变压器智能保护电量计量模块的软硬件设计.doc

变压器智能保护电量计量模块的软硬件设计 摘 要 在电力供配电系统中 配电变压器是将电压直接分配给低压用户的电力设备 数量多且应用普遍 实时地监测配电变压器运行中的各种参数 及时地发现配电 变压器运行中出现的异常情况并加以控制和解决 对于电网稳定 优化运行具有 十分重要的意义 工作电流 工作电压和变压器油温是决定中小型变压器是否安全运行的三个 主要参数 因此 这三个参数的实时监控对保证变压器的安全运行具有很大的作 用 电量计量模块就是用来实时检测变压器工况的电压 电流 功率等电量数据 通过一定的控制策略对变压器的过流 超压和欠压的故障状态进行及时处理 本设计中根据变压器智能保护系统保护的组成结构与工作原理 分析了变压 器保护的设计目标 功能需求以及性能需求 硬件部分选取 AT89S51 单片机作为 系统主控机 采用高精度三相电能专用计量芯片 ATT7026 实时监测电流和电压 值 电流 电压检测电路由电流互感器和电压互感器组成 在软件设计中采用可 读性和可移植性都较好的 KEILC 语言进行编程 以此实现对单片机及其外围设 备的控制 使软件开发的效率和灵活性大大提高 关键词 电力变压器 过流过压保护 单片机 电量检测 THE SOFTWARE AND HARDWARE DESIGN OF POWER MEASUREMENT MODULE IN TRANSFORMER S INTELLIGENCE PROTECTION SYSTEM ABSTRACT In the electric power supply and distribution system distribution transformer is the power system directly assigning to a user s low voltage power having large quantity and using widely Real time monitoring the various parameters of the distribution transformer operation the timely discovery which appears in the operation of the distribution transformer and controlling the abnormal situation of the solution for optimal operation of the power grid stability has the very vital significance Working current working voltage and transformer oil temperature is three main parameters which decides small and medium sized transformer safely to operate so real time monitoring of the three parameters can guarantee the safe operation of the transformer This module about the electricity metering and power transformer protection is used for real time detection of transformer condition of electricity data such as voltage current power and process over current over voltage and under voltage fault state in a timely manner through some control strategy for transformer According to intelligent protection system protection struction and working principle the design of the transformer analyses the design goals of the transformer protection functional and performance requirements The hardware part which selects AT89S51 as the main control machine system uses high precision three phase electric energy metering chip ATT7026 real time monitoring of current and voltage Current and voltage detection circuit is composed of current transformer and voltage transformer In the software design it adopts the good readability and portability programming language of KEILC in order to