CN107209245B - 能量计量系统及其校准方法 - Google Patents

Abstract

能量计量系统包括布置在配电盘的断路器附近的多个传感器，用于感测断路器的区域中的磁场并且提供相对应的传感器数据。该系统还包括数据处理系统，用于将多个传感器的传感器数据转换成由相对应的断路器保护的多个电路的电力负载信息。该系统还包括校准单元，被配置成至少确定至少一个电路的参考电压和参考电流。数据处理系统被配置成在能量计量系统的校准模式下基于由校准单元确定的参考电压和参考电流来校准传感器数据与负载信息之间的关系。

Description

能量计量系统及其校准方法

相关申请的交叉引用

本申请涉及下述相关申请。于2014年12月30日提交的(代理人案卷号EBL-001)标题为“Energy metering system with self-powered sensors”的共同未决的美国申请第14/586,710号以及于2014年12月30日提交的(代理人案卷号EBL-002)的标题为“Visualization of electrical loads”的共同未决的美国申请第14/586,696号公开了在本文中公开的具有创造性的能量计量系统的另外的方面。申请EBL-001提供了关于传感器系统的传感器的供电的详细信息。申请EBL-002提供了关于由计量系统获得的传感器数据的可视化的详情。这些申请的公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及用于确定配电盘的电力负载的能量计量系统。特别地，本发明涉及能够确定每个电路的电力负载的能量计量系统。本发明还涉及用于操作能量计量系统的方法和装置，并且特别地涉及一种用于对能够确定每个电路的电力负载的能量计量系统进行校准的方法以及一种数据聚合装置。

背景技术

在常规的能量分配网络中，场所的能量消耗通常在中心供应点处测量，中心供应点例如在能量供应商的供电线与给定场所(例如单个建筑物或者建筑物的特定部分如公寓等)的第一配电盘之间。以这种方式，可以测量在该特定场所处消耗的所有电能，而不管给定场所的电力分配系统如何。

常规的能量计量装置本地地记录电能的总体使用。这种能量计量系统需要由能量消费者、能量供应商或服务公司定期读取。最近，几个国家引进了所谓的智能计量装置。在智能计量系统中，智能计量装置将在特定场所处消耗的能量的量传送回公用事业提供商，例如能量供应商或者服务公司。在某些情况下，仅根据请求来报告消耗的能量的量，例如以用于制定公用事业账单。其他智能能量计量系统允许对能量消耗数据进行更有规律的反馈，例如每天或每小时。

定期向公用事业提供商报告能量消耗使得能够实施新的收费策略。例如，如果能量消费者在高需求时避免过度的能量消耗，并且相反地，将其能量消耗转移到诸如夜间等的低需求时段，则能量供应商可以通过更低的价格来回报能量消费者。

虽然这样的系统在宏观层面上是有用的，但是在许多情况下，在单个点处测量相对大的场所的能量消耗的能量计量系统对于详细分析单个用户的能量消耗而言是不够的。例如，用户可以检测到其在一天的特定时间处使用高于平均量的能量，但是可能无法检测在房屋或公寓里的何处消耗了该能量。

为了克服这个问题，开发了允许测量特定装置的电力负载的装置。这样的装置可以被固定地安装在能量分配网络的相关点处，或者可以被设置为中间装置而被插入在壁式插座与被检查的装置之间。虽然这些装置在识别导致特别高的电力负载的电气装置时是有用的，但是其安装和使用相对复杂，导致安装成本高或者使用被限制。

在这个背景下，本发明的挑战在于描述一种能量计量系统及其操作的相关方法，该系统和方法允许能量消费者或者公用事业提供商获得对特定场所处的电能消耗的更详细的评估。优选地，该能量计量系统应该易于部署和操作。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于确定配电盘的电力负载的能量计量系统。该能量计量系统包括布置在配电盘的断路器附近的多个传感器，用于感测断路器的区域中的磁场并且用于提供相对应的传感器数据。该系统还包括数据处理系统，用于将多个传感器的传感器数据转换成由相对应的断路器保护的多个电路的电力负载信息。此外，该系统包括校准单元，其电连接到多个电路中的一个电路并且与数据处理系统耦合，其中，校准单元被配置成至少确定连接的电路的参考电压和参考电流。数据处理系统被配置成在能量计量系统的校准模式下基于由校准单元确定的参考电压和参考电流来校准传感器数据与负载信息之间的关系。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于校准能量计量系统的方法。该方法包括下述步骤：确定从配电盘分支出去的第一电路的参考电压和参考电流；以及感测被配置成至少保护第一电路的第一断路器的区域中的磁场并且提供相对应的第一传感器数据。该方法还包括：基于所测量的参考电压和参考电流来确定第一电路的第一电力负载信息；以及确定表示所提供的第一传感器数据与所确定的第一电力负载信息之间的关系的校准数据。在能量计量系统的正常工作模式下，基于所确定的校准数据将与第二断路器的区域中的磁场对应的第二传感器数据转换成第二负载信息。根据第三方面，提供了一种用于能量计量系统的数据聚合装置。该装置包括至少一个总线连接器，用于将布置在配电盘的断路器附近的多个传感器连接到数据聚合装置，多个传感器用于感测断路器的区域中的磁场。该装置还包括：用于将数据聚合装置连接到从配电盘分支出去的第一电路的至少一个插头连接器；以及电连接到该插头连接器的校准单元。该校准单元包括用于确定第一电路的参考电压和参考电流的电路。该系统还包括至少一个接口，该至少一个接口用于提供由多个传感器提供的传感器数据以及由校准单元确定的参考电流和参考电压，以用于在能量计量系统的校准模式下校准所提供的传感器数据与第一电路的电力负载信息之间的关系，并且用于在能量计量系统的正常工作模式下将所提供的传感器数据转换成由对应的断路器保护的多个电路的电力负载信息。

