用于功率管理的系統及在該系統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、申請號為201080025086. 3、名稱為"用于 在斷路器點的功率消耗測量的設備和方法"的中國發明專利申請的分案申請。
[0002] 相關申請的交叉引用
[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益。
技術領域
[0004] 本發明總體上涉及功率消耗的測量，更具體地，涉及流經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】
[0005] 在典型的供電系統中，功率通過主斷路器和用于連接至其的整個電網的功率消耗 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的較小部分供電。斷路器被調節為可以用于這個電子子網絡的最大電 流量。在工業和商業應用中，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絡的斷路器也不是罕 見的。
[0006] 經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)被創造，包括作為電源線導體的初級線圈和提供與繞組數量成反比的輸出電流 的次級線圈。這種系統典型地被用來在甚高電壓或電流的環境中測量電流，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，或用于那個內容的功率計，對于在有多個斷路器的環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，比如由Gunn等建議的，和其它現有技術 的解決方案在噪雜環境操作時遭受缺陷。
[0007] 在現在發展的技術領域中有一個需求，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，且這種解決方案現在還不能獲得。如果解決方案可以被提供用來在用于現有的斷路器 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有技術的局限性是 有益的。
【附圖說明】
[0008] 圖1是根據本發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是根據本發明的自供電傳感器的第一實施方式的方框圖。
[0010]圖3是根據本發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是根據本發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是根據本發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是根據本發明實施的自供電功率傳感器外殼的示意圖。
[0016] 圖9是根據本發明配置的自供電功率傳感器的工作的流程圖。
[0017] 圖10是根據本發明配置的系統的示意圖。
[0018] 圖11是根據本發明的自供電傳感器的第二實施方式的方框圖。
[0019] 圖12是根據本發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是根據本發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境中，能傳達其各自的數據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、在有巨大數量設備的環境中的無線操作和自供電的挑戰被處 理。
[0022] 現在參考圖1，其中，根據本發明配置的示例性和非限制性系統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 電網放置在適當的位置的構建期間，SPPS 110被設計成能較容易地安置到現有位置或其他 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。電流脈沖轉換器（C2PC) 214用來周期性地產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。模擬數字（A/D)轉換器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 通信協議。MAC 222提供通信系統的7層標準模式的數據鏈路層。這需要數據幀的硬件、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 的創造。計數器227被從模擬部分210接收到的中斷信號激發，并能計數如上文所記載的脈 沖的數量，脈沖的數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 行時，執行此處討論的方法。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。在本發明的一實施方式中，RF收發信機240僅支持傳輸，例如 上行鏈路通信。然而，RF收發信機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，這可能是未經許可的工 業科學醫療（ISM)頻段收發信機，工作在2. 4GHz，例如而非限制性的。在一實施方式中，擴 展頻譜調制技術的一些形式可以被用來直接序列擴頻（DSSS)，以與在相同環境中工作的其 它系統更好地共存，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米金屬到達環境。在本發明的另一實施方式中，該范圍在室內環境中可以達到數 十米。這使SPPS能放置在單個裝置上，例如，在工廠的生產線的機器上，和區域中橋接單 元的最小數目上。RF收發信機240優選地使用標準PHY層支持，例如而非限制性的，IEEE 802. 15.4,和/或通信協議，例如而非限制性的，Zigbee。這樣的標準的使用使得與已經包 括無線硬件（例如而非限制性的，智能儀表）的現有系統較容易集成。
[0026] 根據本發明的原則，每次脈沖從C2PC 214到達，中斷信號被發送到MCU 220。響應 于接收中斷脈沖，MCU 220喚醒并增加計數器227的值。儲存在每個脈沖中的能量大于喚 醒和計數所需要的能量，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 收發信機250傳輸。計數器227的值與經過初級線（primary line) 130的總電荷（例如，超 時集成的電流）成比例。計數器227中的值和其它參數一樣保存在系統的存儲器230中。 MC