电能质量分析及其监测系统的硬件设计论文36553.doc

《电能质量分析及其监测系统的硬件设计论文36553.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电能质量分析及其监测系统的硬件设计论文36553.doc（42页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、 （2012 届） 毕业设计 题 目： 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 I II 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 摘摘 要要 电能质量的重要性随着国民经济的快速发展而不断增强，并且日益受到电力部 门和消费者的重视。与此同时当今社会对电能质量，特别是暂态电能质量的要 求越来越高，原有的测量技术、装置已不能满足要求，时代和社会的发展要求 我们必须发展新的监测技术。在这样的大背景下，本文根据电能质量监测新技 术的各项指标和要求首先对电能质量问题和电能质量概念全局上做了统述，接 着详细的介绍了电能质量的控制技术和方法。接着详细阐述了电能质量的基本 理论问题及其分析研究方法，并对该领域的发展方向

2、进行了初步探讨，最后本 文站在全局的高度指出电能质量控制不能仅仅只靠技术来解决问题,应从管理、 规划等方面统筹考虑如何合理利用电能,切切实实提高电能质量。 关键词：关键词：电能质量，监测，分析方法，控制技术 III Power quality analysis and monitoring system hardware design Abstract The importance of power quality With the rapid development of the national economy growing, and increasingly the attention

3、 of the power sector and consumers. At the same time in todays society of power quality, especially the increasingly high demand of transient power quality, original measurement techniques, the device can no longer meet the requirements necessary to develop new monitoring techniques. Are summarized

4、in this article first concept of power quality and power quality classification based on indicators and requirements of the new technologies of power quality monitoring, power quality control methods and techniques. Then described the basic theory of power quality problems and analysis of research m

5、ethods, and direction of development in the field were discussed, Finally, standing in the overall perspective that the power quality control just technology alone can not effectively solve the problem, but also from the planning, management and other considerations, and the rational use of, in orde

6、r to effectively improve the power quality. Keywords: Power quality，monitoring，Analytical methods，Control technology IV 目录 摘 要III AbstractIV 1 绪论1 1.1 本文的研究背景和意义1 1.2 电能质量监测国内外研究情况1 1.2.1 国外现状.1 1.2.2 国内现状.2 1.3 论文研究的主要内容2 2 电能质量的监测原理.4 2.1 电能质量的基本概念及主要指标4 2.2 电能质量指标的算法和测量4 3 电能质量监测系统硬件设计.9 3.1 现场监测

7、单元采样频率、精度的要求9 3.2 同步采样监测系统的要求.9 3.3 电能质量监测与分析系统的硬件结构实现.10 3.4 设计说明与方案评价11 3.4.1ATT7022B 芯片介绍简介 12 3.4.2 数据采集模块.13 3.4.3ATT7022B 内置 7 路 AD 转换电路.14 3.4.4A/D 转换电路15 3.4.5 基于 DSP 的电能计量芯片 .16 3.4.6 SPI 接口电路17 3.4.7 液晶显示电路.18 3.4.8 串行通讯接口.19 3.4.9 控制模块电路.19 3.4.10 存储器电路.20 4 电能质量监测系统的软件设计.22 4.1 数据采集模块23

8、4.2 数据处理模块37 4.3 单片机控制模块24 4.4 显示模块26 4.5 上传模块.27 结论与展望27 参考文献29 V 致谢31 附录图 1 硬件总体连接图.32 VI 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 1 1 1 绪论绪论 1.1 本文研究的背景和意义 电能是现代社会最为广泛使用的能源,电能质量关系到各行各业和人民生活 用电,关系到国民经济总体效益。随着科学技术的进步和生产过程的高度自动化, 以及大规模的电源并网使得大量的电力电子转换器引入到电力系统中，从而大 量的非线性负载也掺杂进入了供电系统中，由此对电力系统造成了严重的污染， 产生较为严重的电能质量问题，与此同时各种设计

9、精密且对电能质量要求较高、 较为敏感的用电设备也随之越来越多。直接导致两方面的矛盾日益尖锐，不同 用户对电能质量的要求也就相应的水涨船高，在这样的环境下，探讨电能质量 领域的相关问题及其理论控制技术，分析我国当前电能质量控制和管理的发展 趋势，具有很强的观实需要和现实意义。众所周知，由于所处立场不同，关注 或表征电能质量的角度不同，人们对电能质量的定义还未能达成完全的共识， 早期的电能质量问题主要局限在频率偏移和电压偏移两个方面，直至二十世纪 八十年代，随着新兴负荷的出现电能质量的问题才重新提上了日程并逐步的引 起电力公司和用户的普遍重视，人们开始将视角转移到电网谐波污染、三相电 压不平衡、电