所描述的系统、方法和装置能够更深入地分析特定场所处的电力负载。此外，所描述的系统即使对于消费者也特别易于设置。

附图说明

将参照附图来描述本发明的各种实施方式。在附图中，相同的附图标记用于不同实施方式的相同元件。附图包括：

图1示出了根据本发明的实施方式的能量计量系统的示意图；

图2示出了根据本发明的实施方式的能量分配系统的示意性电路图；

图3示出了根据本发明的实施方式的能量计量系统的校准单元；

图4示出了根据本发明的实施方式的能量计量系统的另一校准单元；

图5示出了根据本发明的实施方式的能量计量系统的状态图；

图6示出了用于校准模式下的能量计量系统的操作方法的流程图；以及

图7示出了能量计量系统在正常工作模式下的操作方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施方式的能量计量系统100的示意图。能量计量系统100包括三个子系统，即传感器子系统110、数据采集子系统140和数据分析子系统170。在其他实施方式中，这些子系统中的若干个子系统可以被省略、组合或者划分成进一步的子系统。例如，分析子系统170可能不存在于客户场所处，而是可以由公用事业提供商实现为基于云的网络服务。

根据所描述的实施方式，传感器子系统110被直接装配在常规的配电盘112上或封闭的保险丝盒中。在图1所示的实施方式中，配电盘112包括两行竖直布置的断路器114。当然，在其他实施方式中，断路器114可以被水平布置或者按照不同数目的行和列来布置。每个断路器114在配电盘112内连接到供电线路，并且与诸如公寓或房屋等的特定场所的若干个电路中的一个电路连接。在所描述的实施方式中，断路器组114包括主断路器114a，主断路器114a保护整个配电盘112，并且由此保护所有的次级断路器114以及与次级断路器114相连的相关电路。例如，第一次级断路器114可以连接到向卧室的壁式插座提供电能的第一电路。第二次级断路器114可以连接到向厨房的壁式插座提供电能的第二电路。第三次级断路器114可以直接连接到特定的大功率电器，例如烤箱、加热器或空调系统。

为了获得每个单独电路的负载信息，在所描述的实施方式中，传感器120被装配到包括主断路器114a在内的断路器114中的每个断路器上。每个传感器120被配置成感测相应断路器114的区域中的磁场的强度，例如由断路器114的保护线圈或者其他内部部件发出的磁场的强度。特别地，可以采用被配置成用于确定磁场或磁通量在三个不同空间方向上的分量的单芯片同步三轴数字磁力计。在Paul Bertrand的申请US2013/0229173A1中已知这样的传感器，上述申请的内容通过引用并入本文，因此这里不再详细描述。

为了易于安装，可以将若干个传感器120进行组合以形成传感器条形式的传感器装置。优选地，传感器条中的各个传感器120可以根据断路器114的标准化间隔来进行间隔。为了适应断路器114的间隔的变化，可以使用柔性条来连接各个传感器120。可替代地，可以使用单独的传感器装置。传感器的行还可以包括虚拟传感器，即具有与上述传感器120兼容的电连接和物理尺寸的装置。这样的虚拟传感器可以被设置在不存在断路器114处，在传感器120之间。此外，在配电盘112上安装了双重断路器或串联的断路器的情况下，传感器装置的单个壳体可以包括两个或更多个传感器120。

在所描述的实施方式中，每个传感器装置具有用于操作传感器120的相关联的微控制器。这可以包括参照外部时钟信号执行对每个测量的适当定时。微控制器还可以执行数据预处理，例如将模拟测量结果数字化并且拒绝明显不正确的测量。在采用具有一个以上的传感器120的传感器条或传感器壳体的情况下，单个微控制器可以由多个传感器120共享。

在所描述的实施方式中，每个传感器120包括发光二极管(LED)形式的状态指示器。LED可以由微控制器控制以指示传感器120的操作状态。根据要指示的状态的数目，可以使用单色LED或多色LED。如下所述，还可以在能量计量系统100的初始配置期间使用LED。此外，LED可以用于更高级的应用，如EBL-002中更详细地描述的那样。

在一个实施方式中，传感器装置借助于传感器装置的壳体背面上的粘合剂条或粘合剂层附接到各个断路器114。可以采用其他附接手段，例如，可以采用被配置成夹在断路器114的标准化壳体上的弹性夹子，或者被设置在包括传感器电子装置以及用于设置单个标记或标签信息的区域的断路器114上的框架。这种机械附接手段确保了传感器120在在断路器114的顶部上的特定位置(例如对应于磁场的发射热点)处的一致设置。传感器120在明确限定的位置处的准确设置改进了由不同传感器120获得的测量值的可比性。

单个传感器120通过图1中不可见的内部总线系统连接。总线系统可以是并行总线系统，该并行总线系统具有连接到传感器120的行中的每个传感器的多个并行总线线路。可替代地，总线系统还可以被配置成菊花链，即将数据从一个传感器120转发给下一个传感器120。在所描述的实施方式中，总线系统结合了两种架构。特别地，总线的包括电源线、数据线和时钟线的第一部分并联连接到所有的传感器120。其中，这允许对传感器子系统110的所有传感器120的操作进行同步。总线的第二部分包括用于以菊花链配置来连接传感器的行中的所有传感器120的地址线，允许按顺序对传感器120中的每个传感器顺序地寻址。

在每行传感器120的一端处，连接电缆122和124连接到该列的第一传感器120。在所描绘的实施方式中，连接电缆122和124连接到接线盒126。如以上针对传感器120所详述的那样，接线盒126优选地借助于胶带、粘合剂层或磁性固定装置装配到配电盘112，使得可以在不打开配电盘112的情况下装配接线盒126，并且不需要专门的工具。在另一个实施方式中，第一行传感器120中的最后一个传感器120可以直接连接到另一行传感器120中的第一传感器120，使得所有传感器120形成单链的传感器120。

传感器子系统110可以包括在图1中不可见的其他部件。例如，传感器子系统110可以包括如检测配电盘附近的人的存在的运动检测器，或者检测用于封闭配电盘112的保险丝盒的覆盖门的打开状态的前门传感器。在配电盘112处执行维护的情况下(这可能导致不正确的测量结果)，能量计量系统100可以使用这样的附加传感器数据来中断负载测量。可替代地，如下文进一步描述的，来自这种传感器的数据也可以用于触发对能量计量系统100的重新校准。可以使用重新校准来使能量计量系统100适于改变的配置或其他外部影响，例如不同的背景磁场。此外，可以针对不同的操作环境(例如具有打开或封闭的保险丝盒)来存储不同组的校准数据。在这种情况下，可以使用来自门传感器的数据来相应地切换校准数据组以改进测量结果。此外，能量计量系统100可以向用户或管理员生成通知以突出显示门已被打开或保持打开。

