专利名称：电流、电功率和电能的自供电及无线监控系统的制作方法
技术领域：
根据本发明至少有一个实施例基本涉及监控负载中心的电流和功率使用的系统和方法。
背景技术：
负载中心或配电盘是一种将来自主动力线的电能分配给不同的附属分支电路的供电系统的组成部分。每一个附属分支电路可以连接着不同的负载。于是，通过分配电能供给附属分支电路的方法，负载中心可以允许用户分别控制和监控每个负载电流和电能的使用。电流互感器(CT)通常被用于监控负载中心的分支电路或主电路中的电流。通过产生一个与分支电路成比例的可进一步处理和测量的缩小了的电流信号，交流互感器可以用来测量该分支电路的中的电流。例如，连接到负载中心分支电路上的交流互感器会产生一个缩小了的电流交流信号，与分支电路中交流电流的大小成正比，将该缩小了的电流交流信号或者直接通过测量仪器测量，或者被转换成直流信号再传输给测量仪器。基于接收到的信号，测量仪器可以确定附属分支电路中电流的水平，从而为有效的电能管理提供帮助。
发明内容本发明内容是针对监控负载中心电流和电能使用的系统和方法。一方面，本发明以监控至少一个连接在主电力线上的分支电路的系统为特征。该系统可以包括含有一个电流互感器(CT)的第一模块，电流互感器设定连接在至少一个分支电路上并产生一个与至少一个分支电路中的电流大小相应水平的参考信号，一个整流器连接在电流互感器上并设定产生一个整流参考信号，一个电容器连接在整流器上，一个初级微控制器连接在电容器和整流器上，其中，电容器设定存储来自整流参考信号的能量，第一微控制器由存储在电容器中的能量驱动并对整流参考信号取样确定至少一个分支电路中电流的大小。根据一个实施方案，该系统可以进一步包括含有设定连接在一个分支电路的第一输入端的第二模块和一个连接在第一输入端上设定测量分支电路的电压、相位和频率中的至少一个参数，并将电压、相位和频率中的至少一个参数传送给第一微控制器的第二微控制器。在一个实施方案中，第二模块封装在与至少第一模块隔离的壳体中。根据另一个实施方案，第一微控制器被设定用来接受电压、相位和频率中的至少一个参数，并用至少一个整流参考信号的一个样本数据以及所接收的电压、相位和频率中的至少一个参数来计算至少一路分支电路的功率水平。根据一个实施方案，该系统可以进一步包括连接在第一微控制器上的第一天线和连接在第二微控制器上的第二天线，其中第二天线设定用于传播分支电路的电压、相位和频率中的至少一个参数到第一天线。在另一个实施方案中，第一天线设定用于传播至少一、个分支电路中计算的功率水平和电流强度水平到第二天线。根据另一个实施方案，至少一个第一模块包含一个以菊链方式连接的第一模块构成的多元体，每个模块具有一个电容且设定连接到一个分支电路。在一个实施方案中，第一模块多元体中的这些电容相互连接在一起。另一方面，本发明以连接到主电力线上的至少一个分支电路的监控方法为特征。该方法可以包含将一个电流互感器连接在至少一个分支电路，并且，在第一模块，产生具有与至少一个分支电路的电流强度水平相关联的参考信号、在一个电容中储存来自参考信号的能量、确定电容两端的电压是否超过第一阈值、对电容两端电压超过第一阈值的测定做出回应、用存储在电容中的能量驱动微控制器，并通过微控制器对参考信号进行取样以确定至少一个分支电路中电流水平。根据一个实施方案，该方法可以进一步包括通过连接在主电力线上的第二模块监控主电力线的电压、相位和频率中的至少一个参数，并传送电压、相位和频率中的至少一个 参数到微控制器。在一个实施方案中，传送行为包括通过一条天线传送电压、相位和频率中的至少一个参数。根据另一个实施方案，该方法可以进一步包括通过第一模块接收第二模块传送的电压、相位和频率中的至少一个参数，并至少用至少一个参考信号样本和所接收到的电压、相位和频率中的至少一个参数计算至少一个分支电路的电功率水平。在一个实施方案中，该方法可以进一步包括通过天线将所计算的至少一个分支电路中的电功率水平从第一模块传送到第二模块。根据一个实施方案，该方法可以进一步包括确定电容两端的电压是否低于第二阈值，输入、回应电容两端电压低于第二阈值(一种低功率模式)的测定结果。在一个实施方案中，输入一个低功率模式包括周期性地从第一模块传送一系列脉冲到第二模块，其中一个脉冲间隔基于至少一个分支电路中的电流水平，通过第二模块测量脉冲间隔并估算至少一个分支电路的中的电流。在另一方面，本发明以一个监控连接在主电力线上的至少一个分支电路的系统为特征。该系统可以包括由至少一个设定连接在至少一个分支电路上产生与至少一个分支电路中的电流强度水平相关联的参考信号水平的交流互感器，以及存储来自参考信号的能量和驱动微控制器对参考信号进行取样以便确定至少一个分支电路中的电流水平的装置构成的第一模块。根据一个实施方案，该系统可以进一步包括一个由用于测量主电力线的电压、相位和频率中的至少一个参数和传送电压、相位和频率中的至少一个参数到微控制器的装置构成的第二模块。在一个实施方案中，第二模块封装在与至少第一模块隔离的壳体中。根据另一个实施方案，该系统可以进一步包括用于通过第一模块接收第二模块发送的电压、相位和频率中的至少一个参数的装置，用于利用至少一个整流参考信号和接收到的电压、相位和频率中的至少一个参数计算至少一个分支电路中的电功率水平的装置，以及用于传送计算的至少一个分支电路的电功率水平和电流强度水平到第二模块的装置。根据一个实施方案，至少一个第一模块包含一个以菊链方式连接的第一模块构成的多元体，每一个模块都具有存储能量的装置并设定连接到一个分支电路。