10、压波动和闪变所造成的电网电能质量低劣，用户生产力下降，竞 争力减弱等一系列与当前经济发展息息相关的电能质量问题并对其主要技术指 标有了较为一致的认识。目前电能质量中许多问题已日益成为电工领域的前沿 性课题，吸引了许多科研院所、高等院校和大批电力科技研究人员投入其中从 事开发性或开拓性工作。本文的指导老师海瑛就长期从事于智能电表的研究， 并取得了一系列重要成果，本文就是在导师相关研究基础上的改进。 总之，电能质量直接关系到国民经济的总体效益，改善电能质量对于电网和 电气设备的安全、经济运行，保障产品质量和科学实验以及人民生活和生产的 正常等均有重要意义。 1.2 电能质量监测国内外研究情况 1.

11、2.1 国外现状 众所周知电能质量直接关系到工业生产和民生用电，在美国等发达国家很早 便对电能质量的监测表示出了相当的重视，在时域仿真、频域变换、小波变换、 人工神经网络以及现代通信技术和 Intemet 技术为核心的电能质量监测技术均走 在了时代的前列，进入 21 世纪以来，电能质量监测和治理技术日臻完善，电能 质量终端监测产品不断涌现，并得到了广泛的应用。国际统一的数据交换标准 嘉兴学院本科生毕业设计 2 也逐步的形成，相应的在电能质量监测方面也涌现了一大批著名的研究机构和 企业，比如瑞典联合电力公司 UniPower、美国电科院 EPRI、以色列 Elspec 公司、美国电能标准实验室

12、PSL、美国电力士公司 Dranetz-BMI 等。它们在电 能质量监测和治理方面取得了不少成果，代表了当今世界电能质量监测领域的 前沿方向。 1.2.2 国内现状 相对于发达国家 我国电能质量监测系统起步较晚，不管是在科研领域还是 在实际工业应用领域与西方发达国家相比均存在一定差距，目前国内广泛采用 统计型电压表监测电压质量水平，这些电压监测仪只能监测电压合格率，需要 人工抄表，缺乏统计分析功能。到目前为止国内对电能质量监测系统虽然有了 一定的研究但从具体的应用实际来看作为完整的实时监测系统在工程实践中并 不多见还存在不少问题，所有的这些方面都需要我们不断的去改进与完善。 而另一方面我国电能

13、质量监测发展迅速，主要表现在我国正在积极采用国际 标准和国外先进标准，特别是 IEC 制定的 EMC 标准。并由此涌现出了一批企 业和实验室对电能质量进行深入研究并制定相应标准同时开发出了拥有了一定 自主知识产权的产品，我国的电能质量正向着网络化、信息化、智能化、标准 化的方向迈进。 总的说来，目前我国电能质量监测和分析装置大多采用的是国外产品，价格 昂贵，而这恰恰是摆在我们面前的机遇和挑战，开发实用、准确、可靠性高的 电能质量监测产品，提高我国电能质量监测的自动化水平，是当前摆在我们面 前的一项重要课题。 1.3 论文研究的主要内容 本论文紧密结合导师的智能电表研究项目，在借鉴同类研究的基础

14、上，从 测量装置的硬件设计、软件设计、算法分析等角度对电能质量开展研究，在侧 重点上本文的主要工作是介绍该设计的硬件部分，主要功能是准确分析谐波参 数(电压、电流、谐波等)。设计思路上主要通过各个模块单独成型设计，然后 在此基础上以单片机做为主要串列点将各个分模块有机的串联起来，从而形成 一个完整的硬件程序图。总的程序模块由模拟采样模块、AD 转换模块、显示模 块、通讯模块四个部分组成。通过设计该电能质量监测的硬件系统，以实现对 三相谐波电流和电压的基波和各次谐波、功率因数、有效值、有功、无功参数 的计算、显示等功能。论文主要章节安排如下： 第一章系统的介绍了论文研究的背景和意义以及电能质量监