包括传感器120、连接电缆122和124以及接线盒126的传感器子系统110借助于馈电电缆130连接到数据采集子系统140。特别地，馈电电缆130在一端处插入接线盒126并且在另一端处插入本地数据聚合装置142。

在所描述的实施方式中，数据聚合装置142被集成在具有插头连接器的AC适配器型壳体中，插头连接器用于将数据聚合装置142插入到常规的壁式插座144中。将数据聚合装置142插入壁式插座144中使得数据采集子系统140和所连接的传感器子系统110上电。此外，将数据聚合装置142插入壁式插座144还使得数据聚合装置142连接到从配电盘112分支出的电路。如下文描述的，这又继而允许能量计量系统的自动校准。

尽管在图1中未示出，但是数据聚合装置可以包括用于将其他传感器连接到能量计量系统100的另外的接口。例如，数据聚合装置142可以包括用于从诸如燃气表、水表或热表等的其他公用事业或家用自动化传感器采集数据的插头连接器或无线接口。该数据还可以与电力负载信息一起被记录，以便于实现针对该场所组合的计量和计费。

在图1的实施方式中，数据采集子系统140被布置在配电盘112附近，例如在同一个房间内，但是在配电盘112或周围的保险丝盒本身外侧。相对照而言，数据分析子系统170被布置在不同的位置处。例如，配电盘112、传感器子系统110和数据采集子系统140可以被安装在地下室、车库或者建筑物中的难以到达的其他地方。相对照而言，数据分析子系统170可以被安装在该建筑物内的走廊、办公室或客厅中。在其他实施方式中，数据采集子系统140和/或数据分析子系统170可以被集成在配电盘112中。

为了在数据采集子系统140和数据分析子系统170之间建立数据链路，数据聚合装置142包括无线传输系统146，如根据IEEE标准系列802.11的Wi-Fi链路。在图1的实施方式中，数据分析子系统170包括具有相对应的无线传输系统174的远程终端172。可替代地，数据聚合装置142和远程终端172也可以借助于直接电缆或者另一合适的数据传输系统来连接。特别是在数据聚合装置142被集成到配电盘112中的情况下，可以使用电力线通信来避免来自保险丝盒内的无线数据通信的问题。此外，数据聚合装置142、终端172和/或用于数据处理的其他部分可以连接到数据网络(例如因特网)以用于数据交换。

在所描述的实施方式中，使用背板176将远程终端172装配到墙壁上，背板176还通过无线电力传输向终端172提供电能。可替代地，终端172可以包括内置电源，或者可以借助于电缆连接到外部电源。借助于供电电缆180从连接到背板176的AC/DC适配器178来提供电能。AC/DC适配器178可以被插入到要安装终端172的位置处的任何插座中。

在所描述的实施方式中，终端172执行能量计量系统100的大部分数据处理。特别地，终端172接收由传感器120提供的关于各个断路器114的区域中的磁场强度的传感器数据以及由数据聚合装置142确定的参考电流和参考电压。稍后将更详细地描述终端172对接收到的数据的处理。在可替代的实施方式中，部分或全部处理由数据处理系统的其他部分执行，例如由传感器子系统11或者数据采集子系统140来执行。此外，一些或全部处理也可以由外部实体通过数据网络执行，例如由公用事业提供商提供的云服务来执行。

在另一个实施方式中，由终端172获得的负载信息也被转发给布置在数据网络(特别是因特网(未示出))中的云服务。为此，终端可以借助于诸如调制解调器、路由器或无线数据网络接入装置等的网络部件来连接到数据网络。可替代地，数据聚合装置可以将负载信息直接转发给云服务。在这种情况下，终端可以从云服务而不是从数据聚合装置下载负载数据。可以由公用事业提供商提供的云服务包括用于存储电力负载信息的数据库。在所描述的实施方式中，数据库包括具有兼容的能量计量系统100的所有耗电设备的当前负载信息和历史负载信息。此外，数据库194还可以存储另外的负载信息，例如由常规智能计量装置报告的负载信息。

图2示出了配电盘112(例如根据图1的配电盘112)的区域中的能量分配系统200的示意性电路图。

在图2所示的实施方式中，供电网络借助于两个不同的相线L1和L2以及中性导体N来提供电能。尽管图2示出了具有单独的中性导体N的双相供电网络的电路图，但是本领域技术人员将理解，本发明的系统、装置和方法也可以适用于其他供电网络拓扑，包括具有中性导体以及不具有中性导体的单相、双相、三相或多相配电网络。

在配电盘112处，分离的电路C1至C6从两个相线L1和L2分支出去。在所呈现的示例中，三个电路从相线L1和L2中的每个相线分支出去。电路C1至C6中的每个电路由相应的断路器114保护。此外，在断路器114中的每个断路器附近，安装有用于测量该断路器114附近的磁通量的单独的传感器120。当断路器114的区域中的磁通量与流经电路C1至C6的电流相关时，该装置允许检测电路C1至C6中的每个电路的负载状态。

又如图2所示，电路C1连接到壁式插座144。此外，借助于壁式插座144，数据聚合装置142也连接到第一电路C1。如上面参照图1详细描述的那样，数据聚合装置142也与传感器120中的每个传感器连接。通过观察电路C1的电气特性以及由相对应的断路器114的传感器120提供的传感器数据，数据聚合装置142或者连接到数据聚合装置142的单独的数据处理系统可以建立电路C1的负载与在相对应的传感器120处观察到的传感器数据之间的相关性。在一种方式中，在校准期间使用的传感器120可以对应于设置在保护电路C1本身的单独断路器上的传感器。在另一种方式中，如下面详细描述的那样，在校准期间可以考虑集成到常规智能计量装置或主断路器中的在或者附接在常规智能电表或主断路器114a的表面上的传感器。当然，可以将两种方式进行组合，例如通过校准附接到主断路器114a的电路C1的电流以及传感器120与附接到单独的次级断路器114的传感器120的相关响应之间的关系。

