基于ADE7878芯片的谐波电能表的设计方案

中心议题：
    *  基于ADE7878芯片的谐波电能表的设计

1.引言

随着中国的社会用电量迅速增长，全国特高压电网建设，百万千瓦级发电机并网，家居网络化进程，以及电网经营管理改进和计量新技术应用等要素，电能表市场发展迅猛，中国目前已成为世界电能计量行业最具有活力的市场。电能表市场需求正迈向前所未由的高速增长期，电能表也从普通功能型向长寿命、高精度、分时段、多功能、网络化等高科技含量和高附加值的方向发展。本文主要介绍了ADI公司的三相高精度多功能电能计量芯片ADE7878，以及其在谐波计量中的应用，重点阐述了ADE7878的功能特点，典型电路以及电能计量方法.

2．ADE7878电能计量精度

该ADE7878是美国ADI公司推出的三相高精度多功能电能计量芯片，超越了工业上对电能计量0.2级表的精度和动态的要求。ADE7878的电压和电流通道为24bit Σ-△型ADC，电压和电流有效值在动态范围为1000：1的动态下小于0.1%，电能在动态1000：1下小于0.1%，在动态3000：1下小于0.2%。具体性能如图1所示。ADE7878提供I2C，SPI，HSDC多种数据接口和3个灵活的脉冲输出，ADE7878可以同时提供基波有功和无功功率，总（基波+谐波）有功和无功功率，视在电能计量，基波有功和无功电能计量和RMS计算。

ADE7878适合测量各种三相配置下有功，无功和视在电能，如三相三线（角接）、三相四线（星形）以及其他的计量方式，同时也支持电流互感器（CT）和微分线圈电流传感器，支持所有通道的波形数据输出。该ADE7878支持多种校表方式，每一相阶段，也就是有效值偏移校正，相位校准和增益校准。该CF1 ， CF2和CF3逻辑输出提供了多种可供选择：总/基波有功/无功功率，总视在功率，或总当前有效值。

图1. ADE7878 误差动态范围有功电能性能

3． ADE7878工作原理与功能结构图

ADE7878功能框图如图2所示，ADE7878是一种高精确度的，支持EN50470-1，EN50470-3的标准，兼容三相三线，三相四线以及其他接线的多功能测量IC，带有二路独立的中断申请输出口，三路独立的脉冲输出口，更多的通讯接口（I2C， SPI， HSDC）。ADE7878集成了数字积分、参考基准电压源、温度敏感元件等，内置成熟的专用电能计量功能数字信号处理器，有可用于电流/电压有效值测量，基波有功功率和无功功率、总(基波+谐波) 有功和无功功率，视在功率计量，同时提供有功和无功(基波+谐波)总能量，和基波有功和无功能量，谐波能量可通过简单减法运算获得。提供电池供电模式下的电流监测，可用于防窃电检测。ADE7878大部分内部电路工作在 2.5V 电源上(芯片内置的 LDO)， 宽电源输入范围2.4-3.7V供电。

ADE7878有七路模拟量输入，分成电流和电压两个通道。电流通道由四对差分电压输入，分别是IAP，IAN；IBP，IBN；ICP，ICN，INP，INN。INP，INN可提供零线电流的有效值及瞬时值测量。这四个电流通道最大的信号电压变化范围为±0.5V。电流通道有一个可编程增益放大器（PGA1），放大器增益为1，2，4，8或16。除了PGA功能外，用于A/D转换时，通道1还具有输入信号满刻度选择的功能。
电压通道具有三路单端电压输入通道，分别为VAP，VBP和VCP。这些单电压输入端的最大输入电压变化范围为±0.5V。相对于VN来说，电压通道有一个可编程放大器PGA3，放大器增益为1，2，4，8或16。由用户编程来决定，所有的输入通道的增益相同。


ADE7878提供系统校准功能，每一相阶段，也就是有效值偏移校正，相位校准和增益校准， 提供了三路可配置脉冲输出CF1 ， CF2和CF3，他们的逻辑输出提供了多种可供选择：总/基波有功/无功功率，总视在功率，或总的当前有效值，在IRQ0中有三个独立的中断标志位对应3路脉冲，当CF脉冲发生时，能量寄存器中的内容可以被锁存，从而确保多个相关的能量寄存器的内容和CF发生时刻同步。ADE7878提供四种不同的电源模式，引脚PM0和PM1可以控制ADE7878进入不同的功耗模式,如表1所示。



ADE7878提供了防窃电功能，可以在全失压情况下提供电流信息，其零线可以提供瞬时值和有效值电流检测，可计算各相电流瞬时值总和并与零线电流比较是否匹配。所有角度测量使用电压和电流从负到正时的过零点，同时提供3个角度寄存器，可通过不同配置方式以获取各种角度测量信息。

ADE7878提供三种串行通讯口: 复位后默认为I2C 接口，其最高的通讯速度为400KHz, 读操作最大64位数据被传送速率= 64/400KHz = 160us. 在上电或硬件复位后,通过SS引脚上连续拉高置地三次,ADE7878进入SPI通讯模式，其最高的通讯速度为2.5MHz. 主模式HSDC接口的最高的通讯速度为8MHz, 可以采集电压、电流瞬时值以用于谐波分析计算, HSDC模式可以配置成只传送三相电流＋零线电流＋三相电压模式，也可以配置成只传送九相功率瞬时值,在8MHz的时钟下最快通讯耗时=16*32/8MHz=64us.

4．ADE7878典型硬件电路设计：

ADE7878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＝220V，电压通道用4个330KΩ电阻和一个1KΩ电阻分压，加额定电压Un时输入信号为249mV，但在实际的应用中，笔者推荐客户至少用7个以上电阻分压，以提高抗干扰性能；电流互感器变比200：1，取样电阻为2个5Ω电阻，加最大电流Imax（6A）时输入信号为300mV。图3为ADE7878的外围电路图。