基于ADE7758芯片的GPRS網(wǎng)絡(luò)電能表的設(shè)計(jì)

1.引言

目前國(guó)內(nèi)GPRS網(wǎng)絡(luò)電能表大多具有計(jì)量有功，無(wú)功，電壓，電流，需量，電壓跌落等功能。筆者目前在做一個(gè)非洲的GPRS電能表時(shí)客戶提出要計(jì)量視在電能，國(guó)內(nèi)很少有這種需求，在市場(chǎng)上也很少能見(jiàn)到有此功能的電能表。經(jīng)多方考察，筆者決定采用美國(guó)ADI公司的ADE7758三相多功能電能計(jì)量芯片。

ADE7758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。ADE7758的電壓通道為16bit ∑-△型ADC，動(dòng)態(tài)范圍為20：1；電流通道為24bit ∑-△型ADC，動(dòng)態(tài)范圍為500：1。ADE7758能計(jì)量有功電能，無(wú)功電能，視在電能,電壓有效值，電流有效值,能對(duì)波形采樣，能測(cè)量電壓周期，頻率等。ADE7758在1000：1的動(dòng)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(wú)功/視在復(fù)用脈沖輸出。ADE7758的有功，無(wú)功，視在電能可以分別獨(dú)立調(diào)節(jié)，可以設(shè)計(jì)成不同的脈沖常數(shù)。

2.ADE7758外圍硬件電路設(shè)計(jì)

ADE7758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＝240V，電壓通道用5個(gè)200ΚΩ電阻和一個(gè)1ΚΩ電阻分壓，加額定電壓Un時(shí)輸入信號(hào)為240mV；電流互感器變比300：1，取樣電阻為2個(gè)7.5Ω電阻，加最大電流Imax時(shí)輸入信號(hào)為300mV。圖1為ADE7758的外圍電路圖。

圖1 ADE7758電路圖

3.視在電能計(jì)量

視在電能的的計(jì)量方法有兩種：①算術(shù)方法： ，②矢量方法：S= 。對(duì)于一個(gè)純正弦系統(tǒng)兩種方法計(jì)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(jì)模式下計(jì)量的有功/無(wú)功在同一周期，因此矢量方法很容易在外部MCU中實(shí)現(xiàn)。本次用ADE7758做電能計(jì)量時(shí)，有功電能計(jì)量是通過(guò)MCU采集ADE7758的有功脈沖輸出管腳APCF，然后MCU累加脈沖數(shù)；無(wú)功電能計(jì)量是通過(guò)設(shè)定ADE7758讓無(wú)功/視在復(fù)用脈沖輸出無(wú)功脈沖信號(hào)，計(jì)量方法同有功電能計(jì)量一樣。因?yàn)锳DE7758只能輸出兩路脈沖信號(hào)， 而無(wú)功/視在復(fù)用脈沖輸出設(shè)定為無(wú)功脈沖輸出，所以視在電能計(jì)量就無(wú)法采用累計(jì)脈沖的方法了。本次設(shè)計(jì)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(jì)量視在電能。注意視在電能總是正的，不考慮有功和無(wú)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(guò)校表臺(tái)來(lái)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(diǎn)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(jì)模式。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是效率高，校準(zhǔn)比較快。

因?yàn)锳DE7758的電壓增益，電流增益都會(huì)對(duì)后續(xù)的有功/無(wú)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(wú)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(guò)調(diào)整電壓電流的增益可以彌補(bǔ)由于外圍硬件電路的誤差而導(dǎo)致計(jì)算的電壓電流誤差偏大。

因?yàn)锳DE7758電壓電流通道的線性很好，很容易滿足系統(tǒng)對(duì)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(shí)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(tái)；

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(wú)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(guó)標(biāo)規(guī)定的電能表精度等級(jí)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(cè)提供的方法都是一步校準(zhǔn)的，無(wú)法逐步逼近，這對(duì)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(lái)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(tái)；

