高精度智能电表系统的设计与应用

2013-12-17何大飞

电子科技 2013年5期

张程，何大飞

(1.西安科技大学电气与控制学院，陕西西安 710054;2.西安科技大学高新学院，陕西西安 710054)

随着智能电表的发展，对我国智能电网实现信息化、自动化、规范化及多元化起到重要作用。智能电表使智能电网高效、安全、节能、环保的性能得到充分体现。

传统的机械、电子式电能表对电能只有简单的计量功能。工作人员必需到现场抄/读用户的用电数据，不但消耗大量人力、物力，且工作效率低下，还存在误抄、漏抄和误算等问题。文中设计的智能电表系统性能稳定且精度高，具有有功电能和无功电能的双向计量、分时段计费、防窃电、RS－485远程数据通信等功能［1］。通过实际测试，该系统对电能信号的采集及时、准确，处理器单元能快速、精确地计算出实际使用的电量、电费等参数，并通过分布式网络将数据上传至远程终端，实现监控和管理。

1 ATT7022的内部结构和功能特点

1.1 ATT7022内部结构

ATT7022是珠海炬力集成电路设计公司生产的高精度三相电能专用计量芯片，可应用于三相三线和三相四线电路的应用。ATT7022能测量各相以及合相的功率和能量，其不仅可测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角和频率等参数，且可满足三相复费率多功能电能表的需求。ATT022还支持全数字的增益和相位校正［2］。如图1所示。

1.2 ATT7022的功能

(1)电源监控电路。ATT7022芯片内包含一个电源监控电路。目的是对模拟电源(AVCC)监控，当电源电压低于4 V，自动复位，这可使电路在上电和掉电时正常工作。有时为最大程度防止电源噪声引起的误差，可将电源监控电路放在延时和滤波环节中。所以电源监控电路的 AVCC波动不超过5 V［3］。如图2所示。

(2)模数转换。ATT7022含有6路16位的ADC，因此采用双端差分信号输入，此时最大输入电压1.5 V，最大正弦信号有效值1 V。将电压通道输入在约0.5 V，电流输入通道选在0.1 V，如图3所示。

(3)计量模块。交流电流和电压波形均含有谐波分量、瞬时电流和电压可通过傅里叶变换，表示成电流、电压的平均值与各谐波分量之和，即

图1 ATT7022内部结构图

式中，U(t)为瞬时电压;U0为电压的平均值;Uh为h次电压谐波有效值;αh为h次电压谐波的相位;I(t)为瞬时电流;I0为电流的平均值;Ih为h次电流谐波有效值;βh为h次电流谐波的相位。

通过式(1)、式(2)，得到有功功率P是基波有功功率P1和谐波有功功率PH之和即P=P1+PH，P1=βh，由此可知各谐波分量均产生了谐波有功功率。通过ATT7022，在纯正弦波情况下可以精确计算出功率因数和有功功率。

(4)通信接口。计量参数是通过SPI提供给外部MCU，在SCLK低于200 kHz时，SPI写入1个8 bit的命令，延时1μs，SPI再读取24 bit的数据，延时3μs。

图4 SPI通信时序图

在发送和接收数据时MSB在前，LSB在后。CK为高时更新DI或DO的数据，在寄存器读或写操作一次CS。

2 硬件设计

硬件设计包括互感器的选择，抗混叠滤波器和MCU模块。为满足功率和功率因数的精度要求，所以技术指标应高于基本指标，ATT7022的电流和电压输入范围在0～1 V。选择电流互感器规格是1.5 A/5 mA、精度 0.05级、负载 20π、电压互感器选择220 V/0.5 V，即电流和电压的差动输入电压的有效值分别约在0.1 V和0.5 V。而采用抗混叠滤波器为了防止失真，放置在ADC的模拟输入前。同时，采用低通滤波器(LPF)为抗混滤波器，其是一种单极点滤波器，以－20 dB/十倍频程衰减，R=1.2Kπ，C=10 nF，这会导致误差，可将误差的相位与互感器的角差得到校正。并采用S3C44B0微处理器为核心的ARM7嵌入式系统，32位精简指令集(RISC)微处理器，具有功耗低、性能好、体积小及主频高等特点［4］。图5为硬件连接图。

图5 硬件连接图

3 软件设计

软件设计部分包括微处理器软件和PC软件组成。微处理器软件设计包括付费率管理程序、LCD显示程序、通讯程序及异常处理部分。PC软件设计包括抄表部分和校表软件，以ATT7022用户手册上的计算公式为基础。将校表系数通过通讯接口发送至微处理器，微处理器再将校准数据写入EEPROM中保存。常用的嵌入式操作系统有 Linux、μC/OS－II、WinCE、Symbian、Android、iOS等。嵌入式应用中的操作系统多为实时操作系统。μC/OS是一个实时操作系统内核，内核代码仅几kB十几kB，并已被移植到嵌入式应用类CPU上。其具有的实时性、稳定性已得到公认。uCLinux带有文件系统、功能更强，其内核需至少512 kB 存储空间［5］。

图6 软件流程图

4 智能电表的功能应用

智能电表具有电量记忆、抄表时间冻结和信息远程传送等功能特性。安装使用智能电表后，电力用户可直接通过电表上的液晶显示屏查询电量、表号、当前时间及用电功率等信息。如客户所反应家中电闸关闭后电表仍在“跳动”，就是智能电表液晶显示屏在循环显示日期、时间、电量等信息。客户可利用这些信息，及时了解家中不同时间的用电情况，根据需求，制定科学合理的用电计划，减少电费支出。将来还可通过网站查询实时情况，大幅提高抄表精确性，有效避免人工抄表的误差，并可远程分析电表数据，帮助供电公司和电力用户第一时间获取异常情况，方便及时抢修，减少停电时间。