0 引言
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/89564.htm具有對各項電力參數監測的智能型交流配電櫃，在電力及通訊行業應用越來越廣泛。使用專用電能計量晶片實現對電力參數的採集和測量有比較明顯的優勢，它克服了傳統設計中元器件數量多，電路複雜，成本高等缺點。ATT7022B是一款三相多功能電能計量晶片，具有精密測量多種電力參數功能，已經廣泛應用於三相電度表或其他三相電能計量儀表中。本文介紹在電力配電系統中對較大電流監控中應用該晶片的一些實踐經驗，供讀者參考。
l ATT7022B特性
1．1 功能簡介
ATr7022B是一顆精度高且功能強的多功能防竊電基波諧波三相電能專用計量晶片，它集成了六路二階sigma—delta ADC，其中三路用於三相電壓採樣，三路用於電流採樣，還有一路可用於零線電流或其他防竊電參數的採樣，輸出採樣數據和有效值，使用十分方便。該晶片適用於三相三線和三相四線應用。
該晶片還集成了參考電壓電路以及所有包括基波、諧波和全波(基波+諧波)的各項電參數測量的數位訊號處理等電路。ATT7022B能夠測量各相以及合相包括基波、諧波和全波的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數相角、頻率等參數，充分滿足三相復費率多功能電能表的需求。
ATF7022B支持全數字域的增益、相位校正，即純軟體校表。有功、無功電能脈衝輸出CFl、CF2提供瞬時有功、無功功率信息，可以直接接到標準表，進行誤差校正。可以對基波有功、無功功率進行測量，提供脈衝輸出CF3和CF4提供瞬時基波有功功率以及基波無功功率信息，可直接用於基波的校正。提供兩類視在能量輸出，RMS視在能量以及PQS視在能量，CF3和CF4也可被配置為視在能量脈衝輸出。
ATT7022B內部的電壓檢測電路可以保證加電和斷電時晶片正常工作。提供一個SPI接口，方便於外部MCU之間進行計量參數以及校表參數的傳遞，所有計量參數都可以通過SPI接口讀出。
1．2 晶片特性
內部集成七通道(ATT7022A為六通道)的16位高精度ADC和24位高速DSP，在輸入動態工作範圍(1000：1)內，非線性測量誤差小於0．1％；
有功測量滿足0．2S、0．5S，支持IEC 62053—22、GB/T 17883—1998；
無功測量滿足2級、3級，支持IEC 62053—23、GB/T 17882—1999；
提供基波、諧波電能以及總電能測量功能。可單獨計量基波電能，消除諧波影響，公平計費；
電壓通道輸入有效值為10mV到1V信號，或電流通道輸入有效值為2mV到1V信號時輸出電壓或電流有效值的誤差小於0．5％；
第七路ADC提供零線電流檢測，也可用於防竊電(ATT7022A只有六路)；
提供失壓判斷功能，具有反向功率指示；
提供有功、無功、視在校表脈衝輸出；
提供基波有功、基波無功校表脈衝輸出；
合相能量絕對值相加與代數相加可選；
電錶常數、起動電流可調；
可準確測量到含21次諧波的有功、無功和視在功率；
支持增益和相位補償、小電流非線性補償；
具有SPI接口，方便與單片機或其它設備通訊；
適用於三相三線和三相四線模式，可選擇；
電壓、電流信號均以交流差動電壓方式輸入，外部電路極為簡單；
提供2．45V基準電壓作為外部交流輸入信號的直流偏置電壓，避免輸入失真；
採用QFP44封裝，單+5V供電。
1．3 內部框圖
內部框圖如圖1所示。
2 配電櫃電力參數監控整體電路設計
2．1 總體設計
交流配電櫃主要檢測的電力參數有三相電壓、電流有效值，各相或合相的有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、頻率、相位等，同時對開關狀態、熔絲通斷等開關量進行檢測。在傳統的設計中經常使用集成運算放大器等分立電子器件實現上述功能，這樣的電路一般是一套非常複雜、龐大的電路，不但成本很高，而且設計、調試都可能遇到很大困難，甚至有的功能很難實現。
本文提出一種用ATT7022B智能晶片設計400A三相交流配電櫃電力參數監控的方案，如圖2所示，其工作原理如下所述。
ATT7022B智能晶片應用到交流配電櫃監控系統中則非常方便地測量各項電力參數，特別是三相電壓、三相電流信號均為交流電壓差動輸入方式，只要將被測系統的電壓經過電壓互感器降壓到晶片允許範圍，並經電流互感器或電流一電壓轉換器將被測電流轉換成晶片允許範圍內的電壓值，以差動方式輸入晶片，即可完成各種參數的自動測量。
系統輸入數據分為模擬信號和數位訊號兩部分。模擬信號是來自電壓互感器的三路相電壓差動信號；來自電流互感器的三路線電流差動信號和一路零線電流差動信號。數位訊號主要是來自標識各輸出分路開關是否接通的二次電壓信號，或開關上輔助觸點和跳閘報警觸點的開關信號；鍵盤控制信號；避雷器失效信號等。
