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    钟智勇  (1967—)
男，广东广州人，本科，工程师，现就职于广东电网公司广州增城供电局，从事电力运营工作。

摘要:目前我国的三相电子式电能表仍有相当部分是采用在采样通道增加电阻网络的方式来调整误差，该方法增加了系统的元器件数量从而使得系统的稳定性能和计量精度均受到影响。本文从数字校准的角度采用新型的计量芯片ADE7756，对其内部的各个计算环节进行调整，达到调整精度的目的，并将其实际应用。测试结果表明，该方法可以有效的节省硬件成本，使电能计量更加精确、稳定。

关键词:电能校准；增益校准；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

    电子式电能表一般采用高精度、多通道A/D转换器进行电流、电压采样，再通过微处理器的软件来计算和补偿误差，然后发出脉冲，进行控制显示。

    ADE7756是一种带有串行接口和脉冲输出的高精度电能计量集成电路。它含有两个二阶、基准电压源、温度传感器和有功功率与有功电能量所需的全部信号处理功能。

    ADE7756包含一个采样波形寄存器和一个至少能保持5秒满负载累积功率的有功电能寄存器。寄存器中的数据经串行接口读出。ADE7756还提供频率与有功功率成正比的脉冲输出(CF)。

    除有功功率信息外，ADE7756还提供系统校准功能，即通道失调校正、相位校准和功率校准。该器件还包含短持续时间线电压降低或线电压跌落检测电路。线电压跌落值和跌落变化的持续时间(线电压半周期数)可由用户设置。当发生线电压跌落时，漏极开路逻辑输出(SAG)将变为有效低电平。

    过零输出(ZX)产生与线电压过零同步的输出信号。ZX输出可用来从线电压中提取时序或频率信息。ZX信号还用于芯片内部校准工作方式。这就能更快、更精确地校准有功功率的计算结果。该信号也可用于继电器切换与过零电压同步，从而通过减少电弧的危险来延长继电器寿命。

    中断请求输出是一种漏极开路的低电平有效逻辑输出。当累积有功功率寄存器半满或寄存器全满溢出时，IRQ输出便成为有效输出。中断状态寄存器用来指示中断的原因。

2 工作原理

    电能的基本表达式如式(1)所示：

        (1)
　　
    式中，分别是瞬时电压、电流、功率值，所以测量电能的基本方法是将电压电流相乘，然后在时间上再累加(即积分)起来。为了便于自动化测量，将功率转换成脉冲频率输出。就是说，被测电压、电流接入电子式电能表之后，电能表能够输出一个电能计量标准脉冲f_H(或f_L)。这是设计电子式电能表的一个重要参数，也是电子式电能表的最基本工作原理。由此可知，测功率就是测频率。测频率，就是在单位时间内对脉冲进行计数。若要测量电能，可以根据电子式电能表的基本原理求出每个脉冲所代表的电能值，即脉冲当量，如式（2）所示：
                             
        (2)

    这样，若在一定时间内对脉冲进行计数，即可测得电能值。根据电能表基本工作原理，电子式电能表的电表常数也可以求出，如式（3）所示：
　　　　　　　　　　            
    

3 电能校准

    利用通道2内的片内过零检测，可以简化电能校准，并能显著减少校准电能表所需的时间。为了使用过零检测，在工作方式寄存器中设置位7 (CMODE)，使ADE7756处于校准工作方式。在校准工作方式，ADE7756对整数个半周期内有功电能寄存器中的有功功率信号进行累加(积分)，如图2所示。在SAGCYC寄存器中规定线电压半周期数。ADE7756能对高达255个半周期的有功功率进行累加。由于是对整数个线电压周期的有功功率进行积分，所以正弦分量被减小到零。这便消除了电能计算中的任何纹波。因为积分周期可以缩短，所以能在较短时间内比较精确地计算电能。在电能校准周期结束处，中断状态寄存器中SAG标志被置位，这时SAG输出变为有效低电平。若中断允许寄存器中的SAG允许位有效，则IRQ输出也将变为有效低电平。因此，IRQ线也能用来发出校准结束信号。只要工作方式寄存器中CMODE位被置位，便开始半个校准周期。应当指出，第一次校准的结果是无效的，必须予以舍弃。以后所有校准周期的结果都正确。

4 平均有功功率的计算

    对ADE7756进行校准时，第一步是针对某个所需的仪表常数(例如3200imp/kWh)对CF频率进行校准。为了确定CF输出频率，必须首先确定有功功率信号(LPF2输出)的平均值。一个简便方法是利用校准工作方式。当工作方式寄存器中的CMODE位(位7)设置到逻辑1时，将对整数个线电压半周期进行电能的累加。由于线电压频率是固定的(例如50Hz)，且规定了积分的半周期数，所以总积分时间为半周期数。

    对于255个半周期，总积分时间将为2.125s。这意味着电能寄存器将刷新2.125s/1.1175us(4/CLKIN)次。LPF2的平均输出值为：

5  CF频率的校准

    一旦计算出有功功率信号的平均值，便能确定校准前的CF频率。当己知校准前的CF频率时，可以调节CFDIV和有功功率增益寄存器(APGAIN)，以便产生所需的CF频率。在本例中，选择仪表常数3200imp/kWh作为适当常数。这意味着在1kW的稳定负载下，CF输出频率应为：

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

    假定电能表设定20A的测试电流(基本电流)和220V的线电压用于校准，则此负载的计算功率为220V × 20A=4.4kW。因此，在稳定负载条件下预期的CF输出频率应是。在这些负载条件下，通道1和通道2的传感器应这样选择：电压通道下的信号应占大约1/2满度，而电流通道下的信号应占大约1/8满度(假定最大电流为80A)。利用如上所述的校准工作方式，计算出LPF2的平均值为3,276.81(十进制)。然后，进行电能—频率转换，算出在此负载条件下的频率为：

   

　　然而，这是CFDIV和APGAIN寄存器的内容为000h时的频率。所需的频率输出是3.9111Hz。因此，CF频率必须除以349.566/3.9111Hz或89.378(十进制)。为此可将88(或58h)送入CFDIV。注意根据CFDIV的内容+1的结果对CF频率分频。

    输出频率的细调可以利用有功功率增益寄存器实现，该寄存器具有0.0244%/LSB的精细增益调节。当CFDIV的内容为58h时，输出频率为349.556Hz/89=3.9276Hz。这种设置具有0.42%的误差。为了进一步减小这种误差，可以将-(0.21/0.0244)或-17写入APGAIN[11:0]，即写入0xFEFh。

    利用ADE7756的校准工作方式很容易校准CF。进行校准的唯一关键是精确知道线电压频率。若不知道，可以利用ADE7756的ZX输出端测出线电压频率。

    用ADE7756设计的参考电能表方框图如图3所示。

参考文献

    [1] 张有顺, 冯井岗. 电能计量基础 [M]. 中国计量出版社. 2002. 

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