基于ATT7022CU电能质量在线监测系统的研究与设计Word文档格式.docx
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从用户方面考虑，电能质量问题要紧分为两大类：
稳态情形和非稳态情形（扰动或暂态情形）。
稳态情形下的电能质量问题只要包括；
电压偏移、电压波动，闪变、三相不平稳和谐波；
扰动情形下的电能质量问题要紧包括电压骤降、电压骤升、电压电流波形中显现振荡脉冲干扰和电源中断。
电能质量参数测量
系统搜集的数据可分为大体电力参数及电能质量参数两部份。
大体电力参数内容涵盖：
电压有效值，电流有效值，有功功率，无功功率，视在功率。
大体电能质量参数内容包括电压波动及闪变，供电电压及电力系统许诺误差，临时过电压及瞬态过电压，公共电网谐涉及三相不平稳度。
电压与电流有效值
电压与电流有效值的测量与计算应采历时域中的均方根，这种算法具有运算简单，时效性好，对参数依据具有良好的爱惜作用。
实际测量进程中，对电压有效值，电流采样值进行高通滤波，数字滤波，最后由开平方数学运算求得有效值并送入对应寄放器，可通过外部寻址读取，当知足在输入值为1000mv到2mv的信号时，可取得误差小于%的电压及电流有效值：
电压有效值计算公式：
电流有效值计算公式：
在DSP芯片中，对电压电流有效值采样及计算进程如图2-1所示，采样值经由高通滤波器后进入芯片内部，经数字滤涉及开平方运算后取得相应的有效值后存入寄放器。
图2-1电压电流有效值测量
有功与无功功率
各相的有功功率在通过去直流分量，高通滤波，对电压信号数学运算，数字滤波等DSP处置后所得，合相的有功功率那么为各相的加和，Pt=Pa+Pb+Pc。
对电压信号90度移相事后，就可类似的取得无功功率的计算方式，同理，合相的无功功率也为各相的无功功率加和。
有功功率计算公式：
无功功率计算公式：
在DSP芯片中，对电有功功率及无功功率的采样及计算进程如图2-2所示。
图2-2有功功率和无功功率测量
视在功率用以反映为保证电网正常运行时的电网容量或外电路应传递的能量，一样在交流电路中，由电压电流有效值的乘积能够计算视在功率。
由于DSP芯片能够直接提供电压电流有效值，利用乘积的方式能够在MCU中编程实现，因此芯片内部提供采纳
的方式计算视在功率。
图2-3视在功率测量
电压波动及闪变
在公共电网中若是有大功率装置运行，由配电网的阻抗及显现的大电流所致使的电压改变，确实是所谓的电压波动，电压波动会引发很多的不良后果，一样会阻碍到许多电气设备的正常工作。
一样电压波动表示为两个相邻的电压均方根极值的差值，并通过额定电压的百分比来表达其相对值：
其中，
为电压波动，
，
为电压极值，
为额定电压值。
而电压闪变那么能够明白得为电压波动的一个不良后果，能够概念为人的眼睛关于灯光明暗程度转变所引发的感受，是不是超出人眼正常的觉察频率范围（1HZ~25HZ），因此波动是电网中电压幅值转变的一种物理现象，而闪变那么为人对光强改变的一种心理感觉，属于人的主观意识。
一样，咱们将被调制的信号乘以与载波信号同频率同相位的周期信号，在把工频载波与电压波动分量分离，通过带通滤波器后能够取得电压波动分量。
具体波动电压检测方式目前有三种：
（1）平方解调检波法；
（2）全波整流检波法；
（3）半波有效值检波法。
关于电压闪变的检测，依照评估方式的不同，具有不同的测量方式，要紧能够归结为以下四类，如下表：
表2-1电压闪变的评估方式
电压变动类型
Pst评估方法
各种电压波动
工频电压值确定
周期性等间隔
间隔大于1s的电压波动
直接测量
仿真法，直接测量
利用Pst曲线
闪变时间分析法，仿真法，直接测量
其中直接测量法能够采纳IEC61000-4-15制造的IEC闪变仪，原理框图如下：
图2-4IEC闪变仪模型的简化框图
供电电压的许诺误差
电压误差为实际运行电压与系统标称电压之间的误差相对值。
这属于一种缓慢的稳态电压变更，可表示为：
其中：
为电压误差，
为电压实际测量值，
频率许诺误差
频率许诺误差概念为系统的实际频率值与标称频率值之差：
