基于ATT7022E工頻量測量方法研究

虞海龍，薄煜明，朱建良

(南京理工大學，江蘇 南京 210094)

基于ATT7022E工頻量測量方法研究

虞海龍，薄煜明，朱建良

(南京理工大學，江蘇 南京 210094)

針對繼電保護數(shù)據(jù)需要滿足快速性和準確性的要求，文中采用基于IIR低通濾波器有效值快速計算的方法來提高ATT7022E工頻量測量的快速性，采用讀取芯片有效值寄存器來滿足上位機監(jiān)控對測量值準確性的要求，將兩者相結(jié)合來達到繼電保護對快速性和準確性的要求。根據(jù)工頻電參量特點推導出對一個電流采樣值的平方進行低通濾波，然后進行開方即可得到電流有效值。其只需要一個采樣值即可得到電流有效值，具有計算簡單、快速性好的優(yōu)點。在LPC1778進行實驗驗證，結(jié)果表明，前者快速性提高了近十倍，后者準確性更高，兩種方法相結(jié)合能滿足多數(shù)實際應用中對快速性和準確性的要求。

ATT7022E；工頻量；快速性；準確性；有效值

0 引 言

在電力繼電保護中，工頻有效值測量的快速性對開關動作是至關重要的，整個系統(tǒng)如果失去了快速性，就失去了保護價值[1-2]。同時，在實際的工程應用中，上位機監(jiān)控對測量值的準確性又有著較高的要求。然而，高精度計量芯片ATT7022E在實際應用中內(nèi)部有效值寄存器更新速度慢，無法滿足快速性的要求，為了將其應用于如繼電保護等對快速性要求較高的系統(tǒng)中，必須對其有效值計算算法進行改進。

目前，國內(nèi)外對有效值快速計算的算法主要有最大值法、積分法、導數(shù)法和迭代法。最大值法對采樣率要求較高，積分法需要更多的采樣點進行多次平方運算和加法運算，導數(shù)法和迭代法則需要進行高次的乘法運算[3-4]。

考慮上述算法存在的一些問題，以及在實際繼電保護的工程應用中對有效值快速性要求高但對準確性要求相對較低，上位機監(jiān)控對準確性要求高但對快速性要求較低的特點，文中提出了一種在計量芯片ATT7022E上對工頻量進行有效測量的方法。為了滿足系統(tǒng)對快速性的要求，文中采用了基于IIR低通濾波器的快速正弦電壓電流有效值的新算法。同時，為了滿足系統(tǒng)中上位機監(jiān)控對工頻量測量精度的要求，文中采用了每0.5 s讀取一次ATT7022E有效值寄存器的方法。兩種方法優(yōu)勢互補，將其在基于Cortex-M3架構的ARM芯片LPC1778上進行實現(xiàn)并對這兩種方法進行實驗分析和對比研究。結(jié)果表明，基于IIR低通濾波器的快速有效值算法快速性好，準確度相對較低；讀取ATT7022E芯片內(nèi)部有效值寄存器的方法準確度高，快速性慢。將這兩種方法結(jié)合能夠很好地滿足多數(shù)工程應用中對工頻量測量快速性以及準確性的要求。

1 ATT7022E

ATT7022E是一顆精度高且功能強的多功能三相電能專用計量芯片。它內(nèi)部集成了七路二階19位的sigma-delta ADC，采用雙端差分信號輸入，其中三路用于三相電壓采樣，三路用于三相電流采樣，還有一路可用于零線電流或其他參數(shù)的采樣，輸出采樣數(shù)據(jù)和有效值，使用十分方便。該芯片還集成了參考電壓電路以及所有包括基波和全波(基波+諧波,以下簡稱全波)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全波有功功率、無功功率、視在功率、有功能量、無功能量以及視在能量(PQS、RMS兩種方式可選擇)，基波有功功率、基波有功能量及基波電壓、電流有效值，同時還能測量頻率、各相電流及電壓有效值、功率因數(shù)、相角、電壓夾角等參數(shù)。該芯片還支持全數(shù)字域的增益、相位校正，也即是純軟件校表方式，有功、無功電能脈沖輸出CF1、CF2提供瞬時有功、無功功率信息，其可以直接接到標準表，進行誤差的校正。ATT7022E芯片同時提供了一個SPI接口，方便與外部MCU之間進行計量參數(shù)讀取以及校表參數(shù)的設置[5-6]。

