基于ATT7022B的交流配电柜设计

0 引言
    具有对各项电力参数监测的智能型交流配电柜，在电力及通讯行业应用越来越广泛。使用专用电能计量芯片实现对电力参数的采集和测量有比较明显的优势，它克服了传统设计中元器件数量多，电路复杂，成本高等缺点。ATT7022B是一款三相多功能电能计量芯片，具有精密测量多种电力参数功能，已经广泛应用于三相电度表或其他三相电能计量仪表中。本文介绍在电力配电系统中对较大电流监控中应用该芯片的一些实践经验，供读者参考。

l ATT7022B特性
1．1 功能简介
    ATr7022B是一颗精度高且功能强的多功能防窃电基波谐波三相电能专用计量芯片，它集成了六路二阶sigma—delta ADC，其中三路用于三相电压采样，三路用于电流采样，还有一路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样，输出采样数据和有效值，使用十分方便。该芯片适用于三相三线和三相四线应用。
    该芯片还集成了参考电压电路以及所有包括基波、谐波和全波(基波+谐波)的各项电参数测量的数字信号处理等电路。ATT7022B能够测量各相以及合相包括基波、谐波和全波的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，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，充分满足三相复费率多功能电能表的需求。
    ATF7022B支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表。有功、无功电能脉冲输出CFl、CF2提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表，进行误差校正。可以对基波有功、无功功率进行测量，提供脉冲输出CF3和CF4提供瞬时基波有功功率以及基波无功功率信息，可直接用于基波的校正。提供两类视在能量输出，RMS视在能量以及PQS视在能量，CF3和CF4也可被配置为视在能量脉冲输出。
    ATT7022B内部的电压检测电路可以保证加电和断电时芯片正常工作。提供一个SPI接口，方便于外部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。
1．2 芯片特性
    内部集成七通道(ATT7022A为六通道)的16位高精度ADC和24位高速DSP，在输入动态工作范围(1000：1)内，非线性测量误差小于0．1％；
    有功测量满足0．2S、0．5S，支持IEC 62053—22、GB/T 17883—1998；
    无功测量满足2级、3级，支持IEC 62053—23、GB/T 17882—1999；
    提供基波、谐波电能以及总电能测量功能。可单独计量基波电能，消除谐波影响，公平计费；
    电压通道输入有效值为10mV到1V信号，或电流通道输入有效值为2mV到1V信号时输出电压或电流有效值的误差小于0．5％；
    第七路ADC提供零线电流检测，也可用于防窃电(ATT7022A只有六路)；
    提供失压判断功能，具有反向功率指示；
    提供有功、无功、视在校表脉冲输出；
    提供基波有功、基波无功校表脉冲输出；
    合相能量绝对值相加与代数相加可选；
    电表常数、起动电流可调；
    可准确测量到含21次谐波的有功、无功和视在功率；
    支持增益和相位补偿、小电流非线性补偿；
    具有SPI接口，方便与单片机或其它设备通讯；
    适用于三相三线和三相四线模式，可选择；
    电压、电流信号均以交流差动电压方式输入，外部电路极为简单；
    提供2．45V基准电压作为外部交流输入信号的直流偏置电压，避免输入失真；
    采用QFP44封装，单+5V供电。
1．3 内部框图
    内部框图如图1所示。

2 配电柜电力参数监控整体电路设计
2．1 总体设计
    交流配电柜主要检测的电力参数有三相电压、电流有效值，各相或合相的有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、相位等，同时对开关状态、熔丝通断等开关量进行检测。在传统的设计中经常使用集成运算放大器等分立电子器件实现上述功能，这样的电路一般是一套非常复杂、庞大的电路，不但成本很高，而且设计、调试都可能遇到很大困难，甚至有的功能很难实现。
    本文提出一种用ATT7022B智能芯片设计400A三相交流配电柜电力参数监控的方案，如图2所示，其工作原理如下所述。

