基于ADE7878芯片的諧波電能表的設(shè)計(jì)方案

1.引言

隨著中國(guó)的社會(huì)用電量迅速增長(zhǎng)，全國(guó)特高壓電網(wǎng)建設(shè)，百萬(wàn)千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，家居網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程，以及電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)管理改進(jìn)和計(jì)量新技術(shù)應(yīng)用等要素，電能表市場(chǎng)發(fā)展迅猛，中國(guó)目前已成為世界電能計(jì)量行業(yè)最具有活力的市場(chǎng)。電能表市場(chǎng)需求正邁向前所未由的高速增長(zhǎng)期，電能表也從普通功能型向長(zhǎng)壽命、高精度、分時(shí)段、多功能、網(wǎng)絡(luò)化等高科技含量和高附加值的方向發(fā)展。本文主要介紹了ADI公司的三相高精度多功能電能計(jì)量芯片ADE7878，以及其在諧波計(jì)量中的應(yīng)用，重點(diǎn)闡述了ADE7878的功能特點(diǎn)，典型電路以及電能計(jì)量方法.

2．ADE7878電能計(jì)量精度

該ADE7878是美國(guó)ADI公司推出的三相高精度多功能電能計(jì)量芯片，超越了工業(yè)上對(duì)電能計(jì)量0.2級(jí)表的精度和動(dòng)態(tài)的要求。ADE7878的電壓和電流通道為24bit Σ-△型ADC，電壓和電流有效值在動(dòng)態(tài)范圍為1000：1的動(dòng)態(tài)下小于0.1%，電能在動(dòng)態(tài)1000：1下小于0.1%，在動(dòng)態(tài)3000：1下小于0.2%。具體性能如圖1所示。ADE7878提供I2C，SPI，HSDC多種數(shù)據(jù)接口和3個(gè)靈活的脈沖輸出，ADE7878可以同時(shí)提供基波有功和無(wú)功功率，總（基波+諧波）有功和無(wú)功功率，視在電能計(jì)量，基波有功和無(wú)功電能計(jì)量和RMS計(jì)算。

ADE7878適合測(cè)量各種三相配置下有功，無(wú)功和視在電能，如三相三線(xiàn)（角接）、三相四線(xiàn)（星形）以及其他的計(jì)量方式，同時(shí)也支持電流互感器（CT）和微分線(xiàn)圈電流傳感器，支持所有通道的波形數(shù)據(jù)輸出。該ADE7878支持多種校表方式，每一相階段，也就是有效值偏移校正，相位校準(zhǔn)和增益校準(zhǔn)。該CF1 ， CF2和CF3邏輯輸出提供了多種可供選擇：總/基波有功/無(wú)功功率，總視在功率，或總當(dāng)前有效值。

圖1. ADE7878 誤差動(dòng)態(tài)范圍有功電能性能

3． ADE7878工作原理與功能結(jié)構(gòu)圖

ADE7878功能框圖如圖2所示，ADE7878是一種高精確度的，支持EN50470-1，EN50470-3的標(biāo)準(zhǔn)，兼容三相三線(xiàn)，三相四線(xiàn)以及其他接線(xiàn)的多功能測(cè)量IC，帶有二路獨(dú)立的中斷申請(qǐng)輸出口，三路獨(dú)立的脈沖輸出口，更多的通訊接口（I2C， SPI， HSDC）。ADE7878集成了數(shù)字積分、參考基準(zhǔn)電壓源、溫度敏感元件等，內(nèi)置成熟的專(zhuān)用電能計(jì)量功能數(shù)字信號(hào)處理器，有可用于電流/電壓有效值測(cè)量，基波有功功率和無(wú)功功率、總(基波+諧波) 有功和無(wú)功功率，視在功率計(jì)量，同時(shí)提供有功和無(wú)功(基波+諧波)總能量，和基波有功和無(wú)功能量，諧波能量可通過(guò)簡(jiǎn)單減法運(yùn)算獲得。提供電池供電模式下的電流監(jiān)測(cè)，可用于防竊電檢測(cè)。ADE7878大部分內(nèi)部電路工作在 2.5V 電源上(芯片內(nèi)置的 LDO)， 寬電源輸入范圍2.4-3.7V供電。

