用于功率管理的系统及在该系统中测量功率消耗的方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2010年04月15日、申请号为201080025086. 3、名称为"用于 在断路器点的功率消耗测量的设备和方法"的中国发明专利申请的分案申请。
[0002] 相关申请的交叉引用
[0003] 本申请要求2009年4月16日提交的第61/169, 750号美国临时专利申请以及2009 年9月2日提交的第61/272, 216号美国临时专利申请的权益。
技术领域
[0004] 本发明总体上涉及功率消耗的测量，更具体地，涉及流经电源线以能够在每个断 路器基础上进行功率消耗分析的电流的非侵入式和自供电的测量。
【背景技术】
[0005] 在典型的供电系统中，功率通过主断路器和用于连接至其的整个电网的功率消耗 测量的装置来提供。然而，典型地，接下来主电源线连接到多个断路器，每个断路器用它的 具体功率需求向电网的较小部分供电。断路器被调节为可以用于这个电子子网络的最大电 流量。在工业和商业应用中，几百个这样的断路器可以被安装，每个断路器控制电网的一部 分。即使在更小的位置，比如一个房子，找到几十个控制各种电子子网络的断路器也不是罕 见的。
[0006] 经过电源线导体的电流的非侵入式测量具有众所周知的原理。各种各样的电流互 感器（CT)被创造，包括作为电源线导体的初级线圈和提供与绕组数量成反比的输出电流 的次级线圈。这种系统典型地被用来在甚高电压或电流的环境中测量电流，例如，如Gunn 等的美国专利7, 557, 563中所示。这些类型的孔径对于主功率供应是有用的。使用这样的 装置，或用于那个内容的功率计，对于在有多个断路器的环境中测量相对低电流的目的是 有缺陷的。在单一基础上提供无线遥感勘测技术，比如由Gunn等建议的，和其它现有技术 的解决方案在噪杂环境操作时遭受缺陷。
[0007] 在现在发展的技术领域中有一个需求，起因于为了使功率消耗能以细粒度（finer granularity)进行分析的向能量保存的方向的移动。这将要求在至少每个断路器基础上分 析，且这种解决方案现在还不能获得。如果解决方案可以被提供用来在用于现有的断路器 的断路器配电箱中安装，将更加有利。因此，通过解决这些缺陷来克服现有技术的局限性是 有益的。
【附图说明】
[0008] 图1是根据本发明配置的配备有兼容的自供电功率传感器的断路器。
[0009] 图2是根据本发明的自供电传感器的第一实施方式的方框图。
[0010]图3是根据本发明的自供电传感器的模拟部分的第一实施方式的电路图。
[0011] 图4是根据本发明的自供电传感器的模拟部分的第二实施方式的电路图。
[0012] 图5是根据本发明的自供电传感器的模拟部分的第三实施方式的电路图。
[0013] 图6是有次级线圈的磁心的示意图。
[0014] 图7是包括磁心的两个部分的示意图。
[0015] 图8是根据本发明实施的自供电功率传感器外壳的示意图。
[0016] 图9是根据本发明配置的自供电功率传感器的工作的流程图。
[0017] 图10是根据本发明配置的系统的示意图。
[0018] 图11是根据本发明的自供电传感器的第二实施方式的方框图。
[0019] 图12是根据本发明的自供电传感器的模拟部分的第四实施方式的电路图。
[0020] 图13是根据本发明的自供电传感器的模拟部分的第五实施方式的电路图。
【具体实施方式】
[0021] 用于在感兴趣点（比如断路器、机器等）的功率消耗测量的设备和方法被提供。 因此，用于由断路器控制的每个电子子网络的功率消耗的测量的装置被提供。每个设备在 有多个这样的设备的环境中，能传达其各自的数据到能提供细粒度功率消耗属性的管理单 元。测量相对低的电源电流、在有巨大数量设备的环境中的无线操作和自供电的挑战被处 理。
[0022] 现在参考图1，其中，根据本发明配置的示例性和非限制性系统100配备有兼容的 自供电功率传感器（SPPS) 110。SPPS 110被设计为安装在断路器120之上或之下，其中断 路器120是标准尺寸以至于其无需修改就能安装在当前的断路器配电箱中。SPPS 110外壳 被设计为缠绕在接到或从断路器120出来的电源线130周围，如下文中详细描述。在整个 电网放置在适当的位置的构建期间，SPPS 110被设计成能较容易地安置到现有位置或其他 的地方。