此外，由于传感器120被布置成彼此靠近，所以也可以使用相对于电路C1建立的相关性来建立不直接连接到数据聚合装置142的其他电路C2至C6的电力负载。例如，可以通过将电路C1的预定负载模式与由第一传感器120提供的传感器数据进行比较来识别在所有传感器120处存在的背景磁场。此外，可以基于各个传感器120的传感器数据的互相关性来建立相邻电路之间的干扰。

为了支持更精确的测量，并且还要对由数据处理系统确定的负载信息进行独立的验证，能量分配系统200的总体功耗可以由总和测量装置210测量。例如，另外的测量电路可以是直接布置在通向配电盘112的电源线中的主断路器114a、剩余电流断路器(RCCB)，也称为接地故障电路中断器(GFCI)、接地故障中断器(GFI)或者电器泄漏电流中断器(ALCI)或常规智能电表。总和测量装置210被布置在特定场所的第一分支点之前，并且可以向数据聚合装置142提供关于提供给配电盘112的能量的电流、电压和/或功率的数据。这样的数据可以由总和测量装置210本身或者设置在总和测量装置210的表面上的另外的传感器120提供。这样的数据可以被直接提供，即通过如图2所示的电缆连接来提供，或者间接提供，即通过诸如本地楼宇自动化网络或互联网等的数据网络来提供。由总和测量装置210或另一测量装置提供的总和测量值可以与基于每个传感器120的传感器数据计算出的所有负载的总和进行比较。该比较可以用于验证传感器数据、用于识别未连接到任何断路器114或者不具有传感器120或者具有故障传感器120的断路器的电路、以及用于校准目的，如下文更详细描述的那样。

为了对执行能量计量系统100的校准，校准单元暂时地或永久地连接到数据处理系统。校准单元可以被外部地连接，例如借助于诸如数据聚合装置142等的插入装置。可替代地，校准单元可以在配电盘112内内部地连接，例如，通过集成到总和测量装置210中，或者通过将单独的功能单元设置在布置在配电盘112内的配电轨上。

图3示出了根据图1的实施方式的可以集成到配电盘112、数据聚合装置142或者终端172中的第一校准单元300。在参照图3描述的实施方式中，校准单元300被集成到中间装置中，该中间装置在输入侧具有插头连接器310并且在输出侧具有插座320。借助于校准单元300，外部负载330可以连接到从能量分配系统200分支出去的电路C1。在图3所示的示意性电路图中，电路C1由如上参照图1和图2详述的断路器114来保护。

为了建立电路C1的电力负载与布置在相对应的断路器114附近的传感器120提供的传感器数据之间的关系，校准单元300包括电压测量电路340和电流测量电路350。代替图3所示的内部电流测量电路，可以使用外部电流互感器(CT)来测量外部负载330的电流。用于测量诸如加热器、空调系统或洗衣机等的家用负载的电压和电流的各种电路配置是本领域已知的。因此，省略对电路340和350的详细描述。

需要注意的事实是，除了由电路340测量的电压以及由电路350测量的电流之外，电路C1的负载可以取决于另外的电气参数。特别地，感性或容性负载(例如电动机)可以具有相对于电路C1的交流电源电压异相的输入电流。在这种特殊情况下，除了电压和电流之外，输入电流和输入电压之间的相位角应该由校准单元300来建立。相位角可以由用于测量相位角的单独的电路(在图3中未示出)来建立。可替代地，可以通过下述方法来确定相位角：使用与交流电源电压的频率相比较高的采样频率对电压和电流进行采样——即过采样，并且在随后的处理阶段中对采样数据进行相关。

在图3所示的实施方式中，校准单元300还包括由内部总线系统连接的微控制器360、接口370和存储器380。为了校准传感器120，微控制器360执行校准算法。校准算法将基于由电路350和340提供的参考电流和参考电压计算出的负载330的功耗与由磁传感器120提供的传感器数据进行比较。以这种方式，可以将关于断路器114的区域中的磁场的原始传感器数据转换成有意义的负载数据，例如流经断路器114的电流或功率。在其他实施方式中，校准算法可以由数据处理系统的其他部分来执行，例如由终端172或者经由因特网连接到能量计量系统100的云服务来执行。

优选地，可以与变化的外部负载330进行比较。例如，校准可以在延长的时间段内重复执行，或者可以指示用户在校准阶段期间故意改变负载330，例如，通过接通和断开负载330或者将负载330切换到不同的工作模式。

一旦校准单元300建立了由传感器120经由接口370使用由电压测量电路340提供的参考电压以及由电流测量电路350提供的参考电流提供的传感器数据之间的相关性，代表该相关性的校准数据就被存储在存储器380或另一合适的存储器中，例如相应的传感器120、数据聚合单元142、终端172或者云服务的数据库的存储器中。在所描述的实施方式中，存储器380可以是即使在校准单元300或数据聚合装置142与电路C1断开的情况下仍会存储所建立的校准数据的闪存或类似的非易失性存储装置。

图4示出了可替代的校准单元400，该校准单元400可以被集成在配电盘112、数据聚合装置142或终端172中。校准单元400的输入侧上的部件对应于参照图3描述的校准单元300。为了简明起见，省略对这些元件的描述重复。

与图3的校准单元300相对照而言，图4的校准单元400包括内部负载模拟电路(simulation circuit)410，内部负载模拟电路410可以由微控制器420控制以产生某种预定负载模式。在本实施方式中，借助于插头连接器310处的电压测量电路340来建立参考电压V就足够了。基于对关于负载模拟电路410和所选择的负载模式的认知，电路C1上的相对应的参考电流和电力负载可以由内部微控制器420或外部数据处理装置建立。

在图4所示的实施方式中，负载模拟电路410包括相对大的电容元件430，电容元件430可以通过第一开关440充电并且可以通过第二开关450放电。通过使用微控制器420来控制第一开关440和第二开关450，可以模拟用于电路C1的预定负载模式。当然，也可以使用其他电路在校准单元400的输入侧产生一个或若干个预定负载模式。

