基于ADE7758芯片的GPRS網絡電能表的設計

1.引言

目前國內GPRS網絡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，動態范圍為20：1；電流通道為24bit ∑-△型ADC，動態范圍為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的動態范圍內線性誤差小于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/視在復用脈沖輸出。ADE7758的有功，無功，視在電能可以分別獨立調節，可以設計成不同的脈沖常數。

2.ADE7758外圍硬件電路設計

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算術方法： ，②矢量方法：S= 。對于一個純正弦系統兩種方法計量結果是相同的。在ADE7758中用的是算術方法。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。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；無功電能計量是通過設定ADE7758讓無功/視在復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/視在復用脈沖輸出設定為無功脈沖輸出，所以視在電能計量就無法采用累計脈沖的方法了。本次設計中綜合考慮MCU的任務及程序代碼空間的限制，我們決定采用ADE7758的算術方法計量視在電能。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生視在電能。

4.ADE7758的校準流程.

ADE7758的校準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ADE7758，這種方式最為常用，生產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利用精密基準源，設置ADE7758工作在線路周期累計模式。這種模式的優點是效率高，校準比較快。

因為ADE7758的電壓增益，電流增益都會對后續的有功/無功/視在能量有影響，所以ADE7758必須先校準電壓增益，電流增益，ADE7758的校準要校準三相電壓增益，三相電流增益，三相有功增益，三相無功增益，三相相位校準，視在電能門檻的校準。ADE7758的校準流程必須嚴格按圖2所示流程進行：

圖2 ADE7758校表流程圖

5.校準ADE7758的算法

5.1電壓電流一鍵校準

通過調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，很容易滿足系統對電壓電流精度的要求，所以我們采用了一鍵校準的方法，以提高校表效率。具體實現方法如下：

⑴ 加入A相VN＝240V，電流Ib＝1.5A，PH=1，設定好校表臺；

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AVRMS；

⑷ PDA根據公式： =,求出電壓增益寫入ADE7758 ；⑸ 用PDA讀取電流有效值AIRMS；

⑹ PDA根據公式：,求出電流增益寫入ADE7758。

5.2逐步校準有功/無功電能

為了控制電表的誤差在規定的范圍內以達到國標規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應用手冊提供的方法都是一步校準的，無法逐步逼近，這對電表的復校很不好，如果電表的復校誤差不滿足要求就不能在原來的基礎上修改以逐步逼近，為了能夠實現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，設定好校表臺；

⑵ 用PDA通過紅外讀取有功增益寄存器初始值AWG0的數值；

⑶ 把校表臺顯示的誤差ER%值輸入PDA；

⑷ PDA根據公式：, 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%，當誤差超過范圍時要調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上根據現在的誤差進行計算的，所以能逐步逼近來減小誤差。BC相的校準同A相，無功的校準同有功校準類似,此處不再復述。

5.3校準視在電能

相對與校準有功/無功電能來說校準視在電能較復雜，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行校準。但是因為ADE7758的無功/視在管腳是復用的。 此次設計選擇輸出的是無功脈沖輸出，因此視在電能的校準就不能通過校表臺的方法校準了。ADE7758提供了一種計量模式：線路周期累計模式，這種模式是通過設定ADE7758使其累計整數個半波的能量，設定的半波數到時，ADE7758的狀態寄存器相應的中斷標志位就會置為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，能量寄存器數據完成更新。在此次開發非洲網絡電能表時，我們設定LINCYC=100，這樣對50HZ的工頻電網來說就是100個半波，也就是50個周期，即1秒的電量，設定了LCYCMODE=0C，即LVA=1使ADE7758視在電能計量以線路周期累計模式。

校準視在電能時加精密基準源 ：設置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。具體實現方法：

⑴ 加入ABC相額定電壓VN，ABC相額定電流Ib，PH=1，設定好校表臺；

⑵ PDA讀取A、B、C相視在電能AVAHR(07H)、BVAHR(08H)、CVAHR(09H)；

⑶ PDA根據公式： ，求出0.01KVAH的當量數值發給MCU；

⑷ MCU根據PDA發送的0.01KVAH的當量數值計算視在電能。

5.4逐步校準相位

當ADE7758采用ADI公司提供的典型電路設計1級電表時相位一般不用校準即可滿足精度等級要求，但當用ADE7758設計0.5S或更高精度等級的電表時必須校準相位否則不滿足誤差要求。筆者用ADI公司提供的校準公式時發現并不能很好的校準電表，筆者所看到的關于ADE778校準相位的公式有多個，但驗證沒有一個是正確的。經筆者仔細研究ADE7758的資料發現有誤，最終筆者自己推導出正確的公式，經實際運行效果很好，推導過程不再復述，具體校準過程如下(以A相為例)：

⑴ 加入A相VN＝220V，電流Ib＝1.5A，PH=0.5，設定好校表臺；

⑵ 用PDA讀相位寄存器APHCAL0的數值；

⑶ 把校表臺誤差值輸入PDA(注意根據誤差的正負選擇公式)；

⑷ PDA根據誤差值根據公式：

求出相位校準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%，當誤差超過范圍時要調整外圍硬件電路來解決。）

6.結束語

本文的創新點是：通過對ADE7758寄存器的靈活配置使其工作在LINCYC模式實現了視在電能校準，同時設計了逐步逼近的校準方法進一步提高了計量精度。筆者根據手冊自己推導出了相位校準的公式，實踐證明一般情況下只需兩步即可校準相位。采用ADE7758圓滿的完成了此次設計任務。本系統現已在非洲現場運行，實踐表明電能表運行穩定可靠，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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