realize the control of the micro controller and its peripheral equipment which greatly increases the software development efficiency and flexibility KEY WORDS power transformer over current and over voltage protection single chip microcomputer power detection 目 录 前 言 1 第 1 章 变压器智能保护系统 3 1 1 系统工作原理 3 1 2 AT89S51 单片机简介 5 1 2 1 特性简介 5 1 2 2 管脚定义 6 1 3 小节 9 第 2 章 电量计量模块硬件设计 10 2 1 电量计量芯片 ATT7026 介绍 10 2 1 1 功能简介 10 2 1 2 芯片引脚定义 11 2 1 3 内部框图介绍 13 2 1 4 应用示意图 14 2 1 5 系统复位 15 2 1 6 相关数值的测量 16 2 1 7 接口模块 19 2 2 互感器电路设计 20 2 2 1 电压互感器 20 2 2 2 电流互感器 21 2 3 复位电路 22 2 4 5V 电压设计 23 2 5 小结 24 第 3 章 电量计量软件模块的设计 26 3 1 软件校表设计 26 3 1 1 寄存器定义 26 3 1 2 参数计算 27 3 2 SPI 通信软件设计 29 3 2 1 SPI 读操作 29 3 2 2 SPI 写操作 31 3 3 小结 33 第 4 章 系统原理图设计 34 4 1 硬件电路图设计 34 4 2 系统原理图 34 4 3 硬件抗干扰设计 36 4 3 1 传输通道抗干扰设计 36 4 3 2 供电系统抗干扰设计 36 4 3 3 系统接地的抗干扰设计 37 4 4 小节 37 结 论 38 参考文献 39 致 谢 40 前 言 1 课题的选择和意义 随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高 我国的电力事 业迅速发展 电网不断扩大 用户对供电质量和供电可靠性的要求也越来越高 这就要求电力供应部门提供安全 经济 可靠和高质量的电力 据统计连接在 电网中的变压器总容量约为发电设备总装机容量的8 9倍 因此配电变压器的 安全可靠决定了配电网安全可靠地运行 对配电变压器的运行状态进行实时监 测 以达到对变压器安全 有效的保护是十分必要的 配电变压器分布在各类企业 小区及城镇的大街小巷 由于通信的困难 用常规的自动化检测手段难于实现大量的配电变压器实时保护 如今 国内外 越来越多的生产厂家不断的推出各种的配电系统的保护装置 但是大多数是针 对大型配电系统所设计的 而对于农村或是边远地区相配套的中小型配电装置 的产品却是不多 相对于大型输电变压器而言 中小型配电变压器由于安装分 散 工作环境相对恶劣 因此在此类变压器的运行过程中特别是用电高峰时容 易出现过负荷 欠压和变压器过热等危及变压器安全运行的问题 如何以一种 经济稳定的方式实现对中小型配电变压器的集中监控是一个亟待解决的问题 当变压器发生故障或异常运行时 配电保护装置可以自动读取在线电量数据 为用户提供自动化的用电信息 迅速查出异常情况 降低劳动强度 在减少人 力介入的情况下完成大量重复性的工作 工作电流 工作电压和变压器油温是决定中小型变压器是否安全运行的三 个主要参数 对这三个参数进行实时监控对于保证变压器的安全运行具有很重 要的作用 本文针对中小型配电变压器的集中监控具有重要的工程应用价值 2 现阶段国内外研究现状 作为变压器保护系统中很重要的一部分 电量计量模块 在国内外有很 多产品用于电量检测 比如可方便地测量三相四线制电力线路的各类电参数的 AC86型高精度智能电量综合检测仪能同时替代电流 电压 频率 功率 功 率因数 电量等多种电参量传感器 可用于手机 数码相机 MP3等手持设备 的LM3658和DS278电量计量模块 基于DSP的工频电量测试仪 以 TMS320VC33DSP为核心 采用钳形电流互感器输入和电压直接输入 实现对 了电压 电流 功率 电网频率 电网功率因数的测量 ZTV I 直流电量测试 仪采用单片微处理器进行控制 可以测量直流电流 电压及输入功率 具有量 程自动切换 测试范围广 测试精度高 使用方便 以嵌入式为核心的数字式 智能多功能电量测量设备可实现对电压 电流 有功功率和无功功率等电量的 测量 大大减少设备的硬件投入 简化电路 充分利用嵌入式系统强大的可编 程功能 完成多参数电量测量和电网的监控 大多数智能变压器仅是针对大型配电系统设计的 成本较高 而对于农村或是 边远地区相配套的中小型配电装置的产品不多 由于在农村或是边远地区的配 电网中 配电变压器数量众多 分散性大 保护措施不完善等 变压器运行中 容易出现很多问题 而目前很少有专门针对中小型配电系统的故障检测和保护 等保护装置 本设计就是针对这样的问题建立的 3 本课题设计的内容 针对中小型企业和边远地区的低压配电系统的核心设备变压器出现的问题 设计基于单片机的变压器硬件保护电路 通过软硬件设计构成对供电系统的监 控系统 可以防止变压器因为过流 过压而出现故障 主要工作 设计能够实 时检测变压器工况的各种电量数据的电压 电流 功率等的电量检测电路和电 量检测驱动软件及校表软件 变压器运行过程的工作参数 