附图不是按照一定比例绘制。在这些图中，各图中每一个相同或接近相同的部件是用相同的数值表示。为了清晰起见，在每一个图中不是对每一个部件都做标注。在这些图中附图I是根据本发明所提供的一个基于电流互感器的系统的实施例的电路图。附图2是根据本发明所提供的附图I中电流互感器系统的操作方法的实施例绘制的流程图。附图3是根据本发明所提供的附图I中电流互感器系统的一个操作实施例的示意图。附图4是根据本发明所提供的附图I中电流互感器系统在低电功率模式下操作实施例的示意图。附图5是根据本发明所提供的一个基于电流互感器的系统的另一个实施例的电路图。
具体实施方式
本发明的实施方案并不限于下列描述或图示中陈述的部件的结构细节和排列。本发明的实施方案能以多种方式实施或实现。而且，本发明说使用的措辞和术语是为了描述之目的并且不应该视为限制。本发明中“包括”、“构成”或者“具有”、“含有” “包含”及其变化说法等的使用意味这包含列于其后的项目及等效于其附加项目。如上所述，电流互感器可以用于供电系统的负载中心监控分支电路并帮助提供高效的电能管理。例如，电流互感器可以接入负载中心内部或外部的分支电路。然而，随着供电系统的规模和复杂性的增大，对电流互感器的提出了多种挑战。例如，一个具有大量附属分支的负载中心的电路系统可能复杂且难于管理。甚至在负载中心内安装所有所需的交流互感器及其相应的电路也存在困难。例如，在负载中心内安装所有必须的交流互感器电路、配线和供电线路时，在维持配置的可操作性，遵守有关负载中心的安全规程和政府法规方面可能出现问题。而且，由于这样的负载中心的复杂性，安装、扩容和维护也可能变得困难甚至有危险。至少本发明的一些实施方案克服了这些问题并且提供了一个规模相对较小、不太复杂和较为易于操作的方法和利用交流互感器监控负载中心的分支电路的系统。图I示出根据本发明的一个实施方案的一个用于监控负载中心附属分支电路102的基于CT的系统100。该系统100包括一个CT模块101和一个通讯模块103。CT模块101包括一个CT 104、一个具有输出端107的整流器106，一个齐纳二极管108、一个负载电阻110、一个三极管112、一个第一电阻114、一个具有一个阴极117和一个阳极119的第一二极管116、一个第二电阻118, —个第三电阻120、一个电容器122、一个具有输入端125和一个输出端127的调压器124、一个第二二极管126、一个微控制器128、一个接地端子130和一个天线132。根据一个实施方案，微控制器128包括一个第一输入端129，一个第二输入端131，一个控制线133和一个传输线135。根据一个实施方案，天线132是一个射频天线。而且，在一个实施方案中，通讯模块103包括一个微控制器136、一个天线138和一个接地线140。[0029]根据一个实施方案，在CT模块101中，CT 104被电力连接到负载中心的附属分支电路102上。整流器106连接到CT104和接地端130。齐纳二极管180连接在整流器106的输出端107和接地端130之间。负载 电阻110连接在整流器106的输出端107和三极管112之间。三极管112选择性地连接在负载电阻110和接地端130之间。微控制器128的控制线133连接到三极管112。第一电阻114连接在整流器106的输出端107和微控制器128的第二输入端131之间。第一二极管116的阳极117连接到整流器106的输出端107。第一二极管116的阴极119连接到调压器124的输入端125。第二电阻118连接在第一二极管116的阴极119和第三电阻120之间。第三电阻120连接在第二电阻118和接地端130之间。微控制器128的第一输入端129连接在第二电阻118和第三电阻120之间。电容器122连接在调压器124的输入端125和接地端130之间。调压器124的输出端127连接到微控制器128。第二二极管126连接在微控制器128的输入端131和调压器的输出端127之间。天线132连接到微控制器128的传输线135。根据一个实施方案，在通讯模块103中，微控制器136连接到分支电路134。应注意到尽管微控制器135在此被叙述为与分支电路134相连接，微控制器135可以连接到电池(未画出)并由其供电。天线136和接地端140连接到微控制器136。