CN108390217A - 电源插头 - Google Patents

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Abstract

一种用于将电器耦合到电源的电源插头,包括:电流传感器,被配置为测量通过所述插头提供给所述电器的电流;电压传感器,被配置为测量通过所述插头提供给所述电器的电压;处理器,被配置为:根据与所述电流传感器和所述电压传感器做出的电流测量和电压测量有关的数据确定功耗数据;和使用所述功耗数据监测所述电器的性能;以及发射机,被配置为发送与所述电器的性能有关的信息。

Description

电源插头
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求2017年2月3日提交的在先联合王国(英国)专利申请No.1701835.9的优先权,其全部内容通过引用并入此处。
技术领域
本发明涉及一种电源插头,尤其涉及一种用于将电器与电源耦合的电源插头。
背景技术
由于各种原因,期望知道交流或直流器具或作为负载连接到交流或直流电源的一件设备的性能以及可选地其状态(例如“导通”或“断开”),并可选地接通或关断该负载或器具。
在电源和负载之间外部连接或者在所述负载的插头内连接的许多电力监测设备是可用的。
附图说明
为了更完整地理解本发明,参考以下描述和附图,其中:
图1是根据实施例的电源插头的内部框图,其中该图还示出了插头与外界的连接;
图2是根据实施例的电源插头的透视图,其中图2(a)和图2(b)是从两个不同的相等(isometric)角度对同一智能插头的可视化,其中图中还示出了外壳2,以及插头插脚1和电源线密封管(gland)3的连接;
图3是示出根据实施例的电源插头的内部组件的分解图,其中该图示出了相对于诸如插头插脚2和电源线密封管6的固定物品而言的内部印刷电路位置;
图4是监测耦合到插头的器具的性能的方法的流程图;
图5示出了对典型的洗衣机故障发生的可视化,其中顶部曲线图描绘了正常操作,中间曲线图描绘了被限制到2mm开口的洗衣机排水管的数据,并且底部曲线图描绘了排水管被完全堵塞时来自相同洗衣机的数据。
图6是监测耦合到插头的器具的性能的另一方法的流程图。
具体实施方式
根据一个实施例,提供了一种用于将电器耦合到电源的电源插头,包括:
电流传感器,被配置为测量通过所述插头提供给所述电器的电流;
电压传感器,被配置为测量通过所述插头提供给所述电器的电压;
处理器,被配置为:
根据与所述电流传感器和所述电压传感器做出的电流测量和电压测量有关的数据确定功耗数据;
使用所述功耗数据监测所述电器的性能;
发射机,被配置为发送与所述电器的性能有关的信息。
术语“监测条件”和“监测性能”在本申请中可互换使用,指的是监测在器具中是否发了生故障,例如在器具的一个或多个组件中发生。
监测电器的性能可以包括:使用功耗数据反复生成特征集合,其中特征集合包括一个或多个特征;以及将每个生成的特征集合与比较数据进行比较。
比较数据可以是使用先前生成的一个或多个特征集合来生成的,该先前生成的一个或多个特征集合是使用来自先前测量的电流数据和电压数据的功耗数据而生成的。备选地,比较数据可以是例如从制造商获得或者从相似器具的测量获得的所存储数据。
重复生成特征集合可以包括以规则的时间间隔提取功耗数据的一部分。将每个生成的特征集合与比较数据进行比较可以包括将对应于当前时间间隔的特征集合与针对一个或多个先前时间间隔生成的特征集合进行比较。例如,先前的时间间隔可以是任何先前记录的时间间隔,或者是在两个或更多个先前记录的时间间隔上的平均值。备选地,比较数据可以是例如从制造商获得或者从相似器具的测量获得的所存储数据。
重复地生成特征集合可以包括:在功耗数据中监测事件;提取功耗数据的一部分,该一部分使用该事件来标识;从该一部分提取特征集合。将每个生成的特征集合与比较数据进行比较可以包括:将从该一部分提取的特征集合与使用针对先前提取的部分生成的一个或多个特征集合来生成的特征集合进行比较。例如,先前的部分可以是任何先前记录的部分,或者是例如两个或更多个先前记录的部分的平均值。备选地,比较数据可以是例如从制造商获得或者从相似器具的测量获得的所存储数据。
处理器还可被配置为:当在当前生成的特征集合和比较数据之间的差超过阈值差时,识别出性能下降。
处理器还可被配置为确定器具的状态。
电源插头还可以包括存储器模块,存储器模块包括非易失性存储器并且被配置为存储所生成的特征集合。
特征集合可以包括与电器的一个或多个组件的接通频率有关的信息。例如,该信息可以包括平均接通频率。该信息可以包括以下中的一个或多个:组件在固定时间段内接通的次数;组件在固定时间段内接通的平均次数,其中所述平均是在较长的固定时间段内取得的;接通和关断之间的时间;以及接通和关断之间的平均时间。
特征集合可以备选地或附加地包括与以下一个或多个有关的信息:与电器的一个或多个组件的接通频率有关的信息、与电器的一个或多个组件的接通时间的持续时间有关的信息、与在操作周期期间的事件有关的信息、在一段时间上消耗的电量、在使用事件标识的时间段期间以规则间隔消耗的电量、事件持续时间、以及在操作周期内事件的发生时间。
