ADE7878谐波计量资料

基于 ADE7878 芯片的谐波电能表的设计与校表 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 孙建军 世健国际贸易(上海)有限公司南京办事处，南京 210005 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，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 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 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。 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： 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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，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。 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。 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。 电源模式 PM1 PM0 电流消耗 备注 PSM0–正常模式 0 1 17mA max 复位 RESET 引脚只有在 PSM0 模式下有效 PSM1–省电模式 0 0 3 mA max 测量 3相电流绝对值的平均值 Mean Absolute Values PSM2–低功耗模式 1 0 200uA max 提供 3相电流采样值和设定门限值进行比较， 可以在掉电模式下提供电流检测，实现防窃 电 PSM3–睡眠模式 1 1 1uA max 电路休眠，配置寄存器保持不变 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： 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 200：1，取样电阻为 2个 5Ω电 阻，加最大电流 Imax（6A）时输入信号为 300mV。图 3 为 ADE7878 的外围电路图。 图 3. ADE7878 的外围硬件电路图 5、ADE7878 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 ： RMSV mV KK KVVRMS 716.2495.14330 5.1220 =+××= 芯片满幅输入的电压有效值 ：NOMV mV mVVNOM 553.3532 500 == 电压输入信号占满幅输入的百分比： %6304163.70 553.353 716.249 == mV mV V V NOM RMS (2). 电流采样电路信号幅度: 输入芯片电流采样端在 In(1.5A)的电流信号下电压有效值 ：RMSI mV AIRMS 75200 5.110 =×Ω= 芯片满幅输入的电压有效值 ：NOMI mV mVI NOM 553.3532 500 == 电压输入信号占满幅输入的百分比： %2132268.21 553.353 75 == mV mV I I NOM RMS (3).计算 CFDEN: 当电流电压输入端为满幅时，WTHRx=PMAX=0x1FF6A6B、CFDEN=1 时，CF 输出为 8000HZ 当在 220V，1.5A，PF=1 时, HzCFNOM 64.1198%2132268.21%6304163.708000 =××= HzVAkwhimp s UIMCCF BBEXP . 3 614.036001000 2205.1/1600 360010 =× ××=× ××= FECx CF CFCFxDEN EXP NOM 108172 614.0 64.1198 . ==⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ =⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= 初始化 ADE7878， WTHR1 0x1； WTHR0 0xFF6A6B； GAIN 0x4 ；CFxDEN=0x1FEC (4). 加载 220V 电压 1.5A 电流 PF=1, 以 A 相为例, 计算 AIGAIN 和 AVGAIN 寄存器值。 在过零点读取 30 次 （0x43C1）寄存器，求得平均值为：2891717.833 FRMSV − 在过零点读取 30 次 （0x43C0）寄存器，求得平均值为：184406.6667 FRMSI − 信号满幅输入时 和 的值为：4191910 FRMSV − FRMSI − TRMSI − 的理论值应该为： 376.889239%2132268.214191910 =×=−TRMSI TRMSV − 的理论值应该为： 483.2960763%6304163.704191910 =×=−TRMSV ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +×= 232 Re1 gisterurrentGainContentofCADCoutputeformCurrentWav 电流需要校准的增益为： 475402%8222.32 2323 Ex I II I FRMS FRMSTRMS GAIN =×=×−= − −− 电压需要校准的增益为： 663002%3877.22 2323 Ex V VV V FRMS FRMSTRMS GAIN =×=×−= − −− 把计算出的值写入 AIGAIN 和 AVGAIN 寄存器 (5). 加载校准相位，当在 220V 电压 1.5A 电流 PF=0.5L： （电压延时）（电流延时） 0 x, 512 lutionPhase_reso X ; 0x, _ >+≤ ⎩⎨ ⎧= resolutionPhase xPHCAL 50Hz： LSB MHz HzresolutionPhase /0176.0 024.1 50360_ °=×°= ，校正范围是：-6.732°到 +1.107°， 60Hz： LSB MHz HzresolutionPhase /0211.0 024.1 60360_ °=×°= ,校正范围是：－8.079°到 +1.329°。 当 Bit9=0 时，电流延时，最大值 383；当 Bit9=1 时，电压延时，最大值 63。 举例如下： PF=1：AWATTHR = 0x04BE=1214 PF=0.5L： AWATTHR = 0x0267=615 所以在 PF=0.5L 时的误差是 %31.1 1214 12142615 =−×=Error °=+ 566.59 2 %31.11ArcCos ，因此我们需要把电流延迟 0.443 ° 0019025 0176.0 60566.59)6140( xxExPHCAL ==° °−°= 6． ADE7878 部分测试软件设计： extern void int7878_cal (void); extern void SpiSentByte (unsigned short Symbol, unsigned char *pChar, unsigned char Len); unsigned char byChar [30]; void int7878_cal(void) { While (1) { SpiSentByte (AVRMS, byChar,4); SpiSentByte (AIRMS, byChar+4,4); SpiSentByte (BVRMS, byChar+8,4); SpiSentByte (BIRMS, byChar+12,4); SpiSentByte (CVRMS, byChar+16,4); SpiSentByte (CIRMS, byChar+20,4); } } 7．验证校准结果 参考文献： [1]. 国家标准 GB/T17215/Iec61036《1 级和 2级静止式交流有功电能表》 [2]. 三相多功能电能表技术发展的现状与展望，2009 [3]. ADE7878 datasheet. poly phase multifunction energy metering IC with per phase information, Analog Device，Inc., USA, 2009 [4]. Measuring Harmonic Energy with a Solid State Energy Meter, by Etienne Moulin, Analog Devices Inc., USA, 2003 [5]. Evaluation Board Documentation ADE7878 Energy Metering IC, Analog Device Inc., USA, 2009 作者简历： 孙建军（1979-），男，内蒙古人，硕士，世健国际贸易公司南京办事处现场应用 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师，主要从事工业， 仪器仪表，医疗电子等技术支持与研究。 通信格式：中国南京市中山南路 49 号商茂世纪广场 29层 A2座，世健国际贸易(上海)有限公司－南京办 事处，邮编 210005 Email: heron.sun@excelpoint.com.cn