在一个实施方案中，CT模块101被安装在负载中心(未画出)内而通讯模块103被安装在负载中心外部。例如，根据一个实施方案负载中心是居住点的电能管理系统的一部分并与居住点的主电力线相连，CT模块101可以位于负载中心内或者居住点的配电盘内，与负载中心的分支电路相连，而通讯模块103也位于居住点的某个地方，与分支电路相连。应该注意到尽管CT模块101在此被描述为连接到负载中心内的一个分支电路，CT模块101也可能连接到一个处在负载中心外部的分支电路上。还应注意到尽管系统100在此被描述为与一个居住点的电能管理系统相关联，系统100可以用于任何类型的电能管理系统。根据一个实施方案，通讯模块103的微控制器136通过分支电路134从居住点的主电力线(未画出)接受电能。微控制器136可以计算主电力线上的电压、相位和频率信息并将这些信息通过天线136无线传播到CT模块101。微控制器136可以周期性地或者在任何需要的时间向CT模块101传播这些电压、相位和频率信息。根据一个实施方案，CT模块101和通讯模块103之间的通讯可能依照如ZigBee RF4CE标准的无线标准执行。在另一个实施方案中，CT模块101和通讯模块103之间的通讯可以依照IEEE 802. 15标准执行。应该注意到尽管CT模块101和通讯模块103之间的通讯在此被描述为通过无线媒介，模块101和103之间的通讯可以通过有线接口实现。根据一个实施方案，CT模块101能够在两种模式下操作一种能量收集模式和一种电流测量模式。在一个实施方案中，在能量收集模式下，来自居住点(未画出)主电力线的交流电为附属分支电路102提供电力，于是在CT104上感应出一个成比例的交流电流。在CT104中这股交流电流经过整流器106转换为直流电流并且该直流电流通过一个正向偏压的第一二极管116被储存在电容器122中。能量存储在电容器122中的同时，调压器124监控电容器122两端的电压水平。当电容器122两端的电压处于足够高的水平时，调压器124向微控制器128提供电能并给其加电。一旦加电，微控制器128便进入一种待机模式。[0035]—旦处于待机模式,微控制器128借助第一输入端129通过监控第二电阻118和第三电阻120之间的电压来继续监控电容器122两端的电压。当电容器122两端的电压达到足够高的水平时，CT模块101将进入电流测量状态。在电流测量模式下，微控制器128便进入一种活动模式。通过控制线133微控制器128向三极管112发送一个信号给三极管加电并将负载电阻110接通到接地端130。一旦负载电阻连接到接地端130， 第一二极管116变成反向偏压，阻止整流器106和调压器124之间的电流。继而由通过调压器124储存在电容器124中的能量供电的微控制器128通过第一电阻114对整流器106到第二输入端131的电流进行取样。在一个实施方案中，微控制器128设定为周期性地对电流取样。在另一个实施方案中，微控制器128设定为于请求时对电流取样。在获取足够数量的电流样本时，微控制器128进入传送/接受模式。一旦处在传送/接受模式，微控制器128激活天线132，并通过天线132和传输线135开始从通讯模块103接收电压、相位和频率信息。应该注意到，因为CT模块101和通讯模块103都从连接到主电力线上的分支电路取得电能，通过分支线路134，由通讯模块103的微控制器135接受到的信号的电压、相位和频率，相比较而言，与连接到CT模块101的分支电路102中的电压、相位和频率一样。因此，通过计算由通讯模块103的微控制器135接收到的信号的电压、相位和频率信息，分支电路102的电压、相位和频率信息就可以确定。根据一个实施方案，利用电流样本和从通讯模块103接收到的电压、相位和频率信息，微控制器128可计算关于分支电路102的额外的信息(例如，有效功率、功率因数和均方根电流)。例如，在一个实施方案中，微控制器128使用从通讯模块103接收到的相位信息“按时记录”电流样本以便可以计算分支电路上准确的有效功率、功率因数和均方根电流。在一个实施方案中，微控制器128可以转换电流样本和/或额外的功率信息为数字数据。而且，根据另一个实施方案，在传送和接受模式下，通过传输线135和天线132，电流和功率信息可以传送到通讯模块103或其他能量管理系统。应该注意到至少在一个实施方案中，微控制器128是一个能够对低电流取样和被低功率驱动的低功耗低功率控制器(即微瓦控制器)。例如，如果CT模块101连接到一个需要相对低的功耗功率(即一个移动电话充电设备需要I瓦特)的分支电路102上，分支电路102的电流以及CT模块101的电流将会较低。其结果是存储在电容器122中的电能量也会较低。这样一个从电容器122获得低功率能量就能足以被驱动且能够对CT模块101中的电流进行取样的控制器是需要的。