以太网供电配电系统的制作方法

本发明涉及以太网供电（Power-over-Ethernet）配电系统、配电的方法和用于配电的计算机程序。

背景技术：

根据以太网供电（PoE）标准的电源或供电设备（PSE）使用以太网电缆来给类似于照明设备等等的动力设备（powered device）（PD）供应直流DC电压。以太网供电系统被定义在IEEE 802.3.af和IEEE 802.3.at标准中。以太网供电系统允许在低成本以太网电缆（Cat5/6电缆）上的DC低电压供应。根据IEEE标准的以太网供电系统允许高达25.5W（在42.5V~57V上）的功率。换句话说，以太网布线环境被用作独立的DC电源。

US 2012/0223650 A1公开一种用于给作为动力设备的照明设备供应能量的以太网供电系统。

由于相信以太网供电系统在即将到来的几年里变得越来越重要，所以应该改进这样的电源的电源效率（power efficiency）。

技术实现要素：

本发明的目的是提供用于利用改进的电源效率来配电的（以太网供电）供电系统、配电的方法和计算机程序。

在本发明的第一方面中，提出一种（以太网供电）配电系统。该配电系统包括多个负载，其中至少一个负载是用于产生光的照明单元。该配电系统进一步包括第一和第二开关单元，其中每一个开关单元具有多个负载之中的一个或多个负载与之相耦合的多个端口。至少一个照明单元被耦合至以下二者：第一多个端口之中的至少一个端口以及第二多个端口之中的至少一个端口。每一个开关单元此外包括用于为多个端口以及被耦合至这些端口的负载供应功率的供电单元。该配电系统此外包括至少一个负载管理单元，用于通过管理从供电单元给至少一个照明单元供应的功率来控制给至少一个照明单元供应的功率，以便优化该配电系统的电源效率和/或优化至少两个开关单元之一或其中每一个的电源效率。

根据本发明的一方面的负载管理通过控制或管理给这些端口供应的功率来控制或管理在开关单元的端口上的负载。如果减少给端口供应的功率，这也将导致该端口上减少的负载。如果增加给端口供应的功率，这也能够导致该端口上增加的负载。此外能够执行负载管理，但是不是为了优化端口上的负载的电源效率，而是为了优化配电系统的电源效率。

根据本发明的一方面，至少一个负载管理单元正基于照明单元的能力、照明单元的位置或与照明单元相关的照明要求来管理给被耦合至至少两个开关单元的端口的至少一个照明单元的功率，以致于配电系统和/或至少两个开关单元之一或每一个开关单元以优化的电源效率来操作。

根据本发明的进一步方面，负载管理单元被适配成基于以下来管理给开关单元供应的功率：a）供电单元的电源效率与负载特性之间的关系，和/或b）供电单元的功率因数与负载特性之间的关系。每一个供电单元具有特定的电源效率和负载特性。电源效率通常针对100%负载进行优化并且随着负载降低而降低。相应地，执行根据本发明的一方面的负载管理，以致于在以太网供电开关单元中的供电单元利用改进的电源效率来操作。这例如能够通过减少至例如采用照明单元的形式的负载所附着的端口的电源来实现，以致于供电单元的电源效率被优化而不是优化负载的电源效率。

在本发明的进一步方面中，提出一种配电的方法。该方法包括：利用第一开关单元（20）中的第一供电单元（21）和第二开关单元（30）中的第二供电单元（31）之中的至少一个给至少一个照明单元（40-80）供应功率，其中至少一个照明单元被耦合到第一开关单元（20）的第一多个端口（25）之中的至少一个端口和第二开关单元（30）的第二多个端口（35）之中的至少一个端口；以及通过管理利用第一供电单元和第二供电单元给至少一个照明单元（40-80）供应的功率来执行负载管理，以致于配电系统的电源效率被优化。

