CN102460188B - 用于在断路器点的功率消耗测量的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

用于在断路器点的功率消耗测量的设备和方法
相关申请的交叉引用
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
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
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
图6是有次级线圈的磁心的示意图。
图7是包括磁心的两个部分的示意图。
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。
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。
图10是根据本发明配置的系统的示意图。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。MCU 220能够周期性地检查传输条件。这样的条件可以是以下条件中的一个或多个：充足的能量存在量、在从先前传输开始的某一时延时、在某些数据(比如重要的或另外的兴趣数据)的采集时、以及其它相关条件。根据本发明的原则，用于传输的能量的足够量的存在的检测，例如，通过连接到能量收集器216的A/D转换器226，如果其电压达到预设的值，则检测是可能的。
当确定传输发生时，MCU 220准备消息以被传输。该消息典型地是单个数据包，该单个数据包包含各种类型的信息并包括SPPS的唯一标识(UID)，该唯一标识使管理单元能明确地与当前数据关联，该当前数据与由关于SPPS的管理单元处理的先前数据一起接收。计数器227的值可以附属作为包的部分，该计数器227的值假定与校准因子相乘转换为相对于其它传感器的标准化的电荷单位，例如，安培小时(AH)。在电路200的校准期间，在存储器230的NVM中，校准因子被编程到SPPS 110，作为制造期间最后检查的部分。这保证了对典型制造过程中的误差的补偿。该校准因子可以对所有单元是固定值或对每个单元是唯一的特定校准因子。后者有利于克服 SPPS的产品公差(production tolerances)。其它信息包括但不限于：各种SPPS状态信息、硬件版本、软件版本、警报(比如过载)、相位信息、平均电流、温度、时间持续信息、断电指示(例如，负载被断开时的标识)和其它系统参数。这样的参数可以被保存在存储器230中直到这样的传输时间，并且更具体地在存储器230的NVM部分。循环冗余码(CRC)计算、前向纠错(FEC)和/或数据冗余可以进一步加到接收机端的用于数据确认的包内。在一实施方式中，当采集电路(harvesting circuitry)的电压被确定为正在高速减小，例如，电源线负载被断开，当没有能量可获得，该装置传输包含最后计数器值的消息，直到负载再次被接通。
当满足传输条件时，出于避免冲突的目的，MCU能实施载波侦听多路访问(CSMA)机制。因此采取以下步骤。首先，RF收发信机240的接收机被开启。第二，接收机检测当前是否有其它传输。这在SPPS操作的环境中很重要，它是富于SPPS的环境，可能有几百个SPPS。第三，当确定空气是真空时，接收机禁用，且RF收发信机240的发射机启用用于传输以发送信息消息；另外，接收机禁用导致电路200在随机时间间隔睡眠，之后电路200唤醒，步骤的顺序被重复直到期望的传输完成。在本发明的一实施方式中，在传输完成以后，发射机禁用，且接收机启用以接收从管理单元来的确认信号。在电路200的另一实施方式中，信息消息足够短并且传输之间的间隔足够长以至于冲突非常不可能产生。在这样的实施方式中，信息消息的传输无需空气的预检测而产生，因此保存了能量。然而在本发明的另一实施方式中，传输以后，发射机被激活以接收时钟同步信号。这允许MCU 220的时钟和管理服务器1050(见图10)的时钟之间同步，如下文进一步的说明。