应该注意到尽管通信模块103在此处被描述为处在负载中心之外，通讯模块103也可能像CT模块101 —样处于同一个负载中心内。在这种情况下，通讯模块103和CT模块101设置在同一个负载中心内，由于通讯模块103通过分支电路134接受到的电能可以向整个系统100直接供电，CT模块101自供电的需求可以取消。还应该注意到通过取消自供电CT系统的内部供电需求并允许在CT模块和通讯模块之间无线双向交换信息，自供电的无线CT系统的复杂程度可以降低。而且，因为没有必要在负载中心内直接接进电压，负载中心的管理需求会更易于满足。图2说明一个图I中示出的CT模块101的操作方法200的实施方案。在202模块，给CT模块101供电，CT模块101进入能量收集模式。在模块204，调压器124监控电容器122两端的电压。在模块206，确定电容器122两端的电压是否大于需要给微控制器128加电并使其进入待机模式的最小水平。如果确定电容器122两端的电压低于需要给微控制器128加电的水平，作为回应，调压器124将继续监控存储在电容器122中的电能水平。在模块208中，如果确定电容器122两端的电压高于需要给微控制器128加电的水平，作为回应，微控制器128被加电并进入待机模式。在模块210，微控制器128通过包含有第二电阻118和第三电阻120的分压器监控电容器122两端的电压。在模块212，确定电容器122两端的电压是否大于一个需要使微控制器128进入活动模式的最小水平。如果电容器122两端的电压的确定结果低于需要使微控制器128进入活动模式的最小水平，作为回应，微控制器128继续监控电容器122两端的电压。在模块214中，如果电容器122两端的电压的确定结果大于需要使微控制器128进入活动模式的最小水平，微控制器128便进入活动模式。在模块216，微控制器128激活三极管112并通过第一电阻114对从整流器106到第二输入端131的电流取样。微控制器128可以设定对电流进行周期性地或依据特殊要求取样。在模块220，确定是否取到足够数量的电流样本，被视为足够的样本数量可以由用户预先确定。确定取到足够数量的样本后作为回应，微控制器128继续对CT模块101中的电流取样。在模块222，确定取到足够数量电流样本后，作为回应，微控制器128进入发送/接受模式。在模块223，微控制器128激活天线132，并从外部通讯模块103接受电压、相位和频率信息。在模块224，用从通讯模块接收到的取样电流及电压、相位和频率信息，微控制器128计算额外的电功率和电流信息如有效电功率、功率因数及均方根电流。在模块225，微控制器128发送电流和功率信息到通讯模块103或者到其他电能管理系统。将这些电流和功率信息传送后，微控制器128重新进入待机模式。图3是描述图I中示出的CT模块101的操作示意图。在图3中，给出了不同时间的负载电流、电容器电压和微控制器电流。在时间点300，一个连接在负载中心的分支电路102上的负载没有加电。在时间点302，该负载被加电，并且电流开始从分支电路102传送到负载接着再传送到CT模块101。同样在时间点302,—旦负载加电，CT模块101进入能量收集模式，电容器122两端的电压开始升高。从时间点302到时间点304，电容器122两端的电压(代表收集的能量的数量)将一直增加，直到达到时间点304的待机水平。在达到时间点306的区间内，微控制器128将保持在关闭状态直到电容器122两端的待机电压水平达到时间304处的数值。在时间点304，一旦电容器122两端的电压超过待机电压水平，微控制器128被加电进入待机状态。微控制器128将保持待机状态直到电容器122两端的电压在时间点308超过一个激活电压水平。在达到时间点310的间隔内，电容器122两端的电压将继续上升；然而，由于加电的微控制器128消耗了额外的能量，电容器电压增加的斜率降低。在时间点308，CT模块101进入电流测量模式，微控制器128进入活动模式并且开始对CT模块101中的电流取样。在区间312内，微控制器128对电流取样的同时，CT模块101不再处于能量收集模式，其结果是电容器122两端的电压下降。[0054]在时间点314，一旦微控制器128已确定取得了足够数量的电流样本，微控制器128就进入一个发送/接收模式，激活天线132并开始用通讯模块103进行通讯。在的区间316内，当微控制器128处于发送/接收模式时，电容器122两端的电压将继续降低。然而，在区间316内由于通过天线132发送和接收信息需要高电功率，与微控制器128不处于发送/接收模式相比，电容器122两端的电压将以较大的速率降低。在时间点318，当微控制器128利用通讯模块103完成通讯，并仍然为负载提供电流，微控制器128将重新进入待机状态，能量将再次储存在电容器122中。从时间点318到时间点320，电容器122两端的电压将上升。在时间点320，电流不再提供给负载。其结果是，电容器122两端的电压开始降低。