基于电能专用计量芯片ATT7022A的低压无功补偿控制器设计

孙白艳

摘要：以高精度三相电能专用计量芯片ATT7022A为电能信号采集芯片，及时精确采集电网各项参数，以意法半导体公司的STM32F103为主控芯片，晶闸管控制电容器组的投切，来设计低压动态无功补偿控制器，用以实现对低压线路的动态无功补偿。实验表明，该控制器能极大地提高线路的功率因数，减少线损，延长电力设备的使用寿命，进而改善电网供电质量。

关键词：无功补偿；ATT7022A；控制器；功率因数

DOIDOI：10.11907/rjdk.143685

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2015）001007703

0 引言

电网中的用电负载，大多是感性负载，比如发电机、电动机、变压器以及整流设备等。它们在日常使用中都需要消耗无功功率，如果这些无功功率得不到及时有效的补偿就会增加供电设备投资，降低设备利用率，同时增加线路损耗，浪费电能。智能低压无功补偿控制器根据ATT7022A采集的各项电能参数，按照一定的控制策略能及时有效地补偿电网中的无功功率，提高线路功率因数，提高电能利用率。

1 工作原理

许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，比如配电变压器、电动机等，它们都依靠建立交变磁场进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率。在实际的电力系统中，大部分电气设备的等效电路可以看作电阻R和电感L的串联电路。在电力系统中，电流I总是滞后电压U一个角度。在正弦交流电路中，电压与电流的相位差的余弦值叫做功率因数，在数值上功率因数=有功功率/视在功率，即cos=PS。其物理意义为：在总功率不变的条件下，功率因数越大，则电源供给有功功率越大，因此提高功率因数可以提高输电和发电设备的利用率[12]。

假设电网中的负荷电路是用电阻R和电感L串联形成的电路，如图1所示。QL为电路需要的无功功率，如果没有补偿电容器，那么QL的无功功率将由电网电源提供，当并联补偿电容器后，电感所需的无功功率将由补偿电容器提供，那么电网电源提供的无功功率将减少为Q=QL-QC，其相位角由减少到′，功率因数由cos提高到cos′[2]。由图2所示的功率三角形可以看出相位角及视在功率的变化。

图1 电力系统等效电路 图2 无功补偿原理

由于并联了补偿电容器后，电力系统感性负载消耗的无功功率可以有补偿电容器提供，这就减少了电网电源向感性负荷提供、由输电线路传输的无功功率。由图2可知，视在功率由S减少为S′，功率因数提高到cos′，因此无功补偿后减少了发、供电设备的设计容量，降低了线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗。

2 硬件设计

2.1 芯片选择

电网参数计量采样采用高精度三相电能专用计量芯片ATT7022A。ATT7022A适用于三相三线和三相四线应用，集成了六路二阶∑-△ADC参考电压电路及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路[3]。其内部结构如图3所示。

图3 ATT7022A内部结构

ATT7022A能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量和无能量，同时还能测量各相电流、电压有效值功、率因数、相角频率等参数。它能充分满足三相复费率多功能电能表的需求。

本设计采用意法半导体公司的STM32F103为主控芯片。STM32F103时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品，其基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。

2.2 控制器系统结构

控制器系统结构如图4所示。控制器装置的工作过程为：当装置运行时，由电流互感器和电压互感器分别输入电网中的三相电流、三相电压信号，电能计量芯片 ATT7022A对信号进行采集分析计算，通过 SPI 接口与STM32连接。由于电容器两端要求稳定，当电网电压和电容器两端的电压有较大差值时触发晶闸管会产生涌流，损坏设备和用电器件。因此，电容器投切策略是晶闸管过零触发，即在晶闸管两端电压为零时使晶闸管导通投入电容器，当电流为零时阻断晶闸管切断电容器。通过对ATT7022A采集数据结果的分析确定电网是否需要投切电容，STM32F103发出控制命令，驱动电路动作，发出正负脉冲，使晶闸管导通和阻断控制电容器的投切。

图4 控制器系统结构

2.3 系统电路设计

2.3.1 数据采集电路

数据采集电路设计包括电压电流经过电压互感器和电流互感器输入[3，89]、电源电路和复电路等的设计，如图5所示。

图5 电能数据采集电路

2.3.2 采样电路设计

电流采集和电压采集的前端输入电路[7]分别如图6、图7所示。

图6 输入电流采集

电流信号的输入采用电流单端采样方式，电流信号通过5A/2.5mATR2120电流互感器，输出2.5mA电流。电压信号的输入采用1：1的电压互感器方式。每个输入通道均加入了抗混叠滤波器。

图7 输入电压采集

3 软件设计

由ATT7022A直接读取电网的各项参数，CPU不涉及A/D采样数据的处理，这使CPU运算量大大减少[4]。因此，软件编制的核心转为如何分析电网的参数，以及如何及时可靠地投切电容等问题上。电容器投切的控制策略是根据ATT7022A读取的电网各项参数，分析计算实时功率因数、有功功率、无功功率等与设定的功率参数值相比较，以确定是否投切电容，以及投切数量[1，6]。软件流程如图8所示。

图8 软件流程

系统初始化包括CPU初始化、SPI初始化、ATT7022A初始化等。ATT7022A实时采集电网各

项参数， 通过计算分析功率因数、有功功率、无功功率电压和电流等参数。由STM32F103驱动晶闸管及时准确投切电容器。与传统的机械开关投切电容器相比，晶闸管开关无触点，操作寿命几乎无限，可以快速无冲击的将电容器投入到电网中，大大降低了电容投切时的操作困难度。软

件设计人机接口模块包括键盘输入控制和LCD液晶显

示，键盘输入可以方便手动操作电容器的投切，设置相关参数。LCD显示可以方便查看相应的有功及无功功率、功率因数、电压、电流以及电容器的投切状态。

4 结语

采用电能专用计量芯片ATT7022A为电能数据采集芯片，能准确地采集电能的有功、无功功率等，减少了CPU的计算量。以STM32F103为主控芯片与上位机连接，晶闸管控制电容器组的投切，简化了电路设计，其实用性强、可靠性高。通过对电网的实时监测实现低压电网动态补偿，极大地提高了线路的功率因数，减少了线损。通过对研制开发的试验样机的测试分析发现，该控制器电容器投切及时准确、精度较高、性能稳定，能极大地减少电网网络损耗，改善电网供电质量。

参考文献：

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[3] 珠海巨力集团.ATT7022A用户手册[G].2005：2527.

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