2 系統(tǒng)整體設計

2.1 硬件設計

該系統(tǒng)硬件設計主要包含采樣電路ATT7022E、GPRS模塊、液晶、按鍵、控制繼電器線圈的IO輸出、狀態(tài)IO輸入以及控制開關的IO輸出設計，系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構框圖

文中主要介紹高精度功率計量芯片ATT7022E采樣電路的設計與實現(xiàn)，其中主控芯片LPC1778負責與ATT7022E通過SPI總線進行電壓、電流瞬時值和有效值等工頻量信息的讀取與計算。

根據(jù)ATT7022E芯片的特點，其要求7路采樣輸入的交流電壓信號有效值不超過500 mV，因此需要對輸電線路上的大電壓大電流信號進行調(diào)理變換。

在ATT7022E芯片的采樣電路設計中，對電流的輸入采樣先經(jīng)過電流互感器(CT)的耦合，將線路上的交流大電流信號轉(zhuǎn)換成同頻同相的毫安級弱電流信號，然后經(jīng)過精密電阻R1,R2將其轉(zhuǎn)換成500mV以內(nèi)的差分交流電壓信號，D1二極管主要起限制電壓幅值作用，防止電壓過大損壞采樣芯片，再經(jīng)過由R3,R1,C1,C2組成的阻容抗混疊濾波電路，濾除信號中的高頻噪聲信號輸出到ATT7022E的電流信號輸入端；對電壓的輸入采樣先經(jīng)過定值精密電阻R9轉(zhuǎn)換成弱電流信號，然后經(jīng)過電壓互感器的耦合，將被測交流電壓隔離轉(zhuǎn)換成同頻同相的交流電流信號，再將交流電流信號經(jīng)過調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成差分電壓，進行抗混疊濾波后輸出給ATT7022E。電壓電流輸入采樣采用這種方式可使芯片與電網(wǎng)很好地隔離，保證電路具有良好的抗干擾性能。電壓電流信號采樣電路如圖2所示。

圖2 信號采集電路

2.2 軟件設計

基于對ATT7022E工頻量測量算法的研究，文中主要介紹ATT7022E的校表流程以及500 μs定時中斷采樣流程。

ATT7022E內(nèi)部對電壓電流有效值的計算是通過對變換后的電壓采樣，對采樣值進行平方、開方以及數(shù)字濾波等一系列運算得到。電流和電壓通道輸入有效值1 mV～500 mV的信號時，電流有效值的誤差小于0.2%，精度高，滿足上位機準確度的要求。然而，ATT7022E內(nèi)部有效值寄存器的更新速度慢，無法滿足對快速性要求高的應用。

ATT7022E內(nèi)部電壓電流有效值的計算流程如圖3所示。

圖3 ATT7022E電壓電流有效值計算流程

在主控芯片LPC1778上電正常工作后，為了能夠正確讀取電壓電流寄存器的數(shù)值,必須在使用前對計量芯片ATT7022E進行校正。對校表寄存器進行設置，主要包括對芯片內(nèi)部的模式配置寄存器、EMU單元配置寄存器、三相電壓電流校表寄存器的配置，其詳細配置方法可參考芯片手冊。校表流程如圖4(左)所示。

LPC1778是基于ARM Cortex-M3的微控制器，其內(nèi)置了可嵌套向量中斷控制器(NVIC),保證了中斷響應的實時性[7]。為了保證快速性和計算結(jié)果的較高精度，將500 μs定時中斷設置為高優(yōu)先級。中斷程序流程：首先通過SPI總線讀取所需的電流電壓瞬時值寄存器的值，進行數(shù)值變換計算成實際測量的瞬時值，然后基于IIR快速算法進行電壓電流有效值的計算，更新快速有效值寄存器的值。超過0.5 s則通過SPI讀取電壓電流有效值寄存器的值變換成實際的有效值，更新準確有效值寄存器的值。500 μs定時中斷流程如圖4(右)所示。

圖4 校表流程及定時中斷流程圖

3 算法研究

當前國內(nèi)外對工頻有效值的快速測量算法大致有最大值法、全周積分法、半周積分法、導數(shù)法和迭代法。

最大值法：在半個周期或者一個周期內(nèi)對工頻電流信號均勻采樣，選出其中的最大值作為被測量的幅值，根據(jù)幅值與有效值的關系得出有效值。采樣點的數(shù)量以及工頻量諧波干擾對該算法的計算結(jié)果影響非常嚴重，其采樣頻率越高，精度越高。

