馬貴娟，張延敬

（國網(wǎng)山東省電力公司冠縣供電公司，山東聊城，252500）

0 前言

ADE7880電能計(jì)量芯片能夠滿足智能電表的技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)更加全面的系統(tǒng)測(cè)量、收集、存儲(chǔ)、分析以及運(yùn)用等處理功能，并起到防止篡改、竊電監(jiān)測(cè)、雙向電能計(jì)量、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)等多種功能，是目前電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中最具優(yōu)勢(shì)的電能計(jì)量芯片，具有較大優(yōu)勢(shì)。

1 電能計(jì)量芯片ADE7880

其是一款高精度、三相電能計(jì)量IC，采用串行接口，提供三路靈活的脈沖輸出。芯片內(nèi)含有二階轉(zhuǎn)換器，數(shù)字積分其以及所有必備的信號(hào)處理器。其能夠計(jì)算相位以及零線電流的諧波方根，或相位上各諧波上功率因數(shù)以及諧波失真。其適合三線、四線的三相配置有功、無功和視在功率。其內(nèi)部具有波形采集存儲(chǔ)器，允許訪問所有ADC輸出。且該期間還提供電能質(zhì)量檢測(cè)，若存在瞬時(shí)電壓或電流，可及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，預(yù)警。ADE7880可利用兩個(gè)端口進(jìn)行通信，專用高速數(shù)據(jù)采集端口與I2C配合，提高輸出功率信息。其內(nèi)部兩個(gè)中斷請(qǐng)求可避免盜竊篡改行為，確保電能的連續(xù)累積[1]。

2 電能計(jì)量芯片ADE7880在智能電表中的應(yīng)用

■2.1 智能電表硬件以及工作原理

以ADE7880最小系統(tǒng)模塊，單片機(jī)模塊、通訊模塊等為主要硬件。智能電表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該智能電表具有：實(shí)時(shí)顯示電壓、電流、功率參數(shù)等功能；可顯示電壓波形；可顯示諧波柱狀圖；可定時(shí)記錄電能、電壓、電流等參數(shù)。系統(tǒng)總框架內(nèi)包含，系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)板塊。可對(duì)系統(tǒng)功能、技術(shù)指標(biāo)等進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，調(diào)查，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。對(duì)多個(gè)方案進(jìn)行權(quán)衡，最后確定最優(yōu)方案。電表系統(tǒng)內(nèi)采用ADE7880為電能計(jì)量芯片，利用I2C總線配置并讀取芯片有關(guān)參數(shù)，利用RS—232總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并在計(jì)算機(jī)中實(shí)時(shí)顯示。智能電表中常采用1∶1的電壓，外圍電路較為簡單，但精度較高?？善鸬胶芎玫母綦x作用，提高采樣精度。

圖1 智能電表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

■2.2 電能與諧波的測(cè)量

ADE7880芯片可利用線周期累積模式計(jì)算有功電能、無功電能等，消除波紋，測(cè)量短時(shí)間內(nèi)的電能。ADE7880中分有兩個(gè)階段，以實(shí)現(xiàn)有功功率信號(hào)的積分處理。這個(gè)過程中，無功功率與基波無功功率相同。每次達(dá)到閾值時(shí)，芯片會(huì)產(chǎn)生脈沖，并在互聯(lián)網(wǎng)寄存器中減去閾值。此時(shí)，電能符號(hào)將被視為有功功率符號(hào)。

ADE7880芯片的諧波計(jì)算具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是智能電表中的重要組成部分。其內(nèi)部含有諧波引擎，可依次分析一個(gè)相位。最多可計(jì)算50多次的諧波。在特性相位中，其每次可計(jì)算最多三次的諧波信息，待諧波建立完成后，等待500ms左右，可進(jìn)行更新?？梢?，ADE7880芯片在處理三次諧波而言，具有較大優(yōu)勢(shì)。但處理56次諧波時(shí)，每次更新需要9秒，對(duì)智能電表的系統(tǒng)應(yīng)用形成一定阻礙。

■2.3 電壓通道與電流通道

智能電表在正常狀態(tài)下，可執(zhí)行復(fù)位操作。即使得reset引腳拉低并保持在10us再回到高電平時(shí)，可使得芯片復(fù)位，內(nèi)部存儲(chǔ)器重置為默認(rèn)值。各通道中帶有編程增益放大器，以及增益寄存器，以及高通濾波器，以防治有效功率測(cè)量產(chǎn)生誤差。

