基于STPM01的防竊電電能表設(shè)計(jì)

不論在發(fā)達(dá)國家還是在發(fā)展中國家，竊電都是一個非常棘手的問題，每年都給供電企業(yè)造成巨大損失?，F(xiàn)在的防竊電方法多是從管理上采取措施，用這些方法即使查出了竊電行為，也往往由于缺乏依據(jù)而無法確定處罰額，甚至有時供電企業(yè)面臨無法拿出竊電證據(jù)的尷尬。只有提高電能表本身的防竊電技術(shù)，才能從根本上杜絕竊電發(fā)生。由于竊電方法千變?nèi)f化，防竊電電表設(shè)計(jì)一直是電表工程師面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，數(shù)字式電表的發(fā)展為解決竊電問題提供了新途徑。本文介紹的單相數(shù)字式防竊電電能表采用了計(jì)量芯片STPM01和微控制器P89LPC9401，可以有效防止多種竊電行為。

STPM01計(jì)量芯片簡介

STPM01是ST公司推出的第一款電能計(jì)量專用芯片，有一個電壓通道和兩個電流通道，可以測量有功電能、無功電能、視在電能、電網(wǎng)頻率、電壓有效值和瞬時值以及電流有效值和瞬時值。其電流傳感器可以選用ROGOWSKI線圈、電流互感器或者錳銅分流器。它是一款高精度計(jì)量芯片，在5%到1,000%動態(tài)范圍內(nèi)，可達(dá)到0.2%。STMP01主要由兩部分組成即模擬部分和數(shù)字部分，包括前值放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、帶隙電壓基準(zhǔn)、調(diào)壓器、DSP和SPI接口等。

圖1：STPM01內(nèi)部框圖。

芯片上還配置了56位OTP存貯器，可以將校表數(shù)據(jù)等信息燒錄到芯片上。調(diào)壓器除了向內(nèi)部模擬和數(shù)字電路供電外，還向外部提供3V和1.5V電源。

電壓通道的差分放大器增益為4倍，其輸入最大差分信號為0.3V。電流通道除了前置放大器外，還有一個可編程放大器，兩個電流通道的放大倍數(shù)可獨(dú)立編程，這為電流通道選用不同的傳感器提供了方便。

STPM01內(nèi)部有2個有功電能寄存器，即0類有功電能和1類有功電能。0類為基波有功電能，1類為含諧波的總有功電能(FUND＝1時)。因此利用這兩個寄存器可以計(jì)算出諧波電能含量。除測量和配置寄存器外片內(nèi)還設(shè)有狀態(tài)寄存器和模式寄存器。

通過設(shè)置配置位，STPM01可以獨(dú)立工作，也可以作為單片機(jī)外圍設(shè)備。在獨(dú)立模式下，STPM01(MON和MOP管腳)可以直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)計(jì)度器，同時LED管腳輸出有功電能脈沖，脈沖常數(shù)通過配置位選擇。此模式下，SDA/TD管腳輸出竊電指示信號，SCL/NLC管腳輸出無負(fù)載指示信號，SYN管腳輸出電能反向指示信號。上電后，芯片按照OTP中的配置信息進(jìn)行工作。

作為單片機(jī)外圍設(shè)備時，STPM01可作為從機(jī)通過SPI接口與單片機(jī)通信，將測量數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息和配置信息傳送給單片機(jī)，單片機(jī)還可以修改其配置位，實(shí)時更改STPM01的工作方式。配置位APL＝0時，MOP管腳輸出電壓過零信號，MON輸出看門狗信號。而通過設(shè)置配置位KMOT，LED管腳可以輸出基波有功電能、總有功電能、無功電能或視在電能脈沖；APL＝1時，MOP腳輸出電壓A/D轉(zhuǎn)換值，MON腳輸出電流A/D轉(zhuǎn)換值，LED腳輸出電流通道選擇信號。