然而在本发明另一实施方式中，充足的能量在电路200中可用于连续或持久的工作。初级电流在某一值之上的情况下这是可能的。接下来MCU 220能保持打开并执行在直接来自电流互感器212的非整流信号(non-rectified  signal)上的信号处理。收集的信息因此可以更频繁地传输。这有利于与峰值、平均电流、相位计算、频率转换计算、瞬时和短期不规则变化电流以及总谐波失真(THD)有关的测量的实例。为了防止过充，能量收集器216的储存电压(reservoir voltage)不断地用MCU 220的A/D转换器226测量。如果有必要，能量收集器216的放电通过I/O端口执行。当没有初级电流存在时，电压信息还提供用于使传输保持的可用能量的指示。当断路器120跳闸或要不然被关闭，或者要不然当没有功率被由断路器120保护的电子子网络消耗时，这是可能发生的。在本发明又一实施方式中，三相SPPS被实施，它包括三个模拟部分210，每一个模拟部分连接到单个MCU 220，MCU 220又连接到收发信机(240)和天线(250)。电路被配置为用来处理三个模拟部分以至于单个MCU 220能够处理三相SPPS的全部操作。当三相SPPS被描述，对于单相或多相SPPS应理解为包括多个模拟部分的系统可以被实施，因此降低了这种多重电源线传感器SPPS的成本。
现在参照图3描述根据本发明的自供电电路200的模拟部分210的第一实施方式的示例性和非限制性电路图300。电流互感器310的初级线圈是电源线130，它的AC电流感应电流互感器310中的的电压和电流。感应电流与谐振电容器320谐振产生足够的电压经过二极管电桥330。在使用肖特基二极管的情况下，这个电压大约是0.3V。在二级管电桥的输出提供整流DC电流给感应电容器(sense capacitor)340充电直到它到达某一阈值V1H。比较器360检测感应电容器340上的V1H，并产生控制信号到DC/DC控制器370，其依次激活DC/DC开关375和提升高电容储存电容器380上的电压到高电压V2，典型地达到12V。该控制信号也被用作中断来唤醒MCU 220并提高计数器227。感应电容器340的每次放电代表流经主电路的AH总量。脉冲的频率与初级电流成比例，因此，脉冲的数量与流经主电路的总的AH成比例。感应电容器340通过DC/DC电感器350放电到储存电容器380。一旦 比较器360检测到感应电容器340上的例如0.5V的低阈值V1L，来自DC/DC控制器370的DC/DC控制信号引起感应电容器340的放电的暂停。储存电容器380的电压由线性调节器390调节为稳定的DC电压，例如3.3V或2V，根据具体情况而定，该电压供给MCU 220、RF收发信机240、DC/DC控制器370和比较器360。
当电路300的启动时，储存电容器380由感应电容器340充电直到足够的能量储存在储存电容器380中，该足够的能量提供足够的电压激活比较器360和DC/DC控制器370。使用DC/DC转换器的优点有两方面：使储存电容器380升压到高电压，因此使能量储存足够进行许多RF传输循环；而且，能使V1H/V1L在相对低的范围，因此通过在感应电容器380产生典型地仅达到1V使电路300工作在很低的初级电流上。储存电容器380的电压提供到MCU220的A/D转换器226，从而使有意的放电能防止过充。放电由MCU 220通过晶体管395的I/O端的控制来实现。在另一实施方式中，也如在先论述的，齐纳二极管(未示出)被用于过充控制的目的。在另一实施方式中，A/D转换器226被配置为检测连接到初级线的负载是否断开，并因此消耗零电流。在这种情况下，当没有能量提供到电路200时，储存电容器380上的电压高速下降。因此，发射机发射指示电源关闭的单个消息。该消息还包含在储存能量耗尽之前采样的的最后计数器值。电流互感器370的非整流输出连接到MCU 380的A/D转换器245，例如，当有足够能量存在于电路300中时，用小的感应电阻器(未示出)从而使附加信号处理和测量能够进行。例如而非限制性的，不规则行为的相位测量或检测可以在这样的时间被实现。通过限制感应电容器的电压，CT 310线圈上的电压保持为低，因此磁心能够在它的自然饱和点以下工作，这样增加了测量的准确性。