在一个实施例中,电流传感器被配置为以第一采样频率测量通过插头向电器提供的电流,且电压传感器被配置为以第二采样频率测量通过插头向电器提供的电压。第一采样频率和第二采样频率可以是相同的。在一个实施例中,第二采样频率大于或等于1MHz。
电源插头还可以包括模数转换器,所述模数转换器被配置为数字化电流测量和电压测量。
电源插头还可以包括电子控制开关,该电子控制开关被配置为允许以第一配置向电器提供电力,并且防止以第二配置向电器提供电力。处理器还可以被配置为:响应于在通信模块处接收到的指令或者响应于所识别的性能下降或者响应于用户输入,指示开关从第一配置转换到第二配置。
电源插头还可以包括显示模块,该显示模块被配置为在性能下降被识别出时进行显示。显示模块可以包括例如一个或多个LED。
电源插头还可以包括隔离组件,其中电压传感器通过隔离组件耦合到处理器。
电源插头还可以包括可移除的非易失性存储器,其被配置为存储功耗数据和所生成的特征集合。在一个实施例中,实时监测性能。
通信模块可以被配置为与其他本地联网设备进行通信。在一个实施例中,通信模块被配置为通过互联网连接进行通信。
在一个实施例中,插头被配置为记录供电线路的电压尖峰、浪涌、短暂中断和/或其他扰动。
在一个实施例中,插头被构建在插头体(plug-body)中。在一个实施例中,插头结合了包括监测电压信号(例如,允许确定功率因数(即相移))和/或分析数据(例如确定性能)的某些监测能力。在一个实施例中,插头连接到网络(例如互联网),并被配置为将数据上传到远程系统(例如云系统)以进行附加的分析。在一个实施例中,插头被配置为允许所连接的器具远程地接通或关断。
在一个实施例中,插头能够在连接的器具处于操作中时与外部设备通信。在一个实施例中,插头能够通过接通或关断所连接的器具来控制所述器具或负载的操作状态。在一个实施例中,插头能够接收指令和/或在器具处于操作中时使微控制器上运行的内部嵌入式程序发生改变。
本发明总体上涉及一种用于电器的“智能”电源插头,其例如可以是用户可重新接线的。
特别地,一个或多个小型印刷电路板可以被组装到插头体中,使得来自电插座的AC或DC电力通过装有保险丝的电力网输入插脚直接传递给器具电源线。
在一个实施例中,插头能够高频读取器具消耗的电压和电流,以存储、分析和传送器具性能。在一个实施例中,插头还能够在由内部微控制器和/或外部源指示时接通或关断器具。此外,插头可能够推断器具随时间推移的性能,以便确定器具是否在高效地操作。仅作为示例,插头可能够分析和存储器具的一个或多个特征集合。随后可以将特征集合与器具的当前性能进行比较,其中与历史特征集合的显著偏差能够触发例如与用户的通信,以警告正在被监测的器具内潜在故障发生。
在交流或直流电力监测设备中,整个电子电路在标准交流或直流插头体内可以是完备的,所述标准交流或直流插头体是任何类型的常规插头体,用于例如110伏特、220伏特或者IEC TR 60083:2015或其他此类机构规定的其它交流或直流电压。插头可以能够与各种其他联网设备进行通信,并且还能够确定所附接的设备的性能。
根据另一个实施例,提供了一种包括电源插头的电器。
根据另一个实施例,提供了一种监测耦合到电源插头的电器的性能的方法,包括:
测量通过所述插头提供给所述电器的电流;
测量通过所述插头提供给所述电器的电压;
根据与所述电流传感器和所述电压传感器做出的电流测量和电压测量有关的数据确定功耗数据;
使用所述功耗数据监测所述电器的性能;
发送与所述电器的性能有关的信息。
根据另一个实施例,提供了一种载体介质,包括被配置为使计算机执行该方法的计算机可读代码。
该方法是计算机实现的方法。由于根据实施例的一些方法可以通过软件来实现,所以一些实施例涵盖在任何合适的载体介质上提供给通用计算机的计算机代码。载体介质可以包括任何存储介质,例如软盘、CD ROM、磁性设备或可编程存储设备或者任何瞬态介质(例如任何信号,如电、光或微波信号)。载体介质可以包括非瞬态计算机可读存储介质。
图1示出了根据一个实施例的电源插头的框图。该插头可以是智能的、完备的在线电插头,其封装了组装在插头体A中的多个微型印刷电路板,使得AC或DC电力通过装有保险丝的电力网输入插脚1从电插座直接传递给器具电源线B。电源插头可以是AC或DC电源插头。带DC电源的器具例如可以包括紧急雷电或入侵报警器。
在一个实施例中,插头也可以由用户通过接线盒2重新连线。在备选实施例中,插头在制造期间直接连接到器具电源线B.电路板包括以下中的一个或多个:一个或多个电源3;一个或多个微控制器9;一个或多个电流和电压传感器4;一个或多个模数转换器7;一个或多个电子开关5,例如继电器;一个或多个照明指示器和/或一个或多个用户交互开关12;一个或多个通信设备10;并且还可以包括可移动存储装置11。
一个或多个电源3连接到VDDn和GND线路。这些线路为插头内的一个或多个组件供电。VDDn包括处于不同电压的多个DC电源,其为电源插头内部的各种芯片供电。不同的芯片可能有不同的电压要求。在一个实施例中,使用三个不同的电压(3.3V、1.8V和1.5V)。到芯片的VDD连接没有显示在图中。