STPM01有兩個電流通道，可分別用于監(jiān)測火線和零線電流，當(dāng)兩者的差別超過設(shè)定閥值時，芯片進(jìn)入竊電狀態(tài)，取較大者用于電能計(jì)算。閥值可通過配置位設(shè)為12.5％或6.25％。當(dāng)兩通道電流符號不同時，不判斷電流大小直接進(jìn)入竊電狀態(tài)。在竊電狀態(tài)下，竊電狀態(tài)位BIT置位，如果此時芯片工作在獨(dú)立模式，竊電狀態(tài)還通過SDATD管腳輸出。

STPM01還有一種單線計(jì)量模式。如果FRS設(shè)為1，在沒有輸入電壓信號或電壓信號穩(wěn)定不變時，芯片進(jìn)入單線計(jì)量模式。此時不對電壓信號采樣，而用設(shè)定的額定電壓計(jì)算電能(按功率因數(shù)為1計(jì)算)。單線計(jì)量模式要求電流傳感器必須采用ROGOWSKI線圈。累加方式也可以選擇，配置位ABS置1時電能按絕對值累計(jì)，ABS清零時電能按代數(shù)和累計(jì)。

P89LPC9401微控制器簡介

P89LPC9401是一款低成本單片機(jī)，它采用了高性能處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時間只需2到4個時鐘周期，6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件。它實(shí)際上是P89LPC931微控制器和PCF8576D液晶驅(qū)動器的復(fù)合體。其主要特性如下：8KB的Flash程序存儲器，單字節(jié)擦除特性使每個字節(jié)都可用作非易失性數(shù)據(jù)存儲器；256B RAM數(shù)據(jù)存儲器；432段LCD驅(qū)動器；2個模擬比較器，2個16位定時/計(jì)數(shù)器和1個RTC定時器；8個鍵盤中斷輸入，2路外部中斷輸入；4個中斷優(yōu)先級；有20~23個I/O口，端口驅(qū)動能力20mA；具有I2C、SPI和增強(qiáng)型UART端口；CPU時鐘可選擇片內(nèi)看門狗振蕩器、片內(nèi)RC振蕩器、外部晶振振蕩器或外部時鐘源；掉電檢測可在電源故障時使系統(tǒng)安全關(guān)閉；具有空閑和兩種不同的掉電模式及喚醒功能；可選擇片內(nèi)復(fù)位或外部復(fù)位；支持ICP、ISP和IAP編程，F(xiàn)lash保密位防止程序讀出；VDD工作電壓范圍為2.4~3.6V，I/O口可承受5V。

系統(tǒng)方案

電表設(shè)計(jì)用于220V/50Hz電網(wǎng)，基本電流10A，最大電流40A。主要由計(jì)量模塊、系統(tǒng)控制模塊、數(shù)據(jù)顯示及存貯模塊、通訊模塊、RTC實(shí)時時鐘和電源模塊組成。

圖2：電表設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖。

電壓和電流分別由電阻分壓器和電流互感器和錳銅分流器取樣，取樣信號送入計(jì)量芯片STPM01，由STPM01對信號進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)過相位校正，計(jì)算出電能、電流、電壓等數(shù)據(jù)，STPM01自動選擇電流較大的通道計(jì)算電能。這些數(shù)據(jù)通過SPI接口傳送給LPC9401。

LPC9401讀取計(jì)量芯片數(shù)據(jù)后，完成電能的累計(jì)、存儲和顯示，并輸出電能脈沖，實(shí)時檢測電表工作狀態(tài)，記錄所發(fā)生的竊電事件，給出竊電指示信號。通過紅外通訊模塊實(shí)現(xiàn)對電表數(shù)據(jù)抄讀和設(shè)置，電源模塊為整個系統(tǒng)提供工作電源，電源掉電后，單片機(jī)關(guān)閉液晶顯示，進(jìn)入完全掉電模式，將功耗降到最低，僅由后備電池維持單片機(jī)內(nèi)部RTC運(yùn)行。

