基于ADE7878芯片的谐波电能表的设计与校表流程

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电压通道具有三路单端电压输入通道，分别为 VAP，VBP 和 VCP。这些单电压输入端 的最大输入电压变化范围为±0.5V。相对于 VN 来说，电压通道有一个可编程放大器 PGA3，放大器增益为 1，2，4，8 或 16。由用户编程来决定，所有的输入通道的增益相 同。
电流需要校准的增益为： I GAIN =
I RMS −T − I RMS − F × 2 23 = 2.7925% × 2 23 = 0 xwenku.baidu.com930 B I RMS − F VRMS −T − VRMS − F × 2 23 = 2.3877% × 2 23 = 0 x30 E 66 V RMS − F
图 2. ADE7878 功能结构图
ADE7878 提供系统校准功能，每一相阶段，也就是有效值偏移校正，相位校准和增益 校准， 提供了三路可配置脉冲输出 CF1 ， CF2 和 CF3，他们的逻辑输出提供了多种可 供选择：总/基波有功/无功功率，总视在功率，或总的当前有效值，在 IRQ0 中有三个 独立的中断标志位对应 3 路脉冲，当 CF 脉冲发生时，能量寄存器中的内容可以被锁存， 从而确保多个相关的能量寄存器的内容和 CF 发生时刻同步。 ADE7878 提供四种不同的电 源模式，引脚 PM0 和 PM1 可以控制 ADE7878 进入不同的功耗模式,如表 1 所示。
电压输入信号占满幅输入的百分比： (3).计算 CFDEN:
I RMS
I NOM
1mV = 4.525483% 22.097087 mV
当电流电压输入端为满幅时，WTHR=PMAX=0x1FF6A6B、CFDEN=1 时，CF 输出为 8000HZ 当在 220V，5A，PF=1 时,
CFNOM = 8000 × 70.6304163% × 4.5254834% = 255.709 Hz
(4). 加载 220V 电压 5A 电流 PF=1, 计算 IGAIN 和 VGAIN 寄存器值
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在过零点读取 30 次 V RMS − F （0x43C5）寄存器，求得平均值为：2891717.833 在过零点读取 30 次 I RMS − F （0x43C5）寄存器，求得平均值为：184406.6667 信号满幅输入时 V RMS − F 和 I RMS − F 的值为：4191910
V RMS
V NOM
249.716mV = 70.6304163% 353.553mV
输入芯片电流采样端在 Ib(5A)的电流信号下电压有效值 I RMS ：I RMS = 200uΩ × 5 A = 1mV
芯片满幅输入的电压有效值 I NOM ： I NOM =
500mV 2 × 16 =
= 22.097087 mV
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图 3. ADE7878 的外围硬件电路图
5、ADE7878 的校准流程与 的校准流程与算法 ADE7878 的校准有两种方法可供选择： ①利用 ADE7878 的校表脉冲输出,通过校表台来 校准 ADE7878， 这种方式最为常用,但这种方式的缺点就是效率较低。 ②利用精密基准源， 设置 ADE7878 工作在线路周期累计模式。这种模式的优点是效率高，校准比较快。 ADE7878 简化了校表方式, 给电表加上 PF=1 的额定电压， 额定电流； 校准电压电流增益 IGAIN, VGAIN；校准 PHCAL。整个校表流程可以在数秒内完成,下面举例详细说明校表 过程。 (1). 电压采样电路信号幅度: 输入芯片电压采样端的信号电压有效值 VRMS ：
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基于 ADE787 ADE7878 878 芯片的谐波 芯片的谐波电能表的设计与 谐波电能表的设计与校表流程 电能表的设计与校表流程
作者：孙建军 世健国际贸易(上海)有限公司南京办事处 摘要：本文主要介绍了 ADI 公司最新推出的三相高精度多功能电能计量芯片 ADE7878， 摘要 以及其在谐波计量中的应用，重点阐述了 ADE7878 的功能特点，典型电路以及电能计量 方法，尤其对 ADE7878 校表流程及其算法做了详细介绍。 关键词：谐波计量，低功耗模式，防窃电特性，相位校准 关键词 1.引言 1.引言 随着中国的社会用电量迅速增长，全国特高压电网建设，百万千瓦级发电机并网， 家居网络化进程，以及电网经营管理改进和计量新技术应用等要素，电能表市场发展迅 猛，中国目前已成为世界电能计量行业最具有活力的市场。电能表市场需求正迈向前所 未由的高速增长期，电能表也从普通功能型向长寿命、高精度、分时段、多功能、网络 化等高科技含量和高附加值的方向发展。目前国内电能表大多具有计量有功，无功，电 压，电流，需量，电压跌落等功能。但是很少具有谐波计量功能，为了计量和读取谐波 电量， 笔者详细分析了 ADI 公司的 ADE7878 三相多功能电能计量芯片的设计以及校表流 程。 2．ADE7878 ADE7878 电能计量精度 电能计量精度 该 ADE7878 是美国 ADI 公司推出的三相高精度多功能电能计量芯片， 超越了工业上对 电能计量 0.2 级表的精度和动态的要求。ADE7878 的电压和电流通道为 24bit ∑-△型 ADC，电压和电流有效值在动态范围为 1000：1 的动态下小于 0.1%，电能在动态 1000： 1 下小于 0.1%，在动态 3000：1 下小于 0.2%。具体性能如图 1 所示。ADE7878 提供 I2C， SPI，HSDC 多种数据接口和 3 个灵活的脉冲输出，ADE7878 可以同时提供基波有功和无 功功率，总（基波+谐波）有功和无功功率，视在电能计量，基波有功和无功电能计量 和 RMS 计算。 ADE7878 适合测量各种三相配置下有功，无功和视在电能，如三相三线（角接）、三 相四线（星形）以及其他的计量方式，同时也支持电流互感器（CT）和微分线圈电流传 感器，支持所有通道的波形数据输出。该 ADE7878 支持多种校表方式，每一相阶段，也 就是有效值偏移校正，相位校准和增益校准。该 CF1 ， CF2 和 CF3 逻辑输出提供了多 种可供选择：总/基波有功/无功功率，总视在功率，或总当前有效值。