在一个实施例中,插头能够高频读取电压和电流,以存储、分析和传送器具性能。在一个实施例中,插头还能够在由内部微控制器和/或外部源指示时接通或关断器具。此外,插头可能够推断器具随时间推移的性能,以便确定器具是否在高效地操作。仅作为示例,插头能够分析和存储器具的性能,并将其当前性能与历史数据进行比较,无论历史数据位于插头内还是远程存储在网络上或外部服务器上,如更多下面的细节所述。
电源插头适用于将电器耦合到电源。电源可以是例如电力网电源或DC电源。插头可以连线到电器。插头包括两个或更多个输入插脚1,当插头连接到电源插座时,所述输入插脚1耦合到电源插座(未示出)中的导电元件。图1所示的插头包括火线、零线和地线插脚,但是可以使用任何种类的插头设计。插头设计可以取决于国家。
插头还包括电流传感器和电压传感器,电流传感器被配置为测量通过插头提供给电器的电流,电压传感器被配置为测量通过插头提供给电器的电压。电流和电压传感器被示出为容纳在图中的单个元件4中,但是可以被分开设置。电流传感器可以是例如差分型传感器(例如差分霍尔效应传感器)、使用电流感测电感器的磁拾取设备或低值电阻器。电压传感器可以是输出代表输入电压并且与输入电压成正比的低电压信号的任何组件,例如分压器。
电流和电压传感器4电连接到输入插脚1与连接到电器的输出电力线缆B之间的火线和/或零线。一个或多个另外的组件(诸如一个或多个电子开关5和/或接线盒2)可以可选地耦合在传感器4和线缆B之间。一个或多个另外的组件可以可选地耦合在传感器4与输入插脚1之间。
电力网信号可以包括包含单个电流和电压信号的单相信号、包含两个电流信号和两个电压信号的分相(或双相)信号或者包含三个电流信号和三个电压信号的三相信号。每个信号可以由电流或电压传感器测量并分析以便监测器具的性能。例如,在分相系统中存在火线(Live)1、火线2和零线(Neutral)1信号对,并且存在针对每个电压的传感器对。
电流传感器被配置为以第一采样频率测量通过插头向电器提供的电流,且电压传感器被配置为以第二采样频率测量通过插头向电器提供的电压。例如,第二采样频率可以大于或等于1MHz。第一采样频率和第二采样频率可以是相同的。因此,电流传感器和电压传感器可以按照读取或采样频率对通过插头提供给电器的电流和电压进行采样,从而生成电流和电压数据。电流和电压传感器可以可选地耦合到一个或多个ADC 7,ADC 7将采样的电流和电压数据数字化。
隔离屏障元件6可以可选地被包括在电流和电压传感器与诸如ADC 7和处理器9之类的其它分析组件之间。隔离屏障6保护ADC 7和处理器9免受从电源输入到插头的高电压或电流电力的影响,并且可以是例如物理分隔物或一个或多个电子隔离组件。
ADC 7将数据输出给处理器9,在这种情况下,处理器9是微控制器9,但是可以是任何合适的一个或多个处理设备。微控制器单元9还可以包括例如实时时钟、存储器、电源、电压和/或电流调节电路和滤波器、隔离电路、非易失性存储器以及固定或可拆卸数据存储装置中的一个或多个。处理器9被配置为根据与电流传感器和电压传感器做出的电流测量和电压测量有关的数据确定功耗数据,并且使用功耗数据来监测电器的性能。
该插头还包括发射机10,在图中标记为“通信设备”。通信设备10被配置为发送与电器性能有关的信息。处理器9向通信设备10输出与器具性能有关的信息,通信设备10然后例如通过网络发送信息。通信设备10还可被配置为通过网络接收从外部设备发送的信息。
插头可以可选地包括可拆卸的或固定的存储装置11,其从处理器9接收数据并存储数据。例如,存储器11可以存储用于处理功耗数据的另外信息,例如基准特征集合和/或一个或多个阈值。例如,存储装置可以存储包括历史数据或特征的另外信息,如将在下面描述的。
插头可以可选地包括开关控制器12,开关控制器12可以被配置为从处理器9和/或通信设备10接收信号和/或接收作为来自用户的直接输入的结果的信号。开关控制器12连接到电子开关5,电子开关5连接在电流和电压传感器4与到线缆B的接线盒2之间。开关5可以是一个或多个继电器开关。开关控制器12被配置为响应于来自处理器9和/或通信设备10和/或用户的在开关控制器12处接收到的输入来控制电子开关5接通和断开器具。电子开关5和开关控制器12之间的连接通过隔离屏障6。开关5和开关控制器12因此被配置为允许以第一配置向电器供电,并且阻止以第二配置向电器供电,并且处理器9还被配置为指示开关控制器响应于在通信模块10处接收到的指令或者响应于在处理器9处识别的所识别性能下降或者响应于来自用户的输入,将开关从第一配置转换到第二配置。
插头可以可选地包括一个或多个照明器12。照明器12例如可以是一个或多个LED。照明器可以被配置为响应于来自处理器9和/或通信设备10的指令而照亮。照明器12是显示模块的一个示例。可以使用替代类型的显示模块,例如屏幕。
功耗数据可以是在处理器9处根据电流和电压数据计算的有效功率、视在功率或RMS功率信号中的一个或多个,并且可以使用例如对应于一个或多个电力网周期的窗口来计算。
在一个实施例中,在多个电力网周期上计算RMS和功率因数(当与电压信号比较时电流信号的相位偏移),以改善信噪比。
在一个实施例中,在处理器9处使用以下表达式来计算窗口1的有效功率值Pl