模擬信號經輸入整定電路調整後，再輸入ATT7022B晶片。晶片進行取樣、運算，將結果輸出到相應的寄存器。每秒完成3次數據更新。單片機通過SPI總線讀取片內數據，轉換、處理後在LCD上顯示出結果來。
LCD液晶顯示器上以菜單和數據列表或圖形模式顯示數據，如各種參數測量結果、系統運行狀態、分路開關狀態、系統非正常運行或故障報警等等。
根據人為設定的各參數極限值，單片機通過報警電路進行聲光報警。
系統通過232／485串行通訊模塊與上位機或其它設備通信。如果需要轉換成乙太網TCP／IP協議，則可以在RS232串口上接一個「串行伺服器」(模塊化商品)，即可以提供RL45網絡接口了。
鍵盤輸入主要用於輸入校表數據，設置報警極限參數，查詢運行數據等。
2．2 ATT7022B電壓輸入電路設計
ATF7702B電壓採樣輸入電路如圖3所示，其中三相電壓輸入電路中元件參數相同。根據電壓互感器二次電壓是0．5V還是幾伏來確定電壓信號輸入迴路中的電阻和電位器。原則是電位器兩端的電壓能調整到不超過ATT7022B最大輸入電壓有效值範圍。
本系統選用220／6V電壓互感器，輸入電路中的電阻值如圖3中所示，電位器兩端電壓調整範圍為0~0．86V，在實際中1kΩ電位器兩端電壓調整到0．22V左右。簡單的調整方法是，在某相電路上接上標準電壓表，調整對應的1kΩ電位器，使LCD上顯示的電壓值與標準表上讀數相同。當然，要在軟體運行正確、輸入準確校表數據後才能保證數據的準確性。
2．3 ATT7022B電流輸入電路設計
ATT7702B電流採樣輸入電路如圖4所示，三相電流輸入電路中元件參數也相同。如果不需要檢測零線電流，可以不安裝零線電流互感器，而將對應的兩個輸入端短接起來。零線電流互感器根據零線電流大小的實際情況進行選擇。所有的電流互感器都要根據二次電流是lA還是5A來確定電流互感器二次線圈並接的電阻。原則是二次電流在該電阻上的壓降不超過ATT7022B電流輸入最大有效值。
本設計選用400／5A電流互感器，二次線圈並接電阻為O．2Ω／10W，線路滿載400A時輸入電壓為lV。在輸入電壓為2mV～1V時，ATIT022B非線性誤差小於0．5％。當然，為了減小非線性誤差，可以將輸入到晶片的電壓降低。例如選用400／1A的電流互感器，不過價格要高許多，並接電阻選用0．5Ω／2W，線路滿載400A時互感器輸出電壓為0．5V。調整電流輸入電路中的lkΩ電位器，使電位器兩端電壓為400mV時，對於滿載400A電流來說，每mV輸入電壓即可對應lA電流。這裡所說的輸入電壓指的是lkΩ電位器兩端的電壓。因為晶片輸入阻抗極高，所以1．2kΩ電阻前面的電壓基本上就是晶片管腳上的輸入電壓。該電位器可以方便地調整輸入電壓，在系統統調和校表時具有重要作用。互感器二次線圈並接的電阻、電位器及輸入電路的其它電阻都應該選擇精密的、熱穩定性好的元件，以保證測量精度和穩定性。
廠家推薦電壓輸入信號最好在0．2V；電流輸入信號在O．1V。這個範圍線性度最好。如果晶片使用在普通小電流三相電度表時，採用推薦的輸入範圍是最好的。但用於配電系統較大電流的監控時，輸入電壓太小會降低測量值的解析度。所以只能根據實際情況權衡考慮。
3 在信號採樣、輸入電路設計中應注意的幾點問題
晶片各輸入引腳的VxP和VxN的直流偏置電壓為2．45V左右，偏置電壓由晶片的第1l腳REFOUT提供，也可由外電路提供，否則不能準確計量。
為保證測量精度，晶片第5腳外接濾波電容應儘量靠近管腳處，走線粗短，遠離其它信號線，且兩個電容均不可省去。電容的接地點應與採樣信號的地線儘可能短的連在一起。
VxP和VxN輸入電路中電阻1．2kΩ和電容0．01μF構成了抗混疊濾波器，其結構和參數要講究對稱，並採用溫度性能較好的元器件，從而保證電錶獲得良好的溫度特性。
任意一相電流與電壓反向時，晶片第40腳REVP輸出高電平，據此可以判斷接線是否有錯。
晶片的輸入腳SEL接高電平為選擇三相四線接線方式，接低電平為選擇三相三線接線方式。
電源電壓VCC、AVCC應在5(1±5％)V以內。GND與AGND為數字和模擬電源參考點，在PCB布線時應將他們就近接大面積地，不要區分GND和AGND，更不要在GND和AGND之間接電感、電阻和磁珠等元件。
4 結語
筆者在400A交流配電櫃監控系統中成功地使用了ATT7022B晶片，取得了令人滿意的運行效果。利用該設計能夠很好地測量各項電力參量，極大地減小了計算上的誤差和設計複雜性。測試的結果表明，在交流配電櫃中用該晶片實現對各項電力參數採集的應用具有精度高、性價比高、操作方便等優點。