1 设计能够实时检测变压器电量信息的电量计量电路 要求设计的硬件电 路简单可靠 人机界面友好 可操作性高 2 设计智能保护模块的电原理图 第 1 章 变压器智能保护系统 1 1 系统工作原理 变压器智能保护系统中主要包括基于 AT89S51 单片机的主控模块 电量计 量模块 切闸驱动输入模块 报警电路模块 数据存储模块 显示时钟模块 键 盘输入电路模块 温度检测模块 实时时钟模块 具体如图 1 1 所示 图 1 1 变压器智能保护模块组成框图 互感器及其它电流 电压检测电路实时地采集变压器的输出的三相电压 三相电流 然后将这些数据传送给电量计量模块 该模块主要有专门的电量计 量芯片组成 它负责测量各相以及合相的有功功率 无功功率 视在功率 有 功能量以及无功能量 同时还能测量各相电流有效值 电压有效值 功率因子 相角和频率等参数 这些采集的数据通过SPI接口送到单片机内进行数据分析与 计算处理 单片机根据系统的要求 一方面将计算 处理与统计的数据进行存 储以备查询或下次调用 另一方面 根据数据采集与处理的结果实时地对补偿 功率因数 或输出控制信号 键盘与显示电路模块组成人机接口电路 用于终 端的参数设置 数据修改 数据显示及查询等 报警电路模块是在当采集的电 压 电流和油温异常时 及时报警并单片机作出切闸命令 切闸驱动电路模块 单片机复位 主要用于系统单片机紧急或特殊情况下的开关分合 温度检测模块用于实时检 测变压器的油温 在油温异常时及时切闸 保护变压器 变压器智能保护系统采集的信号有电流 电压 油温和时间 手动输入信 号有手动合闸 手动切闸 故障查询 控制器对输入信号进行分析处理后产生 的输出信号有实时电流显示 温度显示 故障显示 报警 自动切闸 故障记 录和自动重合闸 总体设计工作如下 1 过负荷保护功能 当系统检测到变压器的工作电流大于1 1倍其额定 电流时 就会启动延时切闸流程 并且记录过负荷时间和原因 2 油温监控功能 实时检测变压器的工作油温 报警温度定为油温80 达 到100 时切闸并记录故障信息 3 自动重合闸功能 切断负载后计时15s 如果电流降到额定电流下 自动控制接触器吸合 将负载接到变压器 这时如果负载电流又达到切闸条件 油温高于80 又要切闸 系统在1分钟内如果出现三次重合闸就会永久切 闸 等待人工处理 这种状况说明负载一直处于过载状态且没有减小的趋势 4 数据存储功能 每次切闸要将故障状态 过载电流及油温等数据信息 写入数据存储器中以备查阅 系统软件总体设计流程图如图1 2所示 启动单片机后 首先对电流和油温 进行检测 当油温大于80 时 报警电路进行报警 再次检测油温 若大于 100 时 直接进行切闸并记录故障 若小于100 则检测电流 当油温小于 80 时 检测电流 根据反时限过流保护软件进行报警 延时 切闸 同时记 录故障 若油温和电流都符合要求时 则显示数据即可 若在1min内连续切闸 三次 就会永久切闸 检测油温 T 80 电流 Ii 1 1In 报警 延时 切闸并记录故障 三次切闸时间到 永久切闸 延时 15 秒 T 100 报警 Y N N N Y Y N Y 图 1 2 系统软件总体设计 1 2 AT89S51 单片机简介 1 2 1 特性简介 MCS 51产品指令系统完全兼容 4k字节在系统编程 ISP Flash闪速存储器 1000次擦写周期 4 0V 5 5V的工作电压范围 静态工作模式 0Hz 33MHz 三级程序加密锁 128 8字节内部RAM 32个可编程I O口线 2个16位定时 计数器 6个中断源 双工串行UART通道 低功耗空闲和掉电模式 中断可从空闲模唤醒系统 看门狗 WDT 及双数据指针 电标识和快速编程特性 片内振荡器和时钟电路 灵活的在系统编程 ISP字节或页写模式 AT89S51提供以下标准功能 4k字节Flash闪速存储器 128字节内部 RAM 32个I O口线 看门狗 WDT 两个数据指针 两个16位定时 计数器 一个5向量两级中断结构 一个全双工串行通信口 片内振荡器及时钟电路 同 时 AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作 并支持两种软件可选的节电工作模式 空闲方式停止CPU的工作 但允许RAM 定时 计数器 串行通信口及中断系统 继续工作 掉电方式保存RAM中的内容 但振荡器停止工作并禁止其它所有部 件工作直到下一个硬件复位 在访问外部数据存储器或程序存储器时 这组口 线分时转换地址 低8位 和数据总线复用 在访问期间激活内部上拉电阻 在F1ash编程时 P0口接收指令字节 而在程序校验时 输出指令字节 校 验时 要求外接上拉电阻 1 2 2 管脚定义 VCC 电源电压输入端 GND 电源地 P0口 口 P0口为一个8位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收8TTL 门电流 当 P1口的管脚第一次写1时 被定义为高阻输入 P0能够用于外部程序数 据存储器 它可以被定义为数据 地址的低八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为 原码输入口 当 FIASH 进行校验时 P0输出原码 此时 P0外部必须被拉高 图1 3 PDIP 封装的 AT89S51管脚图 P1口 口 P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向 I