因为能够经由配电系统给其供应功率的典型照明设备被设计成在（百分比的）其最大负载上具有其最高效率并且因为这些照明设备通常例如由于节能要求而没有操作在其最大负载上，所以配电单元的电源效率、尤其开关单元中的供电单元的电源效率被减少。根据本发明的一方面，若干照明单元与之相耦合的开关单元的电源效率将被改进。这些照明设备（作为动力设备）利用开关单元来控制，以致于在控制个别照明设备的同时满足照明要求，这样整体电源效率被优化。这例如能够通过个别调节用于照明源的设置来执行。

因此，根据本发明的一方面的控制功能能够在类似于以太网供电开关单元的供电设备中进行实现。

应该明白：本发明的优选实施例也能够是从属权利要求或上面实施例与各自独立权利要求的任何组合。

本发明的这些和其他方面从下文描述的实施例中将是显然的并将参考这些实施例来阐述。

附图说明

在以下附图中：

图1示意地和示例地显示根据本发明的实施例的配电系统的框图，

图2A显示指示在考虑到被施加给供电单元的负载的情况下的供电单元的效率的相关性的示意图表，

图2B显示指示供电单元的负载与效率之间的关系以及功率因数与被施加给供电单元的负载之间的关系的图表，

图3显示根据本发明的实施例的建筑物中的以太网供电配电系统的示意图，

图4显示根据本发明的实施例的指示负载与给配电单元供应的功率之间的关系的示意图表，以及

图5显示根据本发明的实施例的建筑物中的以太网供电配电系统的示意图。

具体实施方式

本发明的实施例涉及以太网供电电源或配电单元或系统。其元素基于IEEE 802.3.af和IEEE 802.3.at标准。如下描述的不同元素之间的电缆是以太网电缆，例如Cat5/6电缆。供电设备（Power Sourcing Equipment）PSE被耦合到例如采用照明源或照明设备的形式的动力设备PD。供电设备PSE正为动力设备PD供应所需的电压和电流。连接供电设备PSE和动力设备PD的电缆（以太网电缆）能够相应地用于发送数据以及给动力设备PD供应所需的功率。每一个供电设备PSE能够作为以太网供电开关单元来实现，其中该开关单元能够具有若干端口，而例如采用光源或照明设备的形式的动力设备PD能够被耦合至这些端口。

图1示意地和示例地显示根据本发明的实施例的配电系统的框图。在图1中，示意地描绘以太网供电配电系统的基本环境或结构。可选地，中央控制器10能够被耦合至例如采用以太网供电开关或开关单元20、30的形式的多个供电设备PSE。这些以太网供电开关单元20、30又能够被耦合至例如采用照明单元40、50、60、70、80的形式的许多动力设备PD。在图1的实施例中，第一以太网供电开关单元20被耦合到两个照明单元40、50。第二以太网供电开关单元30被耦合到三个照明单元60、70、80。然而，应该注意：这只是一个示例。事实上，能够提供多个以太网供电开关单元，其中每一个开关单元又能够被耦合到例如采用照明单元的形式的许多动力设备PD。以太网供电开关单元20、30能够充当供电设备PSE，即，分别地，它们被用于给采用照明单元40-80的形式的动力设备PD供应功率。以太网供电开关单元20、30借助于以太网电缆（例如Cat5/6电缆）被耦合到动力设备40-80。

以太网供电开关单元20、30之中的每一个能够包括：控制器21、31；供电单元PSU 22、32；以及开关23、33。此外，每一个以太网供电开关20、30能够包括许多端口25、35，其中例如采用照明单元的形式的动力设备PD能够被耦合到这些端口。以太网供电设备即以太网供电开关单元也可以可选地包括电压或电流传感器26、36或检测单元，用于检测在开关单元20、30的端口25、35上的电压和电流。可选地，以太网供电开关单元20、30也能够用于基于以太网电缆以及基于以太网通信协议来发送数据至动力设备PD和从动力设备PD中发送数据。

因为动力设备可以使用不同的电量进行操作，所以一般能够将动力设备PD分为不同的类别。在IEEE 802.3.af和IEEE 802.3.at标准中定义不同的动力设备的功率需求的分类。

