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    鐘智勇  (1967—)
男，廣東廣州人，本科，工程師，現(xiàn)就職于廣東電網(wǎng)公司廣州增城供電局，從事電力運(yùn)營(yíng)工作。

摘要:目前我國(guó)的三相電子式電能表仍有相當(dāng)部分是采用在采樣通道增加電阻網(wǎng)絡(luò)的方式來(lái)調(diào)整誤差，該方法增加了系統(tǒng)的元器件數(shù)量從而使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和計(jì)量精度均受到影響。本文從數(shù)字校準(zhǔn)的角度采用新型的計(jì)量芯片ADE7756，對(duì)其內(nèi)部的各個(gè)計(jì)算環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到調(diào)整精度的目的，并將其實(shí)際應(yīng)用。測(cè)試結(jié)果表明，該方法可以有效的節(jié)省硬件成本，使電能計(jì)量更加精確、穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞:電能校準(zhǔn)；增益校準(zhǔn)；有功功率

Abstract: At present people add the resistance network in the sampling channel to adjust the three-phases electronic meter’s error in China. The method adds a lot of components in the system so the meter’s stability and precision are influenced. This paper describes one method that adjusts the parameter in each calculation section based on a new measure IC－ADE7756 in order to calibrate the measurement error. We pus this method into practice and the practical result indicates that the method can effectively cut down the hardware cost. The most important thing is that we observably improve the electronic meter’s precision and the stability.

Key words: power calibration; gain calibration; active power

1 引言

    電子式電能表一般采用高精度、多通道A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電流、電壓采樣，再通過(guò)微處理器的軟件來(lái)計(jì)算和補(bǔ)償誤差，然后發(fā)出脈沖，進(jìn)行控制顯示。

    ADE7756是一種帶有串行接口和脈沖輸出的高精度電能計(jì)量集成電路。它含有兩個(gè)二階、基準(zhǔn)電壓源、溫度傳感器和有功功率與有功電能量所需的全部信號(hào)處理功能。

    ADE7756包含一個(gè)采樣波形寄存器和一個(gè)至少能保持5秒滿負(fù)載累積功率的有功電能寄存器。寄存器中的數(shù)據(jù)經(jīng)串行接口讀出。ADE7756還提供頻率與有功功率成正比的脈沖輸出(CF)。

    除有功功率信息外，ADE7756還提供系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，即通道失調(diào)校正、相位校準(zhǔn)和功率校準(zhǔn)。該器件還包含短持續(xù)時(shí)間線電壓降低或線電壓跌落檢測(cè)電路。線電壓跌落值和跌落變化的持續(xù)時(shí)間(線電壓半周期數(shù))可由用戶設(shè)置。當(dāng)發(fā)生線電壓跌落時(shí)，漏極開(kāi)路邏輯輸出(SAG)將變?yōu)橛行У碗娖健?BR>
    過(guò)零輸出(ZX)產(chǎn)生與線電壓過(guò)零同步的輸出信號(hào)。ZX輸出可用來(lái)從線電壓中提取時(shí)序或頻率信息。ZX信號(hào)還用于芯片內(nèi)部校準(zhǔn)工作方式。這就能更快、更精確地校準(zhǔn)有功功率的計(jì)算結(jié)果。該信號(hào)也可用于繼電器切換與過(guò)零電壓同步，從而通過(guò)減少電弧的危險(xiǎn)來(lái)延長(zhǎng)繼電器壽命。

    中斷請(qǐng)求輸出是一種漏極開(kāi)路的低電平有效邏輯輸出。當(dāng)累積有功功率寄存器半滿或寄存器全滿溢出時(shí)，IRQ輸出便成為有效輸出。中斷狀態(tài)寄存器用來(lái)指示中斷的原因。

2 工作原理

    電能的基本表達(dá)式如式(1)所示：

        (1)
　　
    式中，分別是瞬時(shí)電壓、電流、功率值，所以測(cè)量電能的基本方法是將電壓電流相乘，然后在時(shí)間上再累加(即積分)起來(lái)。為了便于自動(dòng)化測(cè)量，將功率轉(zhuǎn)換成脈沖頻率輸出。就是說(shuō)，被測(cè)電壓、電流接入電子式電能表之后，電能表能夠輸出一個(gè)電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)脈沖f_H(或f_L)。這是設(shè)計(jì)電子式電能表的一個(gè)重要參數(shù)，也是電子式電能表的最基本工作原理。由此可知，測(cè)功率就是測(cè)頻率。測(cè)頻率，就是在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。若要測(cè)量電能，可以根據(jù)電子式電能表的基本原理求出每個(gè)脈沖所代表的電能值，即脈沖當(dāng)量，如式（2）所示：
                             
        (2)

    這樣，若在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可測(cè)得電能值。根據(jù)電能表基本工作原理，電子式電能表的電表常數(shù)也可以求出，如式（3）所示：
　　　　　　　　　　            
    

3 電能校準(zhǔn)