。
为频率误差，
为实际频率，
为标称频率，各频率单位为HZ，一样由系统有功功率不平稳引发。
三相不平稳度
三相不平稳度能够概念为相电压或相电流关于三相电压或电流平均值偏移的最大值，即与理想情形中A，B，C三相之间的夹角互为120的偏移程度。
IEC中关于三相不平稳度规定如下：
式中，
为三相电压的负序分量均方根值；
为三相电压的正序分量均方根值。
类似的将电压值改成电流值也能够取得对应的三相电流不平稳度。
3电能质量监测系统硬件设计
稳固高效的硬件电路是电能质量在线监测系统良好运行的前提。
本文选取DSP与MCU结合的方案，硬件系统由两大部份组成，前端检测单元担负着信号采样，传输，大体电力参数计算等工作，对电能质量监测系统的精准度有着专门大的阻碍，对这一部份硬件设计时要考虑到设备采样速度，精准度及稳固性，硬件电路本钱与保护的难易度，工业现场应用的抗噪能力。
控与交互单元由MCU，液晶显示模块，EEPROM，外置看门狗芯片和电源等部份组成，承担着对前端检测单元搜集数据的读取与传输，人机交互，实不时钟，数据存储，上位机通信，模拟信号搜集等重要环节。
系统硬件功能如框图3-1所示：
图3-1电能质量监测系统功能结构图
DSP前端检测单元
本文的前端检测单元基于多功能防窃电基波谐波三相电能专用计量芯片ATT7022CU所设计，该芯片具有高精度，非线性测量误差小，电能质量参数测量知足国家标准，测量参数范围宽广和功能完善等特点，例如，其电压电流有效值参数测量精度优于0.5%，可准确测量含21次谐波的有功功率。
了测量的便利，爱惜和操纵电路，信号接入部份采纳电压互感器及电流互感器，将电压电流信号等比例转换。
为减少阻值误差，取得良好的热稳固性，芯片前端的采样信号输入端采纳周密电阻搭建。
因DSP芯片数据输入端口均有添加低通滤波器与数字滤波器，因此再也不添加外部滤波器，降低外围电路复杂程度。
信号采样电路
信号采样电路采纳电压互感器与电流互感器设计，该方式能够将芯片与电网隔离来取得较为理想的抗干扰性能。
在电压互感器输入端添加瞬态抑制二极管（TVS）作为爱惜元件，考虑实际应用中的条件选取交流220V耐压值在308V的TVS即可知足需求。
两种元件的具体型号为：
ZMPT107（隔离耐压值为，变比：
1000:
1000，输入输出电流：
2mA/2mA），ZMCT103C（隔离耐压值：
4KV，变比：
1，输入输出电流：
5A/5mA）。
采样信号输入电路
在DSP芯片ATT7022CU内部，共集成了6路16位模数（A/D）转换器，电流采样信号和电流通道有效值的取值范围为：
2mV~1V（线性误差小于0.1%）；
电压采样信号取值的取值范围为：
~之间（如采样信号值低于取值范围下限，可通过ADC的增益选择将其适度增大）。
采样信号经由电压电流互感器进入输入电路，将零线端口VN与ATT7022CU的电压参考输入端REFO相连接从而将采样信号迭加在的偏置直流上，电压互感器接线原理如图4-4所示，电流互感器输入应在火线端口VP串接限流电阻（假设以220V为参考电压可取110KΩ），同时在电流互感器输出端串接小阻值电阻。
图3-2模拟电路接线原理图
晶振与SPI通信电路
ATT7022CU工作采纳来产生振荡频率，依照应用体会，需要在晶振两头并联两个适合的负载电容来组成振荡电路，该电容能够为晶振提供恒定的偏置电压，确保谐振频率的稳固与准确，同时抑制温漂等问题，那个地址咱们选取15PF的瓷片电容晶振电路如以下图：
图3-3晶振电路
在ATT7022CU与MCU的通信接口电路中，SPI通信连线应尽可能短且需要有底线围绕起来，还应该在在SPI信号线上添加一个低通滤波器，从而排除接收信号的高频干扰。
MCU主控与功能拓展单元
主控单元以ATMEGA128单片机为主体，通过功能模块拓展，与DSP完成通信后实现对大体电力参数的显示，数据存储，并对系统实际应用进程中环境因素对系统本身的阻碍，对温度和湿度进行模拟量搜集，可在必要时添加外围电路对系统稳固平安提供保障。
主控芯片MCU