15、测国内外研究情 况，同时初步介绍了本文研究的主要内容。 第二章主要针对电能质量的测量原理，详尽的介绍了电能质量的基本概念及 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 3 主要指标，包括电压质量、电流质量、频率质量并进一步介绍了电能质量指标 的相关算法和测量。 第三章是本文的核心部分，系统详尽的介绍了电能质量监测系统硬件设计， 包括硬件总体结构、本设计核心部分是 ATT7022B 专用电能质量检测芯片，重点 介绍了本次设计的硬件总体连接图，并根据连接图进行进一步的分割与说明， 这其中包括单片机微处理器模块，数据测量与转换电路，计算并送终端设备显 示电路，通信转换电路等的具体说明，详细介绍了各模块的设计

16、方法和电路原 理图以及各模块之间信息交换协调工作情况。 第四章简要的介绍了与此课题相对应软件设计方法、所编写的模拟仿真的软 件程序。 第五章是本次设计的结论与展望。 嘉兴学院本科生毕业设计 4 2 电能质量的测量原理 2.1 电能质量的基本概念及主要指标 电能质量只是一个抽象概念，我们知道 Power 本身并不具备质量属性，所以 不能认为是电能的质量问题。电力工作者在现实使用过程中考虑到电压、电流 间的紧密联系，将业间的大部分扰动统称为电能质量。 从本质上讲，电能质量包括电压质量、电流质量和频率质量等三个方面的内 容 (1)电压质量一般表示为实际电压与理性电压的偏差，通常包括电压频率偏差、 电

17、压偏差、电压陷波、电压不平衡、电压波动与闪变、电压瞬变现象、电压 暂降（暂升）与中断、电压谐波、欠电压、过电压等。 (2)电流质量则与电压质量关联度较大，有时甚至不加以区分。切实提高电网电 能的传输效率有效途径之一不仅要求用户获取的电流是正弦波且频率保持单一 外，还应尽量保持该供电电压与电流波形相同。电流质量可以归纳为谐波、电 流间谐波、电流相位超前与滞后、噪声等。因而研究电流质量有助于改善电网 电能质量，降低电能在传输线路上的损耗。 (3)频率质量 频率质量是电能质量第三层含义，主要是指为维持电力系统的安全稳定运行或 恢复系统安全，以及为保证电能供应，满足电压等要求所需要的一系列服务。 其的

18、市场模式包括统一型、投标型和双边合同型三种，或者是其中两种的结合。 2.2电能质量指标的算法和测量 电能质量各项指标的计算建立在数据采集的基础上，根据所采样的数据再分 别的计算出电能质量的各项指标如电压偏差、谐波、频率偏差、三相电不平衡 度、电压波动与闪变、暂时过电压和瞬态过电压等。本装置通过高速率采样达 到高精度要求，以128点作为一个工频周期内每个通道的采样点。下面详细介绍 相关的算法。 (1) 供电频率的测量 供电频率的测量主要有周期法、解析法、和傅里叶变换算法(FFT、CZT)等。周 期法、解析法求取频率的精度与系统采样频率有关,傅里叶变换算法与其运算点 数有关。结合本文实际这里重点介

19、绍周期法结合小波去噪的方法。其原理如下： 高斯白噪声是最常见的一种噪声，其往往具有叠加性，受其污染的观测信号可 以表示为： z=1,.n (2-1) zfy 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 5 其中 y 为含噪信号， f 为理想信号， z 为独立同分布的高斯白噪声，为噪 声水平，n 为信号长度。根据信号和干扰在小波变换下的不同特性，辅助小波 分解系数可以达到两者分离的目的。 总结起来周期法结合小波去噪的方法总共分为三步 1）对观测到的数据做小波分解变换 (2-2) zofoyo www 其中 y 表示观测数据向量，f 是真实信号向量，Z 是高yyy 21 fff 21 斯随机向量。zzz

20、21 2）对小波系数wo 做门限阀值处理，这里用到了著名的阀值形式： (2-3) ntnlog2 由此公式我们不难发现当 n 取无限大时，我们几乎可以完全忽视杂波的干扰 3）对处理过的小波系数作 1 w 的逆变换重构信号处理 (2-4)dwtwf on 1 此时我们得到的信号已经是去除污染的纯净信号 。 (2) 电压合格率的检测 电压是电能质量的一项重要衡量指标，电压质量的好坏，将直接影响到用电设 备的安全及相应产品质量的优劣，而检测电压的合格率首要任务便是电压有效 值的计算,根据电压有效值定义： (2-5) T Tms dttVV 0 2 1 )( 我们可以对被测电压先进行平方，然后在时间上