P89LPC9401資源十分豐富，具有多種總線接口。其SPI接口用于連接STPM01，I2C接口用于LCD顯示和EEPROM數(shù)據(jù)存貯，UART接口用于紅外通信，外部中斷1用于掉電檢測。為降低成本，采用內(nèi)部RTC為事件記錄提供時標(biāo)，CPU時鐘源也采用內(nèi)部的RC振蕩器，通過DIVM寄存器2分頻將CPU時鐘調(diào)整為3.686MHz，以降低系統(tǒng)功耗。采用內(nèi)部和外部雙看門狗的設(shè)計(jì)，提供系統(tǒng)可靠性。內(nèi)部看門狗使用獨(dú)立振蕩器，將STPM01設(shè)置為外部看門狗，其看門狗復(fù)位信號連接到LPC9401的鍵盤中斷口。

STPM01與P89LPC9401接口設(shè)計(jì)

STPM01的SPI接口是一個兩線口，其數(shù)據(jù)輸入輸出是同一個管腳，與標(biāo)準(zhǔn)三線SPI口不同。我們采用了圖3所示方法連接兩芯片。

作為SPI總線主機(jī)，LPC9401輸出時鐘信號，STPM01依照SCLNLC的時鐘信號進(jìn)行通信。為提高抗干擾性能，在連線中串聯(lián)一個10~100Ω電阻，該電阻與芯片管腳輸入電容構(gòu)成低通濾波器，濾除連線上的干擾。LPC9401讀取STPM01數(shù)據(jù)時，使用片上的SPI模塊。而向STPM01寫數(shù)據(jù)時，不使用SPI總線控制模塊，而采用軟件模擬SPI時序輸出數(shù)據(jù)。這樣設(shè)計(jì)是考慮到電表運(yùn)行時，LPC9401很少向STPM01寫數(shù)據(jù)，而讀數(shù)據(jù)非常頻繁。這種設(shè)計(jì)充分利用了芯片的資源，提高了程序運(yùn)行效率。

取樣電路設(shè)計(jì)

電壓取樣采用電阻分壓，考慮到貼片電阻的耐壓有限，選用4只200kΩ電阻做分壓器。STPM01電壓通道最大輸入差分電壓為0.3V，對于50Hz交流電，對應(yīng)有效值為0.21VRMS，輸入信號不能大于此最大值，否則會出現(xiàn)削峰?？紤]到余量，對于220V額定電壓，我們?nèi)?.16VRMS，則

取樣電阻＝20040.16/220＝581Ω，我們選560Ω作為取樣電阻。

相電流傳感器我們采用互感器，變比為5,000:1。該通道增益設(shè)置為8，則輸入最大信號為0.105VRMS，考慮到一定余量，在40A時，輸入信號選擇在0.08VRMS左右，則互感器負(fù)載電阻為0.08/405,000＝10Ω。

零線電流通道我們采用錳銅分流器，分流器阻值取250μΩ。阻值不能取得過大或過小，如果選得過小，則在小電流時取樣信號太微弱，導(dǎo)致誤差增大，容易超差。如果選得過大，則大電流時分流器發(fā)熱過大，造成誤差不穩(wěn)定。

圖3：SPI接口示意圖。

對于250μΩ分流器，在40A時其兩端電壓信號為25040＝10,000μV，即10mVRMS。取樣信號非常小，所以該通道增益應(yīng)設(shè)置為最大即32倍，此時信號輸入最大幅度為26.25mVRMS。實(shí)際最大輸入信號小于允許的最大輸入信號，分流器阻值選擇合理。

電源電路設(shè)計(jì)

電源模塊由主電源和副電源組成，主電源在電壓線路電壓存在時工作。當(dāng)電壓消失，而電流線路有電流時，副電源為系統(tǒng)提供電源，此時電表按照設(shè)定方式計(jì)量電能。

