《电子技术应用》

微机测控保护装置中电气计量系统设计

2017年微型机与应用第8期 作者:付军, 涂永飞, 李鹏
2017/5/27 9:18:00

  付军, 涂永飞, 李鹏

  (镇江华东电力设备制造厂有限公司,江苏 镇江 212004)

         摘要:主要介绍一种微机测控保护装置中电能参数计量系统的设计方法。该设计采用LPC1788ATT7022、AD7606为核心处理器件,ATT7022负责对装置中各项电能参量进行精确计算,LPC1788和AD7606负责装置保护电气参量的快速计算,运行保护控制程序,同时读取ATT7022电能参量计算结果。

  关键词:微机测控;电能计量;LPC1788; ATT7022;AD7606

  中图分类号:TP273文献标识码:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.08.010

  引用格式:付军, 涂永飞, 李鹏.微机测控保护装置中电气计量系统设计[J].微型机与应用,2017,36(8):28-30.

0引言

  微机测控保护装置是电力系统中一种集电气量测量、开关量采集、保护、控制、报警和通信等功能于一体,广泛用于发电厂、变电站所、钢铁、石化及煤炭等企业电气控制保护系统的装置[1]。与以往保护装置相比,测控保护装置需增加电能参数计量功能,包括有功功率、无功功率、视在功率、有功能量、无功能量、功率因数、相位、谐波等。这将大大增加主控CPU芯片的计算负担,影响其他保护电气参数的计算速度,进而影响装置保护动作的响应速度。同时,计量功能要求精度很高,由于A/D采样芯片精度的限制,使得通过CPU计算的电气参数结果难以满足计量的精度要求,如采用更高精度的A/D采样芯片,将极大地增加装置的硬件成本。本文介绍一种新的测控装置计量系统设计方法,将电能计量表中常用的电能计量芯片ATT7022引入到微机测控保护装置的开发设计中,成功应用于本公司开发的微机测控保护装置。

1系统硬件设计

  本装置计量部分硬件设计以32位ARM单片机LPC1788、电能计量芯片ATT7022EU及A/D转换芯片AD7606为核心,ATTTO22负责计算装置中有关电能参量的计算并将计算结果通过SPI总线传给LPC1788,A/D7606负责模/数转换,LPC1788通过并行总线读取A/D转换结果后,快速计算保护电气参量,并将计算结果运用到保护程序运行中。

  1.132位ARM单片机芯片LPC1788

  LPC1788是NXP公司生产的32位CortexM3内核的ARM单片机[2],运行速度高达120 MHz,内含512 KB片上Flash,96 KB片上SRAM,5个串口,3个SPI接口,2个CAN口,1个MAC口,1个8通道12位ADC,4个通用定时器,1个低功耗RTC,1个内部看门狗,1个8/16/32位外部存储器控制器,可支持外部静态存储器和动态存储器连接,208脚LQFP封装提供多达165个通用I/O口,是一款高集成度的MCU控制芯片,丰富的外设接口、较高的运行速度及强大的电磁抗干扰能力使得其非常适合作为微机测控保护的主控芯片,能大大简化系统硬件设计的复杂度。

  1.2电能专用计量芯片ATT7022EU

  ATT7022EU是一款多功能高精度的三相电能专用计量芯片[3],适用于三相四线制或三相三线制电气接线系统电能计量,内部集成7路19位高精度二阶ADC,最大能满足有功功率0.2级、无功功率1级及电压、电流0.2%的计量精度,可计算基波或全波电能参量,具有相序和断线判断功能,完全能够满足继电保护测控装置的电能参数计量要求,同时芯片带有SPI串行通信接口,能非常方便地与MCU或DSP芯片进行通信。

  具体电路设计如图1所示。

  

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  由互感器采集来的电流、电压信号经模拟电路变换以后转换成100~500 mV的交流信号送人ATT7022芯片进行实时电能参数计算,LPC1788每隔500 ms左右通过SPI串行总线读取一次电能计量结果,并将送给LCD显示和非易失性存储器中存储,同时也可通过通信将电能计算结果远传给远方监控系统。

  1.3A/D转换芯片AD7606

  虽然芯片ATT7022具备电流、电压、频率等电气参数的计算功能,但是其计算速度较慢,难以满足保护程序毫秒级的计算速度要求,因此,保护功能程序中使用的电气参量的计算由MCU自己完成。虽然LPC1788自带8路12位ADC,但采样通道数量和采样精度都难以达到装置计算精度要求,所以系统选用16位高精度同步A/D转换芯片AD7606,其特点是每个芯片具有8路采样通道,每路通道的模拟量输入范围达±15 V,采样速率高达250 kS/S,单5 V电源供电,自带2.5 V基准电压输出模块,接线简单,具有并行数据接口和串行数据接口,方便与MCU连接,是目前测控保护产品中应用最广的A/D采样芯片[4]。