为了产生足够大电压以经过二极管整流器，谐振电容器320与电流互感器线圈谐振。由于典型磁心的磁化曲线在低初级电流处是非线性的，磁心的 有效感应系数随着初级电流变化。在本发明的一实施方式中，选择谐振电容器的值以便在低初级电流处达到最大谐振是有利的。这甚至在非常低的初级电流处产生穿过二极管电桥所需的电压摆幅。
图4描述了根据本发明自供电传感器110的模拟部分205的第二实施方式的示例性和非限制性电路图400。该电路比电路300简单，因为它没有用DC/DC控制器。在这个实施方式中，当感应电容器440达到3V，比较器450激活开关452和454。开关452的激活能直接从感应电容器440充电储存电容器470。开关454改变比较器450的阈值。当感应电容器440被放电到2.2V时，比较器释放电容器，也就是，到储存电容器470的能量转移停止。储存电容器470上的电压被调节到例如2V，MCU 220和RF收发信机240的VCC电压。在很多情况下，因为电压范围极小，MCU 220的内部电压调节器可以被使用。当储存电容器470的电压在例如2V以上，MCU 220能唤醒并引入电流用于如上文描述的脉冲计数和传输。MCU 220能使储存电容器470被充电达到例如2.2V的峰值电压。通过先前实施方式中描述的有意的放电来防止过充。在这种情况下，因为未使用DC/DC，为了防止反向流动的电荷，关键是保持储存电容器470的电压低于感应电容器440的低阈值，例如，2.2V。在另一实施方式中，也如先前论述的，齐纳二极管(未示出)出于过充控制的目的。使用可选的小辅助电池460以给比较器450供电、当储存电容器470没有完全充满时提供初始工作能量以及以较低频率(例如，每天一次)提供足够能量，当没有初级电流存在时保持传输。即使当没有初级电流存在时，为了通知传感器的存在性的系统，保持传输是很重要的。
图5描述了根据本发明自供电传感器110的模拟部分205的第三实施方式的示例性和非限制性电路图500。在模拟部分205的这个实施方式中，只有一个大的感应电容器540，而没有储存电容器或DC/DC控制器。在图4和图5的电路中使用更少元件的原因是减少元件总数，从而减少了解决方案 的物料清单(BOM)。在电路500中，感应电容器540还用作能量源，典型地用于单一传输。因此，这个实施方式的感应电容器540设计有相当大的电容，例如，1mF。根据电路500的工作原理，比较器550检测何时感应电容器540被充电达到例如4V，并朝向线性调节器570打开开关552。线性调节器570提供调节的电压，例如3V的输出，因此允许MCU 220引入电流导致感应电容器540的放电。由于开关554的激活，所以由比较器550检测到放电到较低的参考电压，例如3V，且停止放电。MCU 220能执行使感应电容器540放电的操作以当需要时执行计数操作和传输。MCU 220还能测量感应电容器的电压，并且当执行不消耗全部能量的操作时，有意地给它放电到较低的电压，例如3V。可选电池560用来提供参考电压到比较器550，而且当初级电流在最小可检测电流以下时允许保持传输。在另一实施方式中，也如先前所论述的，齐纳二极管(未示出)出于过充控制的目的。在另一实施方式中，也如先前所论述的，不使用线性调节器，且MCU的内部调节器调节输入电压。
在本发明另一实施方式中，通过测量感应电容器(例如，电容器540、440或340)上的电压变化率进行功率测量。感应存储器电压由A/D 226测量。然后MCU 220让电容器通过电阻器(例如，电阻器395)放电一段固定的时间，期间MCU 220可以被设置为低功率模式。在该固定的时间过去之后，感应电容器的电压等级被测量，并且两个测量之间的电压差(ΔV)被计算。由于初级电流流动，ΔV由负数的固定部分(也就是，电压通过电阻器395放电)加上与电容器充电率成比例的正的可变部分组成。
