專利名稱：電流、電功率和電能的自供電及無線監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
根據本發(fā)明至少有一個實施例基本涉及監(jiān)控負載中心的電流和功率使用的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
負載中心或配電盤是一種將來自主動力線的電能分配給不同的附屬分支電路的供電系統(tǒng)的組成部分。每一個附屬分支電路可以連接著不同的負載。于是，通過分配電能供給附屬分支電路的方法，負載中心可以允許用戶分別控制和監(jiān)控每個負載電流和電能的使用。電流互感器(CT)通常被用于監(jiān)控負載中心的分支電路或主電路中的電流。通過產生一個與分支電路成比例的可進一步處理和測量的縮小了的電流信號，交流互感器可以用來測量該分支電路的中的電流。例如，連接到負載中心分支電路上的交流互感器會產生一個縮小了的電流交流信號，與分支電路中交流電流的大小成正比，將該縮小了的電流交流信號或者直接通過測量儀器測量，或者被轉換成直流信號再傳輸給測量儀器?；诮邮盏降男盘?，測量儀器可以確定附屬分支電路中電流的水平，從而為有效的電能管理提供幫助。
發(fā)明內容本發(fā)明內容是針對監(jiān)控負載中心電流和電能使用的系統(tǒng)和方法。一方面，本發(fā)明以監(jiān)控至少一個連接在主電力線上的分支電路的系統(tǒng)為特征。該系統(tǒng)可以包括含有一個電流互感器(CT)的第一模塊，電流互感器設定連接在至少一個分支電路上并產生一個與至少一個分支電路中的電流大小相應水平的參考信號，一個整流器連接在電流互感器上并設定產生一個整流參考信號，一個電容器連接在整流器上，一個初級微控制器連接在電容器和整流器上，其中，電容器設定存儲來自整流參考信號的能量，第一微控制器由存儲在電容器中的能量驅動并對整流參考信號取樣確定至少一個分支電路中電流的大小。根據一個實施方案，該系統(tǒng)可以進一步包括含有設定連接在一個分支電路的第一輸入端的第二模塊和一個連接在第一輸入端上設定測量分支電路的電壓、相位和頻率中的至少一個參數，并將電壓、相位和頻率中的至少一個參數傳送給第一微控制器的第二微控制器。在一個實施方案中，第二模塊封裝在與至少第一模塊隔離的殼體中。根據另一個實施方案，第一微控制器被設定用來接受電壓、相位和頻率中的至少一個參數，并用至少一個整流參考信號的一個樣本數據以及所接收的電壓、相位和頻率中的至少一個參數來計算至少一路分支電路的功率水平。根據一個實施方案，該系統(tǒng)可以進一步包括連接在第一微控制器上的第一天線和連接在第二微控制器上的第二天線，其中第二天線設定用于傳播分支電路的電壓、相位和頻率中的至少一個參數到第一天線。在另一個實施方案中，第一天線設定用于傳播至少一、個分支電路中計算的功率水平和電流強度水平到第二天線。根據另一個實施方案，至少一個第一模塊包含一個以菊鏈方式連接的第一模塊構成的多元體，每個模塊具有一個電容且設定連接到一個分支電路。在一個實施方案中，第一模塊多元體中的這些電容相互連接在一起。另一方面，本發(fā)明以連接到主電力線上的至少一個分支電路的監(jiān)控方法為特征。該方法可以包含將一個電流互感器連接在至少一個分支電路，并且，在第一模塊，產生具有與至少一個分支電路的電流強度水平相關聯(lián)的參考信號、在一個電容中儲存來自參考信號的能量、確定電容兩端的電壓是否超過第一閾值、對電容兩端電壓超過第一閾值的測定做出回應、用存儲在電容中的能量驅動微控制器，并通過微控制器對參考信號進行取樣以確定至少一個分支電路中電流水平。根據一個實施方案，該方法可以進一步包括通過連接在主電力線上的第二模塊監(jiān)控主電力線的電壓、相位和頻率中的至少一個參數，并傳送電壓、相位和頻率中的至少一個 參數到微控制器。在一個實施方案中，傳送行為包括通過一條天線傳送電壓、相位和頻率中的至少一個參數。根據另一個實施方案，該方法可以進一步包括通過第一模塊接收第二模塊傳送的電壓、相位和頻率中的至少一個參數，并至少用至少一個參考信號樣本和所接收到的電壓、相位和頻率中的至少一個參數計算至少一個分支電路的電功率水平。在一個實施方案中，該方法可以進一步包括通過天線將所計算的至少一個分支電路中的電功率水平從第一模塊傳送到第二模塊。根據一個實施方案，該方法可以進一步包括確定電容兩端的電壓是否低于第二閾值，輸入、回應電容兩端電壓低于第二閾值(一種低功率模式)的測定結果。在一個實施方案中，輸入一個低功率模式包括周期性地從第一模塊傳送一系列脈沖到第二模塊，其中一個脈沖間隔基于至少一個分支電路中的電流水平，通過第二模塊測量脈沖間隔并估算至少一個分支電路的中的電流。在另一方面，本發(fā)明以一個監(jiān)控連接在主電力線上的至少一個分支電路的系統(tǒng)為特征。該系統(tǒng)可以包括由至少一個設定連接在至少一個分支電路上產生與至少一個分支電路中的電流強度水平相關聯(lián)的參考信號水平的交流互感器，以及存儲來自參考信號的能量和驅動微控制器對參考信號進行取樣以便確定至少一個分支電路中的電流水平的裝置構成的第一模塊。