图5示出了具有内置校准单元(例如校准单元300或400)的数据聚合装置142的状态图。在另一实施方式中，校准单元可以被集成到能量计量系统100的其他部分中，例如，集成到终端172中。

在上电状态510中，数据聚合装置142被插入到壁式插座144中。可替代地，数据聚合装置142可以被安装在配电盘112内，例如设置在配电轨上或者通过电线连接到各电路中的一个电路。因此，数据聚合装置被提供具有可以由校准单元的初级电压检测电路(未示出)检测的操作电压。在检测到所提供的电压时，数据处理装置，例如数据聚合装置142的微控制器360或420，进入初始化状态520。

在初始化状态520中，数据处理装置可以建立与能量计量系统100的其他部件(例如传感器子系统110的各个传感器120或传感器条、数据分析子系统170的终端172和/或外部云服务)的通信信道。在所描述的实施方式中，每个传感器120包括集成的控制器。这些控制器可以借助于被配置成菊花链的地址线被寻址。因此，本地数据聚合装置142的数据处理装置可以通过对传感器120的行中的每个微控制器进行迭代寻址来建立传感器120的存在、数目和相对位置。

此外，可以通过常规的网络发现方法来接触终端172。例如，无线传输系统146和172可以在上电时使用预定网络标识符或密钥。这样的网络标识符可以由制造商存储在相应的装置中，或者在配置模式下可以由用户配置。在数据聚合装置142和终端172采用电力线通信的情况下，通过电力线发送的唯一签名可以用于配对。一旦建立了配对，相关联的通信参数，例如所使用的通信信道、网络标识符和/或加密密钥，可以被存储在各个装置的非易失性存储器中。

除了物理连接之外，在能量计量系统100的第一初始化期间，可以使用适当的用户接口提示用户输入关于配电盘112或者能量分配系统200的附加数据，该用户接口例如由数据提供聚合装置142、终端172或者智能电话应用提供，如共同未决申请EBL-002中详细描述的那样。

例如，在系统第一次上电时，数据聚合装置142可以依次点亮每个被识别的传感器120的LED。对于所指示的每个传感器120，提示用户提供关于相对应的电路的信息，例如由相对应的断路器114保护的区域或电消费者的名称。然后将该信息连同相对应的传感器120的地址一起存储在能量计量系统100的非易失性存储器中，以供后来参考。例如，该信息可以用于在终端172或智能电话应用的屏幕上将能量计量系统100在工作模式下测量的能量消耗连同相关区域或电消费者的名称一起显示。相对照而言，可以提示用户使用由能量计量系统100确定的传感器120的地址来标记与传感器120或断路器114相关联的标签。一旦捕获了给定传感器120的信息，数据聚合装置就激活下一个传感器120的LED，直到捕获了关于所有传感器的信息为止。

虽然以上针对初始化状态520描述了关于系统100的建立连接和捕获附加数据，但是在其他实施方式中，上述步骤中的一个或更多个步骤也可以作为下面描述的校准模式540的一部分来执行。

在初始化状态520中，数据处理装置可以可选地检查能量计量系统100的校准数据是否已经存储在非易失性存储器中，例如存储在存储器380中。如果校准数据(即来自能量计量系统100的先前校准的数据)已经被存储，则能量计量系统100可以直接进行到正常工作模式530，在正常工作模式530中，基于先前存储的校准数据将传感器120的传感器数据转换成电路特定的负载信息。

如果在初始化状态520中，能量计量系统100检测到在存储器中没有存储校准数据或者存储的校准数据不充分，或者如果数据聚合装置142被配置成在每次上电时重新校准，则能量计量系统100会进入校准模式540。能量计量系统100保持在校准模式540下，直到由校准单元采集了足够的校准数据为止。在另一实施方式中，能量计量系统100还可以以有规律的间隔重新进入校准模式540或者执行正在进行的校准处理。

一旦建立了传感器子系统110的至少一个传感器120的传感器数据与校准单元的参考电流和参考电压之间的相关性，就可以在可选步骤550中存储该校准数据，并且能量计量系统100进入正常工作模式530。优选地，校准数据被存储在还执行将磁传感器数据转换成电流数据或其他负载信息同一的实体中。例如，在本地装置中，各个传感器120、数据聚合装置142或终端172可以存储校准数据。如果将数据反馈到各个传感器120，则在初始校准之后，传感器120的微处理器可以将所测量的磁场数据直接转换成负载信息，从而减轻对复杂的后期处理的需要。在基于云的解决方案中，校准数据可以被存储在云存储装置中，从而实现更复杂的、基于大数据的分析方法。在有规律的或正在进行的校准处理的情况下，可以在需要时更新校准数据，在可能的情况下保持历史校准数据。

图6更详细地示出了在校准模式540中执行的步骤。

在第一步骤610中，确定连接到校准单元的电路的参考电压V。例如，电压测量电路340可以测量相线与插入连接到从配电盘112分支出的电路C1的壁式插座144的插头连接器310的中性导体之间的线路电压。在可替代的实施方式中，参考电压V可以由诸如常规智能电表或总和测量装置210等的外部实体提供。

在随后的步骤620中，确定通过电路C1的测试负载的参考电流I。例如，外部负载330的输入电流可以借助于如上面参照图3说明的电流测量电路350来测量。可替代地，参考电流I可以基于对上文参照图4描述的负载模拟电路410实现的负载模式的认知来计算。另外，参考电流I可以由外部实体提供，例如由在从配电盘112分支出去的电路周围装配的电流互感器(CT)、常规智能电表或者另一总和测量装置210来提供。

在可选步骤630中，可以确定所建立的参考电压V与参考电流I之间的相位角

相位角

可以基于对具体负载的认知来测量、计算或近似。

在步骤640中，可以基于在先前步骤中建立的参数来计算负载的当前功耗P。特别是在非欧姆消费者的情况下，功率P可以基于在步骤310至330中提供的输入参数被表示为向量值。可替代地或者除此之外，还可以计算电路的功率因数。

