智能电网中的故障诊断和检测解决方案

本文介绍了如何将电能测量IC与电流传感器配合使用，为智能电网实施中的单相和三相设计提供诊断和故障检测，隔离和恢复。

智能电表中使用的传感器并不是特别具有挑战性。检测电压和电流可以像线圈一样简单，但是从这些传感器提供有用的，复杂的数据是一项挑战。现代智能电表需要大量数据才能反馈到公用事业网络，无论是本地聚合器还是中央办公室。

智能电表需要能够在工业单相和多相电表中以最高精度确定有功电能（kWh），视在电能（kVA），无功电能（kVAR），RMS和电能质量仪器和能源监测应用。所有这些都需要多个通道来捕获数据，这在过去导致了大型昂贵的计量系统。

通过集成传感器接口和处理，有效地捕获和处理仪表内的传感器数据是开发此类系统的当前挑战。

多通道电流捕获

ADI公司的ADE7816是一款高精度，多通道计量器件，能够测量一个电压通道和多达六个电流通道。它测量线路电压和电流，并计算有功和无功能量，以及瞬时RMS电压和电流。该器件集成了七个sigma-delta（Σ-Δ）ADC和一个高精度能量测量内核。六个电流输入通道允许同时测量多个负载，以捕获来自一系列传感器的不同测量值，并在负载点的任何时间点同时确定有功，视在和无功电能。然后可以将该数据反馈到公用事业网络以优化功率输送并创建安全且有效的反馈回路。

图1：ADE7816计量传感器接口将电压通道与六个电流通道组合在一起。

电压通道和六个电流通道均具有完整的信号路径，可进行全范围的测量。每个输入通道都支持灵活的增益级，适用于电流互感器（CT），六个片上数字积分器允许使用Rogowski线圈传感器。这允许每个通道用于线圈或CT，具体取决于系统和相位要求。

Rogowski线圈

Rogowski线圈是一种低成本传感器，它使用围绕空芯的螺旋线圈来测量交流电流或快速电流脉冲。线圈一端的引线通过中心返回，使两个端子位于线圈的同一端。然后将线圈缠绕在直导体上以测量电流。由于感应电压与直线导体中的电流变化率成比例，因此输出连接到ADE7816中的积分器，以提供与电流成比例的输出。

每个模拟输入引脚都需要将一个简单的RC滤波器连接到输入端，以防止频率分量（高于ADC采样速率的一半）的混叠折叠并以频率出现在采样信号中低于采样率的一半。这是所有采样系统和传统电流传感器（如电流互感器）的人为因素。应使用一个转折频率为5 kHz的RC滤波器，使衰减在1.024 MHz的采样频率下足够高。这种滤波器每十倍衰减20 dB通常足以消除混叠的影响。但是，di/dt传感器，如Rogowski线圈，每十倍增益为20 dB。这可以抵消低通滤波器（LPF）产生的每十倍频20 dB的衰减。因此，当使用di/dt传感器时，需要第二个极。一种简单的方法是级联一个额外的RC滤波器，从而产生每十倍衰减-40 dB。

图2：使用ADE7816对Rogowski线圈进行抗锯齿处理。

ADE7816通过片上仪表寄存器提供更高级别的集成，可通过SPI或I²C接口访问。专用的高速接口，即高速数据捕获（HSDC）端口，可与I²C配合使用，以提供对实时ADC输出信息的访问。通过两个外部中断引脚可访问全范围的电源质量信息，如过流，过压，峰值和下陷检测，IRQ0和IRQ1中断线可通过有功电能信号路径访问（图3）。

图3：ADE7816中的有功电能信号路径。

电源和设置

在功率计等高压环境中，为设备供电是至关重要的考虑因素。要为ADE7816供电，应在VDD引脚与AGND和DGND引脚之间提供3.3 VDC输入电压。此外，PULL_HIGH和PULL_LOW引脚必须分别连接到3.3 V和AGND。此配置如图4所示。

图4：为ADE7816供电。

ADE7816内置一个片内电源监控器，用于监控电源（VDD）。当施加到VDD引脚的电压低于2 V±10％时，芯片处于无效状态。 VDD超过2 V±10％阈值后，电源监控器将ADE7816保持在无效状态另外26 ms。此时间延迟允许VDD达到3.3 V - 10％的最小额定工作电压。当满足最小指定工作电压且PULL_HIGH和PULL_LOW引脚分别连接到VDD和AGND时，内部电路使能。该过程在大约40毫秒内完成。

当启动序列完成且ADE7816准备好接收来自微控制器的通信时，RSTDONE标志位在STATUS1寄存器（地址0xE503）中。 IRQ1引脚触发外部中断。 RSTDONE中断默认启用，不能禁用。这意味着外部中断始终在上电过程或硬件或软件复位结束时发生。

微控制器应使用RSTDONE中断来控制与ADE7816的第一次通信。如果未使用中断，则可以使用超时。但是，由于启动顺序可能因部件和温度而异，因此建议超时至少为100 ms。 RSTDONE中断提供了监视ADE7816启动序列完成的最节省时间的方法。

AVDD和DVDD输出引脚提供对片上模拟和数字LDO的访问。当ADE7816完全上电时，这些引脚为2.5 V.如果使用内部基准电压，则REFIN/OUT引脚输出1.2 V.