根據一個實施方案，該系統(tǒng)可以進一步包括一個由用于測量主電力線的電壓、相位和頻率中的至少一個參數和傳送電壓、相位和頻率中的至少一個參數到微控制器的裝置構成的第二模塊。在一個實施方案中，第二模塊封裝在與至少第一模塊隔離的殼體中。根據另一個實施方案，該系統(tǒng)可以進一步包括用于通過第一模塊接收第二模塊發(fā)送的電壓、相位和頻率中的至少一個參數的裝置，用于利用至少一個整流參考信號和接收到的電壓、相位和頻率中的至少一個參數計算至少一個分支電路中的電功率水平的裝置，以及用于傳送計算的至少一個分支電路的電功率水平和電流強度水平到第二模塊的裝置。根據一個實施方案，至少一個第一模塊包含一個以菊鏈方式連接的第一模塊構成的多元體，每一個模塊都具有存儲能量的裝置并設定連接到一個分支電路。
附圖不是按照一定比例繪制。在這些圖中，各圖中每一個相同或接近相同的部件是用相同的數值表示。為了清晰起見，在每一個圖中不是對每一個部件都做標注。在這些圖中附圖I是根據本發(fā)明所提供的一個基于電流互感器的系統(tǒng)的實施例的電路圖。附圖2是根據本發(fā)明所提供的附圖I中電流互感器系統(tǒng)的操作方法的實施例繪制的流程圖。附圖3是根據本發(fā)明所提供的附圖I中電流互感器系統(tǒng)的一個操作實施例的示意圖。附圖4是根據本發(fā)明所提供的附圖I中電流互感器系統(tǒng)在低電功率模式下操作實施例的示意圖。附圖5是根據本發(fā)明所提供的一個基于電流互感器的系統(tǒng)的另一個實施例的電路圖。
具體實施方式
本發(fā)明的實施方案并不限于下列描述或圖示中陳述的部件的結構細節(jié)和排列。本發(fā)明的實施方案能以多種方式實施或實現。而且，本發(fā)明說使用的措辭和術語是為了描述之目的并且不應該視為限制。本發(fā)明中“包括”、“構成”或者“具有”、“含有” “包含”及其變化說法等的使用意味這包含列于其后的項目及等效于其附加項目。如上所述，電流互感器可以用于供電系統(tǒng)的負載中心監(jiān)控分支電路并幫助提供高效的電能管理。例如，電流互感器可以接入負載中心內部或外部的分支電路。然而，隨著供電系統(tǒng)的規(guī)模和復雜性的增大，對電流互感器的提出了多種挑戰(zhàn)。例如，一個具有大量附屬分支的負載中心的電路系統(tǒng)可能復雜且難于管理。甚至在負載中心內安裝所有所需的交流互感器及其相應的電路也存在困難。例如，在負載中心內安裝所有必須的交流互感器電路、配線和供電線路時，在維持配置的可操作性，遵守有關負載中心的安全規(guī)程和政府法規(guī)方面可能出現問題。而且，由于這樣的負載中心的復雜性，安裝、擴容和維護也可能變得困難甚至有危險。至少本發(fā)明的一些實施方案克服了這些問題并且提供了一個規(guī)模相對較小、不太復雜和較為易于操作的方法和利用交流互感器監(jiān)控負載中心的分支電路的系統(tǒng)。圖I示出根據本發(fā)明的一個實施方案的一個用于監(jiān)控負載中心附屬分支電路102的基于CT的系統(tǒng)100。該系統(tǒng)100包括一個CT模塊101和一個通訊模塊103。CT模塊101包括一個CT 104、一個具有輸出端107的整流器106，一個齊納二極管108、一個負載電阻110、一個三極管112、一個第一電阻114、一個具有一個陰極117和一個陽極119的第一二極管116、一個第二電阻118, —個第三電阻120、一個電容器122、一個具有輸入端125和一個輸出端127的調壓器124、一個第二二極管126、一個微控制器128、一個接地端子130和一個天線132。根據一個實施方案，微控制器128包括一個第一輸入端129，一個第二輸入端131，一個控制線133和一個傳輸線135。根據一個實施方案，天線132是一個射頻天線。而且，在一個實施方案中，通訊模塊103包括一個微控制器136、一個天線138和一個接地線140。[0029]根據一個實施方案，在CT模塊101中，CT 104被電力連接到負載中心的附屬分支電路102上。整流器106連接到CT104和接地端130。齊納二極管180連接在整流器106的輸出端107和接地端130之間。負載 電阻110連接在整流器106的輸出端107和三極管112之間。三極管112選擇性地連接在負載電阻110和接地端130之間。微控制器128的控制線133連接到三極管112。第一電阻114連接在整流器106的輸出端107和微控制器128的第二輸入端131之間。第一二極管116的陽極117連接到整流器106的輸出端107。第一二極管116的陰極119連接到調壓器124的輸入端125。第二電阻118連接在第一二極管116的陰極119和第三電阻120之間。第三電阻120連接在第二電阻118和接地端130之間。微控制器128的第一輸入端129連接在第二電阻118和第三電阻120之間。電容器122連接在調壓器124的輸入端125和接地端130之間。調壓器124的輸出端127連接到微控制器128。第二二極管126連接在微控制器128的輸入端131和調壓器的輸出端127之間。