每一个动力设备即每一个照明单元40-80可以包括驱动器41、51、61、71、81和用于发射光的光单元42、52、62、72、82。可选地，照明单元40-80各自能够包括控制器43、53、63、73、83。分别地，驱动器41、51、61、71、81各自用于驱动光单元42、52、62、72、82。相应地，例如，基于从中央控制器10或从以太网供电开关单元20、30接收的信息，驱动器41-81驱动光单元的操作，因而在0与100%之间控制光单元的输出。换言之，可选地，中央控制器向光设备中的控制器发送命令来调亮/调暗该光单元。光控制器能够将调光命令转换成用于驱动器的控制信号，其将改变LED电流和光输出并且也改变负载。供电设备PSE或开关单元20、30将测量负载变化（例如，经由利用传感器25、36在端口25、35上测量的电压和电流，并将这个信息发回至中央控制器）。

照明单元例如能够被实现为发光设备LED或任何其他的光源，其是可调光的。除了LED的使用之外或替代LED的使用，能够使用OLED。此外，以太网供电配电系统也能够用于给AC光源供应功率。在这样的情况下，对于AC光源而言，需要DC/AC转换器来将利用以太网供电系统供应的DC转换成AC。这样的AC光源能够是卤素灯、高强度放电HID灯、紧凑型荧光CFL灯等等。

由于动力设备PD被耦合到供电设备PSE（即以太网供电开关单元20、30），所以动力设备PD充当供电设备PSE的负载。根据动力设备（根据这个实施例，照明单元40-80）的操作，供电设备PSE必须在各自端口25、35上为动力设备PD提供不同的电量。作为动力设备PD的照明单元40-80之中的每一个照明单元被设计成具有最大的电源效率。然而，为了改进以太网配电系统的整体电源效率，必须考虑该系统中所有的照明单元40-80和开关单元20、30。为了根据这个实施例来优化整体电源效率，提供尤其在考虑到作为动力设备PD的照明单元40-80的情况下的负载管理。能够利用负载管理单元100来执行负载管理，其中负载管理单元能够被安排在以太网供电开关单元20、30的控制单元21、31中和/或在中央控制器的控制单元11中。可供选择地或附加地，负载管理单元100能够作为与以太网供电开关单元和/或中央控制器10相分离的专用单元来提供。

根据本发明的实施例，负载管理单元100接收参考照度值或一组参考照度值作为输入并控制照明单元40-80的操作（并从而，控制在部分的开关单元上的负载），以便提供与该参考照度值或该组参考照度值相对应的照明，同时优化整个系统的电源效率而不是分开地优化照明单元或以太网供电开关单元的电源效率。事实上，如果个别地或分开地优化照明单元和/或以太网供电开关单元的电源效率，这可能不一定也导致整个系统的优化电源效率。

在下面，将更详细地描述根据本发明的实施例的负载管理。

图2A显示根据本发明的实施例的指示在考虑到被施加至其的负载的情况下供电设备的供电单元的效率的相关性的示意图表。在图2A中，效率E被显示为采用％形式的效率，而负载L采用额定输出功率的％形式来显示。如从图2A中能够看出的，效率E从100%负载上的超过90%降至0%的负载上的60%。换句话说，供电单元被设计成在100%负载上具有其最大效率。如果根据图1的系统将被操作在最大效率上，每一个供电单元必须被操作在100%负载上。然而，这是不可能的，因为这将与任何节电方案相抵触。节能算法（日光调控、占用检测、人员控制等等）的实现方式因而将导致降低的整体效率。