SPPS 110操作的关键是能够处理几个决定性的挑战以达到它的成功操作。三个关键问题是电流互感器212的最小功率检测、电路200的功率平衡和可以包括几百个SPPS的多个SPPS环境中的无线共存。为了使SPPS 110成为有用的装置，其能用于检测流经初级导线130的尽可能低的电流是有必 要的。该设计必须考虑到设备典型地可用的有限空间，例如，但不限于，必须适合断路器120的尺寸限制的SPPS 110。在本发明另一实施方式中，其它尺寸限制可以适用，然而这些不应被看做限制本发明的范围。次级线圈的电感大约是：
L = μ 0 μ r N 2 A I
其中，N是线圈的数量，μr是磁材料(例如但并不限于，带绕铁(stripwound iron))的相对磁导率，μ0是真空中的磁导率，A是磁心的横截面，下面参照图6和图7作进一步论述，以及I是磁心的有效长度。N＝1500，μr＝1000，μ0＝4π10-7，A＝40mm2，以及I＝20mm，电感是L＝5.5Hy。次级电流IS和初级电流IP之间的电流比对于理想变压器大约是IP/IS＝N。次级线圈上的电压由VS＝ISωL＝IPωL/N给出，f＝50Hz，ω＝2πf＝314rad/s。因此，VS＝IPωL/N＝1.15IP。假设二极管整流器(例如二极管整流器330)有1V的下降，1V的充电电压，那么系统操作至少需要2V。因此，有2/1.15＝1.7A峰值＝1.2A有效值(RMS)的最小可检测电流。使用谐振电容器(例如，谐振电容器320)，阻抗通过因子1/(XL-XC)而减小，其中，XL是磁心的阻抗，XC是谐振电容器的阻抗。电容和电感采取±20％的累积公差(accumulative tolerance)，导致信号中40％的最差情况增加，因此在这个例子中，最小可检测电流是1.2×0.4＝0.48A，它代表在220V的105VA的最小可检测功率。在110V 60Hz，这个例子中的最小可检测电流是5/6×0.48＝0.4A，最小可检测功率是44VA。因为L与N2和A成比例，V与1/N成比例，最小可检测电流可以通过增加N或A被减小。然而，有必要确保整个磁心和它的各个次级线圈与SPPS 110的尺寸限制适合，且N或A的增加可以有其材料的影响。
此外，为了使SPPS 110成为有效装置，有必要确保通过上文论述的电路的操作获得充足的功率量。以下是它们的示例性和非限制性分析。首先， 有必要理解每个关键元件的能量需求：传输周期、计数周期和逻辑操作。这些问题没有处理会导致非有效电路。在所有的情况中，假设是对于3V的操作。对于该传输周期，20mA的传输电流用于5ms的周期。1mA的处理电流在10ms的唤醒和处理的周期使用。因此传输周期的总能量需求是：3V×(20mA×5ms+1mA×10ms)＝0.33mJ。对于计数周期，1mA的处理电流在5ms的唤醒和处理周期使用。因此计数周期总能量需求是：3V×1mA×5ms＝15μJ。最后，逻辑操作需要50μA的连续电流，导致3V×0.05mA＝150μW的连续功率消耗。总能量必须可靠地由电源电路(例如电路300)提供。因此感应电容器(例如，感应电容器340)和储存电容器(例如，储存电容器380)为期望操作的执行提供足够能量是有必要的。上述假设对于普通低功率MCU和射频集成电路(RFIC)是典型的。
为了处理电路200的能量平衡，有必要确保感应电容器(例如感应电容器320)能够为计数周期提供足够能量，并且确保储存电容器(例如储存电容器380)能够为几个传输周期提供足够能量。二者在下文示例性和非限制性计算中被处理。如果感应电容器C1等于1mF，并被充电到V1＝1V，放电到V2＝0.5V，那么总放电能量是：E＝0.5C1×(V1 2-V2 2)＝375μJ。在上文中已经示出计数周期需要15μJ，它小于可用能量的3％。剩余能量被积累用于传输目的，例如在储存电容器中。假设储存电容器(例如电容器320)有0.375mF的值，电容器被充电到V1＝5V，放电到V2＝3V，那么总能量是：E＝0.5C2×(V1 2-V2 2)＝3mJ。在先的计算已经示出传输周期消耗大约0.33mJ，因此在这些条件下大概有9个传输周期。现在有可能确定用所需能量的量给储存电容器充电花费的计数周期的数量。可用能量是360μJ，有50％的DC/DC控制器效率，每个感应电容器脉冲有180μJ。通过几个传输周期所需能量的量(例如3mJ)除以由给每个周期充电的能量的量(例如0.18mJ)，确定大约需要17个感应电容器周期给储存电容器充以所需能量充电。
