摘 要： 以C8051F120單片機為主控核心，結(jié)合三相電能專用計量芯片ATT7022E，設(shè)計了一種配電變壓器運行狀態(tài)監(jiān)測終端。對硬件和軟件設(shè)計進行了說明，實現(xiàn)了對變壓器電壓電流值、有功功率、無功功率、電能和功率因數(shù)等參數(shù)的實時監(jiān)控。該裝置具有精度高、可靠性強、性價比高等特點，完全能夠滿足配電系統(tǒng)的需求。
關(guān)鍵詞： 配變監(jiān)測終端; C8051F120; ATT7022E
配變監(jiān)測終端用于對配電變壓器的信息采集和控制，能夠?qū)崟r監(jiān)測配電變壓器的運行工況，用以完成傳統(tǒng)的電壓表、電流表、功率因數(shù)表及負荷指示儀和電壓監(jiān)視儀等的功能。它能與其他后臺設(shè)備進行通信，提供配電系統(tǒng)運行控制機管理所需的數(shù)據(jù)，以便及時發(fā)現(xiàn)并處理事故和緊急情況，就地與遠方進行無功補償。配變監(jiān)測終端的引入，為提高配電網(wǎng)安全和經(jīng)濟運行提供了有力工具[1]。
本文研發(fā)的配變監(jiān)測終端，其微控制器采用高性能單片機，電能測量模塊采用三相電能專用計量芯片ATT7022E，系統(tǒng)能夠采集三相電壓/電流，計算三相有功功率、無功功率、功率因數(shù)、總有功功率、總無功功率及總功率因數(shù)等，實現(xiàn)線路監(jiān)測功能。同時，根據(jù)設(shè)定的補償方式，配變監(jiān)測終端控制電容器的投切，實現(xiàn)無功功率自動補償。配變監(jiān)測終端支持RS232、RS485和GPRS通信方式，便于現(xiàn)場聯(lián)網(wǎng)使用，為配網(wǎng)自動化的實現(xiàn)提供可能。
1 硬件設(shè)計
配變監(jiān)測終端主要包括數(shù)據(jù)采集部分和控制管理部分，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.1 數(shù)據(jù)采集部分
數(shù)據(jù)采集部分主要通過專用的計量芯片ATT7022E采集互感器的輸出信號，并通過SPI串行通信將采樣數(shù)據(jù)傳遞給CPU進行處理。
ATT7022E是一顆精度高且功能強的多功能防竊電三相電能專用計量芯片[2],它集成了7路二階sigma-delta ADC，其中3路用于三相電壓采樣，3路用于三相電流采樣，還有1路可用于零線電流或其他防竊電參數(shù)的采樣，輸出采樣數(shù)據(jù)和有效值，使用十分方便。該芯片適用于三相三線和三相四線應(yīng)用。
該芯片還集成了參考電壓電路以及所有包括基波和全波（即基波+諧波）的各項電參數(shù)測量的數(shù)字信號處理電路，能夠測量各相及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量、無功能量、視在能量(有PQS、RMS兩種方式可選擇)，以及基波有功功率、基波有功能量和基波電壓/電流有效值，同時還能測量頻率、各相電流/電壓有效值、功率因數(shù)、相角和電壓夾角等參數(shù)。
ATT7022E內(nèi)部的電壓監(jiān)測電路可以保證加電和斷電時正常工作；提供一個SPI接口，方便與外部MCU之間進行計量參數(shù)及校表參數(shù)的傳遞；支持全數(shù)字域的增益、相位校正及純軟件校表；有功、無功、視在、基波有功電能脈沖輸出CF1、CF2、CF3、CF4可以直接接到標準表進行誤差校正。
由PT和CT將變壓器低壓側(cè)的電壓和電流信號轉(zhuǎn)換為低電壓、小電流信號，并且使電網(wǎng)部分與檢測部分隔離開來[3],轉(zhuǎn)換來的信號經(jīng)過調(diào)整和濾波送入ATT7022E芯片。ATT7022E片內(nèi)集成了7路16 bit的ADC，采用雙端差分信號輸入。其中，VIP/V1N、V3P/V3N和V5P/V5N為電流輸入通道，V2P/V2N、V4P/V4N和V6P/V6N為電壓輸入通道，V0P/V0N為零序電流輸入通道。ATT7022E內(nèi)部集成一個SPI串行通信接口，采用從屬方式工作，使用兩條控制線和兩條數(shù)據(jù)線：CS/SCLK/DIN/DOUT。
1.2 控制管理部分
控制管理部分采用Silicon Lab公司的混合信號ISP Flash微控制器C8051F120來控制數(shù)據(jù)存儲單元、時鐘單元、人機界面單元、通信單元、看門狗單元和開關(guān)量輸入/輸出單元。
C8051F120是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片，具有64個數(shù)字IO引腳，高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核（100 MIPS），全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口，2周期的16×16乘法和累加引擎，128 KB可在系統(tǒng)編程的Flash存儲器，8 KB+256 B的片內(nèi)RAM，以及硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和兩個UART串行接口。
C8051F120是具有片內(nèi)VDD 監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置。Flash存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。
片內(nèi) JTAG 調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品 MCU 進行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察、修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用 JTAG 調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行。C8051F120可在工業(yè)溫度范圍（-45℃~+85℃）工作。端口 I/O、/RST 和 JTAG 引腳都容許5 V的輸入信號電壓。
其他硬件單元(如人機界面單元、時鐘單元等)都是常見的通用型的設(shè)計，在此不再詳細介紹。
2 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計是在Silicon Labs IDE V4.20環(huán)境下，采用C語言開發(fā)。為了確保軟件結(jié)構(gòu)簡單、清晰，提高軟件的可讀性和可維護性，軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方法，其中包括電能芯片接口模塊、諧波計算模塊、保護模塊、電容投切模塊、統(tǒng)計模塊、人機界面模塊和通信模塊。
系統(tǒng)上電后，由主程序完成系統(tǒng)的復位和初始化工作，之后開始任務(wù)輪詢[4]；當某個任務(wù)需要被執(zhí)行時，主程序通過調(diào)用與之對應(yīng)的功能模塊去完成該任務(wù)，任務(wù)完成后,系統(tǒng)又返回到主程序。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
本文采用高性能單片機C8051F120和專用電能計量芯片ATT7022E設(shè)計的配變監(jiān)測終端，實現(xiàn)了配變監(jiān)測終端所要求的功能，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，具有一定的應(yīng)用和推廣價值?！ ?br />
參考文獻
[1] 陳堂. 配電系統(tǒng)及其自動化技術(shù)[M]. 北京:中國電力出版社, 2003.
[2] ATT7022E應(yīng)用筆記[Z]. 鉅泉光電科技（上海）股份有限公司,2012.
[3] 陳少華，陶濤，陳章寶，等. 智能配電變壓器監(jiān)測終端的設(shè)計[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制,2008,36(21):56-60.
[4] Li Yan, Lu Wenmei, Li Wencai. The research of distribution transformer remote terminal units based on DSP[C].2009 Second International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation, 2009,3:145-148.