ATMEGA128由ATMEL公司生产，其各项配置在AMTEL的8位机中最高，稳固性极好，芯片结构基于AVRRISC，采纳低功耗CMOS工艺，片内32个通用寄放器与ALU无缝连接，专门大程度上提升了代码的执行效率，使得数据吞吐率高达1MIPS/MHZ，克服了传统8位机如8051采纳单一ACC进行处置造成的瓶颈现象，在系统功耗与数据处置能力之间做出平稳。
ATMEGA128拥有丰硕的片内资源及先进的指令集，由其组建系统稳固靠得住，超级适合在电能质量监测系统中担任大量的数据传输和各项功能拓展的工作。
电源电路
该电路包括两部份内容，第一部份为由220V转5V的电源模块，包括220V/24V变压器线圈，二极管（IN4007）搭建的整流桥电路，和稳压管LM7815，LM7812，LM7805的稳压电路，为取得稳固的直流5V输出信号并考虑到实际应用环境，在稳压管间添加大容量电解电容作为滤波器过滤噪声信号。
第二部份为MCU片上5V转供电，利用正向低压稳压器AM1117，内部集成了过酷爱惜和限流电路。
ISP/JTAG接口电路
电路中加入ISP（In-SystemProgramming）和JTAG（JointTestActionGroup）方便程序下载烧写，在线调试仿真，接口电路如以下图：
图3-4ISP/JTAG接口电路
上位机通信电路
实时有效的将电能质量参数传输到上位机计算分析，通信都是电能质量监测中的重要环节，本文中的通信模块包括串口通信RS232与RS485通信两种。
RS232接线简单，容易操作让其取得了普遍的应用。
RS232关于逻辑电平的规定为：
关于数据信息码：
逻辑“1”的电平低于-3V，逻辑“0”的电平高于+3V；
关于操纵信号；
接通状态即信号有效的电平高于+3V，断开状态即信号无效的电平低于-3V，也确实是当传输电平的绝对值大于3V时，电路能够有效地检查出来，介于-3～+3V之间的电压无心义，低于-15V或高于+15V的电压也以为无心义，因此，实际工作时，应保证电平在±
（3～15V）之间。
实际应用中要进行EIARS232-C（运算机接口电平）与TTL（终端元件）之间的电平转换。
RS485通信方式专门好的弥补了RS232不具有联网通信接口，传输距离短等缺点，为智能仪表的进展解决了全然性的问题，RS485最大通信距离能够达到1219m左右，最大传输速度为10Mbps，总线支持32个节点，添加中继器或利用特制芯片还能够取得更远的传输距离和节点数，RS485一样采纳两线制接法的半双工网络，电气特性规定为：
采纳差分信号负逻辑，逻辑"
1"
以两线间的电压差为+（2~6）V表示；
逻辑"
0"
以两线间的电压差为-（2~6）V表示。
相较较于RS232通信标准中接口信号的电平降低了，如此有利于爱惜接口电路芯片，避免过载造成电路损坏，且加倍容易与TTL电平兼容。
液晶显示模块
作为人机交互的核心，液晶显示模块能够实时的显示电能质量参数，直观有效的对监测系统进行治理。
本文液晶显示采纳常规的LCD12864液晶模块，其具有接口方式灵活，操作指令简单方便，低压低功耗，同时本钱较低的诸多优势，而在各类中小型设备中被普遍利用。
图3-512864接口电路
实不时钟模块
设计实不时钟电路的目的要紧在于准确显示和设置当前的时刻，提升用户体验，也能够用于计算一段时刻内的电能质量，有助于整个系统功能的完善。
本文采纳实不时钟电路芯片DS1302，它能够实现时刻的精准显示同时具有闰年补偿，采纳三线接口与MCU串行通信，可采纳突发方式一次传输多字节时钟信号或数据，同时内部集成了一个31*8的RAM寄放器用于寄存临时性数据，芯片外接晶振作为振荡源输入，而且采纳5V直流电源作为主电源供电，纽扣电池作为备用电源。
芯片如以下图所示：
图3-6DS1302芯片引脚图
其中Vcc2为5V直流电源输入引脚，Vcc1为备用电池电源输入引脚，X1，X2为振荡源输入，GND为接地引脚，SCLK，I/O，CE为通信接口，其组成时钟电路原理如以下图：
图3-7DS1302实不时钟电路
数据存储模块