O 口 P1口缓冲器能接收 输出4TTL 门电流 P1口管脚写入1后 被内部上拉为高 可用作输入 P1口被 外部下拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编 程和校验时 P1口作为第八位地址接收 P2口 口 P2口为一个内部上拉电阻的8位双向 I O 口 P2口缓冲器可接收 输 出4个 TTL 门电流 当 P2口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作为输 入 并因此作为输入时 P2口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于内部 上拉的缘故 P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取 时 P2口输出地址的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外 部八位地址数据存储器进行读写时 P2口输出其特殊功能寄存器的内容 P2口 在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3口 口 P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出4个 TTL 门电流 当 P3口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输 入 由于外部下拉为低电平 P3口将输出电流 这是由于上拉的缘故 P3口除 了作为普通 I O 口 还有第二功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断0 P3 3 INT1 外部中断1 P3 4 T0 T0定时器的外部计数输入 P3 5 T1 T1定时器的外部计数输入 P3 6 WR 外部数据存储器的写选通 P3 7 RD 外部数据存储器的读选通 P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 I O 口作为输入口时 有两种工作方式 即所谓的读端口与读引脚 读端口时实际上并不从外部读入 数据 而是把端口锁存器的内容读入到内部总线 经过某种运算或变换后再写 回到端口锁存器 只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线 89C51的 P0 P1 P2 P3口作为输入时都是准双向口 除了 P1口外 P0 P2 P3口都还有其他的功能 RST 复位输入端 高电平有效 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两 个机器周期的高电平时间 ALE PROG 地址锁存允许 编程脉冲信号端 当访问外部存储器时 地址 锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚 用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号 此频 率为振荡器频率的1 6 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的 然而 要注意的是 每当用作外部数据存储器时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令时 ALE 才起作用 另外 该引脚被略微拉高 如果微处 理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 外部程序存储器的选通信号 低电平有效 在由外部程序存储器PSEN 取指期间 每个机器周期两次有效 但在访问外部数据存储器时 这两PSEN 次有效的 信号将不出现 PSEN EA VPP 外部程序存储器访问允许 当EA保持低电平时 则在此期间外部程 序存储器 0000H FFFFH 不管是否有内部程序存储器 注意加密方式1时 EA将内部锁定为 RESET 当EA端保持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加12V 编程电源 VPP XTAL1 片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端 XTAL2 片内振荡器反相放大器的输出端 本设计中主要用到了 P1 口和 RST 引脚 利用 P1 口与电量计量芯片的 SPI 通讯接口相连 实现通讯 其中 1 P1 5 管脚用于计量模块 ATT7026 的 SPI 串行数据输出信号线 2 P1 6 管脚用于计量模块 ATT7026 的 SPI 串行数据输入信号线 3 P1 7 管脚用于计量模块 ATT7026 的 SPI 串行时钟输入信号线 4 P3 3 管脚用于计量模块 ATT7026 的 SPI 片选信号线 RST 保持两个机器周期以上的高电平时自动复位 上电瞬间 电容充电电 流最大 电容相当于短路 RST 引脚上为高电平 自动复位 然后电源通过电 阻对电容充电 RST 端电压慢慢下降 当电容两端的电压达到电源电压时 电 容充电电流为零 电容相当于开路 RST 端降为低电平 单片机开始正常工作 1 3 小节 本章首先通过系统结构组成框图简单明了地介绍了变压器智能保护系统工 作原理 