21、取平均值，再求平方根， t V 从而得到其有效值的模拟过程。具体展开如下： 在这里平方、开方我们用模拟乘法器实现，积分则由运算放大器组成的积分器 实现。在乘法器的两端同时加入被测信号，根据相乘运算功能，在输出端我 t V 嘉兴学院本科生毕业设计 6 们可以得到进而可得tVKXYKVa 2 11 TTT a T ab dttV T KKdttVK T KdtV TRC T dtV RC V 0 2 21 0 2 12 00 1111 (2-6) 根据虚地原理，我们很快便可得到,由此我们可得，引入RVRV cb cb VV 变量，则可得，从而最终的为： 3 K 2 03V KVc 0 V (2-7

22、) TT bc dttV T KdttV TK KK V K V K V 0 2 0 2 3 21 33 0 1111 (3) 电压波动和闪变的测量 由于规则或不规则的合闸和跳闸所产生的非线性交变负荷所导致的电流在与频 率有依赖关系的电网阻抗上所造成的相应电网电压的波动与闪变，这就是所谓 的电压的波动和闪变，其相当于在50Hz 的基波电压上迭加一系列的调幅波，我 们可以表示成如下公式： (2-8) 00 1 coscos1 ttmAU n i iiit 式中 A 一电压幅值; 一 调幅波的幅度值; i m 一电网上基波电压的角频率值; 0 一调幅波 i 的角频率值; i i 一调幅波序号值;

23、一基波电压初相角; 0 一调幅波初相角; i 一般的电压波动的频率变化范围在0.01HZ-30HZ 之间，电网电压有效值变化速 度与额定电压相比得到的变化率的最低要求为每秒0.2%，一般的我们把相邻两 个极值电压有效值之差定义为电压波动值，则供电电压的额定值可以用百分 t V 值表示： (2-9) %100 minmax N t U UU V 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 7 (4) 三相不平衡的测量 三相不平衡是电能质量测量中较为关键的一环，三相电压的不平衡度一般以负 序分量的均方根值与正序分量的均方根值的比值来表示，我们假定为三相电 1 U 压正序分量的均方根值；为三相电压负序分量的

24、均方根值，则三相不平衡度 2 U 可以表示为。现实生活中的三相不平衡度往往又分为两种，含%100 12 UU 有零序分量的的三相系统和没有零序分量的三相系统，在使用过程中我们需详 细的加以区分 1）没有零序分量的三相系统 当三相电量中不含零序分量时，根据已知的三相量，我们可以把三相 cba UUU 不平衡度表示为： (2-10) %100 631 631 式中 (2-11) 2 222444 / cbacba UUUUUU 当把电压符号换成电流符号时即可得到相应的三相电流不平衡度。 2）含有零序分量的的三相系统 此时应用对称分量法，这时的三相不平衡度可以表示为： (2-12) c b a U

25、U U aa aa U U U 111 1 1 3 1 2 2 3 2 1 式中为 a 相基波电压；为 b 相基波电压；为 c 相基波电压；为正序 a U b U c U 1 U 分量；为负序分量；为零序分量。其中 a 为旋转因子， 2 U 3 U (2-13) 2/321,2/321 2402120 jeajea jj (5) 谐波含量情况的测量 谐波的定义为一个周期性电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍， 这是谐波较为宽泛的定义，严格意义上讲谐波专指电流中含有的频率为基波的 整数倍的电量。在电力系统中谐波总是无可避免而存在的，不管是发电设备还 是用电设备，与此同时谐波的危害十分严重

26、，其的存在对电网安全稳定和经济 运行产生了较大的影响并严重干扰与破坏与其有牵连的电气信号 目前为止测量电力系统谐波的主要方法有采用带阻滤波器或采用模拟带通两 种方法，具体划分为基于傅立叶变换原理的谐波测量，基于瞬时无功功率的谐 嘉兴学院本科生毕业设计 8 波测量，建立在神经网络基础上的谐波测量，利用小波分析方法进行谐波测量 五大模块，由于本专业知识限制，本文主要探讨基于虚拟仪器的谐波测量，程 序设计如下： 假设有一个周期为非正弦电压，此时满足狄里赫利条件从/2T tU 而分解为如下的傅立叶级数： (2-14) 1 0 sincos n nn tnbtnaatU 式中 (2-15) tdtua

