電能計量芯片ADE7880在智能電表中的應用研究

李俊甲

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，社會對電力的需求急劇提升。目前所使用的計量芯片已經(jīng)無法滿足國家電網(wǎng)的技術(shù)要求，故此研發(fā)出多種新型計量芯片。本文將針對ADE7880芯片展開分析，研究其在智能電表中的應用，分析芯片特點、闡述電壓、電流采集等功能。以期為智能電表方案選擇提供有價值的參考建議。

高級量測系統(tǒng)（Advanced Metering Infrastructure，AMI）是一個用來測量、收集、存儲、分析和運用用戶用電信息的系統(tǒng)[1]。在智能電網(wǎng)中，AMI 系統(tǒng)不僅具有滿足一定精度的數(shù)據(jù)采集與處理功能，還需要有篡改/竊電檢測、雙向電能計量、電能質(zhì)量監(jiān)控及自動負荷控制等功能。因此，智能電表作為AMI 系統(tǒng)的重要組成部分，其計量精度和功能對系統(tǒng)尤其重要。而目前多種計量芯片無法使智能電表滿足以上全部要求，對此本文提出將ADE7880 計量芯片應用在智能電表中，通過實測驗證分析得出，該芯片可以滿足AMI 系統(tǒng)對智能電表的技術(shù)要求。

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(nèi)含有二階轉(zhuǎn)換器，數(shù)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(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器，允許訪問所有ADC輸出。且該期間還提供電能質(zhì)量檢測，若存在瞬時電壓或電流，可及時進行調(diào)整，預警。ADE7880可利用兩個端口進行通信，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)部兩個中斷請求可避免盜竊篡改行為，確保電能的連續(xù)累積。

2.1智能電表硬件以及工作原理

以ADE7880最小系統(tǒng)模塊，單片機模塊、通訊模塊等為主要硬件。該智能電表具有：實時顯示電壓、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)硬件與軟件設計兩個板塊。可對系統(tǒng)功能、技術(shù)指標等進行實時分析，調(diào)查，數(shù)據(jù)存儲。對多個方案進行權(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總線進行數(shù)據(jù)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。

2.2在電能與諧波的測量中的應用

ADE7880芯片中包含了多種計算方式，將這些計算方式應用在電能與諧波的測量中，不僅可以提高計算的準確性，還能夠提高計算的時效性。尤其是在電能諧波的測量中，ADE7880芯片具有明顯的優(yōu)勢，可以說是智能電表系統(tǒng)中必不可少的組成部分。這是因為在ADE7880芯片的內(nèi)部含有一種諧波引擎，通過這種諧波引擎可以依次分析智能電表系統(tǒng)中的每一個相位，一次最多可計算50次諧波。相比較ADE7880芯片，特性相位在分析智能電表系統(tǒng)中的電能諧波時，每次只能夠計算三次諧波信息，不僅如此，還要在諧波建立完成后，再等待500ms左右，才可以進行更新。由此可見，ADE7880芯片具有較大的優(yōu)勢，但是在實際應用的過程中，隨著處理諧波次數(shù)的增加，ADE7880芯片更新時間也會延長，這樣的情況下，智能電表的系統(tǒng)應用就會受到一定的阻礙。

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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的過零事件。該數(shù)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(tǒng)的ZX檢測誤差進行調(diào)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(jīng)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(wěn)定。單機片完成對芯片的驅(qū)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。