并按照任务书的相关要求画出系统流程图 其次详细介绍了系统的主 控芯片 AT89S51 的特性及管脚说明 此外还提到了单片机与计量芯片 ATT7026 的通讯接口 这一部分会在以后章节详细介绍 第 2 章 电量计量模块硬件设计 2 1 电量计量芯片 ATT7026 介绍 ATT7026是一种高精度三相电能专用计量芯片 适用于三相三线和三相四 线制 它集成了六路二阶sigma delta ADC 参考电压电路以及所有功率 能量 有效值 功率因子以及频率测量的数字信号处理等电路 因此 在配置有单片 机的系统中 能够方便地测量各相以及合相的有功功率 无功功率 视在功率 有功能量以及无功能量 同时还能测量各相电流有效值 电压有效值 功率因 子 相角和频率等参数 能够起到实时监测系统功耗情况的作用 2 1 1 功能简介 ATT7026的有功测量可达到1级或0 5级 无功测量达到2级或3级 ATT7026支持电阻网络校表和软件校表两种校表方式 软件校表是通过相关的 校表寄存器对增益 相位进行补偿和小电流非线形补偿 可测量到21次以上谐 波的有功和无功功率 将系统误差校正在0 5级表的要求内 有功 无功频率校 验输出 CF1 CF2 提供瞬时有功 无功功率信息 可以直接接到标准表 进行 误差校正 ATT7026片内集成了6路16位的 ADC 采用双端差分信号输入 最大输入 电压是 1 5V 即可以输入最大的正弦信号有效值是1V 适宜将电压通道 Un对 应到ADC的输入选在0 5V左右 而电流通道Ib时的ADC输入选在 0 1V左右 模 数转换电路接收电压 电流互感器电路传送的模拟电压 电流信号 并将模拟 信号转变成数字信号 实现ATT7026芯片对电参数的数据采样 电源监控电路连续对模拟电源 AVCC 进行监控 当电源电压低于4V时 ATT7026芯片将被复位 有利于电路上电和掉电时芯片能正常启动 芯片正常 工作时 电源监控电路被安排在延时和滤波环节中 可以最大程度防止由电源 噪声引发的错误 为保证ATT7026芯片正常工作 应对模拟电源去耦 使 AVCC的波动不超过5V 5 ATT7026芯片提供一个SPI接口 方便与主控制单片机之间进行计量参数和 校表参数的数据传递 所有电量计量参数都可以通过SPI接口读出 2 1 2 芯片引脚定义 ATT7026 芯片引脚如图 2 1 所示 图 2 1 ATT7026 芯片引脚图 引脚定义 RESET 1 输入 复位管脚 低电平有效 内部有 300K 上拉电阻 SIG 2 输出 正常应用时为高电平 当外部 MCU 通过 SPI 写入校表 数据后 立即变为高电平 上电复位时或由于异常原因芯片重新启动时 该引 脚为低电平 V1P V1N 3 4 输入 A 相电流信道正 负模拟输入引脚 完全差动 输入方式 正常工作最大信号电平为 1 5V 两个引脚内部都有 ESD 保护电路 最大承受电压为 6V REFCAP 5 输出 基准 2 4V 可以外接 对该引脚使用 10uF 钽电容 并联 100nF 瓷介电容进行去耦 V3P V3N 6 7 输入 B 相电流信道正 负模拟输入引脚 完全差动 输入方式 正常工作最大信号电平为 1 5V 两个引脚内部都有 ESD 保护电路 最大承受电压为 6V AGND 8 15 电源 模拟电路 即 ADC 和基准电源 的接地参考点 该引脚应连接到 PCB 的模拟地 为了有效地抑制噪声 模拟地和数字地只应有 一点连接 V5P V5N 9 10 输入 C 相电流信道正 负模拟输入引脚 完全差动 输入方式 正常工作最大信号电平为 1 5V 两个引脚内部都有 ESD 保护电路 最大承受电压为 6V REFOUT 11 输出 基准电压输出 用做外部信号的直流偏置 偏置 电压为 2 45V 左右 AVCC 12 电源 该引脚提供 ATT7026 模拟电路的电源 正常工作 电源电压应保持在 5V 5 为使电源的纹波和噪声减小至最低程度 该引脚应 使用 10 F 钽电容并联 100nF 瓷介电容进行去耦 V2P V2N 13 14 输入 A 相电压信道正 负模拟输入引脚 完全差 动输入方式 正常工作最大信号电平为 1 5V 两个引脚内部都有 ESD 保护电 路 最大承受电压为 6V V4P V4N 16 17 输入 B 相电压信道正 负模拟输入引脚 完全差 动输入方式 正常工作最大信号电平为 1 5V 两个引脚内部都有 ESD 保护电 路 AVCC 18 电源 该引脚提供 ATT7026 模拟电路的电源 正常工作电源 电压应保持在 5V 5 为使电源的纹波和噪声减低至最低程度 该引脚应使用 10uf 电容并联 0 1uf 电容进行去耦 V6P V6N 19 20 输入 C 相电压信道正 负模拟输入引脚 完全差 动输入方式 正常工作最大信号电平为 1 5V 两个引脚内部都有 ESD 保护电 路 S0 S1 21 22 输入 这两个逻辑输入用来选择输出频率的系数 内部 有 300K 上拉电阻 GND 23 电源 数字地引脚 TEST 24 输入 测试管脚 正常应用接地 内部有 300K 上拉电阻 SCF 25 输入 这个逻辑输入用来选择输出频率的系数 与 S0 S1 配 合使用 内部有 300K 上拉电阻 SEL 26 输入 接高电平时为选择三相四线制 接地电平时为选择三 相三线制接线方式 内部有 300K 上拉电阻 CF1 27 输出 有功频率校验输出 其频率反映合相平均有功功率的 大小 常用于仪表有功功率的校验 也可以用作电能计量 CF2 28 输出 