ADE7878有七路模擬量輸入，分成電流和電壓兩個(gè)通道。電流通道由四對(duì)差分電壓輸入，分別是IAP，IAN；IBP，IBN；ICP，ICN，INP，INN。INP，INN可提供零線(xiàn)電流的有效值及瞬時(shí)值測(cè)量。這四個(gè)電流通道最大的信號(hào)電壓變化范圍為±0.5V。電流通道有一個(gè)可編程增益放大器（PGA1），放大器增益為1，2，4，8或16。除了PGA功能外，用于A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，通道1還具有輸入信號(hào)滿(mǎn)刻度選擇的功能。

電壓通道具有三路單端電壓輸入通道，分別為VAP，VBP和VCP。這些單電壓輸入端的最大輸入電壓變化范圍為±0.5V。相對(duì)于VN來(lái)說(shuō)，電壓通道有一個(gè)可編程放大器PGA3，放大器增益為1，2，4，8或16。由用戶(hù)編程來(lái)決定，所有的輸入通道的增益相同。

ADE7878提供系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，每一相階段，也就是有效值偏移校正，相位校準(zhǔn)和增益校準(zhǔn)， 提供了三路可配置脈沖輸出CF1 ， CF2和CF3，他們的邏輯輸出提供了多種可供選擇：總/基波有功/無(wú)功功率，總視在功率，或總的當(dāng)前有效值，在IRQ0中有三個(gè)獨(dú)立的中斷標(biāo)志位對(duì)應(yīng)3路脈沖，當(dāng)CF脈沖發(fā)生時(shí)，能量寄存器中的內(nèi)容可以被鎖存，從而確保多個(gè)相關(guān)的能量寄存器的內(nèi)容和CF發(fā)生時(shí)刻同步。ADE7878提供四種不同的電源模式，引腳PM0和PM1可以控制ADE7878進(jìn)入不同的功耗模式,如表1所示。

ADE7878提供了防竊電功能，可以在全失壓情況下提供電流信息，其零線(xiàn)可以提供瞬時(shí)值和有效值電流檢測(cè)，可計(jì)算各相電流瞬時(shí)值總和并與零線(xiàn)電流比較是否匹配。所有角度測(cè)量使用電壓和電流從負(fù)到正時(shí)的過(guò)零點(diǎn)，同時(shí)提供3個(gè)角度寄存器，可通過(guò)不同配置方式以獲取各種角度測(cè)量信息。

ADE7878提供三種串行通訊口: 復(fù)位后默認(rèn)為I2C 接口，其最高的通訊速度為400KHz, 讀操作最大64位數(shù)據(jù)被傳送速率= 64/400KHz = 160us. 在上電或硬件復(fù)位后,通過(guò)SS引腳上連續(xù)拉高置地三次,ADE7878進(jìn)入SPI通訊模式，其最高的通訊速度為2.5MHz. 主模式HSDC接口的最高的通訊速度為8MHz, 可以采集電壓、電流瞬時(shí)值以用于諧波分析計(jì)算, HSDC模式可以配置成只傳送三相電流＋零線(xiàn)電流＋三相電壓模式，也可以配置成只傳送九相功率瞬時(shí)值,在8MHz的時(shí)鐘下最快通訊耗時(shí)=16*32/8MHz=64us.

4．ADE7878典型硬件電路設(shè)計(jì)：

ADE7878的電壓電流通道輸入信號(hào)范圍為±0.5V，推薦加額定電壓Un時(shí)電壓通道輸入信號(hào)為250mV左右, 加最大電流Imax時(shí)電流通道輸入信號(hào)為300mV左右。筆者此次設(shè)計(jì)的電表額定電壓Un＝220V，電壓通道用4個(gè)330KΩ電阻和一個(gè)1KΩ電阻分壓，加額定電壓Un時(shí)輸入信號(hào)為249mV，但在實(shí)際的應(yīng)用中，筆者推薦客戶(hù)至少用7個(gè)以上電阻分壓，以提高抗干擾性能；電流互感器變比200：1，取樣電阻為2個(gè)5Ω電阻，加最大電流Imax（6A）時(shí)輸入信號(hào)為300mV。圖3為ADE7878的外圍電路圖。