并行地，在步骤650中，采集附接到保护连接到测试负载的电路C1的断路器114的至少一个传感器120的传感器数据B。根据所描述的实施方式，所获得的传感器数据可以包括断路器114附近的磁场的所有三个空间维度的磁通分量。因此，关于磁场强度的传感器数据B也可以被表示为向量。传感器120可以直接附接到保护单独的分支电路C1的断路器114。可替代地，传感器120还可以被设置在主断路器114a或者剩余电流断路器或者全部或一组电路上。在至少一些实施方式中，步骤650包括：获得连接到数据聚合装置142的所有传感器120的传感器数据B。

在随后的步骤660中，可以建立功率P与传感器数据B之间的相关性。

在设置在主断路器114a上的传感器120用于校准的情况下，由测试负载产生的负载模式将总是导致被设置在主断路器114a上的传感器120的相对应的传感器数据。在这种情况下，通过建立负载模式与和主断路器114a相关联的传感器数据之间的相关性，可以校准能量计量系统。然后可以通过将主断路器114a的已知负载与各个次级断路器114的相对负载进行比较来校准与各个分支电路C1至C6相关联的传感器120。例如，如果通过主断路器114a的电流上升了已知量，例如1A，则校准算法可以建立传感器120中的哪一个也同时检测到电流升高。假设增加的电流是由单个电路(例如C1)引起的，则可以通过注意观察到的磁场数据对应于C1的1A的电流变化来校准对应的传感器120。

在没有主断路器的情况下，传感器不被设置在主断路器上，或者能量分配系统200的拓扑是未知的，步骤660可以包括关于校准单元300或400连接到哪个电路和/或多相供电网络的哪个相位的初步分析。为此，可以将在步骤610至640中生成或确定的负载模式的签名与在步骤650中获得的每个传感器的传感器数据进行比较。通常，任何一个传感器的传感器数据B与负载模式之间的最高相关性会指示附接到保护连接到校准单元300或400的电路的断路器114的特定传感器120。

以类似的方式，例如，通过建立由不同传感器120提供的传感器数据B之间的互相关性，也可以确定传感器的层级，例如主电源传感器和用于各个电路C1至C6的次级传感器120。此外，可以确定传感器120中的哪些传感器正在保护属于多相供电网络的同一相位和属于不同相位的电路。类似地，通过建立对多相供电网络中的每个相位的负载峰值的定时，可以建立所有相位的数目以及所有相位之间的相对相位角。换言之，能量计量系统100正在自学所监测的能量分配系统200的配置。传感器120到多相能量分配系统200中的各个相位的分配可以被持久地存储在配置表中，该配置表例如在存储器380中或者在用于存储和处理随后获得负载的信息的数据库系统中。

为了建立对传感器120的实际校准，一旦识别到相关传感器120，就可以对相对应的传感器数据B进行更具体的分析。在所描述的实施方式中，计算出的功率P以及传感器数据B二者都被表示为向量。因此，在概念上，可以借助于功率向量P与传感器数据B的逆向量B^-1之间的向量积来建立矩阵C。更具体地，可以采用由Paul Bertrand在US 2013/0229173A1中公开的对校准矩阵进行自学习的过程。所述矩阵C可以被用作校准数据，以用于建立在传感器120处测得的磁场与相对应的电路C1的负载之间的相关性。类似于在校准模式下确定的其他信息，矩阵C可以被持久地存储在校准表或者其他合适的数据结构中，该校准表或数据结构例如在存储器380中或者在用于存储和处理随后获得的负载信息的数据库系统中。

为了建立更精确的相关性，并且还为了识别例如存在于断路器114附近的永久磁场的系统偏移，上述步骤可以被重复多次。此外，可以考虑用另外的传感器120的传感器数据，特别是布置在传感器120紧前面和/或紧后面的用于保护具有测试负载的传感器120来抵消来自相邻电路的任何干扰。特别是在这些情况下，可以采用更复杂的统计分析方法，以建立由至少一个传感器120提供的传感器数据B与由校准单元提供的参考测量值之间的相关性。此外，一个或更多个单独传感器120的传感器数据B可以与由智能计量装置或者用于测量供电网络的一个或所有相位的总功耗的另一总和测量装置210提供的总和数据相关。

如果不能建立用于主断路器的校准数据，则可以如上所述地参照主断路器114a来校准单个电路例如C1。在这种情况下，针对电路C1获得的校准数据也可以用于其他电路C2至C6，特别是在断路器114和传感器120具有可比较的电和磁特性。

图7示出了能量计量系统100在正常工作模式530下的流程图。在操作中，可以基于所提供的传感器数据B单独建立关于特定电路的电力负载的信息。

为此，在步骤710中，由布置在特定电路的断路器114附近的传感器120测量磁场。基于该测量，由传感器120提供相对应的传感器数据B以用于进一步处理。

在随后的步骤720中，在给定示例中再次为三维向量值的传感器数据B可以与在该示例中为矩阵的校准数据C相乘，以建立表示相应电路的电负载的瞬时电流I或功率P。在获得电流的情况下，该电流可以与在之后的处理状态下测量的或已知的线路电压相乘以获得相应的功率P。

需要注意的事实是，在正常工作模式530中，不存在向数据处理系统提供参考电流的需要。然而，在校准单元永久地附接到能量计量系统100的情况下，连续提供参考电压和/或参考电流可以有助于提高所确定的负载信息的准确性并且支持有规律的或正在进行的校准处理。特别地，借助于电压，所测量的电流可以被转换成给定电路的测量功率。此外，借助于通过电压测量电路340的恒定或重复的电压测量，由公用事业提供商提供的电源电压的变化可以被检测，并用于校正基于传感器数据B计算的负载信息。即使在校准单元不永久地连接到能量分配系统200的情况下，也可以使用其他可用数据，例如智能电表或另一总和测量装置210的输出数据，来验证由能量计量系统100计算的负载信息。

如以上详细描述的那样，即使对于消费者，所描述的能量计量系统100的各种部件也特别易于安装。特别地，不需要为了执行安装而打开配电盘112或者断开能量分配系统200的任何电线。这消除了电击的危险以及对专业或认证技术人员的要求。