无功频率校验输出 其频率反映合相平均无功功率的 大小 常用于仪表无功功率的校验 也可以用作电能计量 F1 F2 29 30 输出 低频脉冲输出 其输出反映三相平均有功功率的 大小 可直接驱动机电式计度器 F3 F4 31 32 输出 低频脉冲输出 其输出反映三相平均无功功率的 大小 可直接驱动机电式计度器 VDD 33 电源 内核电源输出 3 0V 外接 10uf 电容并联 0 1uf 电容进行 去耦 VCC 34 41 电源 数字电源引脚 正常工作电源电压应保持在 5V 5 该引脚使用 10uf 电容并联 0 1uf 电容进行去耦 CS 35 输入 SPI 片选信号 低电平有效 内部上拉 200K 电阻 SCLK 36 输入 SPI 串行时钟输入 施密特 注意 上升沿放数据 下降沿取数据 DIN 37 输入 SPI 串行数据输入 DOUT 38 输出 SPI 串行数据输出 VDD 39 电源 内核电源输出 3 0V 外接 10uf 电容并联 0 1uf 电容进行 去耦 REVP 40 输出 当检测到合相有功功率为负时 表示电流与电压接 线方向相反 输出高电平 当再次检测到合相功率为正时 表示正常 该引脚 的输出又将复位到低电平 据此可判断接线是否出错 OSCI 42 输入 系统晶振的输入端 或是外灌系统时钟输入 OSCO 43 输出 晶振的输出端 GND 44 电源 数字地引脚 2 1 3 内部框图介绍 ATT7026 内部结构大致可以分为三个部分 第一部分为模数转换 芯片将通过六路通道采集的电压 电流模拟量在内 部的 AD 转换器中进行转换 输出芯片能够进行相关计算的数字量 第二部分 为数字处理 该模块负责将传递过来的数字量进行有效值计算 从而得出其有 功功率和无功功率及功率因数 该部分为 ATT7026 的核心 第三部分主要为输 出 即通过 SPI 接口与单片机相连 把数据传送出去 内部框图如图 2 2 所示 图 2 2 ATT7026 内部框图 2 1 4 应用示意图 如图 2 3 所示 ATT7026 外部硬件电路主要包括电源 电压及电流模拟输 入 脉冲输出及 SPI 通讯接口等电路 每路的的 ADC 的交流输入由 VxP 和 VxN 输入 同时要求 VxP VxN 迭加 2 4V 左右直流偏置电压 VxP 和 VxN 输 入电路中电阻 1 2K 和电容 0 01uF 构成了抗混叠滤波器 其结构和参数要讲究 对称 由于 ATT7026 计量部分采用了数字滤波器结构 所以为了保证测量精度 建议选用 24 576MHZ 的晶振 检查晶体振荡是否正常 频率及幅度是否符合要 求 ATT7026 与单片机一般有六条连线 其中 4 条是 SPI 口线 CS SCLK DIN DOUT 一条复位控制线 一条握手信号 SIG 图 2 3 ATT7026 应用示意图 2 1 5 系统复位 ATT7026提供两种复位方式 硬件复位和软件复位 硬件复位通过外部引脚RESET完成 RESET引脚内部有300K电阻上拉 所 以正常工作时为高电平 当RESET出现大于20us的低电平时 ATT7026进入复 位状态 当RESET变为高电平时ATT7026将从复位状态进入正常工作状态 软件复位通过 SPI 口完成 当往 SPI 口写入 0 xD3 命令后 系统进行一 次复位 复位之后 ATT7026A 从初始状态开始运行 ATT7026在复位状态下SIG为高电平 当ATT7026从复位到工作状态之后 大约经过500us左右 SIG将从高电平变为低电平 此时芯片开始进入正常工作 状态 方可写入校表数据 一旦写入校表数据之后 SIG又会变为高电平 复位 示意图如图2 4所示 数字移相数字移相 滤波器滤波器 无功功无功功 率测量率测量 电压增益 补偿补偿 电压有效 值测量值测量 有功功有功功 率测量率测量 数字移相数字移相 滤波器滤波器 数字移相数字移相 滤波器滤波器 相位相位 校正校正 功率增益功率增益 补偿补偿 电流增益电流增益 补偿补偿 电流有效电流有效 值测量值测量 功率增益功率增益 补偿补偿 视在功视在功 率计算率计算 功率因数功率因数 计算计算 图 2 4 ATT7026 系统复位 2 1 6 相关数值的测量 电压 电压 有功功率 视在功率 电流 视在功率 功率因数 电流 图 2 5 数字信号处理框图 信号处理模块说明 1 数字高通滤波器 主要是用于去除电流 电压采样数据中的直流分量 2 数字移相滤波器 主要完成对电压信号移相 90 的信号处理 在保证 信号幅频响应不衰减的前提下 能够对 30Hz 1500Hz 的采样信号进行移相 90 的处理 因此无功计量的带宽限制在 1500Hz 以内 3 有功功率计量 各相的有功功率是通过对直流分量后的电流 电压信 号进行乘法 加法 数字滤波等一系列数字信号处理后得到的 电流 电压采 样数据中包含高达 21 次的谐波信息 有功功率的测量原理图如图 2 5 所示 有功功率计量公式 2 1 N n nInU N P 0 1 图 2 6 有功功率的测量原理图 4 无功功率计量 根据无功功率 正弦式无功功率 定义公式 1 SinnIUnQ n 2 2 无功功率的算法与有功功率类似 只是电压信号采用移相90度之后的 测 量带宽主要受到数字移相滤波器的带宽限制 5 视在功率 功率因数 相角测量 基于上述测量的有功功率和无功功率 通过开方 除法等运算就可以得到 这些参数 功率因数公式 2 3 Sabs Pabs QsignPf 功率因数的符号由无功功率的符号来确定 