三相电表低功耗无电压检测方案

在中国，三相电表有全失压检测要求。此要求将全失压状况定义为：当输入电压都低于门槛值且电流大于额定电流的5%。

发生全失压电压事件时，电表记录相电压、相电流、功率因数和有功功率。电表设计为双电源。主电源基于外部电力线电压输入，备用电源基于外部电池。发生全失压事件时，AC/DC电源停止工作，电池供电的微控制器将ADE9078模拟前端(AFE)设置为检测电流。
 

图1.电表电源电路框图

本应用笔记主要介绍如何配置ADE9078来检测全失压事件。

ADE9078功耗模式简介

 

本部分说明ADE9078的功耗模式。ADE9078有四种功耗模式可供切换。用户可以选择不同功耗模式以节省电能。

表1显示了不同功耗模式的技术规格。

 

表1.各种功耗模式下的功耗

省电模式0 (PSM0)是全功能模式，消耗12 mA电流。用户可以设置PSM0模式以读/写ADE9078中的所有寄存器。PSM0适合于由电力线路供电模式。正常情况下，ADE9078工作在PSM0模式，意味着至少有一相电压为电表供电。

PSM1、PSM2和PSM3支持低功耗窃电检测，这是中国所要求的。利用这些工作模式，用户可以检测有无窃电。在涉及窃电的情形中，通常使用电池来为ADE9078供电。

窃电测量模式PSM1允许用户快速测量关健参数，如电流有效值(IRMS)、电压有效值(VRMS)、功率和无功伏安(VAR)，其功耗低于PSM0。它采用的计算方法不同于PSM0。这些测量在20 ms时间完成计算。在IRMS测量中，600:1的动态范围下PSM1模式检测耗时40.5 ms，实现的精度小于0.2%。对于功率，600:1的动态范围下PSM1模式耗时40.5 ms，实现的精度小于0.2%。

在PSM2工作模式下，ADE9078进入低功耗状态，仅内部低功耗比较器有效。低压差稳压器(LDO)、模数转换器(ADC)、数字信号处理器(DSP)和晶体振荡器全都关断。输入电流IA、IB和IC与PSM2_CFG寄存器中设置的用户选定电平进行比较，如有任一电流超过阈值，就会产生中断并触发引脚。用于检测峰值电流的耗时由用户确定，在PSM2_CFG寄存器的LPLINE[4:0]位中设置。测量周期时间为(LPLINE[4:0] + 4)/50秒。当某个电流通道上信号大于峰值超过LPLINE[4:0] + 1次，则ADE9078指示已检测到窃电状况。LPLINE[4:0]的最大允许值为0x0A。

PSM3为空闲模式，即ADE9078内部的所有功能都关断，消耗的电流小于1 µA。

PM0和PM1引脚(PMx)控制PSMx模式，x指PSM0至PSM3。

表2显示了PMx状态和相关的PSMx模式。

表2.PMx状态和相关PMx模式

 

使用MCU的输入/输出引脚连接PM0和PM1引脚以选择功耗模式。

硬件解决方案

 

如图2所示，电表中有两个电源：AC/DC转换器和电池。它们由两个二极管切换。MCU检测AC/DC电源的电压输出。如果没有电压输出，则所有相位（A、B和C）停电。这种情况下，MCU启动全失压检测功能。当其中一相上电时，AC/DC电源输出电压，对电表供电。否则，AC/DC关断，输入/输出引脚触发一个低电压以通知MCU已发生全失压状况，并且电池正在供电。这种情况下，MCU和ADE9078进入低功耗模式。
 

图2.电源切换电路框图

图3显示MCU和ADE9078之间的全失压检测功能接线要求。如果发生全失压事件，MCU将通过PM0和PM1引脚把ADE9078置于低功耗模式。

 

图3.适用于全失压检测功能的MCU和ADE9078之间硬件接线

软件程序

 

图4给出了全失压检测的步骤。

图4.无电压检测的软件程序

PSM2_CFG是PSM2模式的配置寄存器，在ADE9078初始化期间设置。例如，若额定电流为10 A，电流互感器变比为2500:1，负载电阻为12.5 Ω，则在额定电流的5%时，峰值的动态比率为：



PKDET_LVL位（寄存器0x4B8的位[8:5]）用于配置低功耗比较器峰值电流检测电平。

表3显示了设置的意义。

表3.PSM2电流峰值检测阈值

 

PSM2_CFG[8:5]设置为3时，意味着阈值电平为400:1。

将LPLINE[4:0]设置为1，故而PSM2模式的测量周期为(1 + 4)/50 = 100 ms。

初始化ADE9078时，将PSM2_CFG寄存器（寄存器0x4B8）设置为0x31。

功耗计算

 

当检测到窃电时，ADE9078消耗最大电流。MCU将ADE9078设置为PSM1模式以读取有效值和功率值，用于事件记录。每个环节ADE9078的功耗如下：

•PSM3模式：60 s × 2 μA = 120 μA
•PSM2模式：100 ms × 200 μA = 20 μA
•PSM1模式：40.5 ms × 9 mA = 364.5 μA

总功耗为：120 + 20 + 364.5 = 504.5 μA。如果窃电持续7天，功耗将为：


当未检测到窃电时，ADE9078消耗最小电流。ADE9078不进入PSM1模式，因为无需记录有效值。每个环节ADE9078的功耗如下：

•PSM3模式：60 s × 2 μA = 120 μA
•PSM2模式：100 ms × 200 μA = 20 μA

总功耗为120 + 20 = 140 μA。如果这种情况持续7天，功耗将为：

目前主流外接电池容量为1.2 Ah；因此，即使发生窃电事件，也很容易满足ADE9078的功耗要求。

测试结果

 

在PSM2和PSM3两种模式下，AVDDOUT和DVDDOUT关断。从PSM2或PSM3模式进入PSM1模式时，AVDDOUT和DVDDOUT上电，如图5所示为ADE9078参考电表上实际测量结果。

图5.进入PSM1模式的上电序列

 

当PM1引脚设置为低电平，PM0引脚设置为高电平，且这两个引脚均达到稳定电压之后，AVDDOUT和DVDDOUT开始从0 V上升，ADE9078进入PSM1模式。

1. 另一项测试测量了PSM2模式下窃电检测消耗的时间。LPLINE[4:0]设置为1。理想情况下，如果发生窃电事件，就会在进入PSM2模式之后的100 ms触发引脚。图6显示了ADE9078参考电表的测试结果。

 

 

从进入PSM2模式到触发引脚花费了97.4 ms。检测到窃电时，设置为低电平。

总结

 

ADE9078是一款全新设计的计量AFE，具有高动态范围和高精度。它提供四种功耗模式，最低功耗为1 μA。ADE9078全失压状态下最多仅消耗1.412 mAh能量，远低于电池容量1.2 Ah。ADE9078可用于检测全失压状况，哪怕这种状况持续7天。