在区间321内，因为电容器两端的电压低于待机电压水平，微控制器128将保持在待机模式。在时间点322，只要负载保持未加电状态，电容器122两端的电压将降低到微控制器128关闭状态的水平，微控制器128将掉电进入关闭状态。在时间点322，如果负载再次开始接受电流，电容器122两端的电压可以将再次开始升高。 如前所述，要求微控制器128是一个低功耗控制器(即，微瓦控制器)以便在低电流下操作。然而，由于分支电路102 (及接下来的CT模块101)中的电流太低以至于将出现电容器两段没有足够高的电压允许微控制器128进入发送/接受模式或甚至不能处在激活状态足够长的时间对电流充分取样的情况。为了适应低电流的情况，在一个实施方案中，使CT模块101在低功率模式下也能操作。图4是描述根据本发明的一个实施方案的图I中CT模块101在低功耗下操作的示意图。在图4中，给出了负载电流、电容器电压和微“唤醒”信号。在CT模块101的低功耗模式下，分支电路102中的电流400太小以至于不足以驱动和维持微控制器128处于激活和传送/接收模式。然而，如前所述，微控制器128可以进入待机模式并在电容器122中储存能量(即区间401内)。一旦电容器122两端的电压达到一个能够支持微控制器128从待机模式转换到活动模式水平402，微控制器128将进入活动模式，并打开天线132，维持足够长的时间发送一个单向信号或脉冲404到通讯模块103显示其被“唤醒”。紧接着该单向信号404的发送，微控制器128立即关闭天线132并退出活动模式以使CT模块101回复到能量收集模式并对电容器122再充电(即在区间406内)。通讯模块的微控制器136测量这样的“唤醒”信号之间的区间406以便估计负载的电流。在这样的低功率模式下，电流的测量值可以是一个不太准确的平均负载电流，并且由于没有在CT模块101和通讯模块103之间提供双向交换的信息，微控制器128没有执行额外的电流计算项目(即有效功率、功率因数和均方根电流)。根据本发明的另一个实施方案，以菊花链方式将CT模块的多兀体连接在一起是可能的。图5示出了根据本发明的另一个实施方案所述的一个CT系统500，CT模块的多元体以菊花链方式连接在一起。根据一个实施方案，CT模块的多兀体包括一个主CT模块502和一个CT从属模块504的多元体。应该注意到CT从属模块504的多元体可以包括任何数量的CT从属模块。系统500还包括通讯模块506以及电源和信息总线507。在一个实施方案中，主CT模块502和从属模块504的多兀体都包含一个CT模块510、一个具有输出端514的整流模块512、一个负载电阻516、一个三极管518、一个具有阴极522和一个阳极524的第一二极管520、一个齐纳二极管526、一个电容器528、一个具有输入端532和输出端534的调压器530, —个电阻536, —个第二二极管538、一个微控制器540、一个收发器542和一个接地端544。根据一个实施方案，在主CT模块502和从属CT模块504中的微控制器540包括一个输入端546、一条控制线548、一条传输线550和一条接收线552。根据一个实施方案，主CT模块502中的微控制器540包括一个天线554。在一个实施方案中，天线554是射频天线。同样在一个实施方案中，通讯模块506包括一个电源556, —条输入相位线558, —条输入中性线560、一个第一电阻562、一个第二电阻564, —个放大器566、一个微控制器568、一个第一天线570、一个无线通讯电路572和一个第二天线574。根据一个实施方案，第一天线570和第二天线574可以是射频天线。在一个实施方案中，无线通讯电路572是一个Zigbee微控制器。根据一个实施方案，在主CT模块502和从属CT模块504中，CT510均是电力连接到负载中心的附属分支电路508。整流器512连接到CT510和接地端544。负载电阻516连接到整流器512的输出端514和三极管518之间。三极管518选择性地连接在负载电阻516和接地端544之间。微控制器540的控制线548连接到三极管518。电阻536连接在整流器512的输出端514和微控制器540的输入端546之间。第一二极管520的阳极522连接到整流器512的输出端514。第一二极管520的阴极524连接到调压器530的输入端532。齐纳二极管526连接在第一二极管520的阴极524和接地端544之间。电容器528连接在调压器530的输入端532和接地端544之间。调压器530的输出端534连接到微控制器540和收发器542。第二二极管538连接在微控制器540的输入端546和调压器530的输出端534之间。天线544连接到主CT模块502的微控制器540。微控制器540的传输线550连接到收发器542。微控制器540的接收线552连接到收发器542。收发器542连接到电源和信息总线507。