6 电压 电流有效值测量 通过对电压采样值进行平方 开方以及数字滤波等一系列运算得到 电压 通道输入 1000mv 到 10mv 的信号时电压有效值的误差小于 0 5 电压有效值 2 4 2 0 1 T URmsau t dt T 图 2 7 电压有效值的测量原理 通过对电流采样值进行平方 开方以及数字滤波等一系列运算得到 电流 通道输入 1000mv 到 2mv 的信号时电流有效值的误差一般小于 0 5 电流有效值 2 5 2 0 1 T IRmsai t dt T 图 2 8 电流有效值的测量原理 7 能量计算 将功率信号对时间进行积分就可以得到能量 单相有功能量 2 6 p Ep t dt 合相有功能量可以根据设置按照代数或者绝对值的模式进行累加 代数加 模式 Ept Epa Epb Epc 如图 2 9 所示 图 2 9 有功功率测量 单相无功能量 2 7 Eqq t dt 合相无功能量分两种方式 代数加模式 Eqt Eqa Eqb Eqc 2 7 绝对值加模式 Eqt Eqa Eqb Eqc 2 8 如下图所示 图 2 10 无功功率测量 2 1 7 接口模块 ATT7026 内部继承了一个 SPI 串行通讯接口 ATT7026 的 SPI 采用从属方 式工作 使用 2 调控制线和 2 条数据线 CS SCLK DIN 和 DOUT CS 片选 允许访问串口的控制线 CS 由高电平变为低电平时表示 SPI 操 作开始 CS 由低电平变为高电平时表示 SPI 操作结束 所以每次操作 SPI 时 CS 必须出现下降沿 CS 出现上升沿时表示 SPI 操作结束 DIN 串行数据输入 用于把用户的数据传输到 ATT7026 DOUT 串行数据输出 用于从 ATT7026 寄存器读出数据 SCLK 串行时钟 控制数据移出或者串行口得传输率 上升沿放数据 下 SPT254B 降沿取数据 SCLK 下降沿时将 DIN 上的数据采样到 ATT7026 中 SCLK 上升 沿时将 ATT7026 的数据放置于 DOUT 上输出 2 2 互感器电路设计 三相四线制相电压是 220V 线电压是 380V 由于电量计量芯片 ATT7026 的输入电压范围为 0 1V 所以需要使用电压 电流互感器电路 将工作电流 电压降低 然后作为 ATT7026 的输入 2 2 1 电压互感器 电压互感器相当于一个升压变压器 可起到降压和隔离的作用 本设计选 用西安铱星科技有限公司生产的 SPT204B 测量型电压互感器来组建电压互感器 电路 SPT204B 是一种电流型电压互感器 推荐使用状态为 1mA 1mA 技术特 点及相关参数 电磁隔离 精度高 无漂移 MTBF 10 万小时 全树脂密封 可靠性高 工作温度 25 75 隔离耐压 AC2500V 1min 2 倍过载 输入电流 1mA 外接限流电阻 屏蔽型 抗干扰能力强 输出电流 1mA 频响 20 50KHZ 尤其适合工频信号检测 线性度 0 1 耐冲击性强 相差小于 分 补偿后 小巧轻便 能直接焊接在印刷线路板上 对应型号 SPT204B 电压互感器应用电路如图 2 11 所示 R1 Ii Io Ui R2 Uo 图 2 11 电压互感器应用电路 由于三相四线制相电压是 220V 选取 R1 220K 使原边电流 Ii 为 1mA 则副边也会感应出一个相同的电流 Io Ii 1mA 根据 Uo 1mA R2 则选择合适 的输出电阻 R2 即可获得所需的输出电压 Uo 由于电量计量芯片 ATT7026 的 工作电压为 0 1V 可选择 R2 100 使输出电压 Uo 1mA R2 1mA 500 0 5V 所用电阻均要求温度系数小于 50PPM 电压互感器电路图 2 12 所示 220k R1 220k R2 220k R3 500 R4 500 R5 500 R6 1 2k R7 1 2k R8 1 2k R9 1 2k R10 1 2k R11 1 2k R12 1 2k R13 1 2k R14 1 2k R15 1 2k R16 1 2k R17 1 2k R18 INT1 1 INT2 2 OUT1 4 OUT2 三三三三三 U1 SPT204B INT1 1 INT2 2 OUT1 4 OUT2 三三三三三 U2 SPT204B INT1 1 INT2 2 OUT1 4 OUT2 三三三三三 U3 SPT204B 10pF C1 10pF C2 10pF C3 10pF C4 10pF C5 10pF C6 VN VAIN VBIN VCIN V2NI V4NI V6NI V2PI V4PI V6PI REFO V2P V4P V6P V6N V4N V2N 图 2 12 电压互感器电路图 电路中有电阻进行限流及电容滤波 能够保证其安全性和稳定性 V2P V2N 为连接 A 相电压信道正 负模拟输入引脚 REFOUT 为基准电压输出 是电量计量芯片用做外部信号的直流偏置 2 2 2 电流互感器 本设计选用西安铱星科技有限公司生产的 SCT 测量型电流互感器来组建电 流互感器电路 SCT 系列精密电流互感器的技术特点及相关参数 电磁隔离 精度高 无漂移 MTBF 10 万小时 全树脂密封 可靠性高 工作温度 25 75 隔离耐压 AC2500V 1min 频响 20 50KHZ 尤其 适合工频信号检测 输入电流 5A 10A 20A 30A 过载范围 2 倍过载 可 保护精度 输出电流 2 5mA 5mA 10mA 15mA 输入穿孔为 7 