例如，如上面参照图1详细描述的那样，用于监测从相应的断路器114分支出去的电路的各个传感器120可以借助于双面胶带或者魔术贴(Velcro)紧固件简单地附接到断路器114的前部。此外，如果校准单元300或400被集成在数据聚合装置142或者插入连接到配电盘112的电路中的一个电路的壁式插座144的终端172中，则不需要建立能量计量系统100与电能分配系统200之间的另外连接。

换言之，能量计量系统100表示所谓的即插即用解决方案，该解决方案不需要拆卸配电盘112，并且可以由包括个人消费者在内的几乎任何人安装。安装所需要做的一切就是：将传感器120附接到断路器114；相对简单地将传感器120连接到接线盒126和数据聚合装置142；以及将数据聚合装置142和终端172插入相应的壁式插座144。当然，终端172和数据聚合装置142也可以被集成到单个装置中，从而使设置能量计量系统100所需的工作量进一步最小化。

如以上针对所描述的各种实施方式详细描述的，数据处理(即校准)以及传感器数据到电力负载信息的转换可以由数据聚合装置142或终端172执行。此外，数据处理也可以由所提供的外部服务例如公用事业计量公司例如通过云服务来执行。在本实施方式中，聚合装置142或终端172可以被配置成将由传感器120获得的传感器数据转发给广域网特别是因特网。

在传感器数据通过诸如因特网等的公共网络进行传输的情况下，数据加密可以由数据聚合装置142或终端172或者用于将数据转发给服务提供商的任何其他装置来施加。当然，为了增加安全性，数据加密也可以应用于数据聚合装置142与终端172之间的通信，特别是在数据聚合装置142与终端172之间是无线连接的情况下。

上述能量计量系统100允许实现许多新颖的应用，例如对特定场所、子单元、用户、电路或电子装置的功耗的细粒度分析。

例如，可以分析建筑物或公寓的不同房间中的能量消耗。此外，可以通过注意到异常时间或异常位置处的高功耗来自动检测可疑活动。另一个应用是基于电力消耗来间接检测建筑物的特定部分中存在或不存在人。

此外，基于特定场所的负载信息与其他场所的负载信息或平均值的比较，可以为消费者提供建议，以减少消费者自己的能量消耗，从而有助于减少温室气体的产生。类似地，用户还可以例如借助于终端172或网络服务来提供关于个人预算的信息。在这种情况下，能量计量系统100可以在超过预设功率预算之前吸引用户对高能量消耗的注意，从而使消费者能够降低其能量使用以保持在商定的预算范围内。此外，供应商可以基于特定消费者的历史记录和潜在的进一步信息(例如天气或温度数据)来预测该消费者的电力需求。

此外，可以用高分辨率例如每分钟、每秒甚至更频繁例如以100Hz或更高的频率按照时间来监测能量的使用。通过按照时间来监测电路特定的负载信息，可以通过注意相关联的电力负载突然或缓慢地下降或上升来检测异常事件，例如故障或电器磨损。可以以甚至更高的采样频率，例如几kHz，来执行对各个电气装置的接通特性的谐波分析，从而即使在连接到同一电路时也能识别各个装置。这样的分析可以基于对所获得的电流的傅里叶变换。

虽然已经针对各种当前优选的实施方式描述了能量计量系统100，但是注意到这样的事实：在不脱离本文中公开的发明构思的情况下，可以以多种方式改变所描述的系统。特别地，与即插即用设备相对照而言，该系统还可以利用固定安装的电流互感器来建立参考电流。此外，校准单元可以被集成到其他装置中，例如智能电表或总和测量装置210中，或者被设置为永久连接到电能分配系统200的单独装置。

附图标记列表

100 能量计量系统

110 传感器子系统

112 配电盘

114 断路器

114a 主断路器

120 传感器

122 连接电缆

124 连接电缆

126接线盒

130 馈电电缆

140 数据采集子系统

142 数据聚合装置

144 壁式插座

146 无线传输系统

170 数据采集子系统

172 远程终端

174 无线传输系统

176 背板

178 AD/DC适配器

180 供电电缆

200 能量分配系统

210 总和测量装置

300 校准单元

310 插头连接器

320 插座

330 外部负载

340 电压测量电路

350 电流测量电路

360 微控制器

370 接口

380 存储器

400 校准单元

410 负载模拟电路

420 微控制器

430 容性元件

440 第一开关

450 第二开关

Claims (19)

1.一种用于确定配电盘的电力负载的能量计量系统，所述能量计量系统包括：

多个传感器，用于感测由所述配电盘的断路器发出的磁场并且提供相对应的传感器数据，其中，所述多个传感器中的每一个传感器附接到相对应的断路器的壳体并且被配置成测量由所述相对应的断路器发出的磁场；

数据处理系统，用于在正常工作模式下将所述多个传感器的传感器数据转换成由相对应的断路器保护的多个电路的电力负载信息；以及

校准单元，其电连接到所述多个电路中的一个电路并且与所述数据处理系统耦合，所述校准单元被配置成至少确定所述多个电路中的连接的电路的参考电压和参考电流，

其中，所述数据处理系统被配置成：在所述能量计量系统的校准模式下，基于由所述校准单元确定的参考电压和参考电流来校准所述传感器数据与所述负载信息之间的关系，并且

其中，关于所述校准单元连接到所述多个电路中的哪个电路进行初步分析。

2.根据权利要求1所述的能量计量系统，其中，所述数据处理系统包括本地数据聚合装置，以及其中，所述校准单元被集成到所述本地数据聚合装置中。

3.根据权利要求2所述的能量计量系统，其中，所述本地数据聚合装置包括初级电路以及用于将所述本地数据聚合装置连接到插座的插头连接器，以及其中，所述初级电路被配置成：向所述本地数据聚合装置提供工作能量并且测量施加到所述插头连接器的初级电压。

4.根据权利要求3所述的能量计量系统，其中，所述初级电路还被配置成：检测所述插头连接器到由所述插座提供的电源电压的连接，以及其中，所述校准单元被配置成在检测到所述本地数据聚合装置已经连接到所述电源电压时启动所述校准模式。