天線132連接到微控制器128的傳輸線135。根據一個實施方案，在通訊模塊103中，微控制器136連接到分支電路134。應注意到盡管微控制器135在此被敘述為與分支電路134相連接，微控制器135可以連接到電池(未畫出)并由其供電。天線136和接地端140連接到微控制器136。在一個實施方案中，CT模塊101被安裝在負載中心(未畫出)內而通訊模塊103被安裝在負載中心外部。例如，根據一個實施方案負載中心是居住點的電能管理系統(tǒng)的一部分并與居住點的主電力線相連，CT模塊101可以位于負載中心內或者居住點的配電盤內，與負載中心的分支電路相連，而通訊模塊103也位于居住點的某個地方，與分支電路相連。應該注意到盡管CT模塊101在此被描述為連接到負載中心內的一個分支電路，CT模塊101也可能連接到一個處在負載中心外部的分支電路上。還應注意到盡管系統(tǒng)100在此被描述為與一個居住點的電能管理系統(tǒng)相關聯(lián)，系統(tǒng)100可以用于任何類型的電能管理系統(tǒng)。根據一個實施方案，通訊模塊103的微控制器136通過分支電路134從居住點的主電力線(未畫出)接受電能。微控制器136可以計算主電力線上的電壓、相位和頻率信息并將這些信息通過天線136無線傳播到CT模塊101。微控制器136可以周期性地或者在任何需要的時間向CT模塊101傳播這些電壓、相位和頻率信息。根據一個實施方案，CT模塊101和通訊模塊103之間的通訊可能依照如ZigBee RF4CE標準的無線標準執(zhí)行。在另一個實施方案中，CT模塊101和通訊模塊103之間的通訊可以依照IEEE 802. 15標準執(zhí)行。應該注意到盡管CT模塊101和通訊模塊103之間的通訊在此被描述為通過無線媒介，模塊101和103之間的通訊可以通過有線接口實現。根據一個實施方案，CT模塊101能夠在兩種模式下操作一種能量收集模式和一種電流測量模式。在一個實施方案中，在能量收集模式下，來自居住點(未畫出)主電力線的交流電為附屬分支電路102提供電力，于是在CT104上感應出一個成比例的交流電流。在CT104中這股交流電流經過整流器106轉換為直流電流并且該直流電流通過一個正向偏壓的第一二極管116被儲存在電容器122中。能量存儲在電容器122中的同時，調壓器124監(jiān)控電容器122兩端的電壓水平。當電容器122兩端的電壓處于足夠高的水平時，調壓器124向微控制器128提供電能并給其加電。一旦加電，微控制器128便進入一種待機模式。[0035]—旦處于待機模式,微控制器128借助第一輸入端129通過監(jiān)控第二電阻118和第三電阻120之間的電壓來繼續(xù)監(jiān)控電容器122兩端的電壓。當電容器122兩端的電壓達到足夠高的水平時，CT模塊101將進入電流測量狀態(tài)。在電流測量模式下，微控制器128便進入一種活動模式。通過控制線133微控制器128向三極管112發(fā)送一個信號給三極管加電并將負載電阻110接通到接地端130。一旦負載電阻連接到接地端130， 第一二極管116變成反向偏壓，阻止整流器106和調壓器124之間的電流。繼而由通過調壓器124儲存在電容器124中的能量供電的微控制器128通過第一電阻114對整流器106到第二輸入端131的電流進行取樣。在一個實施方案中，微控制器128設定為周期性地對電流取樣。在另一個實施方案中，微控制器128設定為于請求時對電流取樣。在獲取足夠數量的電流樣本時，微控制器128進入傳送/接受模式。一旦處在傳送/接受模式，微控制器128激活天線132，并通過天線132和傳輸線135開始從通訊模塊103接收電壓、相位和頻率信息。應該注意到，因為CT模塊101和通訊模塊103都從連接到主電力線上的分支電路取得電能，通過分支線路134，由通訊模塊103的微控制器135接受到的信號的電壓、相位和頻率，相比較而言，與連接到CT模塊101的分支電路102中的電壓、相位和頻率一樣。因此，通過計算由通訊模塊103的微控制器135接收到的信號的電壓、相位和頻率信息，分支電路102的電壓、相位和頻率信息就可以確定。根據一個實施方案，利用電流樣本和從通訊模塊103接收到的電壓、相位和頻率信息，微控制器128可計算關于分支電路102的額外的信息(例如，有效功率、功率因數和均方根電流)。例如，在一個實施方案中，微控制器128使用從通訊模塊103接收到的相位信息“按時記錄”電流樣本以便可以計算分支電路上準確的有效功率、功率因數和均方根電流。在一個實施方案中，微控制器128可以轉換電流樣本和/或額外的功率信息為數字數據。而且，根據另一個實施方案，在傳送和接受模式下，通過傳輸線135和天線132，電流和功率信息可以傳送到通訊模塊103或其他能量管理系統(tǒng)。應該注意到至少在一個實施方案中，微控制器128是一個能夠對低電流取樣和被低功率驅動的低功耗低功率控制器(即微瓦控制器)。例如，如果CT模塊101連接到一個需要相對低的功耗功率(即一個移動電話充電設備需要I瓦特)的分支電路102上，分支電路102的電流以及CT模塊101的電流將會較低。