積分法：對工頻量輸入信號進行周期采樣，然后對采樣點根據(jù)電工學對電流電壓有效值的定義進行半個周期或全周期的積分計算。該算法快速性好，對諧波具有一定的濾波作用；然而，該算法對采樣頻率要求較高，采樣頻率越高，計算值越準確，同時對控制芯片也有著較高的要求，每次有效值的更新都需要進行多次的平方和運算以及開方運算，計算量大。

導數(shù)法和迭代法：導數(shù)法根據(jù)工頻電壓電流信號的導數(shù)與工頻電流信號的關系推導出有效值與瞬時值的關系，迭代法則根據(jù)固定采樣周期連續(xù)幾個采樣點的瞬時值得到有效值與瞬時值的關系。導數(shù)法和迭代法具有只需少量采樣點就可得出有效值的優(yōu)點；然而,其需要進行多次高次乘方運算，對控制芯片要求高，增加了算法的運行時間，不利于在控制芯片上實現(xiàn)。

為了提高ATT7022E在實際應用中有效值測量的快速性同時考慮現(xiàn)有算法的優(yōu)缺點，文中采用了基于IIR低通濾波器的快速有效值計算算法。該算法相對于全周積分法和半周積分法，無需多次的乘方運算和開方運算，只需一個采樣點；相對于導數(shù)法，只需知道一個電流瞬時值就可獲得電流有效值；相對于迭代法，避免了高次乘方運算，降低了對控制芯片的要求，具有運算速度快、穩(wěn)定性高、快速性好，適用于對實時性要求較高的系統(tǒng)的優(yōu)點[8-9]。

3.1 基于IIR低通濾波器快速算法理論分析

電流有效值的計算公式為：

(1)

式中:I為電流有效值；i為電流瞬時值；T為交流電流周期。

工頻電流信號為正弦交流電流信號：

i=Imsin(2πft)

(2)

式中：Im為電流最大值；f為交流頻率(50Hz)。

將式(2)帶入式(1)可得：

(3)

對式(2)平方可得：

(4)

由式(4)可得出電流瞬時值的平方是由電流最大值平方的一半的直流分量和一個兩倍于電流頻率的交流電流信號疊加而成。如果將電流輸入信號先平方，再濾除直流以外的交流信號，則可以得到電流最大值平方的一半，再由式(3)可得出該值恰好等于電流有效值的平方。所以只需對低通濾波后的值進行開平方即可得到電流的有效值。

3.2 低通濾波器

濾波器是頻率選擇電路，只允許輸入信號中的某些頻率成分通過，而阻止其他頻率成分到達輸出端。低通濾波器是允許輸入信號中較低頻率的分量通過而阻止較高頻率的分量通過的濾波器[10]。理想的低通濾波器能完全濾除高于截止頻率的信號，而低于截止頻率的信號則完全通過。低通濾波器按處理信號類型的不同又可分為模擬低通濾波器和數(shù)字低通濾波器。模擬濾波器主要由一系列電子元器件如電阻電容放大器組成，受時間、溫度、電壓漂移等環(huán)境因素的影響，這類濾波器會降低濾波效果，可靠性低。數(shù)字濾波則是根據(jù)輸入信號的特點，選擇合適的算法對信號進行處理，濾除無用信號，提高有用信號在信號中的比例。數(shù)字低通濾波器可以近似地實現(xiàn)理想低通濾波，具有精度高、可靠性好、可程控改變等特性，其更加適用于數(shù)字信號處理系統(tǒng)[11-16]。

理想數(shù)字低通濾波器的頻率響應為：

(5)

式中：ω為角速度(與頻率的關系ω=2πf)；ωc為截止頻率，0～ωc為通頻帶，ω在0～ωc的低頻段內(nèi)信號無失真。

3.3 低通濾波器離散化

文中采用了IIR一階數(shù)字低通濾波器，其脈沖傳遞函數(shù)標準表達式為：

(6)

對式(6)進行z反變換可得其差分方程：

y(n)=α*x(n)+(1-α)*y(n-1)

(7)

式中：y(n)為濾波后的輸出值；x(n)為此次輸入值；y(n-1)為上一次濾波后的輸出值；α為濾波系數(shù)，其與ωc的關系為：

α=2πωcTs

(8)

式中，Ts為采樣周期。

由式(7)可得出，只需要知道一個電流采樣值的平方經(jīng)過濾波就可得到電流最大值平方的一半，對其開平方即可得到電流有效值。相對于迭代法、積分法、導數(shù)法和最大值法，該方法無需繁雜的計算，減少了采樣率，并且具有較高的實時性和快速性，降低了對主控芯片的要求，而且易于實現(xiàn)。