图2B显示指示供电单元的负载与效率之间的关系以及功率因数PF与被施加至电源的负载之间的关系的图表。在图2B中，负载L与效率E再次利用％来描绘。图表PSUE显示供电单元的负载L与效率E之间的关系。另外，利用图表PF来描绘功率因数E对于负载L的相关性。功率因数PF是供电单元中的实际功率与视在功率（apparent power）之间的关系。如从图2B中能够看出的，功率因数PF将随着负载的增加而增加。高的功率因数对应于较高数量的实际功率，而低的功率因数对应于较低数量的实际功率并因而对应于更多的视在功率。在图2B中，描绘优化的效率区域OEA。这个区域从大约50扩展至70%负载L。在这个区域中，PSUE效率是最高的，而同时，功率因数PF仍然被接受。因此，最优电源效率E在大约60%负载上。如从图2A中能够看出的，60%负载仅仅导致大约5%的效率减少。如从图2A中也能够看出的，供电单元的效率是非常低的（在10%的负载上大约70%）。因此，增加负载并因此增加光输出能够导致增加的电源效率（60%而非10%），并因此导致降低的功耗。

上述的负载与电源效率之间的相互关系并不是基于如通常人们所预料的在施加至供电单元的负载也增加的情况下功耗增加的直接结论。根据本发明的一方面，在根据本发明的实施例的负载管理中使用这种相互关系来增加系统的电源效率。

如上所述，在图2B中，也描述功率因数PF与至供电单元所施加的负载之间的关系。如果功率因数PF例如对于低于30%的负载而言是低的，则该系统必须提供相当数量的无功能量或视在能量。如果无功能量或视在功率增加，则这导致实际功率的降低。此外，整个系统必须能够提供所需的无功功率。在根据图1的配电系统中，必须提供配电变压器（未显示）来供应所需的无功能量。在图1中没有描绘配电变压器。如果以低的效率和低的功率因数来操作配电系统，则这将需要配电变压器，其大于在实施例中实际所需要的配电变压器。通过应用根据本发明的实施例的负载管理，能够对功率因数PF加以考虑，同时仍提供参考照度值。

根据本发明的实施例的负载管理使用这些认识，以便增加系统的电源效率。由于图1的配电系统的目的是在建筑物或若干房间中提供光或照明，所以供电设备即以太网供电开关单元20、30给动力设备即照明单元40-80各自供应各自的电量来实现所需的照明。为了改进整个系统的电源效率，给各自照明单元40-80供应的功率能够被改变，以便对于以太网供电开关单元20、30而言实现所需的例如60%的负载。这例如能够通过在增加给照明单元之中的一些照明单元供应的功率的同时减少给其他照明单元之中的一些照明单元供应的功率来执行。例如，应该避免仅操作10%上的以太网供电开关单元的端口上的负载（如参考图2A和2B所解释的）。这里，在第一照明单元的附近或邻近中的其他照明单元可以被供应较高的功率，以致于能够增加各自的负载。换句话说，在第一端口上的负载可以被降低，同时可以增加在第二端口上的负载。然而，所供应的功率的这种变化必须考虑到应该提供所需的照明。换句话说，一个照明单元的照度被减少，而第二照明单元的照度被增加，以提供整体照明要求或约束，以致于用户将不会注意到差异。然而，整个系统的电源效率将增加。

图3显示根据本发明的实施例的建筑物中的以太网供电配电系统的示意图。在图3中，建筑物200被描绘成具有例如会议室210、走廊220和若干蜂巢式办公室（cell office）230、231、232。在该建筑物中，描绘两个以太网供电开关单元20、30，其被耦合至照明单元40-80。第一以太网供电开关单元20可以被耦合至会议室210中以及走廊220中的照明单元。第二以太网供电开关单元30可以被连接至走廊220以及蜂巢式办公室230-232中的照明单元。根据图3的以太网供电开关单元能够对应于根据图1的以太网供电开关单元。换句话说，以太网供电开关单元20、30为充当动力设备PD的照明单元40-80提供功率。

在本发明的一方面中，以太网供电开关单元将控制被安排在相同房间中的那些照明单元来提供所需的照明。例如，这能够意味着：一个照明单元的光输出被增加，而第二照明单元的光输出被降低。

