用于功率管理的系統(tǒng)及在該系統(tǒng)中測量功率消耗的方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請日為2010年04月15日、申請?zhí)枮?01080025086. 3、名稱為"用于 在斷路器點的功率消耗測量的設備和方法"的中國發(fā)明專利申請的分案申請。
[0002] 相關(guān)申請的交叉引用
[0003] 本申請要求2009年4月16日提交的第61/169, 750號美國臨時專利申請以及2009 年9月2日提交的第61/272, 216號美國臨時專利申請的權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明總體上涉及功率消耗的測量，更具體地，涉及流經(jīng)電源線以能夠在每個斷 路器基礎上進行功率消耗分析的電流的非侵入式和自供電的測量。
【背景技術(shù)】
[0005] 在典型的供電系統(tǒng)中，功率通過主斷路器和用于連接至其的整個電網(wǎng)的功率消耗 測量的裝置來提供。然而，典型地，接下來主電源線連接到多個斷路器，每個斷路器用它的 具體功率需求向電網(wǎng)的較小部分供電。斷路器被調(diào)節(jié)為可以用于這個電子子網(wǎng)絡的最大電 流量。在工業(yè)和商業(yè)應用中，幾百個這樣的斷路器可以被安裝，每個斷路器控制電網(wǎng)的一部 分。即使在更小的位置，比如一個房子，找到幾十個控制各種電子子網(wǎng)絡的斷路器也不是罕 見的。
[0006] 經(jīng)過電源線導體的電流的非侵入式測量具有眾所周知的原理。各種各樣的電流互 感器（CT)被創(chuàng)造，包括作為電源線導體的初級線圈和提供與繞組數(shù)量成反比的輸出電流 的次級線圈。這種系統(tǒng)典型地被用來在甚高電壓或電流的環(huán)境中測量電流，例如，如Gunn 等的美國專利7, 557, 563中所示。這些類型的孔徑對于主功率供應是有用的。使用這樣的 裝置，或用于那個內(nèi)容的功率計，對于在有多個斷路器的環(huán)境中測量相對低電流的目的是 有缺陷的。在單一基礎上提供無線遙感勘測技術(shù)，比如由Gunn等建議的，和其它現(xiàn)有技術(shù) 的解決方案在噪雜環(huán)境操作時遭受缺陷。
[0007] 在現(xiàn)在發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域中有一個需求，起因于為了使功率消耗能以細粒度（finer granularity)進行分析的向能量保存的方向的移動。這將要求在至少每個斷路器基礎上分 析，且這種解決方案現(xiàn)在還不能獲得。如果解決方案可以被提供用來在用于現(xiàn)有的斷路器 的斷路器配電箱中安裝，將更加有利。因此，通過解決這些缺陷來克服現(xiàn)有技術(shù)的局限性是 有益的。
【附圖說明】
[0008] 圖1是根據(jù)本發(fā)明配置的配備有兼容的自供電功率傳感器的斷路器。
[0009] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的自供電傳感器的第一實施方式的方框圖。
[0010]圖3是根據(jù)本發(fā)明的自供電傳感器的模擬部分的第一實施方式的電路圖。
[0011] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的自供電傳感器的模擬部分的第二實施方式的電路圖。
[0012] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的自供電傳感器的模擬部分的第三實施方式的電路圖。
[0013] 圖6是有次級線圈的磁心的示意圖。
[0014] 圖7是包括磁心的兩個部分的示意圖。
[0015] 圖8是根據(jù)本發(fā)明實施的自供電功率傳感器外殼的示意圖。
[0016] 圖9是根據(jù)本發(fā)明配置的自供電功率傳感器的工作的流程圖。
[0017] 圖10是根據(jù)本發(fā)明配置的系統(tǒng)的示意圖。
[0018] 圖11是根據(jù)本發(fā)明的自供電傳感器的第二實施方式的方框圖。
[0019] 圖12是根據(jù)本發(fā)明的自供電傳感器的模擬部分的第四實施方式的電路圖。
[0020] 圖13是根據(jù)本發(fā)明的自供電傳感器的模擬部分的第五實施方式的電路圖。
【具體實施方式】
[0021] 用于在感興趣點（比如斷路器、機器等）的功率消耗測量的設備和方法被提供。 因此，用于由斷路器控制的每個電子子網(wǎng)絡的功率消耗的測量的裝置被提供。每個設備在 有多個這樣的設備的環(huán)境中，能傳達其各自的數(shù)據(jù)到能提供細粒度功率消耗屬性的管理單 元。測量相對低的電源電流、在有巨大數(shù)量設備的環(huán)境中的無線操作和自供電的挑戰(zhàn)被處 理。