    ATT7022B智能芯片应用到交流配电柜监控系统中则非常方便地测量各项电力参数，特别是三相电压、三相电流信号均为交流电压差动输入方式，只要将被测系统的电压经过电压互感器降压到芯片允许范围，并经电流互感器或电流一电压转换器将被测电流转换成芯片允许范围内的电压值，以差动方式输入芯片，即可完成各种参数的自动测量。
    系统输入数据分为模拟信号和数字信号两部分。模拟信号是来自电压互感器的三路相电压差动信号；来自电流互感器的三路线电流差动信号和一路零线电流差动信号。数字信号主要是来自标识各输出分路开关是否接通的二次电压信号，或开关上辅助触点和跳闸报警触点的开关信号；键盘控制信号；避雷器失效信号等。
    模拟信号经输入整定电路调整后，再输入ATT7022B芯片。芯片进行取样、运算，将结果输出到相应的寄存器。每秒完成3次数据更新。单片机通过SPI总线读取片内数据，转换、处理后在LCD上显示出结果来。
    LCD液晶显示器上以菜单和数据列表或图形模式显示数据，如各种参数测量结果、系统运行状态、分路开关状态、系统非正常运行或故障报警等等。
    根据人为设定的各参数极限值，单片机通过报警电路进行声光报警。
    系统通过232／485串行通讯模块与上位机或其它设备通信。如果需要转换成以太网TCP／IP协议，则可以在RS232串口上接一个“串行服务器”(模块化商品)，即可以提供RL45网络接口了。
    键盘输入主要用于输入校表数据，设置报警极限参数，查询运行数据等。
2．2 ATT7022B电压输入电路设计
    ATF7702B电压采样输入电路如图3所示，其中三相电压输入电路中元件参数相同。根据电压互感器二次电压是0．5V还是几伏来确定电压信号输入回路中的电阻和电位器。原则是电位器两端的电压能调整到不超过ATT7022B最大输入电压有效值范围。

    本系统选用220／6V电压互感器，输入电路中的电阻值如图3中所示，电位器两端电压调整范围为0~0．86V，在实际中1kΩ电位器两端电压调整到0．22V左右。简单的调整方法是，在某相电路上接上标准电压表，调整对应的1kΩ电位器，使LCD上显示的电压值与标准表上读数相同。当然，要在软件运行正确、输入准确校表数据后才能保证数据的准确性。
2．3 ATT7022B电流输入电路设计
    ATT7702B电流采样输入电路如图4所示，三相电流输入电路中元件参数也相同。如果不需要检测零线电流，可以不安装零线电流互感器，而将对应的两个输入端短接起来。零线电流互感器根据零线电流大小的实际情况进行选择。所有的电流互感器都要根据二次电流是lA还是5A来确定电流互感器二次线圈并接的电阻。原则是二次电流在该电阻上的压降不超过ATT7022B电流输入最大有效值。

    本设计选用400／5A电流互感器，二次线圈并接电阻为O．2Ω／10W，线路满载400A时输入电压为lV。在输入电压为2mV～1V时，ATIT022B非线性误差小于0．5％。当然，为了减小非线性误差，可以将输入到芯片的电压降低。例如选用400／1A的电流互感器，不过价格要高许多，并接电阻选用0．5Ω／2W，线路满载400A时互感器输出电压为0．5V。调整电流输入电路中的lkΩ电位器，使电位器两端电压为400mV时，对于满载400A电流来说，每mV输入电压即可对应lA电流。这里所说的输入电压指的是lkΩ电位器两端的电压。因为芯片输入阻抗极高，所以1．2kΩ电阻前面的电压基本上就是芯片管脚上的输入电压。该电位器可以方便地调整输入电压，在系统统调和校表时具有重要作用。互感器二次线圈并接的电阻、电位器及输入电路的其它电阻都应该选择精密的、热稳定性好的元件，以保证测量精度和稳定性。
    厂家推荐电压输入信号最好在0．2V；电流输入信号在O．1V。这个范围线性度最好。如果芯片使用在普通小电流三相电度表时，采用推荐的输入范围是最好的。但用于配电系统较大电流的监控时，输入电压太小会降低测量值的分辨率。所以只能根据实际情况权衡考虑。

3 在信号采样、输入电路设计中应注意的几点问题
    芯片各输入引脚的VxP和VxN的直流偏置电压为2．45V左右，偏置电压由芯片的第1l脚REFOUT提供，也可由外电路提供，否则不能准确计量。
    为保证测量精度，芯片第5脚外接滤波电容应尽量靠近管脚处，走线粗短，远离其它信号线，且两个电容均不可省去。电容的接地点应与采样信号的地线尽可能短的连在一起。
    VxP和VxN输入电路中电阻1．2kΩ和电容0．01μF构成了抗混叠滤波器，其结构和参数要讲究对称，并采用温度性能较好的元器件，从而保证电表获得良好的温度特性。
    任意一相电流与电压反向时，芯片第40脚REVP输出高电平，据此可以判断接线是否有错。
    芯片的输入脚SEL接高电平为选择三相四线接线方式，接低电平为选择三相三线接线方式。
    电源电压VCC、AVCC应在5(1±5％)V以内。GND与AGND为数字和模拟电源参考点，在PCB布线时应将他们就近接大面积地，不要区分GND和AGND，更不要在GND和AGND之间接电感、电阻和磁珠等元件。

4 结语
    笔者在400A交流配电柜监控系统中成功地使用了ATT7022B芯片，取得了令人满意的运行效果。利用该设计能够很好地测量各项电力参量，极大地减小了计算上的误差和设计复杂性。测试的结果表明，在交流配电柜中用该芯片实现对各项电力参数采集的应用具有精度高、性价比高、操作方便等优点。