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采用电能计量芯片ATT7022E在智能电表中的设计应用

时间:2014-03-13 14:07 来源:三晶电气 编辑:编辑部 点击:次 字体设置:
摘要:根据智能电能表的实际应用需求,本文介绍了一种高精度电能计量芯片ATT7022E在智能电能表中的应用实现。重点阐述了ATT7022E的功能特点,模拟采样电路设计,软件校表流程及算法实现。本文对智能电能表计量方案的选择有一定的参考价值。

关键词: 智能电能表;ATT7022E;高精度;软件校表

0 引言

进入21世纪,随着全球资源紧张、社会用电量不断增长,用户对电能可靠性和质量要求不断提升,电力行业正面临着前所未有的机遇和挑战,发展智能电网势在必行。其中,电能计量芯片作为智能电网的神经末梢,随着电子技术的不断更新,正朝着高精度、低功耗、宽量程的方向迅速发展。进而更好的为智能电网“广域机器人”提供感知数据,为实现信息化、数字化、自动化和互动化的智能电网提供数据支撑。本文主要就是介绍钜泉公司推出的一款高精度计量芯片(ATT7022E)在三相智能电能表中实际应用方案。

1 ATT7022E概述

ATT7022E是钜泉公司推出的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智能电能表[1]。ATT7022E集成了7路二阶16bit sigma-delta ADC,在动态范围为3000:1的动态下电压电流有效值测量误差小于0.5%,在动态3000:1下电能测量误差小于0.1%。ATT7022E提供基波有功功率、基波有功电能、基波电压电流有效值,总(基波+谐波)有功和无功功率及电能,视在电能(RMS视在方式和PQS视在方式)等,充分满足三相智能电能表的高精度应用需求。同时,ATT7022E内置电压监测电路保证了上下电及电源异常波动时芯片工作的可靠性。

2 硬件设计

图1为基于ATT7022E的三相智能电表模块框图[3],主要包括电源模块、测量模块、通信模块、数据存储和显示模块等部分。通过MCU(在设计中,MCU选用TI公司推出的MSP430F5438低功耗、高速处理器)对各个模块的协调控制,从而实现智能电能表电能计量、信息存储及处理、实时检测、自动控制、信息交互等功能[2]。接下来将以3×220/380V,1.5(6)A规格为例,针对ATT7022E的测量模块硬件电路设计做具体讨论。
图1 智能电表框图
Figure 1: The Diagram of Intelligent Watt-hour Meter
2.1 ATT7022E芯片外围电路
ATT7022E为44脚LQFP封装型式,外围硬件电路主要包括电源、电压电流模拟输入、脉冲输出和SPI通信接口等电路。具体电路如图2所示。
计量芯片电源分模拟电源和数字电源。在本例设计中模拟和数字电源未做区分(采用3.3V系统)。为使电源的纹波和噪声减小到最低程度,在电源引脚输入端并联去耦电容,在PCB布线时数字地和模拟地应就近大面积接地,减小地线上的电阻、电感及分布电容,从而保证良好的电磁兼容性。
芯片REFCAP脚为芯片内部模拟部分参考电压,正常工作时电压为1.2V(由芯片内部电路产生)。在设计高精度电能表,也可采用外接电压基准芯片,提高参考电压准确性。
考虑到SPI接口可能受到异常信号干扰,需在SPI信号线上串联一个小电阻。串联的电阻与IC输入端寄生电容共同构成一个低通滤波器,可以消除SPI接口信号上的振荡干扰,一般推荐使用10~100Ω电阻。如果数字输入端的内部电容不够大,还可在输入端加一个外接电容,可选10pF左右的电容。对于电阻、电容参数选择,要根据SPI通讯速率以及外部MCU的信号进行分析,以确定电阻、电容值是否适合。