4 實驗結(jié)果與分析

為了驗證讀取ATT7022E有效值寄存器和基于IIR低通濾波器快速算法的性能，文中主要從快速性和準確性兩方面考慮，對A相電流進行了實驗驗證與對比(A、B、C三相電壓電流測量方法相同)。其中，對電流采樣值平方濾波的IIR低通濾波器選擇了截止頻率1Hz來有效地濾除交流分量，從而保證測量值具有較高的精度。

實驗采用南京丹迪克公司的DK-34B1交流采樣變送器校驗裝置產(chǎn)生標準的工頻正弦電流電壓信號。首先對ATT7022E進行了三相電壓電流校正，然后用DK-34B1輸出標準的5A工頻正弦電流信號，在3s左右將輸出值調(diào)為6A，主控芯片LPC1778則在500μs定時中斷中讀取ATT7022E有效值寄存器換算后的電流有效值并計算基于IIR低通濾波器快速算法計算的電流有效值，將計算后的結(jié)果均通過串口發(fā)送給上位機,在上位機中將數(shù)據(jù)導入Matlab進行繪圖來驗證其動態(tài)響應。

圖5中實線為基于IIR低通濾波器快速算法(快速值)的曲線，虛線為讀取有效值寄存器的電流有效值(準確值)的曲線。

圖5 輸入突變時準確值以及快速值的波形

由圖可看出，在電流輸入從0A突然到5A時，基于IIR低通濾波器快速算法僅僅需要0.12s就能夠有效地快速跟蹤，具有較高的快速性。而讀取ATT7022E有效值寄存器的方法則需要1.2s才能達到5A，跟蹤慢，時間滯后嚴重，不適合實時性要求較高的系統(tǒng)。在3s附近，電流輸入從5A到6A突變時，前者明顯能夠更快地跟蹤電流的變化，具有較好的實時性。

為了比較兩種方法的準確性，對1.5～2.5s之間兩者計算的多個有效值進行對比。從其中的1 000組數(shù)據(jù)可以得出基于IIR低通濾波器有效值快速算法的誤差在3%以內(nèi)，讀取ATT7022E有效值寄存器結(jié)果的誤差在0.02%以內(nèi)。后者具有更高的精度，滿足工業(yè)測量和上位機監(jiān)控精度的要求。隨機從中選取六組數(shù)據(jù)，兩種方法誤差對比如表1所示。

表1 兩種方法準確性對比

5 結(jié)束語

文中根據(jù)ATT7022E功率計量芯片的特點，考慮工程實際應用中準確性與快速性的要求，提出了基于IIR低通濾波器有效值快速算法和讀取ATT7022E有效值寄存器相結(jié)合的方法，對基于IIR低通濾波器有效值快速算法進行了詳細推導。將兩種方法結(jié)合并在Cortex-M3芯片LPC1778上進行了實現(xiàn)與對比驗證。實驗結(jié)果表明，基于IIR低通濾波快速算法具有較好的快速性，讀取有效值寄存器的值則具有很好的準確性，將兩者相結(jié)合可以滿足大多工業(yè)應用中同時對快速性和準確性要求較高的應用，對工程應用具有一定的參考價值。

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Research on Measuring Method of Main Frequency Parameters Based on ATT7022E

YU Hai-long,BO Yu-ming,ZHU Jian-liang

(Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

The data applied in relay protection requires rapidity and accuracy.In this paper,the rapidity of measuring main frequency parameters by ATT7022E is improved through effective value calculation based on IIR low-pass filter.The accuracy requirement of host computer monitoring is met by reading data from effective value register.Combining the two methods,a practical method of getting electrical data is proposed.In detail,according to the characteristic of main frequency parameters,the square of current sampling value which passed by low-pass filter is equal to the square of the current effective value.It needs only one sampling value,which is very easy and quick to accomplish.The application of the proposed method in LPC1778 demonstrates its validity.The experimental results show that the former is nearly 10 times faster than the latter which is more accurate.In conclusion,the two method o combined is very significant in practical applications.

ATT7022E;main frequency parameters;rapidity;accuracy;effective value

2015-07-08

2015-10-16

時間：2016-03-22

江蘇省產(chǎn)學研聯(lián)合創(chuàng)新資金-前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2013004-04)；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金項目(30920130132002)

虞海龍(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為控制理論與控制工程；薄煜明，博士，研究員，從事導航與制導研究。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160322.1519.056.html

TP301

A

1673-629X(2016)04-0172-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.04.038