[0022] 現(xiàn)在參考圖1，其中，根據(jù)本發(fā)明配置的示例性和非限制性系統(tǒng)100配備有兼容的 自供電功率傳感器（SPPS) 110。SPPS 110被設計為安裝在斷路器120之上或之下，其中斷 路器120是標準尺寸以至于其無需修改就能安裝在當前的斷路器配電箱中。SPPS 110外殼 被設計為纏繞在接到或從斷路器120出來的電源線130周圍，如下文中詳細描述。在整個 電網(wǎng)放置在適當?shù)奈恢玫臉?gòu)建期間，SPPS 110被設計成能較容易地安置到現(xiàn)有位置或其他 的地方。
[0023] SPPS包含電子電路即示例性和非限制性電路200,它在圖2中以方框圖的形式示 出。電路200包括連接到微控制器220的模擬部分210。模擬部分包括電流互感器212以 將來自電源線，例如電源線130的電流轉(zhuǎn)換成低電流。從那兒檢測的功率用于兩個目的，第 一個是提供SPPS 110的工作所需功率，而第二個是檢測連接到電源線130的負載的實際功 率消耗。電流脈沖轉(zhuǎn)換器（C2PC) 214用來周期性地產(chǎn)生脈沖提供到微控制單元（MCU) 220， 并使功率消耗測量能夠進行。脈沖越頻繁，功率消耗越高。能量收集器216儲存能量用作 SPPS 110的電路的電源。還能從微控制器220接收放電信號以使能量收集器216能有意地 放電并防止過充。在本發(fā)明的一實施方式中，齊納二極管（未示出）被用來限定電壓至期 望的等級，從而防止了過充。
[0024] 電路200還包括MCU 220, MCU 220包括幾個組件。模擬數(shù)字（A/D)轉(zhuǎn)換器225連 接到信號處理器224,信號處理器224又連接到媒體存取控制器（MAC) 222,它支持SPPS的 通信協(xié)議。MAC 222提供通信系統(tǒng)的7層標準模式的數(shù)據(jù)鏈路層。這需要數(shù)據(jù)幀的硬件、軟 件、固件或它們的組合、計時它們的傳輸、接收的信號長度指示（RSSI)、確認和時鐘同步等 的創(chuàng)造。計數(shù)器227被從模擬部分210接收到的中斷信號激發(fā)，并能計數(shù)如上文所記載的脈 沖的數(shù)量，脈沖的數(shù)量對于給定的時間單元消耗的功率是成比例的。另一個A/D轉(zhuǎn)換器226 用來測量能量收集器216的輸出，并且在一實施方式中，在MCU 220的控制下，引起可以被 需要時候的它們的放電，如下文進一步的解釋。在另一實施方式中，下文有進一步的解釋， 它能用來檢測連結(jié)到所測量的電源線的負載被斷開。存儲器230連接到MCU 220,其與用于 多個指令的儲存的存儲器一樣，能作為便箋式存儲器230使用，當該多個指令由MCU 220執(zhí) 行時，執(zhí)行此處討論的方法。存儲器230包括隨機存取存儲器（RAM)、只讀存儲器（ROM)、非 易失性存儲器（NVM)、其它存儲器類型和它們的組合。
[0025] 射頻（RF)收發(fā)信機240連接至MCU 220和天線250,以提供與管理單元的單向或 雙向通信，在下文詳細論述。在本發(fā)明的一實施方式中，RF收發(fā)信機240僅支持傳輸，例如 上行鏈路通信。然而，RF收發(fā)信機240可以包括接收機部分以支持檢測載波信號、時鐘同 步、確認、固件下載和配置下載的特征，例如而非限制性的。典型地，這可能是未經(jīng)許可的工 業(yè)科學醫(yī)療（ISM)頻段收發(fā)信機，工作在2. 4GHz，例如而非限制性的。在一實施方式中，擴 展頻譜調(diào)制技術(shù)的一些形式可以被用來直接序列擴頻（DSSS)，以與在相同環(huán)境中工作的其 它系統(tǒng)更好地共存，例如而非限制性的。在下文詳細論述的通信率，應該足夠高以使在同樣 的配電箱中的幾百對SPPS能共存。RF收發(fā)信機240的功率消耗應該足夠低以支持能量收 集的局限性。然而RF收發(fā)信機240的另一個需求是支持足夠在配電箱操作的通信范圍， 例如，3-4米金屬到達環(huán)境。在本發(fā)明的另一實施方式中，該范圍在室內(nèi)環(huán)境中可以達到數(shù) 十米。這使SPPS能放置在單個裝置上，例如，在工廠的生產(chǎn)線的機器上，和區(qū)域中橋接單 元的最小數(shù)目上。RF收發(fā)信機240優(yōu)選地使用標準PHY層支持，例如而非限制性的，IEEE 802. 15.4,和/或通信協(xié)議，例如而非限制性的，Zigbee。這樣的標準的使用使得與已經(jīng)包 括無線硬件（例如而非限制性的，智能儀表）的現(xiàn)有系統(tǒng)較容易集成。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的原則，每次脈沖從C2PC 214到達，中斷信號被發(fā)送到MCU 220。響應 于接收中斷脈沖，MCU 220喚醒并增加計數(shù)器227的值。儲存在每個脈沖中的能量大于喚 醒和計數(shù)所需要的能量，因此，足夠的能量仍然可用于對能量收集器216充電和/或能用RF 收發(fā)信機250傳輸。計數(shù)器227的值與經(jīng)過初級線（primary line) 130的總電荷（例如，超 時集成的電流）成比例。計數(shù)器227中的值和其它參數(shù)一樣保存在系統(tǒng)的存儲器230中。 MC