其結果是存儲在電容器122中的電能量也會較低。這樣一個從電容器122獲得低功率能量就能足以被驅動且能夠對CT模塊101中的電流進行取樣的控制器是需要的。應該注意到盡管通信模塊103在此處被描述為處在負載中心之外，通訊模塊103也可能像CT模塊101 —樣處于同一個負載中心內。在這種情況下，通訊模塊103和CT模塊101設置在同一個負載中心內，由于通訊模塊103通過分支電路134接受到的電能可以向整個系統(tǒng)100直接供電，CT模塊101自供電的需求可以取消。還應該注意到通過取消自供電CT系統(tǒng)的內部供電需求并允許在CT模塊和通訊模塊之間無線雙向交換信息，自供電的無線CT系統(tǒng)的復雜程度可以降低。而且，因為沒有必要在負載中心內直接接進電壓，負載中心的管理需求會更易于滿足。圖2說明一個圖I中示出的CT模塊101的操作方法200的實施方案。在202模塊，給CT模塊101供電，CT模塊101進入能量收集模式。在模塊204，調壓器124監(jiān)控電容器122兩端的電壓。在模塊206，確定電容器122兩端的電壓是否大于需要給微控制器128加電并使其進入待機模式的最小水平。如果確定電容器122兩端的電壓低于需要給微控制器128加電的水平，作為回應，調壓器124將繼續(xù)監(jiān)控存儲在電容器122中的電能水平。在模塊208中，如果確定電容器122兩端的電壓高于需要給微控制器128加電的水平，作為回應，微控制器128被加電并進入待機模式。在模塊210，微控制器128通過包含有第二電阻118和第三電阻120的分壓器監(jiān)控電容器122兩端的電壓。在模塊212，確定電容器122兩端的電壓是否大于一個需要使微控制器128進入活動模式的最小水平。如果電容器122兩端的電壓的確定結果低于需要使微控制器128進入活動模式的最小水平，作為回應，微控制器128繼續(xù)監(jiān)控電容器122兩端的電壓。在模塊214中，如果電容器122兩端的電壓的確定結果大于需要使微控制器128進入活動模式的最小水平，微控制器128便進入活動模式。在模塊216，微控制器128激活三極管112并通過第一電阻114對從整流器106到第二輸入端131的電流取樣。微控制器128可以設定對電流進行周期性地或依據特殊要求取樣。在模塊220，確定是否取到足夠數量的電流樣本，被視為足夠的樣本數量可以由用戶預先確定。確定取到足夠數量的樣本后作為回應，微控制器128繼續(xù)對CT模塊101中的電流取樣。在模塊222，確定取到足夠數量電流樣本后，作為回應，微控制器128進入發(fā)送/接受模式。在模塊223，微控制器128激活天線132，并從外部通訊模塊103接受電壓、相位和頻率信息。在模塊224，用從通訊模塊接收到的取樣電流及電壓、相位和頻率信息，微控制器128計算額外的電功率和電流信息如有效電功率、功率因數及均方根電流。在模塊225，微控制器128發(fā)送電流和功率信息到通訊模塊103或者到其他電能管理系統(tǒng)。將這些電流和功率信息傳送后，微控制器128重新進入待機模式。圖3是描述圖I中示出的CT模塊101的操作示意圖。在圖3中，給出了不同時間的負載電流、電容器電壓和微控制器電流。在時間點300，一個連接在負載中心的分支電路102上的負載沒有加電。在時間點302，該負載被加電，并且電流開始從分支電路102傳送到負載接著再傳送到CT模塊101。同樣在時間點302,—旦負載加電，CT模塊101進入能量收集模式，電容器122兩端的電壓開始升高。從時間點302到時間點304，電容器122兩端的電壓(代表收集的能量的數量)將一直增加，直到達到時間點304的待機水平。在達到時間點306的區(qū)間內，微控制器128將保持在關閉狀態(tài)直到電容器122兩端的待機電壓水平達到時間304處的數值。在時間點304，一旦電容器122兩端的電壓超過待機電壓水平，微控制器128被加電進入待機狀態(tài)。微控制器128將保持待機狀態(tài)直到電容器122兩端的電壓在時間點308超過一個激活電壓水平。在達到時間點310的間隔內，電容器122兩端的電壓將繼續(xù)上升；然而，由于加電的微控制器128消耗了額外的能量，電容器電壓增加的斜率降低。在時間點308，CT模塊101進入電流測量模式，微控制器128進入活動模式并且開始對CT模塊101中的電流取樣。在區(qū)間312內，微控制器128對電流取樣的同時，CT模塊101不再處于能量收集模式，其結果是電容器122兩端的電壓下降。[0054]在時間點314，一旦微控制器128已確定取得了足夠數量的電流樣本，微控制器128就進入一個發(fā)送/接收模式，激活天線132并開始用通訊模塊103進行通訊。在的區(qū)間316內，當微控制器128處于發(fā)送/接收模式時，電容器122兩端的電壓將繼續(xù)降低。然而，在區(qū)間316內由于通過天線132發(fā)送和接收信息需要高電功率，與微控制器128不處于發(fā)送/接收模式相比，電容器122兩端的電壓將以較大的速率降低。在時間點318，當微控制器128利用通訊模塊103完成通訊，并仍然為負載提供電流，微控制器128將重新進入待機狀態(tài)，能量將再次儲存在電容器122中。