電能計量芯片ADE7880在智能電表中的應用

馬貴娟，張延敬

（國網山東省電力公司冠縣供電公司，山東聊城，252500）

0 前言

ADE7880電能計量芯片能夠滿足智能電表的技術要求，實現更加全面的系統測量、收集、存儲、分析以及運用等處理功能，并起到防止篡改、竊電監測、雙向電能計量、電能質量監測等多種功能，是目前電網結構中最具優勢的電能計量芯片，具有較大優勢。

1 電能計量芯片ADE7880

其是一款高精度、三相電能計量IC，采用串行接口，提供三路靈活的脈沖輸出。芯片內含有二階轉換器，數字積分其以及所有必備的信號處理器。其能夠計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。其內部具有波形采集存儲器，允許訪問所有ADC輸出。且該期間還提供電能質量檢測，若存在瞬時電壓或電流，可及時進行調整，預警。ADE7880可利用兩個端口進行通信，專用高速數據采集端口與I2C配合，提高輸出功率信息。其內部兩個中斷請求可避免盜竊篡改行為，確保電能的連續累積[1]。

2 電能計量芯片ADE7880在智能電表中的應用

■2.1 智能電表硬件以及工作原理

以ADE7880最小系統模塊，單片機模塊、通訊模塊等為主要硬件。智能電表的系統結構框圖如圖1所示。該智能電表具有：實時顯示電壓、電流、功率參數等功能；可顯示電壓波形；可顯示諧波柱狀圖；可定時記錄電能、電壓、電流等參數。系統總框架內包含，系統硬件與軟件設計兩個板塊。可對系統功能、技術指標等進行實時分析，調查，數據存儲。對多個方案進行權衡，最后確定最優方案。電表系統內采用ADE7880為電能計量芯片，利用I2C總線配置并讀取芯片有關參數，利用RS—232總線進行數據傳輸，并在計算機中實時顯示。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。可起到很好的隔離作用，提高采樣精度。

圖1 智能電表系統結構示意圖

■2.2 電能與諧波的測量

ADE7880芯片可利用線周期累積模式計算有功電能、無功電能等，消除波紋，測量短時間內的電能。ADE7880中分有兩個階段，以實現有功功率信號的積分處理。這個過程中，無功功率與基波無功功率相同。每次達到閾值時，芯片會產生脈沖，并在互聯網寄存器中減去閾值。此時，電能符號將被視為有功功率符號。

ADE7880芯片的諧波計算具有明顯的優勢，是智能電表中的重要組成部分。其內部含有諧波引擎，可依次分析一個相位。最多可計算50多次的諧波。在特性相位中，其每次可計算最多三次的諧波信息，待諧波建立完成后，等待500ms左右，可進行更新。可見，ADE7880芯片在處理三次諧波而言，具有較大優勢。但處理56次諧波時，每次更新需要9秒，對智能電表的系統應用形成一定阻礙。

■2.3 電壓通道與電流通道

智能電表在正常狀態下，可執行復位操作。即使得reset引腳拉低并保持在10us再回到高電平時，可使得芯片復位，內部存儲器重置為默認值。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，以防治有效功率測量產生誤差。

ADE7880芯片存在過零檢測電路，其路徑不包含過零檢測電路。器件利用輸出端口產生過零時間，低通濾波器可消除50Hz以及60Hz的所有諧波，識別電流與電壓所產生的過零事件。該數字諧波器在80HZ時有一個極點，且時鐘速率為256Hz。因此，在輸入信號與輸出信號之間存在相位滯后時，可將50HZ系統的ZX檢測誤差進行調整。

ADE7880芯片在電壓通道中提供周期測量，每個相電壓的周期經過測量后分別存儲在相應的存儲器中。周期寄存器為16位無符號寄存器。每個周期更新一次。同時，確保濾波器建立的時間為30MS到40MS，確保測量時間穩定。單機片完成對芯片的驅動后，可利用接口讀取相應的寄存器，并適時更新，其更新值利用公式進行計算[2]。

■2.4 智能電表的計量程序分析

其計量程度可采用編程方式進行。主控芯片對接口程序進行初始化，設置PM0=1，PM1=0，選擇芯片電源模式，拉低引腳，對芯片進行復位工作，再設置芯片通信模式。由于執行復位工作后，芯片將默認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，再執行端口方可操作。通信模式選定后，對該芯片進行存儲器設置，啟動數字處理器，開始工作。由上文可知，ADE7880芯片具有三個中斷事件，通過引腳出發中斷操作。故此，芯片接收到中斷信號時，需要讀取中斷狀態存儲器，并識別存儲器中的標記位置，判斷中斷事件，繼續執行相應事件的中斷服務程序。

在ADE7880芯片中的中斷寄存器中，存在中斷開關，并分別用于三相或基波有功等符號變化中。當該開關全部開啟時，任何一相功率出現反向時，都將引起芯片執行中斷任務，STM32芯片識別中斷信號后，可查詢芯片中的寄存器，判別功率流向正負情況，并按照符號進行分類存儲，實現電能的雙向計量。

對于防竊檢測而言，三相系統中的零線電流等于電位電流的代數。若數值之間存在失配情況，則可判斷該系統中存在竊電行為，或漏電行為。ADE7880芯片中有帶符號的寄存器，該寄存器中保存著所有相電流的代數和。零線電流中有效的值保存在其他寄存器中，因此可對這兩個寄存器中的值進行計算，取絕對值，最后進行比較。ADE7880芯片中的閾值用于竊電保護以及報警指示，因此需要進行初始化設定。當閾值不在規定范圍內時，即可判斷發生了竊電行為，并開啟中斷開關，產生中斷信號，發出竊電警報。

ADE7880芯片在軟件較表中，通常采用兩種方法。其一，使用精確源執行校準工作。其二，使用外部基準電表執行校準工作。第一種方法的精準度較高，但要求輸入可控制的電壓與電流，對精確源的要求較高。第二種方法利用CF邏輯脈沖輸出，雖會產生一定誤差，但最終測試的結果相對較為準確。

3 結論

綜上所述，ADE7880芯片在智能電表中的應用范圍較為廣泛，本文主要分析了其硬件設施與軟件設計的有關內容。該芯片能夠滿足智能電表的技術要求，并以高精準度、全功能性，達到國家標準。便于智能電表的測量、分析、存儲等眾多工作，是智能電表的首選配件。