5.根据权利要求2所述的能量计量系统，其中，所述本地数据聚合装置还被配置成：在所述校准模式下，基于所述参考电压和所述参考电流来本地地执行校准处理，以及在正常工作模式下，基于所述校准处理的结果将所述多个传感器的传感器数据本地地转换成所述多个电路的电力负载信息。

6.根据权利要求2所述的能量计量系统，其中，所述数据处理系统还包括远程数据分析装置，所述本地数据聚合装置和所述远程数据分析装置通过至少一个数据连接来连接，所述远程数据分析装置被配置成：在所述校准模式下，基于由所述本地数据聚合装置提供的参考电压和参考电流来执行校准处理，以及在正常工作模式下，基于所述校准处理的结果将所述多个传感器的传感器数据转换成所述多个电路的电力负载信息。

7.根据权利要求1所述的能量计量系统，其中，所述校准单元包括电压测量电路，所述电压测量电路被配置成：测量所连接的电路的线路电压，以及将所测量的线路电压作为参考电压提供给所述数据处理系统。

8.根据权利要求7所述的能量计量系统，其中，所述校准单元还被配置成：在所述校准处理期间向所连接的电路应用预定负载模式。

9.根据权利要求7所述的能量计量系统，其中，所述校准单元还包括用于连接外部负载的插座以及被配置成测量流经所述外部负载的电流的电流测量电路，其中，所述校准单元还被配置成基于流经所述外部负载的电流来确定所述参考电流。

10.根据权利要求1所述的能量计量系统，其中，所述校准单元和所述处理系统中的至少一个还被配置成确定下述数据中的至少一个：所述参考电压与所述参考电流之间的相位角，以及所述参考电压的频率。

11.根据权利要求1所述的能量计量系统，包括至少一个另外的传感器，所述至少一个另外的传感器被配置成检测以下中的至少一个：在所述配电盘附近存在操作者以及所述配电盘的盖子被打开，其中，在所述至少一个另外的传感器指示存在操作者或者盖子被打开的情况下，所述数据处理系统被配置成执行下述步骤中的至少一个：中断所述多个传感器的传感器数据向电力负载信息的转换；重新校准所述传感器数据与所述负载信息之间的关系；基于与所述盖子的打开状态相关联的校准数据，将所述多个传感器的传感器数据转换成电力负载信息；以及发送预定通知。

12.根据权利要求1所述的能量计量系统，其中，所述数据处理系统包括本地数据聚合装置，以及其中，所述校准单元是独立于所述本地数据聚合装置的智能计量装置或总和测量装置的一部分。

13.一种用于校准能量计量系统的方法，所述方法包括下述步骤：

确定从配电盘分支出去的连接到校准单元的第一电路的参考电压和参考电流；

感测被配置成至少保护所述第一电路的第一断路器发出的磁场并且提供相对应的第一传感器数据；

基于所确定的参考电压和参考电流来确定所述第一电路的第一电力负载信息；

确定表示所提供的第一传感器数据与所确定的第一电力负载信息之间的关系的校准数据；以及

在所述能量计量系统的正常工作模式下，基于所确定的校准数据将与第二断路器发出的磁场相对应的第二传感器数据转换成第二电力负载信息，

其中，所述方法还包括关于所述校准单元连接到多个电路中的哪个电路进行初步分析。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一断路器是保护从所述配电盘分支出去的所有或一组电路的主断路器，并且所述第二断路器是仅保护从所述配电盘分支出去的所述第一电路或者第二电路的次级断路器；并且在转换步骤中，基于针对所述主断路器确定的校准数据，通过将所测量的所述主断路器的负载的变化与由所述第二传感器获得的传感器数据的变化相关来确定对所述第二断路器的校准。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一断路器仅保护从所述配电盘分支出去的所述第一电路，并且所述第二断路器仅保护从所述配电盘分支出去的第二电路；并且在转换步骤中，针对所述第一断路器确定的校准数据也用于将所述第二传感器数据转换成相对应的第二负载信息。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所存储的校准数据还用于：在所述能量计量系统的正常工作模式下，将所提供的第一传感器数据转换成所述第一电路的第一负载信息。

17.根据权利要求13所述的方法，其中，在所述能量计量系统的校准单元连接到所述第一电路时，自动执行测量、感测、确定、校准和存储的步骤。

18.一种用于能量计量系统的数据聚合装置，所述数据聚合装置包括：

至少一个总线连接器，用于将多个传感器连接到所述数据聚合装置，所述多个传感器用于感测由配电盘的断路器发出的磁场，其中，所述多个传感器中的每一个传感器附接到相对应的断路器的壳体并且被配置成测量由所述相对应的断路器发出的磁场；

至少一个插头连接器，用于将所述数据聚合装置连接到从所述配电盘分支出去的第一电路；

校准单元，其连接到所述插头连接器，所述校准单元包括用于确定连接至所述校准单元的所述第一电路的参考电压和参考电流的电路；以及

至少一个接口，所述至少一个接口用于提供由所述多个传感器提供的传感器数据以及由所述校准单元确定的参考电流和参考电压，以用于在所述能量计量系统的校准模式下校准所提供的传感器数据与所述第一电路的电力负载信息之间的关系，并且用于在所述能量计量系统的正常工作模式下将所提供的传感器数据转换成由相对应的断路器保护的多个电路的电力负载信息，

其中，关于所述校准单元连接到所述多个电路中的哪个电路进行初步分析，并且

其中，所述数据聚合装置还包括至少一个数据处理装置，所述至少一个数据处理装置通过所述至少一个接口连接到所述至少一个总线连接器和所述校准单元，其中，所述至少一个数据处理装置被配置成：在所述校准模式下校准所提供的传感器数据与所述电力负载信息之间的关系，并且在所述正常工作模式下将所提供的传感器数据转换成所述电力负载信息。

19.根据权利要求18所述的数据聚合装置，其中，所述至少一个接口包括数据网络接口，其中，所述数据网络接口被配置成将下述数据中的至少一个发送到通过至少一个数据网络连接到所述数据聚合装置的远程数据分析装置：所提供的传感器数据、所确定的电力负载信息、所确定的参考电流和所确定的参考电压。

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