为了确保电路200的正确工作，有必要确保用于连续的系统操作的正能量平衡，即使在最低的初级电流。因此有必要计算输入系统的功率比输出系统的功率，后者必须小于前者。对于输入功率，初级电流IP＝0.5A，N＝1500导致IS＝0.33mA的次级电流。使用与上文同样的计算，例如1mF的感应电容器，放电到0.5V电压，充电1V的电压，充电时间是T＝CΔV/IS＝1.5s。因此375μJ的可用能量提供375/1.5＝0.25mW。假设有80％的DC/DC效率，可用输入功率是200μW。输出功率是连续逻辑操作、计数过程、传输的集合。连续的逻辑操作如上所示需要150μW。计数过程在375ms期间需要15μJ，它等于40μW。假设传输每一分钟一次，那么每60秒需要360μJ，即6μW。因此总功率消耗是196μW，它小于如上文说明的可用的200μW。应注意更高的初级电流导致改善的功率平衡，改善的功率平衡使传输频率增加、执行连续的信号处理、当没有初级电流存在时存储能量以及它们的集合。
图6和图7示出了带有次级线圈的磁心和分离成两部分的磁心的示意图600和700。然而，如图7所示，该磁心被设计成包括互相分离的两部分610和620，以便确保当它们装配在一起时它们通过减少两部分之间的空气间隙到最小(例如，10μm)来提供良好的磁流穿过磁心。当磁心两部分的示例形状被示出，这些仅仅用于说明目的，其它设计有可能达到所需结果。如上文说明的，磁心适合SPPS110中分配的尺寸是有必要，以使它能合适地容纳在与断路器结合的配电箱中。电流互感器212的次级线圈630缠绕在磁心的一个部分(例如，部分610，它是固定部分，放置于如图8所示的示例性和非限制性外壳800中)上。在这个例子中，这些可以为两个独立的次级线圈的串联连接的两个线圈(见图6)。磁心的可移动部分(例如部分620)放置于外壳800的部分810中，它与其中放置部分610的外壳800的部分820分离。当部分820与部分810分离时，有可能把它们放置在电源线130周围以使当部分810和820被重新连接时，电源线130放置在磁心周长之内从而 实现电流互感器212。每个SPPS110被赋以唯一标识(ID)，例如MAC地址，它的长度可以是16字节，它放在外壳800上，例如位置840。在SPPS的安置中，MAC地址由用于安装目的安置系统的技术人员读取。在一实施方式中，机器可读代码被提供，例如条形码，以便能使用阅读器自动读取。当包括两个部分的磁心在上文被描述，应注意没有偏离本发明范围的磁心的其它实施是可能的。在一实施方式中单一部分磁心被使用，且在这种情况下，初级线必须穿过磁心中的孔被插入。可能需要断开该线并通过磁心穿过它用于安装SPPS装置。
图9描述的示例性和非限制性流程图900描述了根据本发明配置的SPPS的操作。在S910中，SPPS(例如SPPS110)检查是否连续的脉冲被接收并且是否这样的执行在S920继续；否则，执行在S910继续。在S920中，根据上文描述的原理执行计数，上文描述的原理包括感应电容器(例如电容器320)的放电。在S930中，检查是否有足够能量来执行传输并且是否这样的执行在S940继续；否则执行在S910继续。在S940中，检查是否到时间由SPPS110传输并且是否这样的执行在S950中继续；否则，执行在S910继续。在S950中，SPPS110检测另一个传输的环境以避免上文中所论述的传输冲突。在S960中，检查是否有可能传输并且是否这样的执行在S980继续；否则，在S970中确定随机等待周期并且然后执行在S930继续。在S980中由SPPS110收集的信息被传输，被传输的信息包含上文论述的数据。在S990中，检查是否操作应该继续并且是否这样的执行在S910继续；否则，执行终止。在用于来自从接收由发射机发送的信息的单元的反馈信息的接收目的的传输完成以后，选择性的步骤可以被加入。这种反馈信息包括但不限于确认信息和/或同步信息。