  本系统设计中使用2片AD7606芯片进行A/D转换,最多可同时采集16路模拟量信号,电流、电压信号经模拟电路变换以后转换成±10V以内的交流信号送人AD7606芯片采样,LPC1788负责初始化AD7606、定时启动A/D转换,通过并行总线读取转换结果后进行数据录波存储,计算电流、电压、频率等保护功能用电气参量,运行保护功能逻辑控制程序,并将结果进行显示、存储及远传。具体电路设计如图2所示。

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  1.4模拟量转换电路设计

  由电气系统中接入的模拟量经电流、电压互感器转换成低压交流信号,再采用星格高精密互感器SPT204A和SCT254FK将交流信号转换成毫安电流信号,经过采样电阻转成所需电压信号,然后分成两路,一路送入ATT7022进行电能参数计算,一路经运算放大器放大及二阶滤波后送人AD7606进行采样。设计原理图如图3所示。本文以三相电路中A相电路为例说明,B、C相电路处理方式相同。

  

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  经互感器变换后的信号Uap、Uan,一路采用差分输入方式,经过抗混叠滤波电路后,送人ATT7022计算电能参量,设计原理如图4所示。

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  另一路采用单端输入方式,经过运算放大器将信号放大,再经过二阶有源滤波电路滤除高次谐波后,送人AD7606进行A/D转换,设计原理如图5所示。仅以A相电压为例。

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2系统软件设计

  系统软件采用C语言进行编程,采用模块化程序设计方法,编程软件为KEIL MDK5.11,支持JTAG仿真口进行软件仿真,装置计量系统软件编程主要分为ATT7022设置与计量结果读取、存储,AD7606初始化、启动转换、相应A/D中断读取转换结果及保护电气参数计算等部分。

  2.1ATT7022软件设计

  系统软件运行后,要正确读取ATT7022电能计算结果,首先要运行校表程序[5],芯片支持全数字化软件校表,通过软件对芯片中各个寄存器进行初始化设置,校表完毕后可以通过SPI接口读取电能参量计算结果,由于该结果只用于电能计量,不涉及保护程序运行,所以不需要太高的实时性图6ATT7022程序流程图,本设计中装置通过定时器每隔500 ms左右读取一次计算结果并更新显示,即满足了计量要求,也大大简化了系统负担,节约运行时间。程序流程图如图6所示。

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  2.2AD7606软件设计

  系统运行后,首先复位初始化AD7606芯片,然后设置毫秒定时器,每1 ms通过芯片管脚CONVSTA\\B\\C启动A/D芯片进行转换,转换结束后通过中断通知LPC1788读取转换结果并录波,为了满足保护程序运行速度要求(保护功能要求响应时间<20 ms),程序定为每隔5 ms对采样数据进行一次计算,采用全波傅氏变换方法计算各保护电气参量,并将结果运用到保护逻辑控制程序中。程序流程图如图7所示。

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3结论

  微机测控保护装置中电气计量系统设计是其研发核心,其性能将直接影响装置整体性能,设计要求是既要保证测量结果的精确度,又要保证保护电气参量测量的快速性,本设计方法将电能专用计量芯片引入装置设计中,利用其高精度计量特点完成实时性要求不高但计算复杂的电能参量的计算,而MCU主控芯片专注于实时型要求很高的保护参量计算及保护程序运行,不仅减轻了主控芯片负担,增强了实时性能,还简化了计算程序编程复杂度,大大减少了程序编程代码。在实际装置设计和运行中,本设计方案既满足了装置对测量结果精确度的要求,又保证了保护装置响应的快速性,取得了良好的运行效果。

参考文献

  [1] 许正亚.变压器及中低压网络数字式保护[M].北京:中国水利水电出版社,2004.

  [2] 张勇. ARM CortexM3嵌入式开发与实践——基于LPC1788和μC/OSII [M].北京:清华大学出版社,2015.

  [3] 王建龙,张宏科,刘俊. 电能计量芯片ATT7022E在智能电表中的应用[J].电测与仪表,2015,52(12):52-55.

  [4] 王小进,涂煜. 基于AD7606的继电保护数据处理设计[J].船电技术,2014,34(9):46-49.

  [5] 朱琳. ATT7022B在电力参数测量中的应用 [J].测控技术,2007,26(1):9-11.


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