從時間點318到時間點320，電容器122兩端的電壓將上升。在時間點320，電流不再提供給負載。其結果是，電容器122兩端的電壓開始降低。在區(qū)間321內，因為電容器兩端的電壓低于待機電壓水平，微控制器128將保持在待機模式。在時間點322，只要負載保持未加電狀態(tài)，電容器122兩端的電壓將降低到微控制器128關閉狀態(tài)的水平，微控制器128將掉電進入關閉狀態(tài)。在時間點322，如果負載再次開始接受電流，電容器122兩端的電壓可以將再次開始升高。 如前所述，要求微控制器128是一個低功耗控制器(即，微瓦控制器)以便在低電流下操作。然而，由于分支電路102 (及接下來的CT模塊101)中的電流太低以至于將出現電容器兩段沒有足夠高的電壓允許微控制器128進入發(fā)送/接受模式或甚至不能處在激活狀態(tài)足夠長的時間對電流充分取樣的情況。為了適應低電流的情況，在一個實施方案中，使CT模塊101在低功率模式下也能操作。圖4是描述根據本發(fā)明的一個實施方案的圖I中CT模塊101在低功耗下操作的示意圖。在圖4中，給出了負載電流、電容器電壓和微“喚醒”信號。在CT模塊101的低功耗模式下，分支電路102中的電流400太小以至于不足以驅動和維持微控制器128處于激活和傳送/接收模式。然而，如前所述，微控制器128可以進入待機模式并在電容器122中儲存能量(即區(qū)間401內)。一旦電容器122兩端的電壓達到一個能夠支持微控制器128從待機模式轉換到活動模式水平402，微控制器128將進入活動模式，并打開天線132，維持足夠長的時間發(fā)送一個單向信號或脈沖404到通訊模塊103顯示其被“喚醒”。緊接著該單向信號404的發(fā)送，微控制器128立即關閉天線132并退出活動模式以使CT模塊101回復到能量收集模式并對電容器122再充電(即在區(qū)間406內)。通訊模塊的微控制器136測量這樣的“喚醒”信號之間的區(qū)間406以便估計負載的電流。在這樣的低功率模式下，電流的測量值可以是一個不太準確的平均負載電流，并且由于沒有在CT模塊101和通訊模塊103之間提供雙向交換的信息，微控制器128沒有執(zhí)行額外的電流計算項目(即有效功率、功率因數和均方根電流)。根據本發(fā)明的另一個實施方案，以菊花鏈方式將CT模塊的多兀體連接在一起是可能的。圖5示出了根據本發(fā)明的另一個實施方案所述的一個CT系統(tǒng)500，CT模塊的多元體以菊花鏈方式連接在一起。根據一個實施方案，CT模塊的多兀體包括一個主CT模塊502和一個CT從屬模塊504的多元體。應該注意到CT從屬模塊504的多元體可以包括任何數量的CT從屬模塊。系統(tǒng)500還包括通訊模塊506以及電源和信息總線507。在一個實施方案中，主CT模塊502和從屬模塊504的多兀體都包含一個CT模塊510、一個具有輸出端514的整流模塊512、一個負載電阻516、一個三極管518、一個具有陰極522和一個陽極524的第一二極管520、一個齊納二極管526、一個電容器528、一個具有輸入端532和輸出端534的調壓器530, —個電阻536, —個第二二極管538、一個微控制器540、一個收發(fā)器542和一個接地端544。根據一個實施方案，在主CT模塊502和從屬CT模塊504中的微控制器540包括一個輸入端546、一條控制線548、一條傳輸線550和一條接收線552。根據一個實施方案，主CT模塊502中的微控制器540包括一個天線554。在一個實施方案中，天線554是射頻天線。同樣在一個實施方案中，通訊模塊506包括一個電源556, —條輸入相位線558, —條輸入中性線560、一個第一電阻562、一個第二電阻564, —個放大器566、一個微控制器568、一個第一天線570、一個無線通訊電路572和一個第二天線574。根據一個實施方案，第一天線570和第二天線574可以是射頻天線。在一個實施方案中，無線通訊電路572是一個Zigbee微控制器。根據一個實施方案，在主CT模塊502和從屬CT模塊504中，CT510均是電力連接到負載中心的附屬分支電路508。整流器512連接到CT510和接地端544。負載電阻516連接到整流器512的輸出端514和三極管518之間。三極管518選擇性地連接在負載電阻516和接地端544之間。微控制器540的控制線548連接到三極管518。電阻536連接在整流器512的輸出端514和微控制器540的輸入端546之間。第一二極管520的陽極522連接到整流器512的輸出端514。第一二極管520的陰極524連接到調壓器530的輸入端532。齊納二極管526連接在第一二極管520的陰極524和接地端544之間。電容器528連接在調壓器530的輸入端532和接地端544之間。調壓器530的輸出端534連接到微控制器540和收發(fā)器542。第二二極管538連接在微控制器540的輸入端546和調壓器530的輸出端534之間。天線544連接到主CT模塊502的微控制器540。微控制器540的傳輸線550連接到收發(fā)器542。