基于ADE7758芯片的GPRS网络电能表的设计
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关键词：视在电能校准；数字软校表；算法；相位校准；
1.引言
目前国内GPRS网络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。笔者目前在做一个非洲的GPRS电能表时客户提出要计量视在电能，国内很少有这种需求，在市场上也很少能见到有此功能的电能表。经多方考察，笔者决定采用美国ADI公司的ADE7758三相多功能电能计量芯片。
ADE7758是美国ADI公司推出的三相高精度多功能电能计量芯片。ADE7758的电压通道为16bit ∑-△型ADC，动态范围为20：1；电流通道为24bit ∑-△型ADC，动态范围为500：1。ADE7758能计量有功电能，无功电能，视在电能,电压有效值，电流有效值,能对波形采样，能测量电压周期，频率等。ADE7758在1000：1的动态范围内线性误差小于0.1％。ADE7758有两路脉冲输出，一路为有功电能脉冲，另一路为无功/视在复用脉冲输出。ADE7758的有功，无功，视在电能可以分别独立调节，可以设计成不同的脉冲常数。
2.ADE7758外围硬件电路设计
ADE7758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＝240V，电压通道用5个200ΚΩ电阻和一个1ΚΩ电阻分压，加额定电压Un时输入信号为240mV；电流互感器变比300：1，取样电阻为2个7.5Ω电阻，加最大电流Imax时输入信号为300mV。图1为ADE7758的外围电路图。
图1 ADE7758电路图
3.视在电能计量
视在电能的的计量方法有两种：①算术方法： ，②矢量方法：S= 。对于一个纯正弦系统两种方法计量结果是相同的。在ADE7758中用的是算术方法。ADE7758在LINE CYCLE 累计模式下计量的有功/无功在同一周期，因此矢量方法很容易在外部MCU中实现。本次用ADE7758做电能计量时，有功电能计量是通过MCU采集ADE7758的有功脉冲输出管脚APCF，然后MCU累加脉冲数；无功电能计量是通过设定ADE7758让无功/视在复用脉冲输出无功脉冲信号，计量方法同有功电能计量一样。因为ADE7758只能输出两路脉冲信号， 而无功/视在复用脉冲输出设定为无功脉冲输出，所以视在电能计量就无法采用累计脉冲的方法了。本次设计中综合考虑MCU的任务及程序代码空间的限制，我们决定采用ADE7758的算术方法计量视在电能。注意视在电能总是正的，不考虑有功和无功的方向，电压有效值和电流有效值相乘产生视在电能。
4.ADE7758的校准流程.
ADE7758的校准有两种方法可供选择：①利用ADE7758的校表脉冲输出APCF/VARCF通过校表台来校准ADE7758，这种方式最为常用，生产厂家也都具备这些条件，但这种方式的缺点就是效率较低。②利用精密基准源，设置ADE7758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。
因为ADE7758的电压增益，电流增益都会对后续的有功/无功/视在能量有影响，所以ADE7758必须先校准电压增益，电流增益，ADE7758的校准要校准三相电压增益，三相电流增益，三相有功增益，三相无功增益，三相相位校准，视在电能门槛的校准。ADE7758的校准流程必须严格按图2所示流程进行：
图2 ADE7758校表流程图
5.校准ADE7758的算法
5.1电压电流一键校准
通过调整电压电流的增益可以弥补由于外围硬件电路的误差而导致计算的电压电流误差偏大。
因为ADE7758电压电流通道的线性很好，很容易满足系统对电压电流精度的要求，所以我们采用了一键校准的方法，以提高校表效率。具体实现方法如下：
⑴ 加入A相VN＝240V，电流Ib＝1.5A，PH=1，设定好校表台；
⑵ 用PDA清零电压增益器AVRMSGAIN，电流增益寄存器IGAIN；
⑶ 用PDA读取存器电压有效值AVRMS；
⑷ PDA根据公式： = ,求出电压增益写入ADE7758 ；⑸ 用PDA读取电流有效值AIRMS；
⑹ PDA根据公式： ,求出电流增益写入ADE7758。
5.2逐步校准有功/无功电能
为了控制电表的误差在规定的范围内以达到国标规定的电能表精度等级要求，我们希望能够逐步逼近的减小电表的误差，但是ADE7758应用手册提供的方法都是一步校准的，无法逐步逼近，这对电表的复校很不好，如果电表的复校误差不满足要求就不能在原来的基础上修改以逐步逼近，为了能够实现逐步逼近的减小误差我们采用了如下方法：