其中N是每个窗口1中的样本数量,并且vn(t)和in(t)是在去除或没有去除背景的情况下电压和电流信号的样本n的电流和电压值。对于具有50Hz电力网电力的国家中的10kHz读取频率而言,窗口对应于1个电力网周期,N=200。
在一个实施例中,在处理器9处根据以下公式计算窗口1处的视在功率值|S|l
在一个实施例中,有效功率、视在功率和RMS功率都被计算。
有效功率对应于视在功率乘以功率因数(与电压信号相比时的电流信号的相位偏移)。
监测电器的性能可以包括使用功耗数据重复地生成具有一个或多个特征的集合,并且在处理器9处将每个生成的特征集合与比较数据进行比较。
在一个实施例中,可以按照规则的时间间隔分析功耗数据的一部分。例如,对应于当前时间间隔的特征集合可以与针对先前的时间间隔生成的特征集合或者所存储的预定特征集合进行比较。时间间隔可以是24小时的时间段。例如,可以根据针对24小时时间段内的多个时间段的多个特征集合生成24小时时间段平均特征集合。例如,可以生成包括24小时内的每个5400秒时间段的一个或多个特征的特征集合。然后确定每个特征的平均值。最终的特征集合对应于24小时时间段内每个特征的平均值。
备选地,可以在功耗数据内监测事件,并且然后分析与事件对应的识别出的数据的一部分。然后将对应于当前部分的特征集合与例如针对先前事件生成的特征集合或所存储的预定特征集合进行比较。
例如,监测事件可以包括在功耗信号中监测量值大于阈值的改变。阈值取决于器具,并且可以被预先选择或确定,且然后例如存储在插头中。在一个实施例中,通过计算被称为德尔塔功率(deltapower)的有效功率时间序列信号中的相邻功率样本之间的差来检测改变。当德尔塔功率值超过阈值时,检测到事件。备选地,只有例如在指定时间窗口内的德尔塔功率值的总和超过阈值时才可以检测到事件。再次地,时间窗口可以依赖于器具。在一个实施例中,时间窗是600ms。在一个实施例中,在动力消耗信号包括分裂或三相电信号的情况下,监测输入信号的量值改变可以包括监测对应于每个相的功耗信号,其中在任何信号中检测到的改变被登记为改变。当检测到改变时,提取并存储包括检测到的量值改变的功率时间序列信号的一部分,并且提取并存储包括一个或多个提取的特征的特征集合。
例如,水壶只有两个状态(导通或断开),其中,例如在接通状态下功率汲取在100和2000瓦之间,因此事件检测阈值(例如用于分析信号或上传信息到云)可以设置为这个范围内的值,例如在800瓦或300瓦处。对于具有各种低功率组件的洗衣机,可以将阈值设置为对应于事件(从历史数据或模型数据确定)的最小可能值。在一个实施例中,该阈值是10瓦。其他器具根据其操作状态和功耗可以具有不同的阈值。器具的阈值存储在插头中。
比较数据可以是使用先前生成的一个或多个特征集合来生成的,该先前生成的一个或多个特征集合是使用来自先前测量的电流和电压的功耗数据而生成的。备选地,例如可以使用由制造商针对特定模型生成的预定特征。
特征集合可以包括与电器的一个或多个组件的接通频率有关的信息。这可以是一段时间内组件接通的平均频率。这可以是组件在固定时间段内接通的次数。这可以是组件在固定时间段内接通的平均次数,其中平均值是在较长的固定时间段上取得的。这可以是占空比(即,从组件的最后一次关断起的时间)或平均占空比。
特征集合可以包括与电器的一个或多个组件的接通时间的持续时间有关的信息。
特征集合可以附加地或备选地包括与在操作周期期间的事件有关的其他信息。
特征集合可以包括在一段时间上消耗的电量。
特征集合可以包括在使用事件标识的时间段期间以规则间隔消耗的电量。
特征集合可以包括事件的持续时间。
特征集合可以包括操作周期内事件的发生时间。
将结合下面的示例更详细地描述包括用于性能监测的一个或多个特征的特征集合的提取。
比较特征集合可以包括:例如当在当前生成的特征集合中的特征的值与比较数据中的特征的值之间的差超过阈值差时,识别出性能下降。备选地,比较特征集合可以包括:当在当前生成的特征集合中的特征的值例如超过阈值(即,下降到最小阈值以下或者上升到最大阈值以上)时,识别出性能下降。备选地,比较特征集合可以包括:当在当前生成的特征集合中的特征的值例如没有达到目标值(即,没有达到最大值或没有下降到最小值)时,识别出性能下降。这将关于下面的示例更详细地描述。
对于附接到特定器具或器具类型的插头,处理器被预先编程或配置为从功耗数据提取特定类型的数据,即一个或多个特定特征。插头还可以包括特定于用于比较的特定器具或器具类型的已存储信息。
处理器9还可以被配置为确定设备的状态(例如,设备是“接通”还是“断开”)。这可以根据与开关5的位置(例如,继电器——“接通”或“断开”)有关的信息来确定。与开关5的位置(即设置)有关的信息可以从开关控制器12发送给处理器。状态可以附加地根据与器具是否正从电源汲取任何电流或电力(即,它是否正在操作)有关的信息来确定。与电器是否汲取电力有关的信息可以从电流和/或电压传感器4发送给处理器9。基于这些信息,处理器确定器具的状态。可以附加地从通信设备10发送与器具的状态有关的信息。
示例1