微控制器540的接收線552連接到收發(fā)器542。收發(fā)器542連接到電源和信息總線507。電源和信息總線507也連接到電容器528。根據一個實施方案,在通訊模塊506,相位輸入線558和中性輸入線560連接到分支電路(未畫出)。相位輸入線558通過第二電阻564連接到放大器566。中性輸入線560通過第一電阻562連接到放大器566。放大器566連接在電阻558、560和微控制器568之間。電源556連接在相位輸入線558、中性輸入線560和控制器568之間。天線570連接到微控制器568。無線通訊線路572連接到微控制器568。第二天線574連接到無線通訊線路 572。在一個實施方案中，主CT模塊502和從屬CT模塊504被設置在負載中心(未畫出)的內部，而通訊模塊506被設置在負載中心的外部。例如，根據一個實施方案，負載中心是居住點電能管理系統(tǒng)的一部分并且連接到居住點的主電力線，主CT模塊502和從屬CT模塊504可以被設置在居住點的負載中心內或配電盤內，每一個都連接到負載中心的分支電路，而通訊模塊506也被安置在居住點的另外某個地方，連接到一個分支電路。應該注意至1J，盡管每一個CT模塊502、504在此被描述為連接到負載中心內的一個分支電路,每一個CT模塊502、504都可以連接到負載中心外的一個分支電路。還應該注意到，盡管系統(tǒng)500在此被描述為與居住點的電能管理系統(tǒng)相關聯(lián)，系統(tǒng)500也可以用于任何類型的電能管理系統(tǒng)。根據一個實施方案,通訊模塊506通過分支電路(未畫出)和相位輸入線558、中性輸入線560從居住點的主電力線接受電能，微控制器568通過放大器566連接到相位輸入線558和中型輸入線560，微控制器568計算主電力線上的電壓、相位和頻率信息并由第一天線570無線傳播這些信息到主CT模塊502。微控制器568可周期性地或其他期望的時間傳播這些電壓、相位和頻率信息到主CT模塊502。根據一個實施方案，主CT模塊502和通訊模塊506之間的通訊可以依照如ZigBee RF4CE標準或IEEE 802. 15標準執(zhí)行。應該注意到，盡管主CT模塊502和通訊模塊506之間的通訊在此被描述為通過無線媒介，主CT模塊502和通訊模塊506之間的通訊也可以通過有線接口實現。電源556向通訊模塊的506的部件提供電能。無線通訊線路572設定用于控制通訊模塊506和其他裝置之間信息的無線通訊。例如，被通訊模塊506接收的電流和電功率信息通過第二天線574無線報告到諸如計算機、電視或移動電話等的其他設備的電能管理通道。根據一個實施方案，一個主或從屬CT模塊101能夠以兩種模式操作一種能量收集模式和一種電流測量模式。在一個實施方案中，在能量收集模式下，來自主電力線(未畫出)的交流電提供給附屬的分支電路508以驅動相應的負載。結果比例交流電流導入CT501。在CT501中的交流由整流器512被轉換成直流電流，直流電流通過正向偏置第一二極管520存儲在電容器528中。然而，應該注意到，因為從屬和主CT模塊502、504的電容器528通過電源和信息總線507連接在一起，每一個從屬和主CT模塊 502、504都能夠通過電源和信息總線507將能量存儲在所有連接在一起的電容器528中。例如，當從屬或主CT模塊502、504被供給電能并處在能量收集模式，在一個從屬或主CT模塊502、504中收集到的能量被存儲在所有連接到總線507的電容器528中。于是，只要至少從屬或主CT模塊中有一個能夠向電源和信息總線提供電力，所有的電容器528都儲存電能。所以，即使連接到從屬或主CT模塊502、504的分支電路之一的分支電路未加電，在相應的未加電的CT模塊中的電容器528仍然通過電源和信息總線507存儲來自其他加電的分支電路508和CT模塊502、504的電能。同樣的，如果從屬和主CT模塊502、504所要求的電能大于其電容528所能提供的電能(例如，用于驅動一個微控制器540)，剩余所需求的電能則通過電源和信息總線507從其他電容器528獲得。這樣，更多的電能可用于驅動不同的從屬或主CT模塊502、504。并且，因為所有可用于驅動微控制器540的能量比較大，低功耗微處理器(微瓦控制器)用于處理從屬或主CT模塊502、504中的低功率信號的(電能)需求降低了。根據一個實施方案，可能使用一個通過電源和信息總線507連接到所有的CT模塊502、504的大電容器代替包括在每一個從屬和主CT模塊502、504中的單獨的電容器528。當存儲在電容器528兩端的電壓達到一個足夠的水平，能夠加電的從屬CT模塊504被加電進入一個默認的待機模式。能量繼續(xù)被儲存在電容器528的同時，主CT模塊502中的調壓器530通過電源和信息總線507監(jiān)控電容器528兩端的總電壓。根據所監(jiān)控電壓的水平，主CT模塊502確定那一個微控制器540能夠被加電進入活動模式。根據確定的那 一個微控制器540能夠被加電進入活動模式，主CT模塊502操作相應的調壓器530給期望的微控制器540加電使其進入活動模式。