27、2 0 0 2 1 (2-16) ,.3 , 2 , 1 sin 1 cos 1 2 0 2 0 n ttdntub ttdntua n n 此项公式只对谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比时适用，当电网中 出现非正弦电流时则需把式中的转换成。 tu ti 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 9 3 电能质量监测系统硬件设计 新的监测技术对电能质量监测系统的设计提出了新的要求，分布式电能质量 监测系统主要由现场监测单元和后台主站组成，下面我们详细分析现场监测单 元的特点和设计要求。 3.1 现场监测单元采样频率、精度的要求 采样速率和采样精度是决定交流采样系统性能的重要技术指标,从某个意义 上

28、说为了节约系统成本，提高监测系统的实时性，我们需要找到一个采样频率 和采样精度的最佳匹配点。一般的应先确定采样精度，再选择采样速率。当采 样速率与采样精度达到最佳匹配时，系统将发挥最佳效能且成本最低，一般的 在确定系统参数时我们可以根据： (3-1) 12 3 2 sin n mf m V N x （为被测信号的峰值）的匹配关系进行选择，此时系统处于最佳工作状态。 m x 在实际电网中，谐波分析一般取 230 次，实际测量系统中的采样频率至少 为每周期波 64 次，一般采用 128 次以上。如果每周波采样 128 次，那么每个采 样点之间的时间间隔仅有 156us，传统的单片机的指令周期最快能

29、达到 160ns， 在多个通道同时采样的情况下，很难满足实时测量的要求，因此传统的谐波分 析仪仅仅能达到 19 次，对暂态指标则根本没法分析。 相对于基波分量而言电力系统中高次谐波的含有量是非常低的，谐波次数 越高其含量越低。我们假设采用 12 位分辨率的 A/D 转换芯片，很明显此时的 A/D 转换精度是不够的，以 15 次谐波为例其所引起的误差至少为 1.67%，而在 实际谐波测量中我们一般需要测量谐波的最少次数为 30 次，显而易见这样将产 生更大的误差，所以高次谐波测量所得的数据可信度往往较低，因此在实际现 场监测单元中我们使用的 A/D 转换器的分辨率至少应在 14 位以上以保证监测

30、数 据的精确性。 3.2 同步采样监测系统的要求 国家电能质量的相关标准规定：谐波测量需测量谐波次数范围为从第 263 次。即每个电网谐波采样 128 点即可满足测量要求。因此,设计思路上我们可采 用锁相倍频电路将输出信号进行 128 倍分频,并严格与输入信号同步,压控振荡 器产生 128 倍频同步触发信号,控制采样及保持电路进行 A/D 转换，从而快速的 嘉兴学院本科生毕业设计 10 检测出谐波分量并满足计算的精度和实时性的要求。 图 3-2 同步采样硬件原理图 以上为此部分设计的硬件原理图，我们可以清晰的看到其硬件电路由锁相环 路、AD 采集器、FPGA 存储电路组成。电压信号从电压互感器

31、出来,通过电压 比较器整形为方波,经过光电耦合器隔离后送入 FPGA 内置触发器进行二分频,分 频后的信号经高速光耦把数字部分和模拟部分电路相隔离,并进一步隔离了强弱 电之间的电气连接，从而起到了同步采样的目的。 3.3 电能质量监测与分析系统的硬件结构实现 电能质量监测系统的设计不仅需要能测量基本的稳态电能质量参数，如平 稳谐波、电压偏差、三相不平衡，还要提供电能质量参数瞬时采样数据和暂态 情况，如电压凹陷、由于非线性冲击负荷所引起的电压波动和谐波等。目前现 有的电能质量监测仪在线分析多项电能指标时一般采用采样分析和串行处理等 技术，而一旦在处理过程中采样被人为的停止，本次采样的大量数据将丢