ADE7880芯片存在過零檢測(cè)電路，其路徑不包含過零檢測(cè)電路。器件利用輸出端口產(chǎn)生過零時(shí)間，低通濾波器可消除50Hz以及60Hz的所有諧波，識(shí)別電流與電壓所產(chǎn)生的過零事件。該數(shù)字諧波器在80HZ時(shí)有一個(gè)極點(diǎn)，且時(shí)鐘速率為256Hz。因此，在輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間存在相位滯后時(shí)，可將50HZ系統(tǒng)的ZX檢測(cè)誤差進(jìn)行調(diào)整。

ADE7880芯片在電壓通道中提供周期測(cè)量，每個(gè)相電壓的周期經(jīng)過測(cè)量后分別存儲(chǔ)在相應(yīng)的存儲(chǔ)器中。周期寄存器為16位無符號(hào)寄存器。每個(gè)周期更新一次。同時(shí)，確保濾波器建立的時(shí)間為30MS到40MS，確保測(cè)量時(shí)間穩(wěn)定。單機(jī)片完成對(duì)芯片的驅(qū)動(dòng)后，可利用接口讀取相應(yīng)的寄存器，并適時(shí)更新，其更新值利用公式進(jìn)行計(jì)算[2]。

■2.4 智能電表的計(jì)量程序分析

其計(jì)量程度可采用編程方式進(jìn)行。主控芯片對(duì)接口程序進(jìn)行初始化，設(shè)置PM0=1，PM1=0，選擇芯片電源模式，拉低引腳，對(duì)芯片進(jìn)行復(fù)位工作，再設(shè)置芯片通信模式。由于執(zhí)行復(fù)位工作后，芯片將默認(rèn)I2C為活躍端口，主控芯片要利用端口必須在引腳上切換至高電平值后，再執(zhí)行端口方可操作。通信模式選定后，對(duì)該芯片進(jìn)行存儲(chǔ)器設(shè)置，啟動(dòng)數(shù)字處理器，開始工作。由上文可知，ADE7880芯片具有三個(gè)中斷事件，通過引腳出發(fā)中斷操作。故此，芯片接收到中斷信號(hào)時(shí)，需要讀取中斷狀態(tài)存儲(chǔ)器，并識(shí)別存儲(chǔ)器中的標(biāo)記位置，判斷中斷事件，繼續(xù)執(zhí)行相應(yīng)事件的中斷服務(wù)程序。

在ADE7880芯片中的中斷寄存器中，存在中斷開關(guān)，并分別用于三相或基波有功等符號(hào)變化中。當(dāng)該開關(guān)全部開啟時(shí)，任何一相功率出現(xiàn)反向時(shí)，都將引起芯片執(zhí)行中斷任務(wù)，STM32芯片識(shí)別中斷信號(hào)后，可查詢芯片中的寄存器，判別功率流向正負(fù)情況，并按照符號(hào)進(jìn)行分類存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)電能的雙向計(jì)量。

對(duì)于防竊檢測(cè)而言，三相系統(tǒng)中的零線電流等于電位電流的代數(shù)。若數(shù)值之間存在失配情況，則可判斷該系統(tǒng)中存在竊電行為，或漏電行為。ADE7880芯片中有帶符號(hào)的寄存器，該寄存器中保存著所有相電流的代數(shù)和。零線電流中有效的值保存在其他寄存器中，因此可對(duì)這兩個(gè)寄存器中的值進(jìn)行計(jì)算，取絕對(duì)值，最后進(jìn)行比較。ADE7880芯片中的閾值用于竊電保護(hù)以及報(bào)警指示，因此需要進(jìn)行初始化設(shè)定。當(dāng)閾值不在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，即可判斷發(fā)生了竊電行為，并開啟中斷開關(guān)，產(chǎn)生中斷信號(hào)，發(fā)出竊電警報(bào)。

ADE7880芯片在軟件較表中，通常采用兩種方法。其一，使用精確源執(zhí)行校準(zhǔn)工作。其二，使用外部基準(zhǔn)電表執(zhí)行校準(zhǔn)工作。第一種方法的精準(zhǔn)度較高，但要求輸入可控制的電壓與電流，對(duì)精確源的要求較高。第二種方法利用CF邏輯脈沖輸出，雖會(huì)產(chǎn)生一定誤差，但最終測(cè)試的結(jié)果相對(duì)較為準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

綜上所述，ADE7880芯片在智能電表中的應(yīng)用范圍較為廣泛，本文主要分析了其硬件設(shè)施與軟件設(shè)計(jì)的有關(guān)內(nèi)容。該芯片能夠滿足智能電表的技術(shù)要求，并以高精準(zhǔn)度、全功能性，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。便于智能電表的測(cè)量、分析、存儲(chǔ)等眾多工作，是智能電表的首選配件。