基于STPM01的防窃电电能表设计

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基于STPM01的防窃电电能表设计

不论在发达国家还是在发展中国家，窃电都是一个非常棘手的问题，每年都给供电企业造成巨大损失。现在的防窃电方法多是从管理上采取措施，用这些方法即使查出了窃电行为，也往往由于缺乏依据而无法确定处罚额，甚至有时供电企业面临无法拿出窃电证据的尴尬。只有提高电能表本身的防窃电技术，才能从根本上杜绝窃电发生。由于窃电方法千变万化，防窃电电表设计一直是电表工程师面临的严峻挑战，数字式电表的发展为解决窃电问题提供了新途径。本文介绍的单相数字式防窃电电能表采用了计量芯片STPM01和微控制器P89LPC9401，可以有效防止多种窃电行为。
STPM01计量芯片简介
    STPM01是ST公司推出的第一款电能计量专用芯片，有一个电压通道和两个电流通道，可以测量有功电能、无功电能、视在电能、电网频率、电压有效值和瞬时值以及电流有效值和瞬时值。其电流传感器可以选用ROGOWSKI线圈、电流互感器或者锰铜分流器。它是一款高精度计量芯片，在5%到1,000%动态范围内，可达到0.2%。STMP01主要由两部分组成即模拟部分和数字部分，包括前值放大器、A/D转换器、带隙电压基准、调压器、DSP和SPI接口等。

图1：STPM01内部框图。

    芯片上还配置了56位OTP存贮器，可以将校表数据等信息烧录到芯片上。调压器除了向内部模拟和数字电路供电外，还向外部提供3V和1.5V电源。
    电压通道的差分放大器增益为4倍，其输入最大差分信号为±0.3V。电流通道除了前置放大器外，还有一个可编程放大器，两个电流通道的放大倍数可独立编程，这为电流通道选用不同的传感器提供了方便。
    STPM01内部有2个有功电能寄存器，即0类有功电能和1类有功电能。0类为基波有功电能，1类为含谐波的总有功电能(FUND＝1时)。因此利用这两个寄存器可以计算出谐波电能含量。除测量和配置寄存器外片内还设有状态寄存器和模式寄存器。
    通过设置配置位，STPM01可以独立工作，也可以作为单片机外围设备。在独立模式下，STPM01(MON和MOP管脚)可以直接驱动步进电机计度器，同时LED管脚输出有功电能脉冲，脉冲常数通过配置位选择。此模式下，SDA/TD管脚输出窃电指示信号，SCL/NLC管脚输出无负载指示信号，SYN管脚输出电能反向指示信号。上电后，芯片按照OTP中的配置信息进行工作。
    作为单片机外围设备时，STPM01可作为从机通过SPI接口与单片机通信，将测量数据、状态信息和配置信息传送给单片机，单片机还可以修改其配置位，实时更改STPM01的工作方式。配置位APL＝0时，MOP管脚输出电压过零信号，MON输出看门狗信号。而通过设置配置位KMOT，LED管脚可以输出基波有功电能、总有功电能、无功电能或视在电能脉冲；APL＝1时，MOP脚输出电压A/D转换值，MON脚输出电流A/D转换值，LED脚输出电流通道选择信号。
    STPM01有两个电流通道，可分别用于监测火线和零线电流，当两者的差别超过设定阀值时，芯片进入窃电状态，取较大者用于电能计算。阀值可通过配置位设为12.5％或6.25％。当两通道电流符号不同时，不判断电流大小直接进入窃电状态。在窃电状态下，窃电状态位BIT置位，如果此时芯片工作在独立模式，窃电状态还通过SDATD管脚输出。
    STPM01还有一种单线计量模式。如果FRS设为1，在没有输入电压信号或电压信号稳定不变时，芯片进入单线计量模式。此时不对电压信号采样，而用设定的额定电压计算电能(按功率因数为1计算)。单线计量模式要求电流传感器必须采用ROGOWSKI线圈。累加方式也可以选择，配置位ABS置1时电能按绝对值累计，ABS清零时电能按代数和累计。
P89LPC9401微控制器简介
    P89LPC9401是一款低成本单片机，它采用了高性能处理器结构，指令执行时间只需2到4个时钟周期，6倍于标准80C51器件。它实际上是P89LPC931微控制器和PCF8576D液晶驱动器的复合体。其主要特性如下：8KB的Flash程序存储器，单字节擦除特性使每个字节都可用作非易失性数据存储器；256B RAM数据存储器；4×32段LCD驱动器；2个模拟比较器，2个16位定时/计数器和1个RTC定时器；8个键盘中断输入，2路外部中断输入；4个中断优先级；有20~23个I/O口，端口驱动能力20mA；具有I2C、SPI和增强型UART端口；CPU时钟可选择片内看门狗振荡器、片内RC振荡器、外部晶振振荡器或外部时钟源；掉电检测可在电源故障时使系统安全关闭；具有空闲和两种不同的掉电模式及唤醒功能；可选择片内复位或外部复位；支持ICP、ISP和IAP编程，Flash保密位防止程序读出；VDD工作电压范围为2.4~3.6V，I/O口可承受5V。
系统方案     电表设计用于220V/50Hz电网，基本电流10A，最大电流40A。主要由计量模块、系统控制模块、数据显示及存贮模块、通讯模块、RTC实时时钟和电源模块组成。