电源和信息总线507也连接到电容器528。根据一个实施方案,在通讯模块506,相位输入线558和中性输入线560连接到分支电路(未画出)。相位输入线558通过第二电阻564连接到放大器566。中性输入线560通过第一电阻562连接到放大器566。放大器566连接在电阻558、560和微控制器568之间。电源556连接在相位输入线558、中性输入线560和控制器568之间。天线570连接到微控制器568。无线通讯线路572连接到微控制器568。第二天线574连接到无线通讯线路 572。在一个实施方案中，主CT模块502和从属CT模块504被设置在负载中心(未画出)的内部，而通讯模块506被设置在负载中心的外部。例如，根据一个实施方案，负载中心是居住点电能管理系统的一部分并且连接到居住点的主电力线，主CT模块502和从属CT模块504可以被设置在居住点的负载中心内或配电盘内，每一个都连接到负载中心的分支电路，而通讯模块506也被安置在居住点的另外某个地方，连接到一个分支电路。应该注意至1J，尽管每一个CT模块502、504在此被描述为连接到负载中心内的一个分支电路,每一个CT模块502、504都可以连接到负载中心外的一个分支电路。还应该注意到，尽管系统500在此被描述为与居住点的电能管理系统相关联，系统500也可以用于任何类型的电能管理系统。根据一个实施方案,通讯模块506通过分支电路(未画出)和相位输入线558、中性输入线560从居住点的主电力线接受电能，微控制器568通过放大器566连接到相位输入线558和中型输入线560，微控制器568计算主电力线上的电压、相位和频率信息并由第一天线570无线传播这些信息到主CT模块502。微控制器568可周期性地或其他期望的时间传播这些电压、相位和频率信息到主CT模块502。根据一个实施方案，主CT模块502和通讯模块506之间的通讯可以依照如ZigBee RF4CE标准或IEEE 802. 15标准执行。应该注意到，尽管主CT模块502和通讯模块506之间的通讯在此被描述为通过无线媒介，主CT模块502和通讯模块506之间的通讯也可以通过有线接口实现。电源556向通讯模块的506的部件提供电能。无线通讯线路572设定用于控制通讯模块506和其他装置之间信息的无线通讯。例如，被通讯模块506接收的电流和电功率信息通过第二天线574无线报告到诸如计算机、电视或移动电话等的其他设备的电能管理通道。根据一个实施方案，一个主或从属CT模块101能够以两种模式操作一种能量收集模式和一种电流测量模式。在一个实施方案中，在能量收集模式下，来自主电力线(未画出)的交流电提供给附属的分支电路508以驱动相应的负载。结果比例交流电流导入CT501。在CT501中的交流由整流器512被转换成直流电流，直流电流通过正向偏置第一二极管520存储在电容器528中。然而，应该注意到，因为从属和主CT模块502、504的电容器528通过电源和信息总线507连接在一起，每一个从属和主CT模块 502、504都能够通过电源和信息总线507将能量存储在所有连接在一起的电容器528中。例如，当从属或主CT模块502、504被供给电能并处在能量收集模式，在一个从属或主CT模块502、504中收集到的能量被存储在所有连接到总线507的电容器528中。于是，只要至少从属或主CT模块中有一个能够向电源和信息总线提供电力，所有的电容器528都储存电能。所以，即使连接到从属或主CT模块502、504的分支电路之一的分支电路未加电，在相应的未加电的CT模块中的电容器528仍然通过电源和信息总线507存储来自其他加电的分支电路508和CT模块502、504的电能。同样的，如果从属和主CT模块502、504所要求的电能大于其电容528所能提供的电能(例如，用于驱动一个微控制器540)，剩余所需求的电能则通过电源和信息总线507从其他电容器528获得。这样，更多的电能可用于驱动不同的从属或主CT模块502、504。并且，因为所有可用于驱动微控制器540的能量比较大，低功耗微处理器(微瓦控制器)用于处理从属或主CT模块502、504中的低功率信号的(电能)需求降低了。根据一个实施方案，可能使用一个通过电源和信息总线507连接到所有的CT模块502、504的大电容器代替包括在每一个从属和主CT模块502、504中的单独的电容器528。当存储在电容器528两端的电压达到一个足够的水平，能够加电的从属CT模块504被加电进入一个默认的待机模式。能量继续被储存在电容器528的同时，主CT模块502中的调压器530通过电源和信息总线507监控电容器528两端的总电压。根据所监控电压的水平，主CT模块502确定那一个微控制器540能够被加电进入活动模式。根据确定的那 一个微控制器540能够被加电进入活动模式，主CT模块502操作相应的调压器530给期望的微控制器540加电使其进入活动模式。