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    鐘智勇  (1967—)
男，廣東廣州人，本科，工程師，現就職于廣東電網公司廣州增城供電局，從事電力運營工作。

摘要:目前我國的三相電子式電能表仍有相當部分是采用在采樣通道增加電阻網絡的方式來調整誤差，該方法增加了系統的元器件數量從而使得系統的穩定性能和計量精度均受到影響。本文從數字校準的角度采用新型的計量芯片ADE7756，對其內部的各個計算環節進行調整，達到調整精度的目的，并將其實際應用。測試結果表明，該方法可以有效的節省硬件成本，使電能計量更加精確、穩定。

關鍵詞:電能校準；增益校準；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轉換器進行電流、電壓采樣，再通過微處理器的軟件來計算和補償誤差，然后發出脈沖，進行控制顯示。

    ADE7756是一種帶有串行接口和脈沖輸出的高精度電能計量集成電路。它含有兩個二階、基準電壓源、溫度傳感器和有功功率與有功電能量所需的全部信號處理功能。

    ADE7756包含一個采樣波形寄存器和一個至少能保持5秒滿負載累積功率的有功電能寄存器。寄存器中的數據經串行接口讀出。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還提供系統校準功能，即通道失調校正、相位校準和功率校準。該器件還包含短持續時間線電壓降低或線電壓跌落檢測電路。線電壓跌落值和跌落變化的持續時間(線電壓半周期數)可由用戶設置。當發生線電壓跌落時，漏極開路邏輯輸出(SAG)將變為有效低電平。

    過零輸出(ZX)產生與線電壓過零同步的輸出信號。ZX輸出可用來從線電壓中提取時序或頻率信息。ZX信號還用于芯片內部校準工作方式。這就能更快、更精確地校準有功功率的計算結果。該信號也可用于繼電器切換與過零電壓同步，從而通過減少電弧的危險來延長繼電器壽命。

    中斷請求輸出是一種漏極開路的低電平有效邏輯輸出。當累積有功功率寄存器半滿或寄存器全滿溢出時，IRQ輸出便成為有效輸出。中斷狀態寄存器用來指示中斷的原因。

2 工作原理

    電能的基本表達式如式(1)所示：

        (1)
　　
    式中，分別是瞬時電壓、電流、功率值，所以測量電能的基本方法是將電壓電流相乘，然后在時間上再累加(即積分)起來。為了便于自動化測量，將功率轉換成脈沖頻率輸出。就是說，被測電壓、電流接入電子式電能表之后，電能表能夠輸出一個電能計量標準脈沖f_H(或f_L)。這是設計電子式電能表的一個重要參數，也是電子式電能表的最基本工作原理。由此可知，測功率就是測頻率。測頻率，就是在單位時間內對脈沖進行計數。若要測量電能，可以根據電子式電能表的基本原理求出每個脈沖所代表的電能值，即脈沖當量，如式（2）所示：
                             
        (2)

    這樣，若在一定時間內對脈沖進行計數，即可測得電能值。根據電能表基本工作原理，電子式電能表的電表常數也可以求出，如式（3）所示：
　　　　　　　　　　            
    

3 電能校準

    利用通道2內的片內過零檢測，可以簡化電能校準，并能顯著減少校準電能表所需的時間。為了使用過零檢測，在工作方式寄存器中設置位7 (CMODE)，使ADE7756處于校準工作方式。在校準工作方式，ADE7756對整數個半周期內有功電能寄存器中的有功功率信號進行累加(積分)，如圖2所示。在SAGCYC寄存器中規定線電壓半周期數。ADE7756能對高達255個半周期的有功功率進行累加。由于是對整數個線電壓周期的有功功率進行積分，所以正弦分量被減小到零。這便消除了電能計算中的任何紋波。因為積分周期可以縮短，所以能在較短時間內比較精確地計算電能。在電能校準周期結束處，中斷狀態寄存器中SAG標志被置位，這時SAG輸出變為有效低電平。若中斷允許寄存器中的SAG允許位有效，則IRQ輸出也將變為有效低電平。因此，IRQ線也能用來發出校準結束信號。只要工作方式寄存器中CMODE位被置位，便開始半個校準周期。應當指出，第一次校準的結果是無效的，必須予以舍棄。以后所有校準周期的結果都正確。

4 平均有功功率的計算

    對ADE7756進行校準時，第一步是針對某個所需的儀表常數(例如3200imp/kWh)對CF頻率進行校準。為了確定CF輸出頻率，必須首先確定有功功率信號(LPF2輸出)的平均值。一個簡便方法是利用校準工作方式。當工作方式寄存器中的CMODE位(位7)設置到邏輯1時，將對整數個線電壓半周期進行電能的累加。由于線電壓頻率是固定的(例如50Hz)，且規定了積分的半周期數，所以總積分時間為半周期數。

    對于255個半周期，總積分時間將為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

    一旦計算出有功功率信號的平均值，便能確定校準前的CF頻率。當己知校準前的CF頻率時，可以調節CFDIV和有功功率增益寄存器(APGAIN)，以便產生所需的CF頻率。在本例中，選擇儀表常數3200imp/kWh作為適當常數。這意味著在1kW的穩定負載下，CF輸出頻率應為：

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

    假定電能表設定20A的測試電流(基本電流)和220V的線電壓用于校準，則此負載的計算功率為220V × 20A=4.4kW。因此，在穩定負載條件下預期的CF輸出頻率應是。在這些負載條件下，通道1和通道2的傳感器應這樣選擇：電壓通道下的信號應占大約1/2滿度，而電流通道下的信號應占大約1/8滿度(假定最大電流為80A)。利用如上所述的校準工作方式，計算出LPF2的平均值為3,276.81(十進制)。然后，進行電能—頻率轉換，算出在此負載條件下的頻率為：

   

　　然而，這是CFDIV和APGAIN寄存器的內容為000h時的頻率。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(十進制)。為此可將88(或58h)送入CFDIV。注意根據CFDIV的內容+1的結果對CF頻率分頻。

    輸出頻率的細調可以利用有功功率增益寄存器實現，該寄存器具有0.0244%/LSB的精細增益調節。當CFDIV的內容為58h時，輸出頻率為349.556Hz/89=3.9276Hz。這種設置具有0.42%的誤差。為了進一步減小這種誤差，可以將-(0.21/0.0244)或-17寫入APGAIN[11:0]，即寫入0xFEFh。

    利用ADE7756的校準工作方式很容易校準CF。進行校準的唯一關鍵是精確知道線電壓頻率。若不知道，可以利用ADE7756的ZX輸出端測出線電壓頻率。

    用ADE7756設計的參考電能表方框圖如圖3所示。

參考文獻

    [1] 張有順, 馮井崗. 電能計量基礎 [M]. 中國計量出版社. 2002. 

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