多功能計(jì)量芯片ADE7878在變電站測控裝置中的應(yīng)用

王 力，張春雷，胡紅兵，鄭 潔

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210061)

傳統(tǒng)的變電站測控裝置采用的AD芯片一般與保護(hù)裝置相同，AD芯片內(nèi)部進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后把數(shù)據(jù)直接送給主CPU，主CPU定時(shí)對周波進(jìn)行取點(diǎn)采樣，通過傅立葉等算法計(jì)算出相應(yīng)的有效值、相位角等實(shí)時(shí)信息。這種方式具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，而且數(shù)據(jù)的處理方式比較靈活。但對于中低壓測控裝置，往往并不關(guān)心每個(gè)周波的波形，對采樣速率要求不是特別高，側(cè)重點(diǎn)在于數(shù)據(jù)的精度與穩(wěn)定性。文中采用一種集合了采樣與計(jì)算功能的ADE7878芯片，將其應(yīng)用在中低壓測控裝置中，有降低成本、節(jié)省CPU資源等顯著優(yōu)點(diǎn)[1]。

1 ADE7878概述

ADE7878是美國ADI公司推出的三相高精度多功能計(jì)量芯片，超越了工業(yè)上對電能計(jì)量0.2 S級表的精度和動(dòng)態(tài)的要求。ADE7878的電壓和電流通道為24bit-型ADC，電壓和電流有效值在動(dòng)態(tài)范圍為1 000:1下小于0.1%，電能在動(dòng)態(tài)1 000:1下小于0.1%，在動(dòng)態(tài)3 000:1下小于0.2%。ADE7878提供I2C，SPI，HSDC多種數(shù)據(jù)接口和3個(gè)靈活的脈沖輸出，還可同時(shí)提供基波有功和無功功率、總（基波+諧波）有功和無功功率的計(jì)算。

這款芯片推出的初衷是用于電能表領(lǐng)域，主要特點(diǎn)是精度高，成本低廉，集成的CPU實(shí)現(xiàn)了對AD采樣值的計(jì)算功能，能夠滿足中低壓測控裝置的采樣功能。

2硬件電路設(shè)計(jì)

圖1 ADE7878測控裝置硬件框圖

基于ADE7878的測控裝置硬件框圖如圖1所示，主要包括交流測量模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示模塊等部分。主控制器采用TI公司的一款具有浮點(diǎn)運(yùn)算能力的DSP，型號(hào)為TMS320F28335。其中最重要的電路就是模擬信號(hào)輸入電路，該電路的設(shè)計(jì)直接影響波形的精度，如圖2所示。由于ADE7878的電壓電流通道輸入信號(hào)范圍為±0.5 V，二次交流采樣值必須經(jīng)過處理才能進(jìn)入芯片的輸入通道。以Ic的模擬信號(hào)輸入為例，圖中CT3選用的是一種電流型CT，輸出信號(hào)為0～2 mA電流，經(jīng)過電阻轉(zhuǎn)換為電壓，在輸出端并接的二極管起保護(hù)作用。電流轉(zhuǎn)電壓后經(jīng)過二級RC網(wǎng)絡(luò)濾波，以±0.5 V的電壓值接入ADE7878輸入端。在選用器件參數(shù)時(shí)需保證二次電流最大值6 A對應(yīng)芯片輸入端0.5 V，這樣芯片采樣精度才有保證。

除了模擬信號(hào)輸入電路，周邊電路還包括系統(tǒng)主控芯片DSP的接口電路、電源、晶振等，芯片正常工作所需的電源電壓、晶振頻率等參數(shù)可以由芯片的電氣特性查得，在電路設(shè)計(jì)時(shí)只要滿足這些條件即可[2]。

3軟件實(shí)現(xiàn)

該套測控裝置采用SPI接口與ADE7878進(jìn)行通訊，ADE7878的SPI通訊接口最高的允許速率是2.5 MHz。芯片提供了100多個(gè)可讀寫的數(shù)據(jù)寄存器，通過對這些寄存器的控制可以將芯片的效能發(fā)揮出來。

3.1主程序設(shè)計(jì)

ADE7878交流采樣主程序流程如圖3所示。在裝置上電進(jìn)行初始化時(shí)，首先讀取裝置的CRC校驗(yàn)寄存器值，該值對于芯片的控制非常重要。在正常采樣過程中，如果該寄存器值突然改變，則說明芯片已出現(xiàn)故障，此時(shí)的采樣值已不可靠，必須丟棄。并且需要對芯片進(jìn)行復(fù)位處理并再次核對。

圖2 ADE7878外圍硬件電路設(shè)計(jì)

圖3采樣程序流程

3.2諧波采樣

ADE7878直接提供的電壓、電流有效值是基波疊加諧波之后的值。如果需要計(jì)算基波和諧波含量，ADE7878同時(shí)提供了電壓、電流的實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)，這樣通過傅立葉算法就可以得出電壓、電流的基波值及各次諧波值、畸變率等相關(guān)信息[3]。

3.3角度采樣

芯片可提供 ANGLE0，ANGLE1，ANGLE2 等 3個(gè)角度寄存器，通過不同的配置方式以取得各相電壓角差、各相電流角差、壓流角差等測量信息，如圖4所示。

圖4 ADE7878角度測量

3.4過濾壞點(diǎn)

在工程測試中，當(dāng)運(yùn)行現(xiàn)場電磁干擾嚴(yán)重時(shí)，SPI總線會(huì)受到干擾，導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)偶爾會(huì)產(chǎn)生突變，對于這種不可預(yù)知的干擾，在程序中加入了過濾壞點(diǎn)的算法。流程如圖5所示。

試驗(yàn)證明，這種算法能夠過濾掉因SPI總線干擾帶來的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)點(diǎn)。

3.5性能測試

在二次電壓標(biāo)準(zhǔn)輸入f=50.5 Hz，U=57.74 V，I=5 A，cosф=0.5的時(shí)候，測試結(jié)果如表1所示，完全能夠滿足變電站測控裝置的精度要求。

4結(jié)束語

使用ADE7878多功能計(jì)量芯片作為變電站測控裝置的采樣模塊可減少外圍電路，簡化設(shè)計(jì)過程，提高系統(tǒng)的集成度；同時(shí)利用ADE7878自身計(jì)算功能，可減輕DSP的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。ADE7878的高精度特性可保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，有利于提高變電站數(shù)據(jù)在線監(jiān)測能力。該新型測控裝置目前在變電站已投運(yùn)數(shù)百臺(tái)，2年多的實(shí)際運(yùn)行表明，該裝置能滿足變電站對電力系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測的技術(shù)要求，相對于傳統(tǒng)測控采樣方式，精度更加高，運(yùn)行更加穩(wěn)定。

表1性能測試結(jié)果

[1]陸祖良.周期信號(hào)采樣測量策略[J].電測與儀表，2008(10)：1-6.

[2]胡志剛，許 凱，崔永峰.電能計(jì)量芯片ADE7878在智能電表中的應(yīng)用[J].電測與儀表，2010（7）：128-131.

[3]郭忠華，基于ADE7878芯片的電力參數(shù)測量儀的設(shè)計(jì)[J].電工電氣，2010（12）：25-30.