在本发明的进一步方面中，如图3所示，例如，在走廊220中以及在蜂巢式办公室230中，呈现被耦合到第一开关单元20以及被耦合到第二开关单元30的照明单元。为了在提供所需照明的同时优化总体电源效率，第一和第二以太网供电开关单元20、30可以进行通信。例如，被耦合至第二开关单元30并被安排在蜂巢式办公室232中的那些照明单元能够利用高负载（并因而，较高功率）来激活，而被耦合至第二开关单元20并被安排在蜂巢式办公室232中的照明单元能够被关闭，以致于其不被操作。可供选择地，与第二开关单元30相关联的照明单元之一能够被激活，并且第二照明单元能够被去激活，而与第一开关单元相关联的照明单元被激活，同时第二照明单元去激活。因此，第一和第二开关单元各自在蜂巢式办公室232中操作一个照明单元。在这些开关单元的端口上的负载被控制，以致于其在一定百分比上，其中在仍考虑照明要求的同时供电单元的电源效率至少在可接受的范围中。

在本发明的进一步方面中，开关单元20、30可以与图1所述的中央控制器10进行通信。换句话说，开关单元20、30能够直接或间接经由中央控制器10来通信。

图4显示根据本发明的实施例的指示负载与给配电单元供应的功率之间的关系的示意图表。在图4中，采用百分比的形式相对于负载L来显示以瓦特为单位的功率P。在图4中，描绘输入功率Pi、输出功率Po和功率损耗Pl。此外，描绘优化的效率区域OEA。这个区域对应于其中功率损耗位于最小值上的区域，即，这个区域位于45%和65%的负载之间的某处。下面描绘负载与功率损耗之间的关系：

。

图5显示根据本发明的实施例的建筑物中的以太网配电系统的示意图。如在图3的实施例中，建筑物200能够包括会议室210、走廊220和若干蜂巢式办公室230-232。此外，提供第一和第二以太网供电开关单元20、30，其中每一个开关单元被耦合至许多照明单元。在图5的实施例中，照明单元L11、L21、L31、L51、L41被耦合至以太网供电开关单元20的端口。照明单元L12、L32、L42、L52、L62、L72、L82和L22被耦合至第二以太网供电开关单元30的端口。因此，例如，图5中的照明单元L11能够对应于图3中的照明单元40等等。如上面参考图3所述的，以太网供电开关单元20、30各自被用作供电设备PSE来给作为动力设备PD的不同照明单元提供功率。以太网供电开关单元20、30之中的每一个能够包括具有负载管理单元100的控制单元。可供选择地或另外，第一和第二以太网供电开关单元20、30能够被耦合到中央控制器10（未描绘在图5中）。中央控制器10也能够包括根据本发明的实施例的用于执行负载管理的负载管理单元100。

第一和第二以太网供电开关单元20、30能够具有不同的照明单元与之相连接或相耦合的许多端口25、35。以太网供电开关单元20、30也能够包括用于检测在其各自端口25、35上的电流和电压的传感器26。第一和第二以太网开关单元20、30也能够具有用于与这些照明单元通信的装置。

可选地，用于检测会议室、走廊和/或蜂巢式办公室中的照明的传感器能够作为反馈装置来提供，以便确保在建筑物的不同房间中呈现所需的照明。负载管理单元100用于调节在以太网供电开关单元20、30的每一个端口上的输出功率，以便在仍然能够在会议室、走廊或蜂巢式办公室中提供所需的照明的同时优化以太网供电开关以及整个配电系统的电源效率。

根据本发明的一方面，选择在以太网供电开关单元20、30的各自端口上供应的功率，以致于开关单元或供电单元21、31的总负载根据一个实施例是大约60%。利用开关单元中的传感器26，检测被动力设备汲取的电压和电流。基于这些测量值，每一个端口上的负载被计算，并且总负载则将对应于在开关单元的每一个端口上的负载之总和。

借助于负载管理单元100，选择在开关单元的端口上输出的功率，以致于总体电源效率被优化。例如，这能够通过在增加第二光单元50的光输出的同时减少第一光单元40的光输出以达到所需的照度值来完成。

