為經過電流互感器后，電流輸入通道的電壓。為消耗1kwh電能，芯片輸出的脈沖數目。

在進行電壓、電流和功率等參數校正之前，需要完成HFConst的設置，只有在HFConst設置完成的基礎上，對其他參數的校正才有效，因為這樣可以保證測量值與校正值在同一儀表常數下得到。

4 程序設計

ATT7022內部集成了一個SPI串行通訊接口，SPI接口采用從屬方式工作，它在工作的過程中使用2條數據線和2條控制線，分別為DOUT和CS、SCLK和DIN。CS：片選輸入腳是一條能夠允許訪問串口的控制線，CS由高電平變為低電平時表示SPI操作開始，CS由低電平變為高電平時表示SPI操作結束，所以每次操作SPI時，CS必須出現下降沿，CS出現上升沿時表示SPI操作結束。DIN：串行數據輸入（輸入腳）表示把用戶的數據（如數據/命令/地址等）傳輸到ATT7022。DOUT：串行數據輸出（輸出腳）表示從ATT7022A寄存器讀出數據。SCLK：串行時鐘（輸入腳），控制數據移出或移入串行口的傳輸率。上升沿寫入數據，下降沿讀取數據，SCLK下降沿時將DIN上的數據采集到ATT7022A中，SCLK上升沿時將ATT7022A的數據放置于DOUT上輸出。這些信號時序可以由單片機I/O口模擬完成。

ATT7022的計量參數寄存器和校表參數寄存器是分別存儲的，計量參數1/3s更新一次，當需要讀取電能參數時，只需按寄存器的地址讀取數據即可。校表參數寄存器，需要在單片機初始化中進行設置，將設置參數寫入相應的校表寄存器即可，芯片即按校表參數工作。芯片的復位時間較長，需要大于500μs的時間，校表參數需要在復位后由初始化程序進行設置，否則不能有效寫入校表參數。

圖6 系統工作流程圖

整個系統工作流程圖如圖6所示。

5 結論

本文采用ATT7022作為配電終端的電能計量芯片，實現了多項電能參數高效、準確測量，節省了單片機的大量資源，使系統易于實現。文中詳細論述了ATT7022進行電能參數計量的原理，硬件設計需注意的原則及軟件設計流程和校準方法方面的細節，對實踐應用具有指導、推廣意義。

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Design and Implement of Measurement Terminal for Multi Power Parameters Based on ATT7022

WANG Gang,HAO Dan
(Harbin Steam Turbine Factory Co., Ltd., Harbin 150046)

Aimed at m ulti power parameters measurement of power distribution terminal of electrical equipment, this paper takes the smart chip ATT 7022 as measure chip, which has the characteristics of high precis ion, simple inter face and eas y to implement, and well solves the above mentioned issue. This paper deals with measuring principle, hardware design, software calibration and program flow in detail, and discusses the technical details about the design of hardware、software and engineering application. This design is a very good solution and has the guiding significance for engineering practice

power parameter measurement,ATT7022, calibration