启动序列完成后，所有寄存器均为默认值值，I²C端口是有效串行端口，可以启动与ADE7816的通信。对于能量和RMS计算，必须在所有配置寄存器设置为所需值后对内部DSP上电。通过将运行寄存器（地址0xE228）设置为0x0001来启动DSP。

参考电路

REFIN/OUT引脚的标称参考电压为1.2 V±0.075％。 REFIN/OUT引脚可通过外部1.2 V基准电压源过驱动。如果CONFIG2寄存器（地址0xEC01）的位0（EXTREFEN）被清除为0（默认值），则ADE7816使用内部参考电压。如果位0设置为1，则使用外部参考电压。

ADE7816内部基准电压随温度略有漂移;有关温度系数规格，请参阅“规格”部分（单位为ppm/°C）。温度漂移的值因部件而异。由于参考电压用于所有ADC，因此参考电压的任何漂移都会导致电表精度偏差的两倍。

硬件复位

要启动ADE7816的硬件复位，必须将引脚拉低至少10μs。 RESET引脚返回高电平后，所有寄存器都恢复为默认值。这通过触发ADE7816 IRQ1中断引脚为低电平并将STATUS1寄存器中的位15（RSTDONE）设置为1来指示转换周期结束。该位在转换期间设置为0，转换结束时更改为1。

软件复位功能

软件复位由CONFIG寄存器（地址0xE618）的第7位（SWRST）管理。如果位7设置为1，则ADE7816进入软件复位状态，并且所有内部寄存器都设置为其默认值，但CONFIG2寄存器除外，该寄存器保留其现有值。此外，如果先前执行了锁定程序，则选择使用哪个串行端口（I²C或SPI）保持不变。

当软件复位结束时，CONFIG寄存器中的位7（SWRST）清0，IRQ1中断引脚设置为低电平，STATUS1寄存器中的位15（RSTDONE）设置为1. RSTDONE设置为过渡期间为0，过渡期结束时变为1。

建议将所有仪表设计为具有软件和硬件复位功能。

评估套件

ADE7816评估套件包含一个评估板，用于评估硅片。该板包括ADE7816电能计量IC，相关滤波和隔离，允许施加高压输入。它还包括一个微控制器，通过ADE7816的引脚P14和PC的USB端口处理从PC到ADE7816的所有通信。

图5：ADE7816评估板。

需要外部3.3 VDC电源，从引脚P9为ADE7816评估板供电。这为ADE7816和电路的非隔离侧提供电源，包括ADE7816 IC。默认情况下，USB连接提供电路隔离侧的电源，包括微控制器。如果使用外部电源，则应在P12上应用此电源。使用外部电源时，跳线JP24必须更改为1，2位置。

电压通道

电压通道输入应用于P6。 ADE7816评估板设计用于直接与线电压源连接。因此包括电阻分压器以降低输入电压。图6a显示了电压通道输入的默认配置。

图6a：典型的电压通道配置。

可应用于ADE7816 VP引脚的最大信号电平相对于VN为0.5 V峰值。通过修改电阻分压器网络R28和R34可以适应任何输入电平。

电流通道

ADE7816包括六个单端电流通道，可与电流互感器（CT）或Rogowski线圈连接。将电流通道A的传感器输出应用于P1。与电压通道类似，所有电流输入的最大输入峰值为0.5 V.图6b显示了使用CT时电流通道A的典型配置。

图6b。典型的电流通道A配置CT。

如果使用Rogowski线圈，则不需要负载电阻。建议使用第二级抗混叠滤波器，并通过JP3A启用。由于Rogowski线圈输出的差分特性抵消了单极滤波器，因此需要第二级来实现合适的衰减水平，如图6c所示。

图6c：具有Rogowski线圈的典型电流通道A配置。

电流通道B至电流通道F以类似方式配置。然而，由于电流通道D，电流通道E和电流通道F共享公共中性线，因此对于所有三个通道，中性线上仅存在单个抗混叠滤波器。

三相电表

对于电流供应链中的三相电表，ADE78xx系列提供高精度，三相电能测量，带串行接口和三个灵活的脉冲输出。这些器件集成了二阶Σ-Δ（Σ-Δ）模数转换器（ADC），数字积分器，参考电路以及执行总（基波和谐波）有源，无功（所需）的所有信号处理（ ADE7878，ADE7868和ADE7858），视在电能测量和RMS计算，以及仅基波有功和无功电能测量（ADE7878）和RMS计算。固定功能数字信号处理器（DSP）执行该信号处理。 DSP程序存储在内部ROM存储器中。

ADE7854/ADE7858/ADE7868/ADE7878适用于测量各种三相配置中的有功，无功和视在功率，如三线和四线的Y形或三角形服务。 ADE78xx器件通过RMS偏移校正，相位校准和增益校准为每相提供系统校准功能。 CF1，CF2和CF3逻辑输出提供多种功率信息选择：总有功功率，无功功率和视在功率，或当前RMS值之和，以及基波有功功率和无功功率。

图7：ADE7878多相电表接口。

该系列的所有成员都包含波形采样寄存器，允许访问所有ADC输出。这些器件还包含电源质量测量，例如短时低压或高压检测，短时高电流变化，线电压周期测量以及相电压和电流之间的角度。专用的高速接口，即高速数据采集（HSDC）端口，可与I²C配合使用，以提供对ADC输出和实时功率信息的访问。当ADE7868/ADE7878处于篡改状态时，还有三种专门设计的低功耗模式可确保能量累积的连续性。

零件号WATT VAR IRMS，VRMS，

和VA di/dt基本WATT

和VAR篡改检测和

低功耗模式ADE7878是是是是是是ADE7868是是是是否是ADE7858是是是是否否ADE7854是否是是否否

结论

电流传感器相对简单，但为智能电表生成正确的数据需要多个捕获和集成通道以及数字信号处理。对于单相和多相系统，有几种高度集成的设备可用于确定这种仪表的关键参数，从有功能量，视在能量和无功能量到RMS和电能质量。单相和多相设计的评估板有助于为开发此类系统提供最佳设计环境。结果