图2 计量部分电路
Figure 2: The Circuit of Metering IC

2.2 电压、电流采样电路
ATT7022E包含A、B、C三相电压,A、B、C三相电流和零线电流共7路模拟输入通道。模拟通道正常工作最大输入信号电平为±0.7V。模拟输入引脚内部都有ESD保护电路,从而提高硬件的抗干扰能力。
电压回路采样信号输入采用电阻分压方式(如图3)。VAP和VAN为电网A相电压信号的输入端,分压电阻R1由7个1206封装贴片电阻组成,总阻值约为2410kΩ。由于电压采样输入端为高压信号,所以在器件选型和分布上需充分考虑电气特性,电阻个数,电阻阻值均匀分配,从输入端开始阻值由大到小分布等。在额度电压220V输入的情况下,电压通道采样信号为220V×1.2kΩ÷(1.2kΩ+2410kΩ)=109.489mV,符合计量芯片电压通道0.2mV到500mV的采样范围。
电流回路采样信号采用差分输入方式(如图3)。IA+和IA-为A相电流经过电流互感器后的二次测信号,设计中电流互感器选用1.5(10)A/5mA 20Ω规格(注:如果设计精度优于0.5S级的表建议采用0.05%精度等级的电流互感器),采样电阻采用两个5.1Ω精密电阻,额定电流1.5A输入时采样信号为5mA×10.2Ω=51mV,加最大电流6A时采样信号为204mV,加最小电流1%In时采样信号为0.51mV,电流采样信号在ATT7022E线性误差小于0.1%保证范围内,从器件性能上保证了4倍表的精度要求,同时保留充裕的设计余量(极限条件下,满足10倍表的设计需求)。
在电压电流采样输入电路中,C1、R2,C2、R3,C5、R7,C6、R8分别构成了抗混叠滤波器,其结构和参数要求对称,并采用温度性能较好的元器件,从而保证计量模块获得良好的温度特性。由于在三相智能电能表中,A相、B相、C相电压电流采样电路一致,所以其余两相的采样电路在此不再做重复介绍。

图3 电压采样输入
Figure 3: The Voltage Sample Input


图4 电流采样输入
Figure 4: The Current Sample Input

3 软件设计

在本例软件设计中,智能电能表的软件结构主要包括:系统初始化、测量模块、通信模块、显示模块、事件模块、时钟模块等。
3.1 测量模块软件设计
ATT7022E测量模块程序流程如图5所示。

图5 测量模块流程图
Figure 5: The Software Flowchart of Measurement Module

电能表上电后,需从存储器中回读计量参数、校表参数。用于MCU的计量参数计算以及校表数据写入计量芯片,从而保证电能表正确计量。进入程序主循环后,定时读取测量数据寄存器(用于异常事件检测、液晶显示等)及电能脉冲寄存器(用于电量模块的电能累加)。考虑到计量设备的高准确性要求,在设计中需增加必要的软件抗干扰措施,如软件容错、代码冗余、数据备份、数据校验等,以提高软件的可靠性。

3.2 软件校表
ATT7022E支持全数字域的增益、相位校正。软件校表主要有两种方法可供选择:
①脉冲校表,通过标准表比对脉冲精度来校准误差,该方法稳定可靠但效率较低。
②功率校表,通过功率计算比较采样值和理论值的误差来校准,该方法可三相同时校正,效率高,但对功率源的输出精度有很高的要求。
以下将对220V 1.5(6)A 脉冲常数6400imp/kWh规格智能表脉冲校表实现过程做详细介绍。

(1) 台体额定电压电流输入,A相电压通道采样信号为109.489mV*2倍模拟增益(电压寄存器采样值DataU=2085069),A相电流通道采样信号为51mV(电流寄存器采样值DataI=470495);

(2) 设置高频脉冲系数:


(3) 电压电流一键校正:
因为,则
将增益写入对应电压增益寄存器(B、C相同理)。



因为,则

将增益写入对应电流增益寄存器(B、C相同理)。

(4) 功率增益校正,在功率因数为1.0的条件下,读取标准表的电能脉冲误差为-6.1675%(即err=-0.061675),校正A相Ib点功率增益

因为,则

将有功功率增益、无功功率增益和视在功率增益寄存器写入相同的校正值(B、C相同理)。

(5) 相位校正,在功率因数为0.5L的条件下,读取标准表脉冲误差为0.4520%,校正A相Ib点相位:

因为,则

将相位校正寄存器0和1写入相同的校正值(B、C相同理)。

(6) 校表结束,需对校表数据进行存储备份处理,用于系统复位后的校表数据重写。
脉冲校表后的误差数据如表1中常规校表部分。对于高精度要求的电能表,可对相位进行分段校正(本例中分段点为150%Ib),表1中分段校表部分为经过分段校正的误差数据。比较误差数据可发现,分段校正后,对相位误差有明显改善

       表1 实验结果
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