EEPROM芯片的设计，在工程上用来避免因系统掉电而引发数据丢失的情形发生，考虑到系统设计中的数据爱惜的需求，本文采纳EEPROM芯片AT24C64，该芯片采纳CMOS工艺制成，内部含有8192个字节，可擦写10万次且具有100年的数据存储时刻。
该芯片支持
总线数据传输协议：
将数据传送到总线的器件作为发送器，从总线接收数据的器件为接收器，数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件操纵的。
AT24C64是作为从器件来操作的，由MCU操纵传输数据的模式。
AT24C64数据存储电路如下：
图3-8AT24C64数据存储电路
系统自爱惜模块
考虑到系统在工业现场等环境因素复杂的应用处合，环境中的温度及湿度的情形对系统正常工作的阻碍，故采纳对环境中的温度及湿度进行多点搜集，提高系统在实际应用中的适用性，如：
超平安临界值报警，通过操纵继电器来驱动风扇等设备对系统进行温湿度的自动加减。
4电能质量监测系统软件设计
ATT7022CU软件编程
ATT7022CU为前端检测单元中的核心部份，软件开发流程为：
SPI通信，芯片初始化设置，参数读取，软件校表。
芯片上电复位后即可对其进行初始化设置及写入校对参量，以此来确保读出准确的采样值。
SPI通信
ATT7022CU的寄放器与MCU的SPI通信格式都是一致的，地址为8位，数据位为24位，最高有效位（MSB）在前，最低有效位（LSB）在后，通信开始时SCLK为低电平，片选信号（CS）由高电平转为低电平，通过32个时钟脉冲信号SCLK，片选信号由低电平转为高电平，即对CS的一次操作实现了对某一寄放器的读或写数据。
ATT7022CU在时钟下降沿从DIN端接收来自MCU发出的数据，在时钟上升沿从DOUT端向MCU发出数据，注意发送与接收数据时都应维持MSB在前，LSB在后。
在进行读操作时，通过SPI写入一个8位的命令字后，若是SCLK频率低于200KHZ，那么无需等待时刻，可直接进行读操作，假设SCLK频率高于200KHZ，现在需等待3
左右才能够进行下一步操作，通过SPI读取24位的数据。
由SPI读操作时序图如下：
图4-1SPI读操作时序图
绘制SPI读操作的程序流程图：
图4-2SPI读操作程序流程图
参数软件校正
DSP芯片ATT7022CU具有全数字软件校表功能，经校表事后可使系统的有功精度达到，无功精度达到2级。
校正第一对参数进行设置，参数要紧包括：
电压通道ADC增益设置；
高频脉冲输出设置；
比差补偿区域设置；
相位补偿区域设置；
失压阈值设置；
启动电流设置；
能量累加模式设置；
其他参数设置。
上位机通信程序设计
MCU与运算机的串口通信采纳异步串行通信方式，由上位机发送请求信号，MCU应答后返回数据的模式，通信的发送设备与接收设备采纳各自的时钟来操纵信号的发送与接收，通信进程中尽可能和谐收发两边的时钟信号。
通信中每帧数据由4部份内容组成：
起始位，数据位，奇偶校验位和停止位。
图4-3异步通信数据格式
串行通信程序采纳按时器中断方式，第一对串口进行初始化设置，初始化内容包括开按时器中断，数据寄放器UDR，状态寄放器USR，操纵寄放器UCR，波特率寄放器UBRR的初始化设置。
图4-4串口通信程序流程图
液晶显示程序设计
液晶显示主若是对系统中的电力参数，包括相电流，线电压，有功能率，无功能率，视在功率等参数依照设定的时刻距离进行循环显示，方便用户直观方便的对电力参数进行查看。
对LCD12864做读写操作时，常常利用的两个寄放器为DR（数据寄放器）与IR（指令寄放器），对DR进行操作能够存取CGROM（字型产生ROM），CGRAM（字型产生RAM），DDRAM（显示数据RAM）的值，该操作应该依照上次选择的目标RAM来进行读写操作，目标RAM的地址需要依照命令来选择。
对LCD12864的编程内容要紧包括：
液晶模块初始化设置，寄放器地址设置，字符显示所组成。
而初始化内容要紧包括：
设定液晶工作方式，选择指令集，显示光标设置，清屏设定与地址清零设定。
对液晶模块读写操作后应附带一个软件延时程序来保证液晶模块有充沛的时刻来处置该指令，或通过MCU对液晶模块内部进行忙碌状态查询，即通过读取寄放器BF的标志，如数值为0那么能够判定为不忙，这时输入的下一条指令才为有效指令。