 现在参考图10，其中根据本发明的原理配置的示例性和非限制性系统1000被示出。该系统包括通信地连接到通信链接1020的多个SPPS1010。 SPPS 1010置于各个断路器之前或之后的配电箱里，或者在特定的功率消耗单元的输入端。管理服务器配备有能够与使用一个或多个上文论述的通信方案的多个SPPS 1010通信的收发信机。通信桥1020被配置为与那些SPPS1010通信，它被配置为用于识别它们各自的MAC地址工作。通信桥1020连接到网络1020，它可以是但不限于局域网(LAN)、广域网(WAN)、城域网(MAN)、因特网、万维网(WWW)等以及它们的集合。通信链接可以是但不限于WLAN(无线LAN)，例如，也被叫作WiFi的802.11、无线传感器区域网络，例如也被叫作Zigbee的802.15.4、电力线通信(PLC)或比如GPRS或CDMA的移动电话调制解调器网络。在本发明的一实施方式中，通信桥在把它们发送到网络之前聚集来自多个传感器1010-1到1010-N的数据。连接数据库1040到网络以累积由通信桥1020收集的数据。通信桥1020可以放置于每个配电箱中并且聚集多个SPPS 110通信。在一实施方式中，通信桥1020负责相位计算，在下文中详细论述。还连接到网络的是管理服务器1050，它基于数据库1040中积累的数据，可以提供给客户端1060各自收集的数据的处理的信息，就像与其它应用程序软件通信，例如建筑管理系统(BMS)。在本发明的一实施方式中，在次级线圈中的线圈的最小数量是500。
在本发明的一实施方式中，通信桥1020能提供关于相位的信息并且使系统能计算相移。电压和电流之间相移的确认被用来计算功率因子 因此更准确地确定流经电源线的真实的有功功率。当确定在能量存储器216中有足够的能量，那么MCU 220在连续模式变得有效，只要这个足够的能量可用，或直到操作完成。MCU 220使用AD转换器225检测电流互感器212的峰值电流。与在传感器和桥接单元之间同步的时钟相关的峰值的时间被记录，并且当合适的时候根据上文所述原理传输到通信桥1020。通信桥1020还能通过连接到通信桥1020和参考电源线的至少一个峰值检测器(未 示出)检测最接近传感器的电源电压的峰值。峰值的时间由通信桥1020连续记录。因为如上文所述，通信桥1020的时钟和电路200是同步的，现在有可能通信桥1020依靠接收从电路200来的各个测量峰值和时间信息，以确定参考电源线电压和电路200测量的电流之间的相移。应注意峰值检测器的使用使系统对在公共电网频率(例如美国的60Hz对欧洲的50Hz)中的差别变得不可知，像对在电源电压频率中的任何其它错误或变化一样。
SPPS 1100的示例性和非限制性第二实施方式现在参考图11示出。在微控制器220中可以观察到一个关键的区别是没有像之前描述的实施方式(例如图2中)中示出的接收到作为中断信号的脉冲。除非为了清楚的必要性，与图2中相似的元件在此不再论述。显著的变化是模拟部分1110中包括电流互感器212、能量收集器216、开关1114和感应电阻器1112。在常规的操作中，开关1114被布置以使能量由能量收集器216收集。例如在微控制器220的控制之下，开关1114周期性地被激活以通过感应电阻器1112短路互感器212的次级线圈，感应电阻器1112典型地具有低电阻。感应电阻器1112的电压由ADC 225采样。为了让系统1100识别电压峰值，在每个周期中该过程被重复几次。开关1114在两个位置之间切换以使在第一个位置大部分时间能够收集能量，在第二个位置时周期性地测量电压。求许多周期的平均采样值并且该平均采样值被感应电阻器1112的电阻值除以提供电流值。然后电流值乘以时间间隔以获得总的电荷值，例如，用安培小时。如上文讨论的校准因子对于系统1100也能使用。