應該注意到，任何數量的控制器540可以同時被加電和/或處在活動模式。[0073]—旦在活動模式下,一個與微控制器540對應的CT模塊502、504就進入電流測量模式。在進入電流測量模式時，微控制器540通過控制線548發(fā)送一個信號到三極管518以便為三極管加電，并將負載電阻516連接到接地端544。一旦負載電阻連接到接地端544，第一二極管520變?yōu)榉聪蚱?，阻止整流?12和調壓器530之間的電流。相反的，來自整流器512的電流通過電阻536傳遞到輸入端546，而微控制器540則通過調壓器530由來自電容器528的電能驅動并對電流取樣。在一個實施方案中，微控制器540被設定對電流周期性地取樣。在另一個實施方案中，微控制器540被設定依據要求對電流取樣。應該注意到，在電流測量模式下，盡管整流器512和調壓器530之間的電流被阻止，如上所述，額外的能量仍然通過電源和信息總線由電容器528提供給調壓器530 (接著是微控制器540)。當獲得足夠數量的電流樣本時，微控制器540進入發(fā)送/接受模式。一旦在發(fā)送/接受模式下，主CT模塊502中的微控制器540就開始通過天線554接收來自通訊模塊506的電壓、相位和頻率信息。還需要注意的是，因為CT模塊502、504和通訊模塊506都從連接到主電力線的分支電路取得電能；相對地說，由通訊模塊506中的微控制器568通過相線和中性線558和556接收到的信號的電壓、相位和頻率將與連接到每一個CT模塊502、504上的分支電路的電壓、相位和頻率相同。因此，由通訊模塊506中的微控制器568通過計算接收信號的電壓、相位和頻率信息就可以確定分支電路508的電壓、相位和頻率信息。當通過天線554接收電壓、相位和頻率信息時，主CT模塊502通過傳輸線550傳送這些信息到主CT模塊502的收發(fā)器542。主CT模塊502的收發(fā)器542通過電源和信息總線507傳輸這些信息到附屬CT模塊504。附屬CT模塊504的收發(fā)器542從電源和信息總線507接收這些電壓、相位和頻率信息并通過接收線552傳送這些信息到附屬CT模塊504的微控制器540。根據一個實施方案，除了對電流取樣外，利用從通訊模塊506接收的電流樣本和電壓、相位和頻率信息，微控制器也計算有關分支電路508的額外的信息(即有效功率、功率因數和均方根電流)。例如，在一個實施方案中，微控制器540使用從通訊模塊506接收的相位信息“按時記錄”電流樣品以便能夠計算分支電路508中準確的有效功率、功率因數和均方根電流。根據一個實施方案，微控制器540將電流樣本和/或任何額外的電流和功率信息轉換成數字數據。并且，根據另一個實施方案，從屬CT模塊504的微控制器540通過傳輸線550傳送電流和功率信息到收發(fā)器542。從屬CT模塊504的收發(fā)器542通過電源和信息總線507傳送電流和功率信息到主CT模塊502。主CT模塊502的收發(fā)器542通過接收線552傳送電流和功率信息到主CT模塊502的微控制器540。在一個實施方案中，一旦獲得足夠數量的電流樣本，從所有運轉的主和從屬CT模塊502、504的取樣和計算得到的電流及功率信息通過天線554被傳遞到通訊模塊506或其他電能管理系統(tǒng)。在接受電流和功率信息時，無線通訊線路572可以進一步傳送這些信息到其他電能管理系統(tǒng)(即Zigbee家庭電能管理通道)。應該注意的是盡管通訊模塊506在此被描述為處于負載中心外部，通訊模塊506可以與主和附屬CT模塊502、504 —樣處于在負載中心內。在通訊模塊506,主CT模塊502和從屬CT模塊504都設置在同一負載中心內的情況下，消除了主CT模塊502和從屬CT模、塊504的自供電需求，可以像通訊模塊506通過相線和中性線供電一樣，可以為整個系統(tǒng)500直接供電。應該注意的是通過消除用于驅動從屬和主CT模塊504、502的內部供電需求，可使主CT模塊502和通訊模塊506之間雙向交換信息實現，并在主CT模塊502和從屬CT模塊504之間共享信息，自供電、無線CT系統(tǒng)的規(guī)模和復雜性會降低。而且，因為不需要直接將電壓接入負載中心，管理要求可以更容易地滿足。此外，采用菊花鏈方式將CT模塊連接在一起并與電容器528連接在一起，甚至當個別互感器中的電流在非常底或時斷時續(xù)，有益的能量收集和電流測量也可以進行。 應該注意的是，盡管根據本發(fā)明所述的實施例在此被描述涉及一個負載中心，但其他的實施例也適用于任何主電力線上的電流和功率需要被監(jiān)控的電力系統(tǒng)。本發(fā)明描述了用于監(jiān)控一個負載中心電流和功率的系統(tǒng)及方法的實施方案和所涉及的方方面面。利用一個自供電的無線CT系統(tǒng)，提供了一個相對較小、不太復雜和便于管理的方法和用CT監(jiān)控負載中心分支電路的系統(tǒng)。對于在至少一個實施方案中所描述的幾個方面，本專業(yè)技術人員都可以很容易的進行各種各樣的變化、修正和改進。此類變化、修正和改進也將成為本發(fā)明的一部分并限于本發(fā)明的范圍內。據此，上面的描述和圖示僅是舉例的方法，而本發(fā)明的范圍則應該由所附的權利要求及其等效描述的合理結合來確定。