2.4 ADE7880芯片在智能電表的計量程序分析中的應用

ADE7880芯片在智能電表的計量程序分析中的應用，可以按照編程方式進行。比如，當進行初始化時，讓主控芯片ADE7880對接口程序，分別設置PM0和PM1，然后選擇相應的芯片電源模式，并且拉低引腳，繼而設置芯片通信模式。通過這種方式，可以讓芯片執(zhí)行復位工作。通過以上分析可知，在ADE7880芯片中包含了三個中斷事件，主要是通過ADE7880芯片的引腳引發(fā)中斷操作，因此芯片在接收到相應的信號時，首先要讀取存儲器中的終端狀態(tài)，還要識別存儲器的標記位置，以此具體判斷中斷情況，然后才能夠執(zhí)行中斷服務程序。以防竊檢測為例，ADE7880芯片中的寄存器保留著電能表系統(tǒng)，因此如果發(fā)生竊電或漏電事故，那么ADE7880芯片就會立即讀取寄存器中的數(shù)值，并且進行比較。比如，ADE7880芯片在實際應用的過程中，芯片本身的閾值是用來進行防竊電工作的，同時閾值還可以對智能電表進行保護，如果出現(xiàn)問題就會立即采取報警指示。因此，在ADE7880 芯片進行初始化設定的過程中，必須要科學合理的確定閾值，以此當閾值不在初始化規(guī)定的范圍內(nèi)時，芯片就可以自主判斷竊電行為，及時的開啟中斷開關(guān)，向有關(guān)人員發(fā)出竊電警報。ADE7880芯片在智能電表系統(tǒng)的軟件中應用，一般可以采取兩種方式，一種為精確源執(zhí)行校準工作，另一種為外部基準電表執(zhí)行校準工作。其中前者的精確度較高，但是對數(shù)據(jù)來源的精確度也要求極高，一旦輸入的電壓與電流數(shù)據(jù)錯誤，那么最終的測試結(jié)果的準確性也就無法保證。而后者的精確度雖然相對較低，但是應用了CF邏輯脈沖輸出的方式，因此最終得到的測試結(jié)果也不會產(chǎn)生較大的誤差。

2.5實際應用分析

綜上所述，ADE7880芯片在智能電表系統(tǒng)中，具有廣泛的應用范圍，為了進一步驗證上述應用的合理性和科學性，確保該芯片能夠滿足智能電表的技術(shù)要求，本實驗以3x220/380V，10（40）A規(guī)格的電表校表為例，通過STM32芯片讀取ADE7880芯片后發(fā)現(xiàn)，電能計量芯片ADE7880在智能電表中的應用滿足國家有關(guān)標準和要求。

基于上文從硬件和軟件等多方面對ADE7880芯片的應用進行分析的結(jié)果來看，將ADE7880芯片應用在智能電表系統(tǒng)中，可以滿足新時期，國家對智能電表系統(tǒng)的要求，而且可以有效提高智能電表系統(tǒng)的精度和功能，滿足不同規(guī)格的三相四線智能電表系統(tǒng)，在此基礎上，利用校表方法和實驗測試等手段，對智能電表系統(tǒng)進行了進一步的考察后，還發(fā)現(xiàn)ADE7880芯片的應用可以輔助智能電表系統(tǒng)科學合理的選擇計量方案[2]。

智能電表是智能電網(wǎng)的神經(jīng)末梢，其計量精度和功能直接關(guān)系到AMI 系統(tǒng)是否能夠良好運轉(zhuǎn)。將ADE7880 芯片計量芯片應用在智能電表中，可以滿足AMI 系統(tǒng)對智能電表的技術(shù)要求，并且其計量精度和功能均可達到甚至優(yōu)于國家標準。因此，保證智能電表計量精度以及功能的穩(wěn)定運行，是極為重要的。本文主要分析了其硬件設施與軟件設計的有關(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。

[1] 陽明，袁輝建. 基于ADE7880的配電網(wǎng)監(jiān)測終端的設計[J]. 測控技術(shù)，2015，34（11）： 118-121.

[2]包愛珠，袁文師，石飛，王祥莉.三相電能計量芯片抗群脈沖能力提高和改善[J].集成電路應用，2017，34（05）：47-50.

[3]屈召貴. 單相雙支路計量智能電表的設計[J].西南師范大學學報（自然科學版）， 2016， 41（10）：111-116.

[4]?陽明，袁輝建.基于ADE7880的配電網(wǎng)監(jiān)測終端的設計，[J].測控技2015（11）