应该注意到，任何数量的控制器540可以同时被加电和/或处在活动模式。[0073]—旦在活动模式下,一个与微控制器540对应的CT模块502、504就进入电流测量模式。在进入电流测量模式时，微控制器540通过控制线548发送一个信号到三极管518以便为三极管加电，并将负载电阻516连接到接地端544。一旦负载电阻连接到接地端544，第一二极管520变为反向偏置，阻止整流器512和调压器530之间的电流。相反的，来自整流器512的电流通过电阻536传递到输入端546，而微控制器540则通过调压器530由来自电容器528的电能驱动并对电流取样。在一个实施方案中，微控制器540被设定对电流周期性地取样。在另一个实施方案中，微控制器540被设定依据要求对电流取样。应该注意到，在电流测量模式下，尽管整流器512和调压器530之间的电流被阻止，如上所述，额外的能量仍然通过电源和信息总线由电容器528提供给调压器530 (接着是微控制器540)。当获得足够数量的电流样本时，微控制器540进入发送/接受模式。一旦在发送/接受模式下，主CT模块502中的微控制器540就开始通过天线554接收来自通讯模块506的电压、相位和频率信息。还需要注意的是，因为CT模块502、504和通讯模块506都从连接到主电力线的分支电路取得电能；相对地说，由通讯模块506中的微控制器568通过相线和中性线558和556接收到的信号的电压、相位和频率将与连接到每一个CT模块502、504上的分支电路的电压、相位和频率相同。因此，由通讯模块506中的微控制器568通过计算接收信号的电压、相位和频率信息就可以确定分支电路508的电压、相位和频率信息。当通过天线554接收电压、相位和频率信息时，主CT模块502通过传输线550传送这些信息到主CT模块502的收发器542。主CT模块502的收发器542通过电源和信息总线507传输这些信息到附属CT模块504。附属CT模块504的收发器542从电源和信息总线507接收这些电压、相位和频率信息并通过接收线552传送这些信息到附属CT模块504的微控制器540。根据一个实施方案，除了对电流取样外，利用从通讯模块506接收的电流样本和电压、相位和频率信息，微控制器也计算有关分支电路508的额外的信息(即有效功率、功率因数和均方根电流)。例如，在一个实施方案中，微控制器540使用从通讯模块506接收的相位信息“按时记录”电流样品以便能够计算分支电路508中准确的有效功率、功率因数和均方根电流。根据一个实施方案，微控制器540将电流样本和/或任何额外的电流和功率信息转换成数字数据。并且，根据另一个实施方案，从属CT模块504的微控制器540通过传输线550传送电流和功率信息到收发器542。从属CT模块504的收发器542通过电源和信息总线507传送电流和功率信息到主CT模块502。主CT模块502的收发器542通过接收线552传送电流和功率信息到主CT模块502的微控制器540。在一个实施方案中，一旦获得足够数量的电流样本，从所有运转的主和从属CT模块502、504的取样和计算得到的电流及功率信息通过天线554被传递到通讯模块506或其他电能管理系统。在接受电流和功率信息时，无线通讯线路572可以进一步传送这些信息到其他电能管理系统(即Zigbee家庭电能管理通道)。应该注意的是尽管通讯模块506在此被描述为处于负载中心外部，通讯模块506可以与主和附属CT模块502、504 —样处于在负载中心内。在通讯模块506,主CT模块502和从属CT模块504都设置在同一负载中心内的情况下，消除了主CT模块502和从属CT模、块504的自供电需求，可以像通讯模块506通过相线和中性线供电一样，可以为整个系统500直接供电。应该注意的是通过消除用于驱动从属和主CT模块504、502的内部供电需求，可使主CT模块502和通讯模块506之间双向交换信息实现，并在主CT模块502和从属CT模块504之间共享信息，自供电、无线CT系统的规模和复杂性会降低。而且，因为不需要直接将电压接入负载中心，管理要求可以更容易地满足。此外，采用菊花链方式将CT模块连接在一起并与电容器528连接在一起，甚至当个别互感器中的电流在非常底或时断时续，有益的能量收集和电流测量也可以进行。 应该注意的是，尽管根据本发明所述的实施例在此被描述涉及一个负载中心，但其他的实施例也适用于任何主电力线上的电流和功率需要被监控的电力系统。本发明描述了用于监控一个负载中心电流和功率的系统及方法的实施方案和所涉及的方方面面。利用一个自供电的无线CT系统，提供了一个相对较小、不太复杂和便于管理的方法和用CT监控负载中心分支电路的系统。对于在至少一个实施方案中所描述的几个方面，本专业技术人员都可以很容易的进行各种各样的变化、修正和改进。此类变化、修正和改进也将成为本发明的一部分并限于本发明的范围内。据此，上面的描述和图示仅是举例的方法，而本发明的范围则应该由所附的权利要求及其等效描述的合理结合来确定。