如图12中示例性和非限制性电路图1200中所示，模拟部分可以被实现。通常地，连接在谐振电容器320和桥式整流器330之间的开关1210和1220是闭合的，以至于收集电容器380被充电。对于本发明其它实施方式如上文详细讨论的，收集电容器380的电压被限制以避免过充。从能量收集这点来看，图12表示接近图5所示的实施方式，但关于收集电路，实施方式和图3 和图4中相似也是可能的。为了执行测量，微控制器220用它们各自的I/O端口开关晶体管1210和1220。根据本发明的原理，开关1210和1220以相反相位同时操作。虽然测量只在单个电阻器300而不是两个上执行，但是两个开关和两个电阻器的使用是为了阻止加载到互感器212上的DC。这需要避免测量结果的饱和与失真。本领域技术人员可以理解，在周期的正部分中由一个开关控制，在周期的负部分中由另一个开关控制。然而需要注意的是使用能在两个方向对称地控制的单个开关的拓扑是可能的，例如，通过使用一对串联连接的MOSFET晶体管。当开关起作用，电流流经合适的感应电阻器而不是充电收集电容器380。根据本发明，感应电阻器有相对于互感器线圈自身电阻的低阻抗。这使得接近于短路电流的流动，保持电阻器两端的电压足够低，从而维持穿过磁心的最小通量，并且避免了互感器212的饱和。在本发明的一实施方式中，在感应电阻器接通以后，MCU 220等待某个时间间隔，典型地几百毫秒，或为了允许谐振电容器放电，在执行测量之前切换到关闭/功率节省模式。这确保了测量结构的高准确性和更好的线性。根据本发明的原理，在可能使用两个线圈的情况下，第一个次级线圈用来由ADC225测量电压，而第二个次级线圈(见图6和8的先前的描述)用于能量收集的目的，因此消除了用于转换在SPPS的尺寸中潜在的花费增加的需要。感应电阻器的值可以很容易被计算。假设SPPS被设计为30A的最大初级电流，然后有N＝1000，则次级线圈的最大短路电流将是30mA。如果到ADC 225的最大输入是1V，那么感应电阻器1112将是30Ω，有1000个SPPS的典型尺寸的线圈的细(例如0.1mm)铜线的电阻大约是100Ω。对于不同实施方式，参考上文解释的能量平衡计算，在用于脉冲计数目的之前计算的相似的能量的量在这里能用于A/D激活和采样的目的，因此这个实施方式在能量消耗方面与前几个没有很大的不同。因此即使当非常低的初级电流存在时，充足的能量的量可用于正确的系统操作。
然而在如图13所示的模拟部分电路1300的另一个示例性实施方式中，倍压器1340被使用。事实上，对于所有其它实施方式，上文描述的桥式整流器能用电压倍增器代替。本领域的技术人员很容易注意到电压倍增器可以是倍压器、电压三倍器、电压四倍器或其它类型的被动的电压倍增器拓扑，没有背离本发明范围。示例性和非限制性电路1300示出了倍压器1340的简单实现。收集电容器380上的电压是谐振后互感器310上电压的两倍。在一些情况中，电压倍增器的使用在低电流范围是有利的。具体地也参考感应电阻器拓扑，电压倍增器简化了电路的接地端作为能被连接到收集电容器和感应电阻器的普通的接地端，然而当使用桥式整流器时，需要进行差分电压测量。
任何适用于本发明的原理作为硬件、固件、软件或它们的任意组合被实现。此外，软件优选地作为应用程序实现，该应用程序明确地包含在程序存储单元或计算机可读介质中。该应用程序可以被上传到包括任意合适结构的机器，并由该机器来执行。优选地，该机器可以在具有硬件(比如一个或多个中央处理单元(“CPU”)、存储器和输入/输出接口)的计算机平台上实现。该计算机平台也可以包括操作系统和微指令代码。其中描述的各种处理和功能可以是微指令代码的部分或应用程序的部分，或它们的任意集合，他们可以由CPU执行，不论这种计算机或处理器是否明确示出。另外，各种其它外围单元可以连接到计算机平台(比如附加的数据储存单元和打印单元)。上文描述的电路可以以各种工业中熟知的制造技术来实现，包括但不限于使用表面装配技术(SMT)装配的集成电路(IC)和分立元件，和其它技术实现。本发明的范围不应看作被SPPS 110或通信桥1020的封装类型和物理实现所限制。