32、失， 其所反映的电能质量真实情况也就极其片面的了，这是我们所不愿意看到的也 是我们该极力想办法避免的。 在电力谐波测量系统中，为了得到电力系统谐波最真实的情况，使其具有 较强的测量功能、高速率、并且准确度高和抗干扰性能力强，同时尽可能降低 成本，必须在第一时间准确的测量得到电力系统谐波参数并采用性价比较高的 器件。 同步采样最大的优点是能够反映交流信号的变化本质，并保持被测信号与 采样信号严格同步，因此其被广泛应用于电力谐波参数测量系统中。同步采样 中的难点和要点是如何保证信号频率与采样频率严格同步，这是本文硬件设计 的重点研究的一个方面。同时，由于本测量单元有大量的数据需要处理，采用 普通的

33、串口进行数据传输己经满足不了电力系统谐波实时测量与分析的要求。 为此本文设计以下硬件电路来解决快速传输采样数据和同步采样两者的问题。 综合以上各个方面本次硬件设计的组成模块包括单片机微处理器模块，数据测 电压互感 器 AD 电路 锁相环 现场可编程门 阵列 DSP 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 11 量与转换电路，计算并送终端设备显示电路，通信转换电路等。同时为了满足 自动化发展的要求，本系统采用 DSP+MCU 的设计方案，采用电能计量芯片 ATT7022B 完成电能计量工作，AT89C51 单片机作为系统的 MCU 实现控制功能。 硬件的总体框图如下图所示： 图 3-3 硬件的总体框

34、图 由图 3-3 我们可以清晰的得到本次设计的思路即三相电流和三相电压经 过采样电路，送入电能计量芯片 ATT7022B，经过 A/D 采样转化，进行 DSP 处理， 得到所需功率值，再通过 SPI 接口，送入单片机，单片机读取数据后，存储到 外接的存储器中，并将结果显示出来。并且可以通过通信转换电路，使用单片 机串行口将数据传到上机位，便于研究人员查询。在这里我们采用 ATT7022B 来 完成其中的 A/D 转换部分和计量部分。使用 SPI 接口实现单片机和 DSP 之间的 数据通信。 3.4 设计说明与方案评价 前面已经说明在此次设计中我们的核心是 ATT7022B 专用电能质量检测芯片

35、。 其内置有 7 路 AD 转换器。我们想要采样的电压和电流信号首先经过互感器感应 后传到 7 路 AD 转换器。在温度传感器的作用下进行数据转换，转换完成后自动 送入 ATT7022B 中自带的基于 DSP 的电能计量芯片，进行参数测量。下一环节 便是把数据送给控制模块 51 单片机，在这里控制模块的主要作用是把测得的数 据进行显示存储和上传。由此一次数据的采集、分析、汇总的工作便全部完成， 接下来便是根据第二章所罗列的相关算法进行数据上的分析与处理并进一步的 细化，最终得到我们想要的结论。 根据电力系统中数据采集处理的实际情况和特点，本系统选择采用高性能 单片机 AT89C51+ATT70

36、22BZ 专用电能计量芯片相结合的方案，即前端采用我国 嘉兴学院本科生毕业设计 12 自主研发的电能计量芯片 ATT7022B 完成系统 DSP，采样所得到的基本参数均可 以由 ATT7022B 直接计算得出，从而大大缓解了系统 MCU 的负担，使之工作重心 放在数据的后期处理工作上；同时采用 AT89C51 芯片作为 MCU，大大提高了该 装置的实时处理能力，并进一步的提升系统的整体性能。这样设计出来的电能 计量装置的硬件部分具备带 DSP 的 ADC+高速 MCU 的结构，使得系统整体设计具 有一定的性价比。 3.4.1 ATT7022B 芯片介绍简介 ATT7022B 是一款三相多功能电

37、能计量芯片，能精密的测量多种电力参数， 其已经被广泛应用于三相电度表或其他三相电能计量仪表中。ATT7022B 以高精 度、强功能的防窃电基波谐波三相电能专用计量芯片著称，它集成了六路二阶 sigmadelta ADC，能同时进行三路三相电能电压采样和三路电流采样，额外 预置的一路则用于其它防窃电参数和零线电流的采样，采样结束后自动的输出 采样数据并计算出有效值，使用起来简洁明了。该芯片不仅适用于三相三线的 应用，也同时适用于三相四线的情况。 在此基础上该芯片还同时集成了参考电压电路以及所有包括谐波、基波和全 波(基波+谐波)的各项电能参数测量的数字信号处理电路。谐波、基波和全波的 有功功率、