V RMS = 220V × 1 .5 K = 249.716mV 330 K × 4 + 1.5 K
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芯片满幅输入的电压有效值 V NOM ： V NOM = 500mV 2 = = 353.553mV
电压输入信号占满幅输入的百分比： (2). 电流采样电路信号幅度:
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图 1. ADE7878 误差动态范围有功电能性能
3． ADE7878 工作原理与功能结构图： 工作原理与功能结构图： ADE7878 功能框图如图 2 所示，ADE7878 是一种高精确度的，支持 EN50470-1， EN50470-3 的标准，兼容三相三线，三相四线以及其他接线的多功能测量 IC，带有二路 独立的中断申请输出口， 三路独立的脉冲输出口， 更多的通讯接口 （I2C， SPI， HSDC） 。 ADE7878 集成了数字积分、参考基准电压源、温度敏感元件等，内置成熟的专用电能计 量功能数字信号处理器，有可用于电流/电压有效值测量，基波有功功率和无功功率、 总(基波+谐波) 有功和无功功率，视在功率计量，同时提供有功和无功(基波+谐波)总 能量，和基波有功和无功能量，谐波能量可通过简单减法运算获得。提供电池供电模式 下的电流监测， 可用于防窃电检测。 ADE7878 大部分内部电路工作在 2.5V 电源上(芯片 内置的 LDO)， 宽电源输入范围 2.4-3.7V 供电。 ADE7878 有七路模拟量输入， 分成电流和电压两个通道。 电流通道由四对差分电压输 入，分别是 IAP，IAN；IBP，IBN；ICP，ICN，INP，INN。INP，INN 可提供零线电流的 有效值及瞬时值测量。这四个电流通道最大的信号电压变化范围为±0.5V。电流通道有 一个可编程增益放大器（PGA1） ，放大器增益为 1，2，4，8 或 16。除了 PGA 功能外，用 于 A/D 转换时，通道 1 还具有输入信号满刻度选择的功能。
. MC × I B × U B 1600imp / kwh × 5 A × 220V = = 0.4 8 Hz 3 1000 × 3600 10 × 3600 s
CFEXP =
CFNOM 255.709 CFxDEN = = 523 = 0 x 20 B = . CFEXP 0.4 8 初始化 ADE7878， WTHR1 0x1； WTHR0 0xFF6A6B； GAIN 0x4 ； CFxDEN=0x20B
I RMS −T 的理论值应该为： I RMS −T = 4191910 × 4.525483% = 189704.191 VRMS −T 的理论值应该为： V RMS −T = 4191910 × 70.6304163% = 2960763.483
ContentofCurrentGain Re gister CurrentWaveform = ADCoutput × 1 + 2 23
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电源模式 PSM0–正常模式 PSM1–省电模式 PSM2– 低 功 耗 模 式 PSM3–睡眠模式 PM1 0 0 1 PM0 1 0 0 电流消耗 17mA max 3 mA max 备注 复位 RESET 引脚只有在 PSM0 模式下有效 提供 3 相电流有效值，建立时间 350 毫 秒
200uA max 提供 3 相电流有效值和设定门限值比 较，可以在掉电模式下提供电流检测， 实现防窃电 1uA max 电路休眠，配置寄存器保持不变
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ADE7878 提供了防窃电功能，可以在全失压情况下提供电流信息，其零线可以提供瞬 时值和有效值电流检测，可计算各相电流瞬时值总和并与零线电流比较是否匹配。所有 角度测量使用电压和电流从负到正时的过零点，同时提供 3 个角度寄存器，可通过不同 配置方式以获取各种角度测量信息。 ADE7878 提供三种串行通讯口: 复位后默认为 I2C 接口， 其最高的通讯速度为 400KHz, 读操作最大 64 位数据被传送速率= 64/400KHz = 160us. 在上电或硬件复位后,通过 SS 引脚上连续拉高置地三次,ADE7878 进入 SPI 通讯模式， 其最高的通讯速度为 2.5MHz. 主 模式 HSDC 接口的最高的通讯速度为 8MHz, 可以采集电压、电流瞬时值以用于谐波分析 计算, HSDC 模式可以配置成只传送三相电流＋零线电流＋三相电压模式， 也可以配置成 只传送九相功率瞬时值,在 8MHz 的时钟下最快通讯耗时=16*32/8MHz=64us. 4．ADE7878 典型硬件电路设计： 典型硬件电路设计： ADE7878 的电压电流通道输入信号范围为±0.5V， 推荐加额定电压 Un 时电压通道输入 信号为 250mV 左右, 加最大电流 Imax 时电流通道输入信号为 300mV 左右。笔者此次设 计的电表额定电压 Un＝220v，电压通道用 4 个 330KΩ电阻和一个 1KΩ电阻分压，加额 定电压 Un 时输入信号为 249mv， 但在实际的应用中， 笔者推荐客户至少用 7 个以上电阻 分压，以提高抗干扰性能；电流互感器变比 300：1，取样电阻为 2 个 5Ω电阻，加最大 电流 Imax 时输入信号为 300mv。图 3 为 ADE7878 的外围电路图。