权利要求1.用于电流、电功率和电能的自供电及无线监控系统，其特征是该系统包括 至少一个第一模块包括 一个设定连接到至少一个分支电路并产生一个具有与至少一个分支电路的电流强度水平相关联的水平的参考信号的电流互感器(CT)； 一个连接到CT并设定产生一个整流的参考信号的整流器； 一个连接到整流器的电容器；以及 一个连接到电容器和整流器的第一微控制器， 其中，电容器被设定储存来自整流参考信号的能量，其中的第一微控制器被设定由存储在电容器中的能量提供电力并对整流的参考信号进行取样以便确定该至少一个分支电路中的电流强度水平。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征是该系统进一步包括 一个第二模块包括 一个第一输入端设定连接到一个电路分支；以及 一个连接到第一输入端并设定为测量分支电路的电压、相位和频率中的至少一个参数，且将电压、相位和频率中的至少一个参数传送到第一微控制器的第二微控制器。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征是第一微控制器被设定接收至少电压、相位和频率中的一个参数，并使用整流参考信号的至少一个样本以及所接收的电压、相位和频率中的至少一个参数来计算至少一个分支电路的功率水平。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征是第二模块封装在与至少一个第一模块隔离的壳体中。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征是该系统进一步包括一个连接到第一微控制器的第一天线和一个连接到第二微控制器的第二天线，其中所述的第二天线设定用于传播电压、相位和频率中的至少一个参数到第一天线。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征是所述的第一电线设定为传播至少一个分支电路的功率水平和电流强度水平到第二天线。
7.根据权利要求I所述的系统，其特征是至少一个第一模块包括一个以菊花链的方式连接的第一模块构成的多元体，每个模块具有一个电容器并设定连接到一个分支电路。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征是所述的第一模块多元体中的电容器设定为互相连接在一起。
9.用于电流、电功率和电能的自供电及无线监控系统，该系统包括 至少一个第一模块包括 一个设定连接在至少一个分支电路上并产生一个与这个分支电路上的电流强度水平相关联的参考信号的电流互感器(CT);以及 用于储存来自参考信号的能量并用于驱动微控制器对参考信号取样并确定这个分支电路中电流强度水平的装置。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征是该系统进一步包括 一个第二模块包括 测量主电力线上的电压、相位和频率中至少一种参数并传送电压、相位和频率中至少一种参数到微控制器的装置。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征是该系统进一步包括 由第一模块接收第二模块发送的电压、相位和频率中的至少一种参数、用至少一个整流参考信号的样本和所接收到的中的至少一种参数计算至少一个分支电路的电功率水平，以及传送多所计算的分支电路的电功率水平和电流强度水平到第二模块的装置。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征是所述的第二模块封装在与至少一个第一模块隔离的壳体中。
13.根据权利要求9所述的系统，其特征是至少一个第一模块包括一个以菊花链方式连接的第一模块构成的多元体，每个模块都具有存储能量的装置，并设定连接在一个分支电路上。
专利摘要根据本实用新型的一个方面的实施方案提供了一个用于电流、电功率和电能的自供电及无线监控系统，该系统包括至少一个第一模块，该模块包括一个设定连接在至少一个分支电路上并产生一个与这个分支线路的电流强度水平相关联的参考信号的电流互感器(CT)、一个连接到CT并被设定产生一个整流参考信号的整流器、一个连接到整流器的电容器，以及一个连接到电容器和整流器上的第一微控制器，其中电容器被设定用于储存来自整流参考信号的电能，其第一微控制器被设定由存储在电容器中的能量驱动并对整流参考信号取样以便确定至少一个分支电路上的电流强度水平。
文档编号G08C17/02GK202383184SQ20112017881
公开日2012年8月15日 申请日期2011年5月26日 优先权日2010年5月28日
发明者J·H·唐纳德斯, N·派克, V·M·德奥卡 申请人:美国能量变换公司