              图2：电表设计系统框图。

    电压和电流分别由电阻分压器和电流互感器和锰铜分流器取样，取样信号送入计量芯片STPM01，由STPM01对信号进行采样并转换为数字信号，再经过相位校正，计算出电能、电流、电压等数据，STPM01自动选择电流较大的通道计算电能。这些数据通过SPI接口传送给LPC9401。

    LPC9401读取计量芯片数据后，完成电能的累计、存储和显示，并输出电能脉冲，实时检测电表工作状态，记录所发生的窃电事件，给出窃电指示信号。通过红外通讯模块实现对电表数据抄读和设置，电源模块为整个系统提供工作电源，电源掉电后，单片机关闭液晶显示，进入完全掉电模式，将功耗降到最低，仅由后备电池维持单片机内部RTC运行。
    P89LPC9401资源十分丰富，具有多种总线接口。其SPI接口用于连接STPM01，I2C接口用于LCD显示和EEPROM数据存贮，UART接口用于红外通信，外部中断1用于掉电检测。为降低成本，采用内部RTC为事件记录提供时标，CPU时钟源也采用内部的RC振荡器，通过DIVM寄存器2分频将CPU时钟调整为3.686MHz，以降低系统功耗。采用内部和外部双看门狗的设计，提供系统可靠性。内部看门狗使用独立振荡器，将STPM01设置为外部看门狗，其看门狗复位信号连接到LPC9401的键盘中断口。
STPM01与P89LPC9401接口设计
    STPM01的SPI接口是一个两线口，其数据输入输出是同一个管脚，与标准三线SPI口不同。我们采用了图3所示方法连接两芯片。
    作为SPI总线主机，LPC9401输出时钟信号，STPM01依照SCLNLC的时钟信号进行通信。为提高抗干扰性能，在连线中串联一个10~100Ω电阻，该电阻与芯片管脚输入电容构成低通滤波器，滤除连线上的干扰。LPC9401读取STPM01数据时，使用片上的SPI模块。而向STPM01写数据时，不使用SPI总线控制模块，而采用软件模拟SPI时序输出数据。这样设计是考虑到电表运行时，LPC9401很少向STPM01写数据，而读数据非常频繁。这种设计充分利用了芯片的资源，提高了程序运行效率。
取样电路设计
    电压取样采用电阻分压，考虑到贴片电阻的耐压有限，选用4只200kΩ电阻做分压器。STPM01电压通道最大输入差分电压为±0.3V，对于50Hz交流电，对应有效值为0.21VRMS，输入信号不能大于此最大值，否则会出现削峰。考虑到余量，对于220V额定电压，我们取0.16VRMS，则
    取样电阻＝200×4×0.16/220＝581Ω，我们选560Ω作为取样电阻。
    相电流传感器我们采用互感器，变比为5,000:1。该通道增益设置为8，则输入最大信号为0.105VRMS，考虑到一定余量，在40A时，输入信号选择在0.08VRMS左右，则互感器负载电阻为0.08/40×5,000＝10Ω。
    零线电流通道我们采用锰铜分流器，分流器阻值取250μΩ。阻值不能取得过大或过小，如果选得过小，则在小电流时取样信号太微弱，导致误差增大，容易超差。如果选得过大，则大电流时分流器发热过大，造成误差不稳定。