權利要求1.用于電流、電功率和電能的自供電及無線監(jiān)控系統(tǒng)，其特征是該系統(tǒng)包括 至少一個第一模塊包括 一個設定連接到至少一個分支電路并產生一個具有與至少一個分支電路的電流強度水平相關聯(lián)的水平的參考信號的電流互感器(CT)； 一個連接到CT并設定產生一個整流的參考信號的整流器； 一個連接到整流器的電容器；以及 一個連接到電容器和整流器的第一微控制器， 其中，電容器被設定儲存來自整流參考信號的能量，其中的第一微控制器被設定由存儲在電容器中的能量提供電力并對整流的參考信號進行取樣以便確定該至少一個分支電路中的電流強度水平。
2.根據權利要求I所述的系統(tǒng)，其特征是該系統(tǒng)進一步包括 一個第二模塊包括 一個第一輸入端設定連接到一個電路分支；以及 一個連接到第一輸入端并設定為測量分支電路的電壓、相位和頻率中的至少一個參數，且將電壓、相位和頻率中的至少一個參數傳送到第一微控制器的第二微控制器。
3.根據權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征是第一微控制器被設定接收至少電壓、相位和頻率中的一個參數，并使用整流參考信號的至少一個樣本以及所接收的電壓、相位和頻率中的至少一個參數來計算至少一個分支電路的功率水平。
4.根據權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征是第二模塊封裝在與至少一個第一模塊隔離的殼體中。
5.根據權利要求4所述的系統(tǒng)，其特征是該系統(tǒng)進一步包括一個連接到第一微控制器的第一天線和一個連接到第二微控制器的第二天線，其中所述的第二天線設定用于傳播電壓、相位和頻率中的至少一個參數到第一天線。
6.根據權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征是所述的第一電線設定為傳播至少一個分支電路的功率水平和電流強度水平到第二天線。
7.根據權利要求I所述的系統(tǒng)，其特征是至少一個第一模塊包括一個以菊花鏈的方式連接的第一模塊構成的多元體，每個模塊具有一個電容器并設定連接到一個分支電路。
8.根據權利要求7所述的系統(tǒng)，其特征是所述的第一模塊多元體中的電容器設定為互相連接在一起。
9.用于電流、電功率和電能的自供電及無線監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 至少一個第一模塊包括 一個設定連接在至少一個分支電路上并產生一個與這個分支電路上的電流強度水平相關聯(lián)的參考信號的電流互感器(CT);以及 用于儲存來自參考信號的能量并用于驅動微控制器對參考信號取樣并確定這個分支電路中電流強度水平的裝置。
10.根據權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征是該系統(tǒng)進一步包括 一個第二模塊包括 測量主電力線上的電壓、相位和頻率中至少一種參數并傳送電壓、相位和頻率中至少一種參數到微控制器的裝置。
11.根據權利要求10所述的系統(tǒng)，其特征是該系統(tǒng)進一步包括 由第一模塊接收第二模塊發(fā)送的電壓、相位和頻率中的至少一種參數、用至少一個整流參考信號的樣本和所接收到的中的至少一種參數計算至少一個分支電路的電功率水平，以及傳送多所計算的分支電路的電功率水平和電流強度水平到第二模塊的裝置。
12.根據權利要求11所述的系統(tǒng)，其特征是所述的第二模塊封裝在與至少一個第一模塊隔離的殼體中。
13.根據權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征是至少一個第一模塊包括一個以菊花鏈方式連接的第一模塊構成的多元體，每個模塊都具有存儲能量的裝置，并設定連接在一個分支電路上。
專利摘要根據本實用新型的一個方面的實施方案提供了一個用于電流、電功率和電能的自供電及無線監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少一個第一模塊，該模塊包括一個設定連接在至少一個分支電路上并產生一個與這個分支線路的電流強度水平相關聯(lián)的參考信號的電流互感器(CT)、一個連接到CT并被設定產生一個整流參考信號的整流器、一個連接到整流器的電容器，以及一個連接到電容器和整流器上的第一微控制器，其中電容器被設定用于儲存來自整流參考信號的電能，其第一微控制器被設定由存儲在電容器中的能量驅動并對整流參考信號取樣以便確定至少一個分支電路上的電流強度水平。
文檔編號G08C17/02GK202383184SQ20112017881
公開日2012年8月15日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權日2010年5月28日
發(fā)明者J·H·唐納德斯, N·派克, V·M·德奧卡 申請人:美國能量變換公司