所有在本文中列举的示例和条件式用语旨在教学目的以帮助读者理解本发明的原理和由发明人提供的概念以促进该技术，并且被解释为不限于这 样具体列举的示例和条件。此外，在本文中所有列举了本发明原理、方面和实施方式的陈述同他们具体的示例一样，旨在包含他们结构上和功能上的等同替换。另外，意在这种等同替换包括当前已知的等同替换和在将来发展的等同替换，例如，不管结构怎样，执行相同功能的发展的任意元件。

Claims (14)

1.一种用于功率消耗测量的设备，该设备包括：
至少一个模拟部分，该至少一个模拟部分具有电流互感器，所述电流互感器具有互感器磁心，所述互感器磁心被配置成安装在作为该电流互感器的初级线圈的交流(AC)电源线的周围，所述模拟部分收集来自围绕所述互感器磁心的次级线圈的能量，并储存收集的能量以由所述设备的元件使用，所述模拟部分提供作为对电源线中的AC的响应的模拟信号；
谐振电容器，该谐振电容器与所述电流互感器的所述次级线圈并联连接，以与所述次级线圈电感以初级频率共振，所述谐振电容器的值被选择以使得最大谐振以低的初级电流获得；
微控制器，该微控制器连接到至少一个模拟部分以接收用于至少所述微控制器的操作的能量，以及接收所述模拟信号；
存储器，该存储器连接到所述微控制器；以及
发射机，该发射机连接到所述微控制器以用于在所述微控制器的控制下传送响应所述模拟信号的信息，该信息作为连接到所述电源线的负载的功率消耗的指示。
2.根据权利要求1所述的用于功率消耗测量的设备，该设备还包括：
外壳，该外壳内容纳所述至少一个模拟部分、与所述电流互感器的所述次级线圈并联连接的所述谐振电容器、所述微控制器、所述存储器和所述发射机，其中所述外壳被设计为安装在电源线周围，该电源线连接在断路器配电箱中的多个断路器中的断路器的附近。
3.根据权利要求1所述的用于功率消耗测量的设备，该设备还包括下列中的一者：
二极管电桥，该二极管电桥与所述电流互感器的所述次级线圈并联连接；或
电压倍增器，该电压倍增器与所述电流互感器的所述次级线圈并联连接。
4.根据权利要求1所述的用于功率消耗测量的设备，其中，所述互感器磁心包括其上缠绕有所述次级线圈的第一部分，所述第一部分与第二部分安装在一起以使所述电源线通过所述第一部分和所述第二部分由所述互感器磁心围绕，以实现环绕在所述电源线周围的实质上连续的磁路。
5.根据权利要求1所述的用于功率消耗测量的设备，其中，所述次级线圈的匝数大于500。
6.根据权利要求1所述的用于功率消耗测量的设备，该设备还包括：在所述模拟部分中的感应电容器和用于使所述感应电容器周期性放电以防止所述磁心饱和的电路。
7.根据权利要求1所述的用于功率消耗测量的设备，其中，所述微控制器在能够从所述模拟部分获得足够能量时以连续模式操作，并且在所述连续模式下，所述微控制器执行所述模拟信号的连续测量、存储作为对所述连续测量的响应的信息以及促成使用所述发射机的所述信息的传输。
8.根据权利要求7所述的用于功率消耗测量的设备，其中，所述连续测量包括下列中的至少一种：峰值检测、相位检测、功率破坏。
9.根据权利要求1所述的用于功率消耗测量的设备，该设备还包括连接到所述微控制器的接收机。
10.根据权利要求9所述的用于功率消耗测量的设备，其中，所述接收机能够执行下列中的至少一种：检测载波信号、接收确认信号、接收同步信息。
11.根据权利要求1所述的用于功率消耗测量的设备，其中所述存储器包含所述设备的校准信息。
12.根据权利要求1所述的用于功率消耗测量的设备，该设备还包括：
感应电阻器和用于感应流过所述感应电阻器的电流的电路。
13.根据权利要求12所述的用于功率消耗测量的设备，其中，所述感应电阻器连接到所述电流互感器的次级线圈，并且所述感应电阻器的电阻小于所述次级线圈的电阻。
14.根据权利要求1所述的用于功率消耗测量的设备，该设备还包括：在所述模拟部分中的感应电阻器和用于感应流过所述感应电阻器的电流的电路。
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