[0023] SPPS包含电子电路即示例性和非限制性电路200,它在图2中以方框图的形式示 出。电路200包括连接到微控制器220的模拟部分210。模拟部分包括电流互感器212以 将来自电源线，例如电源线130的电流转换成低电流。从那儿检测的功率用于两个目的，第 一个是提供SPPS 110的工作所需功率，而第二个是检测连接到电源线130的负载的实际功 率消耗。电流脉冲转换器（C2PC) 214用来周期性地产生脉冲提供到微控制单元（MCU) 220， 并使功率消耗测量能够进行。脉冲越频繁，功率消耗越高。能量收集器216储存能量用作 SPPS 110的电路的电源。还能从微控制器220接收放电信号以使能量收集器216能有意地 放电并防止过充。在本发明的一实施方式中，齐纳二极管（未示出）被用来限定电压至期 望的等级，从而防止了过充。
[0024] 电路200还包括MCU 220, MCU 220包括几个组件。模拟数字（A/D)转换器225连 接到信号处理器224,信号处理器224又连接到媒体存取控制器（MAC) 222,它支持SPPS的 通信协议。MAC 222提供通信系统的7层标准模式的数据链路层。这需要数据帧的硬件、软 件、固件或它们的组合、计时它们的传输、接收的信号长度指示（RSSI)、确认和时钟同步等 的创造。计数器227被从模拟部分210接收到的中断信号激发，并能计数如上文所记载的脉 冲的数量，脉冲的数量对于给定的时间单元消耗的功率是成比例的。另一个A/D转换器226 用来测量能量收集器216的输出，并且在一实施方式中，在MCU 220的控制下，引起可以被 需要时候的它们的放电，如下文进一步的解释。在另一实施方式中，下文有进一步的解释， 它能用来检测连结到所测量的电源线的负载被断开。存储器230连接到MCU 220,其与用于 多个指令的储存的存储器一样，能作为便笺式存储器230使用，当该多个指令由MCU 220执 行时，执行此处讨论的方法。存储器230包括随机存取存储器（RAM)、只读存储器（ROM)、非 易失性存储器（NVM)、其它存储器类型和它们的组合。
[0025] 射频（RF)收发信机240连接至MCU 220和天线250,以提供与管理单元的单向或 双向通信，在下文详细论述。在本发明的一实施方式中，RF收发信机240仅支持传输，例如 上行链路通信。然而，RF收发信机240可以包括接收机部分以支持检测载波信号、时钟同 步、确认、固件下载和配置下载的特征，例如而非限制性的。典型地，这可能是未经许可的工 业科学医疗（ISM)频段收发信机，工作在2. 4GHz，例如而非限制性的。在一实施方式中，扩 展频谱调制技术的一些形式可以被用来直接序列扩频（DSSS)，以与在相同环境中工作的其 它系统更好地共存，例如而非限制性的。在下文详细论述的通信率，应该足够高以使在同样 的配电箱中的几百对SPPS能共存。RF收发信机240的功率消耗应该足够低以支持能量收 集的局限性。然而RF收发信机240的另一个需求是支持足够在配电箱操作的通信范围， 例如，3-4米金属到达环境。在本发明的另一实施方式中，该范围在室内环境中可以达到数 十米。这使SPPS能放置在单个装置上，例如，在工厂的生产线的机器上，和区域中桥接单 元的最小数目上。RF收发信机240优选地使用标准PHY层支持，例如而非限制性的，IEEE 802. 15.4,和/或通信协议，例如而非限制性的，Zigbee。这样的标准的使用使得与已经包 括无线硬件（例如而非限制性的，智能仪表）的现有系统较容易集成。
[0026] 根据本发明的原则，每次脉冲从C2PC 214到达，中断信号被发送到MCU 220。响应 于接收中断脉冲，MCU 220唤醒并增加计数器227的值。储存在每个脉冲中的能量大于唤 醒和计数所需要的能量，因此，足够的能量仍然可用于对能量收集器216充电和/或能用RF 收发信机250传输。计数器227的值与经过初级线（primary line) 130的总电荷（例如，超 时集成的电流）成比例。计数器227中的值和其它参数一样保存在系统的存储器230中。 MC