表1显示针对图5中的情形的两种负载情况。

这里，能够看出：针对情况1（30+70）的总负载对应于针对情况2（40+60）的总负载。

图6显示根据本发明的一方面的负载管理处理的流程图。在步骤S1，接收一个房间或若干房间中的照度的参考值。在步骤S2，确定照明单元的安排和/或能力。在步骤S3，确定环境内的开关单元的数量。在步骤S4，能够确定在开关单元的端口上的电压和/或电流。在步骤S5，确定每一个开关单元的负载。在步骤S6，将测量的负载与参考值进行比较。基于步骤S6中的比较，改变开关单元的至少一个端口的输出功率。在步骤S8，由于达到用于最优电源效率的功率设置，所以该处理停止。

上述的负载管理的处理能够定期执行或在激活照明系统时执行。

上述的负载管理和以太网供电配电系统例如能够在办公室的照明系统中使用。照明系统将具有根据EN12464标准的默认照明设置。因此，用于办公桌的照度例如应该大于500勒克斯（lux）。照明环境将根据包括照明设备的光输出、维护因数、照明设备或灯具的大小和类型的照明设计来定义。对于办公室的不同部分，照明需要可以是不同的。例如，与办公桌区域、蜂巢式办公室或会议区相比，针对走廊的照明要求是不同的。与照度系统或照明系统的环境有关的信息能够被编程、被包括在照明系统内或使之可用于照明系统。负载管理系统能够访问这个数据和信息。每一个照明设备能够被耦合到供电设备PSE的端口，以致于能够给照明设备供应功率。负载管理单元也将访问与照明系统的配置或调试有关的信息，其包括照明设备在建筑物中的位置、照明设备的数量、这些设备的光行为、照明设备出现在其中的房间类型（蜂巢式办公室，会议室等等）。换句话说，负载管理单元能够访问照明系统的整个环境和安排。另外，负载管理单元也能够访问照明系统的控制算法，诸如节能算法。这些控制算法将定义照明单元的光输出并因而定义照明单元的负载。然而，光输出并因此负载能够根据日光和/或是否房间被占用而变化。

将执行负载管理，以致于在指定区域中实际的照度并因而系统的光输出将保持相同，同时在考虑电源效率的情况下整个系统的负载被优化。

根据本发明的实施例，提供一种照明系统，其包括多个照明单元与之相耦合的以太网配电系统。以太网配电系统用于为不同的照明单元供应功率。配电系统包括负载管理单元，用于管理在以太网供电开关单元上的负载，以便实现优化的电源效率和/或优化的功率因数。

根据本发明的进一步方面，能够间接执行负载管理。负载管理单元能够通过指示照明单元改变其负载来执行负载管理。负载管理单元因此能够根据整体负载管理的要求来启动光单元的负载变化。

根据本发明的可供选择的实施例，能够基于上面相同的原理来提供eMerge DC配电系统。eMerge是主要用于US办公室中的照明的DC标准（参见www.emergealliance.org）。

通过研究附图、本公开和所附的权利要求书，本领域技术人员在实践所请求保护的发明中能够明白和实施针对所公开的实施例的其他变体。

在权利要求书中，词“包括”并不排除其他的元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。

单个单元或设备可以完成在权利要求书中叙述的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中叙述某些措施的纯粹事实并不指示不能有利使用这些措施的组合。

类似于将传感器分配给主要和非主要类别、利用一个或若干单元或设备执行的用于配电系统的功率的供应等等的过程能够利用任何其他数量的单元或设备来执行。根据配电方法和/或根据分配方法的配电系统的这些过程和控制能够作为计算机程序的程序代码装置和/或作为专用硬件来实现。

计算机程序可以被存储/被分布在与其他硬件一起提供或者作为其他硬件的一部分提供的合适介质诸如光存储介质或固态介质上，但是也可以采用其他形式诸如经由因特网或其他的有线或无线电信系统来存储/分布计算机程序。

权利要求书中的任何参考符号不应被解释成限制该范畴。