⑴ 加入A相VN＝220V，电流Ib＝1.5A，PH=1，设定好校表台；
⑵ 用PDA通过红外读取有功增益寄存器初始值AWG0的数值；
⑶ 把校表台显示的误差ER%值输入PDA；
⑷ PDA根据公式： , 求出有功增益AWG的值，写入ADE7758。
⑸ 改变电流，验证各点误差。（可控误差范围为：-33% <Er％<+100%，当误差超过范围时要调整外围硬件电路来解决。）
每次修改ADE7758的增益都是在原来的基础上根据现在的误差进行计算的，所以能逐步逼近来减小误差。BC相的校准同A相，无功的校准同有功校准类似,此处不再复述。
5.3校准视在电能
相对与校准有功/无功电能来说校准视在电能较复杂，因为有功/无功电能可以通过有功/无功脉冲输出APCF/VARCF通过校表台显示的误差进行校准。但是因为ADE7758的无功/视在管脚是复用的。 此次设计选择输出的是无功脉冲输出，因此视在电能的校准就不能通过校表台的方法校准了。ADE7758提供了一种计量模式：线路周期累计模式，这种模式是通过设定ADE7758使其累计整数个半波的能量，设定的半波数到时，ADE7758的状态寄存器相应的中断标志位就会置为1。如果中断屏蔽寄存器允许此中断，IRQ管脚就会有一个由高到低的跳变通知MCU半波周期已到，能量寄存器数据完成更新。在此次开发非洲网络电能表时，我们设定LINCYC=100，这样对50HZ的工频电网来说就是100个半波，也就是50个周期，即1秒的电量，设定了LCYCMODE=0C，即LVA=1使ADE7758视在电能计量以线路周期累计模式。
校准视在电能时加精密基准源 ：设置ADE7758工作在线路周期累计模式，校合相视在门槛S_GATE，存储在EEPOM中。具体实现方法：
⑴ 加入ABC相额定电压VN，ABC相额定电流Ib，PH=1，设定好校表台；
⑵ PDA读取A、B、C相视在电能AVAHR(07H)、BVAHR(08H)、CVAHR(09H)；
⑶ PDA根据公式： ，求出0.01KVAH的当量数值发给MCU；
⑷ MCU根据PDA发送的0.01KVAH的当量数值计算视在电能。
5.4逐步校准相位
当ADE7758采用ADI公司提供的典型电路设计1级电表时相位一般不用校准即可满足精度等级要求，但当用ADE7758设计0.5S或更高精度等级的电表时必须校准相位否则不满足误差要求。笔者用ADI公司提供的校准公式时发现并不能很好的校准电表，笔者所看到的关于ADE778校准相位的公式有多个，但验证没有一个是正确的。经笔者仔细研究ADE7758的资料发现有误，最终笔者自己推导出正确的公式，经实际运行效果很好，推导过程不再复述，具体校准过程如下(以A相为例)：
⑴ 加入A相VN＝220V，电流Ib＝1.5A，PH=0.5，设定好校表台；
⑵ 用PDA读相位寄存器APHCAL0的数值；
⑶ 把校表台误差值输入PDA(注意根据误差的正负选择公式)；
⑷ PDA根据误差值根据公式：
求出相位校准APHCAL的值，写入ADE7758。
⑸ 改变电流，验证各点误差。（可控误差范围为：-8% <Er％<+4%，当误差超过范围时要调整外围硬件电路来解决。）
6.结束语
本文的创新点是：通过对ADE7758寄存器的灵活配置使其工作在LINCYC模式实现了视在电能校准，同时设计了逐步逼近的校准方法进一步提高了计量精度。笔者根据手册自己推导出了相位校准的公式，实践证明一般情况下只需两步即可校准相位。采用ADE7758圆满的完成了此次设计任务。本系统现已在非洲现场运行，实践表明电能表运行稳定可靠，视在电能电量计算精确，完全满足客户的要求，得到了用户的一致好评。
参考文献：
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[2]. 邱关源 电路[M],北京:高等教育出版社，1989
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[4]. 侯丽华.基于电力载波的电能质量监测系统［J］．微计算机信息，2006，12-1：0120-03。
[5]. 李玉凯.朱有产.那琼澜.基于GPRS的防窃电实时监控系统设计［J］．微计算机信息，2006，12-1：0131-03。
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