基于ADE7758芯片的GPRS網(wǎng)絡(luò)電能表的設(shè)計
關(guān)鍵詞：視在電能校準(zhǔn)；數(shù)字軟校表；算法；相位校準(zhǔn)；
1.引言
目前國內(nèi)GPRS網(wǎng)絡(luò)電能表大多具有計量有功，無功，電壓，電流，需量，電壓跌落等功能。筆者目前在做一個非洲的GPRS電能表時客戶提出要計量視在電能，國內(nèi)很少有這種需求，在市場上也很少能見到有此功能的電能表。經(jīng)多方考察，筆者決定采用美國ADI公司的ADE7758三相多功能電能計量芯片。
ADE7758是美國ADI公司推出的三相高精度多功能電能計量芯片。ADE7758的電壓通道為16bit ∑-△型ADC，動態(tài)范圍為20：1；電流通道為24bit ∑-△型ADC，動態(tài)范圍為500：1。ADE7758能計量有功電能，無功電能，視在電能,電壓有效值，電流有效值,能對波形采樣，能測量電壓周期，頻率等。ADE7758在1000：1的動態(tài)范圍內(nèi)線性誤差小于0.1％。ADE7758有兩路脈沖輸出，一路為有功電能脈沖，另一路為無功/視在復(fù)用脈沖輸出。ADE7758的有功，無功，視在電能可以分別獨立調(diào)節(jié)，可以設(shè)計成不同的脈沖常數(shù)。
2.ADE7758外圍硬件電路設(shè)計
ADE7758的電壓電流通道輸入信號范圍為±0.5V，推薦加額定電壓Un時電壓通道輸入信號為250mV左右, 加最大電流Imax時電流通道輸入信號為300mV左右。筆者此次設(shè)計的電表額定電壓Un＝240V，電壓通道用5個200ΚΩ電阻和一個1ΚΩ電阻分壓，加額定電壓Un時輸入信號為240mV；電流互感器變比300：1，取樣電阻為2個7.5Ω電阻，加最大電流Imax時輸入信號為300mV。圖1為ADE7758的外圍電路圖。
圖1 ADE7758電路圖
3.視在電能計量
視在電能的的計量方法有兩種：①算術(shù)方法： ，②矢量方法：S= 。對于一個純正弦系統(tǒng)兩種方法計量結(jié)果是相同的。在ADE7758中用的是算術(shù)方法。ADE7758在LINE CYCLE 累計模式下計量的有功/無功在同一周期，因此矢量方法很容易在外部MCU中實現(xiàn)。本次用ADE7758做電能計量時，有功電能計量是通過MCU采集ADE7758的有功脈沖輸出管腳APCF，然后MCU累加脈沖數(shù)；無功電能計量是通過設(shè)定ADE7758讓無功/視在復(fù)用脈沖輸出無功脈沖信號，計量方法同有功電能計量一樣。因為ADE7758只能輸出兩路脈沖信號， 而無功/視在復(fù)用脈沖輸出設(shè)定為無功脈沖輸出，所以視在電能計量就無法采用累計脈沖的方法了。本次設(shè)計中綜合考慮MCU的任務(wù)及程序代碼空間的限制，我們決定采用ADE7758的算術(shù)方法計量視在電能。注意視在電能總是正的，不考慮有功和無功的方向，電壓有效值和電流有效值相乘產(chǎn)生視在電能。
4.ADE7758的校準(zhǔn)流程.
ADE7758的校準(zhǔn)有兩種方法可供選擇：①利用ADE7758的校表脈沖輸出APCF/VARCF通過校表臺來校準(zhǔn)ADE7758，這種方式最為常用，生產(chǎn)廠家也都具備這些條件，但這種方式的缺點就是效率較低。②利用精密基準(zhǔn)源，設(shè)置ADE7758工作在線路周期累計模式。這種模式的優(yōu)點是效率高，校準(zhǔn)比較快。
因為ADE7758的電壓增益，電流增益都會對后續(xù)的有功/無功/視在能量有影響，所以ADE7758必須先校準(zhǔn)電壓增益，電流增益，ADE7758的校準(zhǔn)要校準(zhǔn)三相電壓增益，三相電流增益，三相有功增益，三相無功增益，三相相位校準(zhǔn)，視在電能門檻的校準(zhǔn)。ADE7758的校準(zhǔn)流程必須嚴(yán)格按圖2所示流程進(jìn)行：
圖2 ADE7758校表流程圖
5.校準(zhǔn)ADE7758的算法
5.1電壓電流一鍵校準(zhǔn)
通過調(diào)整電壓電流的增益可以彌補由于外圍硬件電路的誤差而導(dǎo)致計算的電壓電流誤差偏大。
因為ADE7758電壓電流通道的線性很好，很容易滿足系統(tǒng)對電壓電流精度的要求，所以我們采用了一鍵校準(zhǔn)的方法，以提高校表效率。具體實現(xiàn)方法如下：
⑴ 加入A相VN＝240V，電流Ib＝1.5A，PH=1，設(shè)定好校表臺；
⑵ 用PDA清零電壓增益器AVRMSGAIN，電流增益寄存器IGAIN；
⑶ 用PDA讀取存器電壓有效值A(chǔ)VRMS；
⑷ PDA根據(jù)公式： = ,求出電壓增益寫入ADE7758 ；⑸ 用PDA讀取電流有效值A(chǔ)IRMS；
⑹ PDA根據(jù)公式： ,求出電流增益寫入ADE7758。
5.2逐步校準(zhǔn)有功/無功電能
為了控制電表的誤差在規(guī)定的范圍內(nèi)以達(dá)到國標(biāo)規(guī)定的電能表精度等級要求，我們希望能夠逐步逼近的減小電表的誤差，但是ADE7758應(yīng)用手冊提供的方法都是一步校準(zhǔn)的，無法逐步逼近，這對電表的復(fù)校很不好，如果電表的復(fù)校誤差不滿足要求就不能在原來的基礎(chǔ)上修改以逐步逼近，為了能夠?qū)崿F(xiàn)逐步逼近的減小誤差我們采用了如下方法：