图3：SPI接口示意图。

    对于250μΩ分流器，在40A时其两端电压信号为250×40＝10,000μV，即10mVRMS。取样信号非常小，所以该通道增益应设置为最大即32倍，此时信号输入最大幅度为26.25mVRMS。实际最大输入信号小于允许的最大输入信号，分流器阻值选择合理。
电源电路设计
    电源模块由主电源和副电源组成，主电源在电压线路电压存在时工作。当电压消失，而电流线路有电流时，副电源为系统提供电源，此时电表按照设定方式计量电能。
    STPM01工作电压为3.0~5.5V，LPC9401工作电压为2.4~3.6V，考虑到功耗和余量，系统工作电压设计为3.3V。主电源我们采用线性电源，220V交流电经变压、整流、滤波和稳压后得到3.3V电源。对于副电源，首先由一个电流－电压感应器将电流线路的电流通过电磁感应转换为交流电压，当火线和零线中的电流大小相等方向相反时，感应器无电压输出，否则会输出一定幅度的电压，此电压经整流、滤波和稳压后得到3.3V电源。
软件设计
    电表软件采用模块化设计，主要包括以下几个子程序：电能计量子程序、显示子程序、日历子程序、掉电处理子程序、通讯子程序等。     这里主要介绍一下电能计量子程序。电表上电后，主程序进行初始化，写入STPM01配置参数，设定定时时间以定时调用电能计量子程序。计量子程序读取测量数据和状态，计算出电量值并输出电能脉冲。主电源失电后，若从STPM01读取得电流值不为零，则认为电表处于单线计量的窃电状态，此时以额定电压计算电量。定时读取STPM01的时间，应满足在最大电流时，电能寄存器不发生溢出，并考虑一定过载余量。由于启用了STPM01的看门狗功能，如果1.6s内没有对STPM01进行读/写，STPM01就会输出看门狗信号，使MCU产生中断。因此，定时读取时间最长不能超过1.6s。

       图4：电能计量子程序流程图。


防窃电功能
    本方案设计的电表，可以防止以下几种窃电行为。
1. 进出线反接：即负载端和电网端接线对调，此时测得的电能为负值。此时对于普通机械式电表，其计度器将反转，导致读数减少，而本表仍按正向累计电量；
2. 进出线旁路：即相线或零线的进线和出线被旁路，此时普通电表会少计旁路电能，本表则能准确计量实际耗电；
3. 相零对调：即相线与零线对调，本表仍能准确计量电能；
4. 负载接地：即负载只接相线，而将零线接入大地，本表仍能准确计量电能；
5. 相零对调并且负载接地：此时普通电表不计电能，而本表能准确计量电能；
6. 单线计量：即在入线侧将零线断开，负载接出线侧相线，另一端接地。此时普通电表不能工作，无法计量电能，本表在负载电流达到2A以上时，可以计量电能，并且精度可以达到1％以上。
以上各种手法组合使用时，本表也能达到防窃电目的。
本文小结
    本设计采用STPM01作为核心计量芯片，P89LPC9401作为系统控制器，整个系统功耗低，性能稳定。整表功能强大，精度高，动态范围大，误差稳定。如果提高电流-电压感应器的转换效率，并努力降低系统功耗，则单线计量启动电流可以进一步降低，有希望做到1A以下，防窃电效果会更理想。
参考文献
[1] 陈劲游. 窃电与防窃电技术措施展望. 2005第十一届国际(珠海)电磁测量技术、标准、产品研讨会论文集.
[2] 意法半导体有限公司. STPM01数据手册
[3] 飞利浦半导体有限公司. P89LPC9401 Datasheet