总结出液晶显示模块的程序流程图如下：
图4-5液晶显示模块程序流程图
实不时钟模块程序设计
DS1302用于为系统提供时刻信息，因此关于实不时钟模块的编程任务在于读取DS1302的时刻信息，然后通进程序挪用在液晶显示模块中显示。
程序设计内容应包括：
初始化设置，只需要挪用一次来关闭写爱惜，写入时刻初始值，充电等操作。
初始化设置以后就能够够进行数据读取与显示，通过MCU来读取时刻信息，区分数位，码制转换，将BCD码转化为能够显示的十进制数，然后开始传输数据，这时将复位引脚置为高电平，然后将地址信息与命令信息装入移位寄放器。
复位引脚的输入包括两种功能：
复位引脚高电平常为数据传输状态，当复位引脚为低电平常，那么数据传输中止，且I/O口为高阻态。
因此在给芯片上电之前，复位引脚应置为低电平，只有在SCLK为低电平常，再将复位引脚置为高电平。
图4-6实不时钟模块程序流程图
数据存储模块程序设计
本文的数据存储模块EEPROM通过
总线方式与MCU进行通信，只需要两根信号线，SDA（串行数据线），SCL（串行时钟线）即可完成通信，SDA的电平状态应在SCL处于高电平期间维持不变，在SCL低电平期间能够改变，而在总线起停时例外，因此对
总线通信时的时序间有着严格的要求，
图4-7串行总线及串行时钟时序图
通信进程由四部份组成：
申请总线，成立通信，数据传输，总线释放。
在
通过
总线进行数据通信时，第一需要对其内部的操纵寄放器中断位进行置位操作，这能够专门大程度上幸免因无法对操纵寄放器置位而致使程序进入死循环，从而提高程序的靠得住性。
在这部份程序设计中咱们应该注意以下几点：
（1）在通信初始化中必然要设置好数据通信方向，在主机与从机读写操作时，需要变换数据的收发方向，那个地址就涉及到通信中的重复起始条件（Repeatedstartcondition）问题。
（2）在数据读写进程中中断标志位必需置位，用法与作用上文中已经给出。
由上述内容咱们能够总结出数据存储模块程序流程图：
图4-8EEPROM操作程序流程图
系统自爱惜模块程序设计
该模块设计中的DS18B20与MCU采取单总线通信协议方式。
单总线协议采纳CMOS工艺，具有低功耗，节约I/O资源，易于保护与拓展等优势，本文以ATMEGA128为主机，DS18B20等单总线器件为从机的模式，在通信进程中应严格遵守以下操作时序：
元件初始化，ROM操作，寄放器操，数据读写。
在温度检测初始化操作中，要对DS18B20进行复位操作，对复位，等待，程序的编写应该严格依照时序要求进行。
图4-9温度检测程序流程图
关于通过DHT11进行湿度信息检测的进程需要严格执行数据读写的协议，第一由MCU发送起始位，然后通过读取DHT11反馈的握手信号来响应通信开始，进而读取“0”“1”信号。
图4-10湿度检测程序流程图
5总结
本文选取了DSP与MCU结合的设计方式，利用三相电能专用计量芯片ATT7022CU作为前端监测单元对大体电力参数进行采样与计算，以ATMGEA128为主控芯片进行数据通信和相应的功能拓展，并通过串口通信方式与上位机进行通信后，对电能质量参数进行分析计算。
随着电网技术的进步与进展，电能质量监测技术也迈向网络化，自动化，智能化。
其要紧体此刻运算机处置数据的运算速度和新算法、思路的更新。
网络技术的进展将为以后远程实时检测电能质量指标、远程上传实时数据和在线分析操纵提供现实可能性，也进而提高以后电能质量检测的信息共享和集成水平会。
参考文献
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浙江大学.2003.
[2]王洋.基于ATT7022CU电能质量在线监测系统的研究与设计[D].锦州:
渤海大学.2014.
[3]何湘黔.电力系统电能质量检测研究综述[J].电气制造,2013,12:
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