⑴ 加入A相VN＝220V，電流Ib＝1.5A，PH=1，設(shè)定好校表臺；
⑵ 用PDA通過紅外讀取有功增益寄存器初始值A(chǔ)WG0的數(shù)值；
⑶ 把校表臺顯示的誤差ER%值輸入PDA；
⑷ PDA根據(jù)公式： , 求出有功增益AWG的值，寫入ADE7758。
⑸ 改變電流，驗證各點誤差。（可控誤差范圍為：-33% <Er％<+100%，當(dāng)誤差超過范圍時要調(diào)整外圍硬件電路來解決。）
每次修改ADE7758的增益都是在原來的基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)在的誤差進(jìn)行計算的，所以能逐步逼近來減小誤差。BC相的校準(zhǔn)同A相，無功的校準(zhǔn)同有功校準(zhǔn)類似,此處不再復(fù)述。
5.3校準(zhǔn)視在電能
相對與校準(zhǔn)有功/無功電能來說校準(zhǔn)視在電能較復(fù)雜，因為有功/無功電能可以通過有功/無功脈沖輸出APCF/VARCF通過校表臺顯示的誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。但是因為ADE7758的無功/視在管腳是復(fù)用的。 此次設(shè)計選擇輸出的是無功脈沖輸出，因此視在電能的校準(zhǔn)就不能通過校表臺的方法校準(zhǔn)了。ADE7758提供了一種計量模式：線路周期累計模式，這種模式是通過設(shè)定ADE7758使其累計整數(shù)個半波的能量，設(shè)定的半波數(shù)到時，ADE7758的狀態(tài)寄存器相應(yīng)的中斷標(biāo)志位就會置為1。如果中斷屏蔽寄存器允許此中斷，IRQ管腳就會有一個由高到低的跳變通知MCU半波周期已到，能量寄存器數(shù)據(jù)完成更新。在此次開發(fā)非洲網(wǎng)絡(luò)電能表時，我們設(shè)定LINCYC=100，這樣對50HZ的工頻電網(wǎng)來說就是100個半波，也就是50個周期，即1秒的電量，設(shè)定了LCYCMODE=0C，即LVA=1使ADE7758視在電能計量以線路周期累計模式。
校準(zhǔn)視在電能時加精密基準(zhǔn)源 ：設(shè)置ADE7758工作在線路周期累計模式，校合相視在門檻S_GATE，存儲在EEPOM中。具體實現(xiàn)方法：
⑴ 加入ABC相額定電壓VN，ABC相額定電流Ib，PH=1，設(shè)定好校表臺；
⑵ PDA讀取A、B、C相視在電能AVAHR(07H)、BVAHR(08H)、CVAHR(09H)；
⑶ PDA根據(jù)公式： ，求出0.01KVAH的當(dāng)量數(shù)值發(fā)給MCU；
⑷ MCU根據(jù)PDA發(fā)送的0.01KVAH的當(dāng)量數(shù)值計算視在電能。
5.4逐步校準(zhǔn)相位
當(dāng)ADE7758采用ADI公司提供的典型電路設(shè)計1級電表時相位一般不用校準(zhǔn)即可滿足精度等級要求，但當(dāng)用ADE7758設(shè)計0.5S或更高精度等級的電表時必須校準(zhǔn)相位否則不滿足誤差要求。筆者用ADI公司提供的校準(zhǔn)公式時發(fā)現(xiàn)并不能很好的校準(zhǔn)電表，筆者所看到的關(guān)于ADE778校準(zhǔn)相位的公式有多個，但驗證沒有一個是正確的。經(jīng)筆者仔細(xì)研究ADE7758的資料發(fā)現(xiàn)有誤，最終筆者自己推導(dǎo)出正確的公式，經(jīng)實際運行效果很好，推導(dǎo)過程不再復(fù)述，具體校準(zhǔn)過程如下(以A相為例)：
⑴ 加入A相VN＝220V，電流Ib＝1.5A，PH=0.5，設(shè)定好校表臺；
⑵ 用PDA讀相位寄存器APHCAL0的數(shù)值；
⑶ 把校表臺誤差值輸入PDA(注意根據(jù)誤差的正負(fù)選擇公式)；
⑷ PDA根據(jù)誤差值根據(jù)公式：
求出相位校準(zhǔn)APHCAL的值，寫入ADE7758。
⑸ 改變電流，驗證各點誤差。（可控誤差范圍為：-8% <Er％<+4%，當(dāng)誤差超過范圍時要調(diào)整外圍硬件電路來解決。）
6.結(jié)束語
本文的創(chuàng)新點是：通過對ADE7758寄存器的靈活配置使其工作在LINCYC模式實現(xiàn)了視在電能校準(zhǔn)，同時設(shè)計了逐步逼近的校準(zhǔn)方法進(jìn)一步提高了計量精度。筆者根據(jù)手冊自己推導(dǎo)出了相位校準(zhǔn)的公式，實踐證明一般情況下只需兩步即可校準(zhǔn)相位。采用ADE7758圓滿的完成了此次設(shè)計任務(wù)。本系統(tǒng)現(xiàn)已在非洲現(xiàn)場運行，實踐表明電能表運行穩(wěn)定可靠，視在電能電量計算精確，完全滿足客戶的要求，得到了用戶的一致好評。
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