举例来说,插头可以附接到冰箱或冰柜,以分析和存储冰箱或冰柜随时间推移的功耗信息,下文中称之为提取和存储特征集合。例如,当冰箱或冰柜密封开始磨损并且未能正确密封器具门时,进入器具的温暖空气的进入将比密封完好时更快地增加内部温度。内部恒温器会触发器具压缩机更频繁地接通以补偿温度升高。电力消费模式的这种改变最初是不明显的,但最终将足以与正常操作区分开来。鉴于插头已经建立了所述器具电力循环和模式的历史,插头将能够以与外部设备通信的形式发出警报,指示冰箱可能需要维修。
更详细地说,在正常操作周期期间,冰箱或冷冻机根据器具的温度要求间隔地接通压缩机电机。这些规律的间隔以及它们在白天和黑夜的发生都被记录和存储。然后将接通周期与前几年的操作期间收集的特征集合进行比较。如果器具门密封开始失效并将温暖空气泄漏到器具中,则压缩机电机将被强制更经常地接通以保持期望的温度。这被称为接通频率。通常对于家用冰箱或冰柜,数据显示接通频率随着时间而增加,但是如果器具性能良好,则接通频率的增加在多年的过程上通常小于1分钟。当门密封开始失效时,电机更频繁地接通,通常比前几年操作中的相同周期早2至3分钟。这取决于密封失效的严重程度。
在这个示例中,电器是冰箱或冰箱类型的器具。示出所描述的性能监测方法的流程图如图4所示。在S1中,由传感器测量的电流和电压数据被输入到处理器9中,其如前所述(例如通过确定有效功率、视在功率和RMS功率信号)在S2中确定功耗数据。
然后从功耗数据中提取包括一个或多个特征的特征集合。在该示例中,特征集合包括与设备中的压缩机电机的接通频率有关的信息(例如,组件在固定时间段中接通的平均次数,和/或占空比)。例如,该信息可以包括压缩机在5400秒时间段中接通的平均次数,平均值在过去的24小时上取得的。
虽然该示例描述了使用与接通频率有关的信息,但是附加地或备选地,例如,每个接通时间段的持续时间可以被用作特征。在这种情况下,使用基准数据识别出的持续时间的增加指示密封中的故障。
处理器被配置为从功耗数据中提取与压缩机接通时间有关的信息。在S3中根据功耗数据来识别每个压缩机接通事件。例如,特定器具的压缩机事件可以通过大于特定阈值的量值增加来识别,其中针对特定器具来设置阈值。压缩机可以消耗20W到2000W之间的任何数值,这取决于器具的类型。例如,阈值可以设置在该范围内。例如,在有效功率、视在功率和RMS功率信号中的任意一个中识别出的事件可以被视为事件。类似地,例如,在两相或三相信号中的任一个中识别出的事件可以被视为事件。
针对每个识别的接通事件存储对应于接通时间的时间戳。关断时间也可以被记录。然后使用该时间戳数据来确定与接通频率有关的信息。例如,处理器可以确定压缩机在从时间戳开始的最近24小时时间段上的每个5400秒周期期间接通多少次,然后取这些的平均值。因此,在S4中,确定每个5400秒时间段中的接通事件的数量。在S5中,从先前24小时的所有5400秒时间段中取平均值。这个平均值是提取的特征。因此,在该示例中,处理器9被配置为每24小时时间段提取与接通频率有关的一个特征。备选地,处理器可以确定压缩机在24小时时间段期间接通的平均次数,该平均值被计算为在几天上的滚动平均值,例如7天。在这种情况下,仍然每24小时有一个提取值,但是这个值对应于压缩机在24小时期间接通的次数。在这个示例中,特征集合因此规则地生成,例如每24小时生成。
另外,可以记录消耗的平均功率(有效功率、视在功率和RMS功率)、功率因数、接通周期上的傅里叶变换、接通前的时间段(例如500ms)的傅里叶变换和关断后的时间段(例如500ms)的傅立叶变换中的一个或多个。
处理器然后在S6中可以将接通频率信息的当前值(例如,对应于当前的24小时时间段)与基准标记值(其可以是在先前时间段期间计算的值或者仅是针对模型的所存储的值或值表(其例如可以存储在插头设备上或外部))进行比较。例如,处理器可以将与当前24小时对应的平均值与前一年相同的24小时时间段内生成的平均值进行比较。如果该值与基准值相差大于阈值的量,则识别出门的密封的故障。在一个实施例中,Z分数缩放(归一化标准偏差)上的阈值为0.15,对应于15%。如果现值从基准值增加超过基准值的15%,则识别出密封故障。
当检测到时,指示存在故障的信息然后被发送给发射机10,并且在S7中被发送给例如用户或供应商。在一个实施例中,信息通过API发送。信息可以包括器具标识、检测到的故障、可选地故障检测背后的原因以及可选地基于其来做出决定的原始数据。信息也可以被发送给照明器12,响应于此,一个或多个照明器被照亮以指示存在故障。信息也可以被发送给开关控制器,以便它可以关断器具。
例如,上述方法还可以用于监测插头附接到加热、通风和/或空调系统(例如HVAC)或锅炉给水泵(boiler pump)的故障。
示例2
作为另一个示例,插头可以附接到洗衣机或洗碗机,以随时间分析和存储器具的功耗信息。当例如内部排水管工件或过滤器由于外来碎屑被捕获在所述管工件或过滤器内而开始进行限制时,器具的排水持续时间将逐渐延长,直到管或过滤器完全堵塞并且器具不再排水的时刻。鉴于插头已经建立了器具电力循环和模式的历史,插头将能够以与外部设备通信的形式发出警报,指示器具可能需要维修或者其过滤器需要被清洁。