5mm 线 性度 0 1 耐冲击性强 相差小于 5 分 补偿后 小巧轻便 能直接焊接在 印刷线路板上 图 2 13 电流互感器应用电路 电流互感器应用电路如图 2 13 所示 根据 Uo 5mA Rl 则选择合适的输 出电阻 Rl 即可获得所需的输出电压 Uo 由于电量计量芯片 ATT7026 的输入 电压为 0 1V 可选择 R l 20 使输出电压 Uo 1mA Rl 5mA 20 0 1V 所 用电阻均要求温度系数小于 50PPM 电流互感器电路图 2 14 所示 图 2 14 电流互感器电路 2 3 复位电路 复位电路选用电阻和电容构成 RC 复位电路 为 RST 引脚提供复位信号 RC 监控复位电路如图 2 15 所示 图 2 15 RC 复位电路 单片机上电复位过程 RST 保持两个机器周期以上的高电平时自动复位 上电瞬间 电容充电电 流最大 电容相当于短路 RST 引脚上为高电平 自动复位 然后电源通过电 阻对电容充电 RST 端电压慢慢下降 当电容两端的电压达到电源电压时 电 容充电电流为零 电容相当于开路 RST 端降为低电平 单片机开始正常工作 ATT7026 复位过程 硬件复位通过外部引脚 RESET 完成 RESET 引脚内部有 300K 上拉电阻 所以 ATT7026 正常工作时 RESET 为高电平 ATT7026 RESET 引脚与单片机 P3 3 相连 由单片机逻辑控制进行对电量计量芯片的复位控制 当 RESET 出现 大于 20 微秒的低电平时 ATT7026 进入复位状态 当 RESET 变为高电平时 ATT7026 将从复位状态进入正常工作状态 ATT7026 在复位状态下 SIG 为高电平 当 ATT7026 从复位状态进入正常 工作状态后 大约经过 600 s SIG 为低电平 此时 方可写入校表数据 一旦 写入校表数据后 SIG 又会立刻变为高电平 选择 R 10K C 0 1 F 即可同时满足主控制单片机和电量计量芯片的正 常复位需要 2 4 5V 电压设计 ATT7026 正常工作电源电压为 5V 需设计一个由 220V 交流电路产生 5V 电压的电路 考虑到谐波的污染 因此连接的是三相 220V 交流电 然后经过 变压 整流 和稳压过程才能产生理想电压 于是此电路要由这三部分组成 本电路的核心部件选用 LM7805 稳压芯片 LM7805 为 3 端正稳压电路 LM7805 表示输出电压为 5V TO 220 封装 应用范围广 内含过流 过热和过 载保护电路 带散热片时 输出电流可达 1A 虽然是固定稳压电路 但使用外 接元件 可获得不同的电压和电流 LM7805 主要特点 输出电流可达 1A 输出电压有 5V 过热保护 短路保护 输出晶体管 SOA 保护 极限值 Ta 25 V1 输入电压 35V Vo 5V 18V 工作结温 范围 0 125 贮存温度范围 65 150 5V稳定电压输出电路线路设计如图2 16所示变压部分是一个220V 12V的 变压器 经过桥式整流电路 产生直流电压 经电容和LM7805滤波稳压后 就 产生了稳定的直流 5V电压 另外 在变压器一次侧并联了压敏电阻 正常工 作时处于高阻状态 无电流通过 若两工作电流急剧增大端高于额定电压 则 迅速击穿 由高阻态变为低阻态 切断芯片电源供应 1 J1 1 J2 1 J3 1 J4 1K RV1 1K RV2 1K RV3 D1 D2 D3 470uF C7 470uF C8 470uF C9 0 1uF C10 0 1uF C11 0 1uF C12 10 R19 T1 220V 12V T2 220V 12V T3 220V 12V VinVout GND U4LM7805VAIN VBIN VCIN VN VN VN AVCC V1P 图 2 16 5V 电压输出电路 2 5 小结 本章首先详细介绍计量芯片 ATT7026 使用方法 包括管脚的功能介绍 内 部的模块分布及有关参数的测量方法 通过这些介绍 使读者对该芯片有个详 细的了解 接着对电压电流检测电路 复位电路 电源电路进行了设计 这些 电路都是为 ATT7026 在整个模块中的功能实现服务的 第 3 章 电量计量软件模块的设计 ATT7026支持全数字校表 即软件校表 经过校正的仪表 有功精度可高 达0 5s 无功精度0 5s 在本设计中选择软件校表方式 SCF S0 S1应全部接 高电平或者全部悬空不接 3 1 软件校表设计 3 1 1 寄存器定义 1 校表寄存器定义 表 3 1 校表寄存器定义 地址标识符功能描述 0 x1BUgainAA相电压校正 0 x1CUgainBB相电压校正 0 x1DUgainCC相电压校正 0 x1FIstartup启动电流 0 x26IgainAA相电流校正 0 x27IgainBB相电流校正 0 x28IgainCC相电流校正 2 计量参数寄存器定义 表 3 2 计量参数寄存器定义 寄存器名称功能描述 第一相电压有效值24 位 代表第一相电压有效值 地址 000D 第二相电压有效值24 位 代表第二相电压有效值 地址 000E 第三相电压有效值24 位 代表第三相电压有效值 地址 000F 第一相电流有效值24 位 代表第一相电流有效值 地址 0010 第二相电流有效值24 位 代表第二相电流有效值 地址 0011 第三相电流有效值24 位 代表第三相电流有效值 地址 0012 三相电流之和有效值24 位 代表第三相电流之和有效值 地址 0013 三相四线时