⑵ 用PDA通過(guò)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(tái)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(yàn)證各點(diǎn)誤差。（可控誤差范圍為：-33% Er％+100%，當(dāng)誤差超過(guò)范圍時(shí)要調(diào)整外圍硬件電路來(lái)解決。）

每次修改ADE7758的增益都是在原來(lái)的基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)在的誤差進(jìn)行計(jì)算的，所以能逐步逼近來(lái)減小誤差。BC相的校準(zhǔn)同A相，無(wú)功的校準(zhǔn)同有功校準(zhǔn)類似,此處不再?gòu)?fù)述。

5.3校準(zhǔn)視在電能

相對(duì)與校準(zhǔn)有功/無(wú)功電能來(lái)說(shuō)校準(zhǔn)視在電能較復(fù)雜，因?yàn)橛泄?無(wú)功電能可以通過(guò)有功/無(wú)功脈沖輸出APCF/VARCF通過(guò)校表臺(tái)顯示的誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。但是因?yàn)锳DE7758的無(wú)功/視在管腳是復(fù)用的。 此次設(shè)計(jì)選擇輸出的是無(wú)功脈沖輸出，因此視在電能的校準(zhǔn)就不能通過(guò)校表臺(tái)的方法校準(zhǔn)了。ADE7758提供了一種計(jì)量模式：線路周期累計(jì)模式，這種模式是通過(guò)設(shè)定ADE7758使其累計(jì)整數(shù)個(gè)半波的能量，設(shè)定的半波數(shù)到時(shí)，ADE7758的狀態(tài)寄存器相應(yīng)的中斷標(biāo)志位就會(huì)置為1。如果中斷屏蔽寄存器允許此中斷，IRQ管腳就會(huì)有一個(gè)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(kāi)發(fā)非洲網(wǎng)絡(luò)電能表時(shí)，我們?cè)O(shè)定LINCYC=100，這樣對(duì)50HZ的工頻電網(wǎng)來(lái)說(shuō)就是100個(gè)半波，也就是50個(gè)周期，即1秒的電量，設(shè)定了LCYCMODE=0C，即LVA=1使ADE7758視在電能計(jì)量以線路周期累計(jì)模式。

校準(zhǔn)視在電能時(shí)加精密基準(zhǔn)源 ：設(shè)置ADE7758工作在線路周期累計(jì)模式，校合相視在門檻S_GATE，存儲(chǔ)在EEPOM中。具體實(shí)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(tái)；

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(jì)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(jì)1級(jí)電表時(shí)相位一般不用校準(zhǔn)即可滿足精度等級(jí)要求，但當(dāng)用ADE7758設(shè)計(jì)0.5S或更高精度等級(jí)的電表時(shí)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(shí)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(gè)，但驗(yàn)證沒(méi)有一個(gè)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(shí)際運(yùn)行效果很好，推導(dǎo)過(guò)程不再?gòu)?fù)述，具體校準(zhǔn)過(guò)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(tái)；

⑵ 用PDA讀相位寄存器APHCAL0的數(shù)值；

⑶ 把校表臺(tái)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(yàn)證各點(diǎn)誤差。（可控誤差范圍為：-8% Er％+4%，當(dāng)誤差超過(guò)范圍時(shí)要調(diào)整外圍硬件電路來(lái)解決。）

6.結(jié)束語(yǔ)

本文的創(chuàng)新點(diǎn)是：通過(guò)對(duì)ADE7758寄存器的靈活配置使其工作在LINCYC模式實(shí)現(xiàn)了視在電能校準(zhǔn)，同時(shí)設(shè)計(jì)了逐步逼近的校準(zhǔn)方法進(jìn)一步提高了計(jì)量精度。筆者根據(jù)手冊(cè)自己推導(dǎo)出了相位校準(zhǔn)的公式，實(shí)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(jì)任務(wù)。本系統(tǒng)現(xiàn)已在非洲現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，實(shí)踐表明電能表運(yùn)行穩(wěn)定可靠，視在電能電量計(jì)算精確，完全滿足客戶的要求，得到了用戶的一致好評(píng)。

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