更详细地说,在正常操作期间,洗涤循环的排水部分通常每升水不花费超过2秒。一般情况下,洗衣机在任何时候都会注有5到7升的水。因此,根据型号,排掉所有水的最大时间不应超过10到15秒。基准时间可以通过历史特征集合分析和存储来确定。如果在排水管中堵塞开始形成,则排水周期会花费更长。举例来说,如果排水管限制到2mm开口,则排水周期延长到大约100秒。当排水管完全堵塞时,排水周期在洗衣机停止工作并显示错误警告之前延长到300秒。
在图5中描绘了用于洗衣机故障发生的示例数据。参考图5,部分1概述了正常操作期间洗衣机循环的排水部分,并且对排水管工件或过滤器没有任何限制。部分2概述了洗衣机循环的排水部分,排水管限制到2mm开口,模拟内部排水管工件或过滤器由于外来碎屑被捕获在管工件或过滤器内而开始限制。部分3概述了当排水管完全堵塞时洗衣机循环的排水部分。
在这个示例中,电器是洗衣机或洗碗机类型的器具。示出所描述的性能监测方法的流程图如图6所示。在S1中,由传感器测量的电流和电压数据被输入到处理器9中,其如前所述(例如通过确定有效功率、视在功率和RMS功率信号)在S2中确定功耗数据。
然后从功耗数据中提取包括一个或多个特征的特征集合。该特征包括与事件的持续时间有关的信息,即排水事件的持续时间。在S3中根据功耗数据识别每个排水事件。例如,在有效功率、视在功率和RMS功率信号中的任意一个中识别出的事件可以被视为事件。类似地,例如,在两相或三相信号中的任一个中识别出的事件可以被视为事件。
处理器被配置为从功耗数据提取与排水开始时间和排水结束时间有关的信息。根据功耗数据识别每个排水开始和随后的排水结束。排水泵电机接通可基于总功耗增量来识别,即数据点与先前数据点之间的功率改变大于阈值指示开始时间,并且数据点与先前数据点之间的功率改变小于阈值指示排水结束时间。取决于器具,例如,阈值可以在15W至45W的范围内。备选地或附加地,可以在连续地监测与电压相比较时电流的相位偏移(称为功率因数)中持续监测指示排水的开始和结束时间的改变。备选地或附加地,可以在电流信号的一个或多个谐波分量的量值中监测指示排水的开始和结束时间的改变。
识别并存储对应于排水开始的时间戳。然后识别并存储对应于随后的排水结束的时间戳。这些时间戳然后用于确定排水事件的持续时间。因此,可以针对每个排水事件存储接通时间和关断时间,或者备选地仅存储持续时间。因此在S4中,计算每个识别出的排水事件的持续时间。
此外,例如,可以记录和存储消耗的平均功率(有效功率、视在功率和RMS功率)、功率因数、接通周期上的傅里叶变换、接通前500ms内的傅里叶变换和关断后500ms内的傅立叶变换。
处理器然后将每个持续时间值与基准标记值进行比较,该基准值可以是先前的值、根据先前的值计算的平均排水事件持续时间值,或者可以是针对模型的所存储的值或值表(其例如可以存储在设备上或外部)。例如,处理器可以将每个排水事件持续时间值与根据所有先前记录的值生成的平均排水事件持续时间值进行比较。如果当前值与基准值相差大于或等于阈值,则识别出故障,管或过滤器由此被堵塞。在一个实施例中,Z分数缩放(归一化标准偏差)上的阈值为0.20,对应于20%。因此,如果当前排水持续时间值从所有先前的排水事件持续时间值的平均值增加超过平均排水事件持续时间值的20%,则识别出故障,管或过滤器由此被堵塞。
在一个实施例中,基准值是从先前的周期中学习的,例如基准值是两个或更多个先前周期的平均值。在一个实施例中,取决于洗衣机正在使用的程序,存在多个基准值。特定的洗衣机程序被识别为功耗数据中的接通和断开周期的模式,并且如果使用新程序(该设备以前从未见过并且不匹配任何先前记录的模式),那么新的基准被“学习”,即存储针对该程序的值,并且如果再次使用该程序,则取得随使用该程序的时间的平均值。如果使用先前使用的程序(具有已学习的基准),则使用与该程序相对应的排水事件持续时间基准值来与当前的排水事件持续时间值进行比较。
然后将指示存在故障的信息发送给发射机10,并且例如发送给用户或供应商。在一个实施例中,信息通过API发送。信息可以包括器具标识、检测到的故障、可选地故障背后的原因以及可选地基于其来做出决定的原始数据。信息也可以被发送给照明器12,响应于此,一个或多个照明器被照亮以指示存在故障。信息也可以被发送给开关控制器,以便它可以关断器具。
示例3
在又一示例中,插头附接到电动车辆充电系统,其中插头中的处理器确定功耗数据并使用充电期间的功耗数据来监测电动车辆的性能。插头然后被配置为传送与电动车辆的性能有关的信息。插头还可以被配置为控制电动车辆的充电时间表并且提供灵活的电动车辆充电。插头还可以被配置为发送与车辆的状态有关的信息。
可以基于正在消耗的瞬时有效功率、视在功率和/或RMS功率,在充电时间的持续时间内消耗的总体有效、视在和/或RMS功率,功率因子和/或谐波来监测电动车辆的性能。
例如,瞬时功率可以指示电动车辆内的短路电池单元。例如,如果检测到瞬时功率汲取高于特定阈值(取决于电池化学成分和大小),则检测到电动车辆内存在短路电池单元(cell)的故障。
总体功耗可以指示电动车辆内的开路电池单元,因为电池永远不会达到最大电压,因此充电器将尝试保持对电池充电,导致对电池内其他电池单元的进一步损坏。因此,可以监测总体功率数据以确定其是否在特定时间段内达到最大值,由此如果在该时间段内没有达到最大值,则检测到故障,即开路电池单元。
功率因数和谐波的改变也可以指示在电动车辆系统内发生故障。