STPM01工作電壓為3.0~5.5V，LPC9401工作電壓為2.4~3.6V，考慮到功耗和余量，系統(tǒng)工作電壓設(shè)計(jì)為3.3V。主電源我們采用線性電源，220V交流電經(jīng)變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后得到3.3V電源。對于副電源，首先由一個電流－電壓感應(yīng)器將電流線路的電流通過電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換為交流電壓，當(dāng)火線和零線中的電流大小相等方向相反時，感應(yīng)器無電壓輸出，否則會輸出一定幅度的電壓，此電壓經(jīng)整流、濾波和穩(wěn)壓后得到3.3V電源。

軟件設(shè)計(jì)

電表軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括以下幾個子程序：電能計(jì)量子程序、顯示子程序、日歷子程序、掉電處理子程序、通訊子程序等。

這里主要介紹一下電能計(jì)量子程序。電表上電后，主程序進(jìn)行初始化，寫入STPM01配置參數(shù)，設(shè)定定時時間以定時調(diào)用電能計(jì)量子程序。計(jì)量子程序讀取測量數(shù)據(jù)和狀態(tài)，計(jì)算出電量值并輸出電能脈沖。主電源失電后，若從STPM01讀取得電流值不為零，則認(rèn)為電表處于單線計(jì)量的竊電狀態(tài)，此時以額定電壓計(jì)算電量。定時讀取STPM01的時間，應(yīng)滿足在最大電流時，電能寄存器不發(fā)生溢出，并考慮一定過載余量。由于啟用了STPM01的看門狗功能，如果1.6s內(nèi)沒有對STPM01進(jìn)行讀/寫，STPM01就會輸出看門狗信號，使MCU產(chǎn)生中斷。因此，定時讀取時間最長不能超過1.6s。

圖4：電能計(jì)量子程序流程圖。

防竊電功能

本方案設(shè)計(jì)的電表，可以防止以下幾種竊電行為。

1. 進(jìn)出線反接：即負(fù)載端和電網(wǎng)端接線對調(diào)，此時測得的電能為負(fù)值。此時對于普通機(jī)械式電表，其計(jì)度器將反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致讀數(shù)減少，而本表仍按正向累計(jì)電量；

2. 進(jìn)出線旁路：即相線或零線的進(jìn)線和出線被旁路，此時普通電表會少計(jì)旁路電能，本表則能準(zhǔn)確計(jì)量實(shí)際耗電；

3. 相零對調(diào)：即相線與零線對調(diào)，本表仍能準(zhǔn)確計(jì)量電能；

4. 負(fù)載接地：即負(fù)載只接相線，而將零線接入大地，本表仍能準(zhǔn)確計(jì)量電能；

5. 相零對調(diào)并且負(fù)載接地：此時普通電表不計(jì)電能，而本表能準(zhǔn)確計(jì)量電能；

6. 單線計(jì)量：即在入線側(cè)將零線斷開，負(fù)載接出線側(cè)相線，另一端接地。此時普通電表不能工作，無法計(jì)量電能，本表在負(fù)載電流達(dá)到2A以上時，可以計(jì)量電能，并且精度可以達(dá)到1％以上。

以上各種手法組合使用時，本表也能達(dá)到防竊電目的。

本文小結(jié)

本設(shè)計(jì)采用STPM01作為核心計(jì)量芯片，P89LPC9401作為系統(tǒng)控制器，整個系統(tǒng)功耗低，性能穩(wěn)定。整表功能強(qiáng)大，精度高，動態(tài)范圍大，誤差穩(wěn)定。如果提高電流-電壓感應(yīng)器的轉(zhuǎn)換效率，并努力降低系統(tǒng)功耗，則單線計(jì)量啟動電流可以進(jìn)一步降低，有希望做到1A以下，防竊電效果會更理想。

參考文獻(xiàn)
[1] 陳勁游. 竊電與防竊電技術(shù)措施展望. 2005第十一屆國際(珠海)電磁測量技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品研討會論文集.
[2] 意法半導(dǎo)體有限公司. STPM01數(shù)據(jù)手冊
[3] 飛利浦半導(dǎo)體有限公司. P89LPC9401 Datasheet