38、有功能量、视在功率、无功功率以及无功能量均可以用 ATT7022B 测 量，同时其还能测量电压有效值、各路电流、频率、功率因数相角等参数，极 好的满足了三相复费率多功能电能表的需求。 ATT7022B 支持单一软件校表即全数字域的相位校正和增益校正。标准表可 以直接连接无功、有功电能脉冲输出 CF2、CF1，从而对瞬时无功、有功功率信 息进行误差校正。并对基波无功、有功功率直接进行测量，其上的脉冲提供输 出单元 CF3和 CF4能对瞬时基波的无功功率以及基波的有功功率信息进行系统的 校正。ATT7022B 提供两个类别的视在能量输出，PQS 视在能量和 RMS 视在能量， 上面提到的 CF3和

39、 CF4也可被配置归纳到视在能量脉冲输出单元中。 ATT7022B 内部还配备了电压检测电路从而可以保证加电和断电时芯片都能 正常工作。ATT7022B 提供一个 SPI 接口，方便与外部 MCU 之间进行计量参数以 及校表参数的传递，所有计量参数都可以通过 SPI 接口读出。 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 13 图3-4-1 ATT7022B 外部引脚图 图 3-4-2 ATT7022B 内部电路框图 3.4.2 数据采集模块 数据采集模块顾名思义其主要作用是从电网采集电压信号和电流信号， 经过 A/D 转换电路，转换成与计量芯片工作电压相一致的低压信号，再经过数 据采集电路，采集各相

40、电压和电流信号的离散序列。为了将电网和芯片进行隔 嘉兴学院本科生毕业设计 14 离，增加其抗干扰性能力。采样过程中我们直接把三相电压和电流送入电压和 电流互感器，在此模块的设计中海瑛老师着重强调了互感器的规格，她指出由 于采集后的信号要被 ATT7022B 处理，而 ATT7022B 的电流通道有效值在 2mV 至 1V 的范围内，线性误差小于 0.5%，电压通道有效值在 10mV 至 1V 的范围内，线 性误差小于 0.5%。也就是电压、电流通道的输入范围是 1V，即输入最大正弦信 号的有效值为 1V，所以我们选取电压互感器的规格应该是 220V/0.5V，电流互 感器的规格是 1.5mA/

41、5mA，精度是 0.1 级。如此，额定电压、电流输入时，电 压、电流通道差动输入电压有效值分别在 0.5V、0.1V 左右。其电路图如 3-4-3 所示： 图 3-4-3 数据采集电路 此次设计的采样电路主要包括以下几个部分：电压、电流互感器、抗混叠滤 波器、参考电压。信号的采样过程是：采集到的电压、电流信号从从互感器出 来，经由 1.2k 的电阻和 0.01uF 的电容构成的滤波器滤波后，把干扰信号消除 掉，叠加一个参考电压信号，再经 VxP 和 VxN 输入端送入 ATT7022B 的 A/D 转换 器中进行 A/D 转换。为了防止由于采样可能引起的混叠失真，在 VxP 和 VxN 输 入

42、电路中，1.2k 的电阻和 0.01uF 的电容构成了抗混叠滤波器，其结构和参数 讲究对称，并采用了温度性能较好的元器件，从而保证了整个系统获得良好的 温度特性 3.4.3 ATT7022 内置 7 路 AD 转换电路 ATT7022 芯片集成了 7 路 AD 转换电路。差分信号输入方式是其主要采用 的输入方式。将相应的转换后的数据保存到缓存中的时间间隔为一个周期，同 时 ATT7022 内有一个长度为 1024*16bit 的缓存存储空间。当缓存为满时。如果 没有特定指令则里面的数据保持不变。为了较好的读取数据，我们增加设置了 一个等待时间，让所读取的内容在这个等待时间中完成。 电能质量分析

43、及其监测系统的硬件设计 15 图 3-4-4 AD 转换电路 3.4.4 A/D 转换电路 本次设计在 MSP430 单片机内部集成一 16 位分辨率的 A/D 转换器 ADC16， 它属于逐次比较式 A/D 转换器，工作电压为 5V。其中，三相电压采样和三相电 流采样都分别为三路，设计上采用双端差分信号输入。并留有一路用于其它防 窃电参数或零线电流的采样，并输出采样信号和有效值。ADC16 系统框图如图 3-4-8 所示。 图 3-4-5 ADC16 内部电路框图 ADC 16 共有 4 种不同的工作模式，其可以在单向通道上实现单次和多次转 换，在序列通道上完成单次和重复转换。对于序列通道转