在一个实施例中,插头能够检测器具电流和/或电压要求的模式改变、模式的频率或其功率需求的任何其他变量,并且将所报告的改变传送给器具的用户和/或制造商。
仅作为示例,当电器的效率恶化时,冰箱、冷冻机、滚筒式烘干机、洗碗机、空调单元和许多其他家用电器也表现出类似的改变。插头可以监测并报告这些改变。
在一个实施例中,插头还能够根据来自各个能源供应商或能源机构施加或建议的需求响应能力来接通或关断器具,以便在最高效的电力资费的时间框架内操作器具。
在一个实施例中,处理器9还被配置为经由通信模块10从一个或多个外部源接收信息并且控制照明器12集合(或其他类型的显示器模块),以便向用户反馈以下内容:与将所附接器具的使用推迟到稍后当电力可能更便宜时的时间相比,使用附接的器具是否将变成更高的成本。
仅作为示例,来自外部源的信息可以是来自使用时间资费数据库、智能电表和/或由公用事业提供的需求方响应系统。
“模式改变”可以指在故障出现或发生故障之前或之后收集的特征集合中的改变。基准特征集合可以包括器具的历史性能的聚集。性能数据表示对在其操作周期内的各种情况下对器具功耗的理解。然后将直接功耗周期与历史基准数据进行比较,以推断性能恶化。
该特征集合可以包括取决于被监测的器具的类型的不同级别的数据。在一个实施例中,特征集合包括以下的一个或多个:(a)取决于器具(例如在过去61个月内)的导通/断开频率或导通/断开持续时间;(b)功率(例如电流、电压、功率因数及其相互之间的关系)消耗(例如在过去61个月上);(c)自器具或插头安装以来每小时的平均功耗;(d)每个事件周围的一秒钟内的电流和电压传感器的原始数据。
事件可以被认为是例如在设定的时间段上超过特定阈值的功耗改变,例如突然的改变。
在一个实施例中,只有1天的事件数据值得被存储在设备上,并且这被整晚上传到外部服务器,如下面进一步详细描述的。
更具体地说,通过电源线B提供给器具的AC或DC电压和电流通过插头并由电流和电压传感器4检测。在一个实施例中,电流和电压传感器4实时读取为电器供电的相应的电流和电压。在一个实施例中,电流和电压传感器4根据设备要求读取以100次/秒和1000万次/秒之间的速率给设备供电的相应电流和电压,并且由微控制器或通过与微控制器通信的外部源来控制。这些比率在下文中被称为“读取频率”。来自电压和电流传感器的输出可以由一个或多个模数转换器(ADC)7数字化,并且ADC的结果输出(以下称为“原始数据”)被传递到微控制器9以用于分析、存储和通讯。
微控制器9可以被构建到一个或多个不同的印刷电路板中,并且可以包含额外的外围设备。微控制器和其他低电压外围设备可以通过隔离屏障6保护免受高压或电流AC或DC电的影响。隔离屏障6可以是与交流电或直流电的物理隔离,或者通过适用于电子隔离组件的配合。仅作为示例,低电压外围设备可以包括以下中的一个或多个:实时时钟、RAM存储器、备用电池、电压和/或电流调节电路和滤波器、隔离电路、非易失性存储器、固定或可拆卸数据存储器或任何其他这样的外围设备,以便插头的正确操作和安全。
所采用的电流传感器4可以是差分型传感器,例如差分霍尔效应传感器。备选地,也可以使用其它电流传感器,例如具有电流感测电感器的磁性拾取设备,例如用于AC和DC电流监测的差分类型的磁性拾取设备。备选地,还可以使用串联连接到器具火线或零线的低值电阻器。电压传感器也被采用。电压传感器和电流传感器以通过ADC7生成原始数据的读取频率对提供给电器的电压和电流进行采样。原始数据通过微控制器及其外围设备9上运行的嵌入式程序进行分析和存储。分析结果和可选的原始数据通过局域网通信设备10发送给外部资源。
局域网通信设备仅作为示例可以是任何通信设备,诸如WiFi、蓝牙、Zigbee、Z-Wave或允许在家庭环境中操作以形成局部区域的一部分的任何其他无线通信方法网络,包括各种协议和无线频率。备选地,可以使用诸如HomePlug、X10之类的电力线载波通信设备或任何其他电力线载波通信方法,其可以在家庭环境中操作以形成局域网的一部分,包括各种协议、频率和窄带或宽带方法。一个或多个各种通信设备在下文中被称为“通信设备”或“连接设备”或“通信模块”。
通信设备可以使用多个协议和/或框架进行通信。这样的框架可能包括公开或私有的区块链框架(block chain frame)。区块链框架可以用于传达与装置的性能有关的信息。区块链框架还可以用于发送装置的要求和/或状态,除了性能信息之外,或者在使用不同的协议发送性能信息的情况下。除了性能信息之外,区块链框架工作还可以用于将需求侧响应信息传回到公用设施或能源供应商和/或用于基于房屋的需求交换与邻近房屋的能量或者使用不同的协议来传输性能信息的情况。
在一个实施例中,发送给云服务器的所有信息被放在区块链中。因此所有的信息都是在一个不变的账本(ledger)上。这些信息可以由电器拥有者(可以是房屋的居民、房东或拥有者按照使用付费系统出租电器)使用。所有发生的信息都被添加到位于分布式账本上的智能合约(smart contract)中。智能合约被添加到链上的一个块中。另外,可以通过区块链框架来控制插头的开关(继电器)。智能合约可以由设备的所有者和用户访问。区块链可以用于消费监测和/或使用监测以及性能监测。它可能与支付系统相连,例如通过令牌或菲亚特货币。