    利用通道2內(nèi)的片內(nèi)過(guò)零檢測(cè)，可以簡(jiǎn)化電能校準(zhǔn)，并能顯著減少校準(zhǔn)電能表所需的時(shí)間。為了使用過(guò)零檢測(cè)，在工作方式寄存器中設(shè)置位7 (CMODE)，使ADE7756處于校準(zhǔn)工作方式。在校準(zhǔn)工作方式，ADE7756對(duì)整數(shù)個(gè)半周期內(nèi)有功電能寄存器中的有功功率信號(hào)進(jìn)行累加(積分)，如圖2所示。在SAGCYC寄存器中規(guī)定線電壓半周期數(shù)。ADE7756能對(duì)高達(dá)255個(gè)半周期的有功功率進(jìn)行累加。由于是對(duì)整數(shù)個(gè)線電壓周期的有功功率進(jìn)行積分，所以正弦分量被減小到零。這便消除了電能計(jì)算中的任何紋波。因?yàn)榉e分周期可以縮短，所以能在較短時(shí)間內(nèi)比較精確地計(jì)算電能。在電能校準(zhǔn)周期結(jié)束處，中斷狀態(tài)寄存器中SAG標(biāo)志被置位，這時(shí)SAG輸出變?yōu)橛行У碗娖?。若中斷允許寄存器中的SAG允許位有效，則IRQ輸出也將變?yōu)橛行У碗娖健Ｒ虼?，IRQ線也能用來(lái)發(fā)出校準(zhǔn)結(jié)束信號(hào)。只要工作方式寄存器中CMODE位被置位，便開(kāi)始半個(gè)校準(zhǔn)周期。應(yīng)當(dāng)指出，第一次校準(zhǔn)的結(jié)果是無(wú)效的，必須予以舍棄。以后所有校準(zhǔn)周期的結(jié)果都正確。

4 平均有功功率的計(jì)算

    對(duì)ADE7756進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，第一步是針對(duì)某個(gè)所需的儀表常數(shù)(例如3200imp/kWh)對(duì)CF頻率進(jìn)行校準(zhǔn)。為了確定CF輸出頻率，必須首先確定有功功率信號(hào)(LPF2輸出)的平均值。一個(gè)簡(jiǎn)便方法是利用校準(zhǔn)工作方式。當(dāng)工作方式寄存器中的CMODE位(位7)設(shè)置到邏輯1時(shí)，將對(duì)整數(shù)個(gè)線電壓半周期進(jìn)行電能的累加。由于線電壓頻率是固定的(例如50Hz)，且規(guī)定了積分的半周期數(shù)，所以總積分時(shí)間為半周期數(shù)。

    對(duì)于255個(gè)半周期，總積分時(shí)間將為2.125s。這意味著電能寄存器將刷新2.125s/1.1175us(4/CLKIN)次。LPF2的平均輸出值為：

5  CF頻率的校準(zhǔn)

    一旦計(jì)算出有功功率信號(hào)的平均值，便能確定校準(zhǔn)前的CF頻率。當(dāng)己知校準(zhǔn)前的CF頻率時(shí)，可以調(diào)節(jié)CFDIV和有功功率增益寄存器(APGAIN)，以便產(chǎn)生所需的CF頻率。在本例中，選擇儀表常數(shù)3200imp/kWh作為適當(dāng)常數(shù)。這意味著在1kW的穩(wěn)定負(fù)載下，CF輸出頻率應(yīng)為：

    CF=3200imp/kWh÷(60min×60s)=3200÷3600=0.8888Hz

    假定電能表設(shè)定20A的測(cè)試電流(基本電流)和220V的線電壓用于校準(zhǔn)，則此負(fù)載的計(jì)算功率為220V × 20A=4.4kW。因此，在穩(wěn)定負(fù)載條件下預(yù)期的CF輸出頻率應(yīng)是。在這些負(fù)載條件下，通道1和通道2的傳感器應(yīng)這樣選擇：電壓通道下的信號(hào)應(yīng)占大約1/2滿度，而電流通道下的信號(hào)應(yīng)占大約1/8滿度(假定最大電流為80A)。利用如上所述的校準(zhǔn)工作方式，計(jì)算出LPF2的平均值為3,276.81(十進(jìn)制)。然后，進(jìn)行電能—頻率轉(zhuǎn)換，算出在此負(fù)載條件下的頻率為：

   

　　然而，這是CFDIV和APGAIN寄存器的內(nèi)容為000h時(shí)的頻率。所需的頻率輸出是3.9111Hz。因此，CF頻率必須除以349.566/3.9111Hz或89.378(十進(jìn)制)。為此可將88(或58h)送入CFDIV。注意根據(jù)CFDIV的內(nèi)容+1的結(jié)果對(duì)CF頻率分頻。

    輸出頻率的細(xì)調(diào)可以利用有功功率增益寄存器實(shí)現(xiàn)，該寄存器具有0.0244%/LSB的精細(xì)增益調(diào)節(jié)。當(dāng)CFDIV的內(nèi)容為58h時(shí)，輸出頻率為349.556Hz/89=3.9276Hz。這種設(shè)置具有0.42%的誤差。為了進(jìn)一步減小這種誤差，可以將-(0.21/0.0244)或-17寫(xiě)入APGAIN[11:0]，即寫(xiě)入0xFEFh。

    利用ADE7756的校準(zhǔn)工作方式很容易校準(zhǔn)CF。進(jìn)行校準(zhǔn)的唯一關(guān)鍵是精確知道線電壓頻率。若不知道，可以利用ADE7756的ZX輸出端測(cè)出線電壓頻率。

    用ADE7756設(shè)計(jì)的參考電能表方框圖如圖3所示。

參考文獻(xiàn)

    [1] 張有順, 馮井崗. 電能計(jì)量基礎(chǔ) [M]. 中國(guó)計(jì)量出版社. 2002. 

    [2] Analog Devices Inc. Active Energy Metering IC with Serial Interface [DB]. 2004.