44、换，用户可以自由定 义采样顺序，同时在每个通道里用户可以独立配置并使用转换所需的所有参考 电平，前端机采用单一通道、单次转换的方式。ADC 内核完成将模拟信号转换 嘉兴学院本科生毕业设计 16 成 16 位数据并直接存入转换存储寄存器，转换公式为: (3-2) RRRin VVVVADC65536 图 3-4-6 ADC 前端接线图 一次采样过程的完成总共分为两步:第一步把 ENC 置位，把 ADC16SC 从 0 改 为 1 并开始启动转换操作，使其不间断的去查询中断标志 ADC16IEGx,当转换完 成时结果自动的写入选定的转换存储寄存器，相应的中断标志 ADCI2IFGx 置位。 第二步

45、软件把 ENC 复位，将采样结果从 ADC16MEMx 中取出，一次 AlD 采样结束。 ADC16 的最大采样速率是 200ksps，足够满足采样点数的要求。 3.4.5 基于 DSP 的电能计量芯片 计量芯片是 ATT7022 芯片的核心部分，这也是我们选择使用 ATT7022 芯片的 主要原因，ATT7022 芯片可以测量功率、能量、品质因数等等参数，此外，它 可以把电压和电流抽取出来，从而测得谐波的功率和能量。 图 3-4-7 AD 转换电路 要使芯片正常工作，芯片的外围电路连接很关键，如图 3-4-6 所示。通电 电能质量分析及其监测系统的硬件设计 17 后 AVCC、VCC 接 5

46、V 电压，芯片内部自己可以产生 VDD，而不需人为的外灌电压， 正常时其电压为 3V。内部电路产生参考电压 REFCAP 和参考电压输出 REFOUT， 两者正常工作电压一般为 2.3V-2.7V。ATT7022B 的计量部分借用了数字滤波器 结构，为了保证测量精度，我们选用 24.576MHz 的晶振。在第一个引脚上设置 复位信号并规定正常工作时为高电平。SIG 信号复位后处于低电平，当在正确 接收任意一次单片机写操作约 5us 后，SIG 又重新变成高电平。当所有以上信 号检查正常，芯片开始正常的工作。 3.4.6 SPI 接口电路 ATT7022B 芯片通过 6 条连线和单片机相连，如图

47、 3-4-8 所示，其中 SPI 接 口线有 4 条，分别为 CS、SCLK、DIN 和 DOUT，RESET1 是 ATT7022B 的复位控制 线，ATT7022B 还有 1 条握手信号线 SIG。单片机控制 ATT7022B 的 RESET 信号， 当 ATT7022B 芯片在上电和单片机复位后，其将和单片机进行同步工作。SPI 的 接口电路如图 3-4-9 所示： 图 3-4-8 SPI 接口电路示意图 图 3-4-9 SPI 接口电路 ATT7022B 芯片开始传输数据的标志是电平由高变为低，而当电平由低变为 高时表示数据传输结束。ATT7022B 芯片控制数据传输的速率的工作则由串

48、行时 钟 SCLK 来完成，下降沿时将数据传输到 ATT7022 中，上升沿时数据由 ATT7022 嘉兴学院本科生毕业设计 18 中传出。通过 DIN 和 DOUT 这两个引脚完成最终的数据传输工作。信号 SIG 在 ATT7022B 芯片中起到了至关重要的作用，单片机通过对其进行实时检测，并不 断的更新校表中的数据从而保证了计量的准确性。而 RESERT 引脚的作用是保证 单片机和 ATT7022 芯片能够保持同步性。 需要特别强调的是 SPI 传输信号时可能会受到干扰并出现抖动现象，这时我 们可以在 SPI 信号线上串联一个电阻，阻值一般为 10-100。其与 IC 输入 端的寄生电容一起构成了低通滤波器，通过低通滤波器的相应功能消除 SPI 接 口上信号的振荡。在此基础上若数字输入端的内部电容不够大，我们还可以在 这个输入端加一个 10PF 左右的电容。从电阻的另一端接出至单片机的 P13-P16 引脚。 3.4.7 液晶显示电路 本设计的显示部分采用 6 位 8 段数码管显示，用 74LS245 来驱动数码管，用 晶体管来控制每位数码管的位选，单片机 P22P27 口的输出是高电平还是低电 平来导