仅作为示例,也可以采用不构成插头的一部分的外部资源用于额外的存储,进一步的分析和/或用户信息(例如历史使用信息、历史功耗、性能信息等),然而在在一个实施例中,插头可以在不使用这种外部资源的情况下完全运行。实际上,在一个实施例中,直接与插头通信的本地连接设备(例如平板电脑或智能电话)能够显示设备的当前和历史使用信息和/或控制在插头的微控制器上运行的程序的各个方面和/或接通或关断所述器具。在一个实施例中,在插头上执行的所有分析都在云上重复进行确认。另外,可以将数据与来自其他装置(其他用户)的其他类似装置进行比较,以在云上比较性能数据。
在另一个实施例中,插头形成本地连接的设备网络的一部分,该本地连接的设备网络可以容纳大量不相关的设备以及一个或多个所述插头。一个或多个无线设备通过所述网络与所述插头中的一个或多个通信,以显示所述设备的当前和历史使用信息和/或控制在所述插头的微控制器上运行的程序的各个方面以及/或接通或关断所述器具。
在另一个实施例中,插头形成局域网的一部分,该局域网可以容纳大量不相关的设备以及一个或多个所述插头并且通过各种手段连接到互联网。仅作为示例,这种连接到互联网的手段可以通过本地路由器,本地路由器又连接到电话线路或调制解调器,该电话线路或调制解调器使数据能够与互联网交换,或者通过本地无线调制解调器通过无线媒体与互联网交换信息。一个或多个无线设备通过网络或通过互联网与插头进行通信,以显示所述设备的当前和历史使用信息和/或控制在所述插头的微控制器上运行的程序的各个方面以及/或接通或关断所述器具。
在又一个实施例中,插头形成局域网的一部分,该局域网可以容纳大量不相关的设备以及一个或多个所述插头并且通过如下进一步描述的各种手段连接到互联网。一个或多个无线设备通过网络或通过互联网与所述插头进行通信,以便显示设备的使用信息和/或发送设备的原始数据或处理后的数据信息和/或控制在所述插头的微控制器上运行的程序的各个方面以及/或接通或关断所述器具。另外,插头可以为了发送分析结果和可选的原始数据以供进一步分析和/或显示设备的当前和历史使用信息而通过互联网与异地服务器通信,和/或控制在插头的微控制器上运行的程序的各个方面和/或接通或关断电器。
在又一个实施例中,插头能够从异地服务器下载性能信息或属于相同或相似电器的整个固件版本,以便调整其特定电器的操作和分析信息。例如,可以将基准和/或阈值信息下载到捅头并用于比较步骤。
图3示出了根据一个实施例的“更智能的”插头电路组件和壳体组件。外壳1a和1b容纳标准的三插式插头触点,包括火线/热、零线和地线/地,它们共同地(2)通过用户可触及的保险丝3连接到高压电路板7。然而,可以使用任何其他替代的插头设计。
高压电路板7包括以下中的一个或多个:一个或多个电源8,一个或多个电流和电压传感器,一个或多个电子开关以及用于用户可接线电源线5的接线盒。电源线4又通过线缆密封管(gland)6以支撑线缆运动应力。此外,高电压电路板7与低电压电路板9物理分离,并且通过使用电隔离组件(在此称为隔离屏障)来隔离功率和信号连接。隔离的模拟信号通过隔离屏障连接到ADC,在ACD处,该信号被数字化为原始数据。
在一个实施例中,原始数据被传递给微控制器和其他外围设备以进行分析、存储和通信。所述微控制器和外围设备能够将数据传递给通信设备10上。通信设备仅作为示例可以WiFi、蓝牙、Zigbee、Z-Wave或允许在家庭环境中操作以形成局部区域的一部分的任何其他无线通信方法网络,包括各种协议和无线频率。备选地,可以使用诸如HomePlug、X10之类的电力线载波通信设备或任何其他电力线载波通信方法,其可以在家庭环境中操作以形成局域网的一部分,包括各种协议、频率和窄带或宽带方法。
微控制器和外围设备也可以将数据发送给存储模块,无论是固定式还是可拆卸存储装置。存储模块可以是任何非易失性固定或可移动存储器,仅作为示例,例如USB驱动器、SD卡、SSD驱动器、硬盘和任何其他形式的存储介质,其中,用户可拆卸的或内部固定的介质被允许在包括各种协议和方法的家庭环境中运行。
所述微控制器和外围设备也可能够分别控制和接收来自照明器和开关的集合的反馈。照明器可以是LED类型的,并且向用户提供关于器件的状态和操作的可视性质的反馈。开关为用户提供了一种在基本水平上与插头进行交互的手段,仅举例来说,接通或关断所述电器,和/或存储事件的数据,和/或将插头设置成不同的操作模式,例如初始化与无线介质的通信,和/或将插头重置为出厂默认设置和/或任何其他预编程到微控制器和外设中的功能,或由与插头通信的外部资源确定的功能。
在一个实施例中,处理器9还被配置为经由通信模块10控制并接收来自一个或多个其他能量源的反馈,并控制该一个或多个其他能量源释放能量以供所附接的器具使用。仅举例来说,能量源可以是存储电力的电池存储系统,无论是通过逆变器还是直接供电来发电的太阳能电池板,或位于房屋内或房屋外的任何其他能量存储或发电系统。
例如,插头可以通过API控制电池释放或存储能量。与电池(例如无线地)连接到相同网络基础设施的插头可以被配置为使用API来指示电池电力是器具所需要的,因为器具已经接通或正准备接通。插头还可以将器具的可能能量使用(未来需求)传输给电池或命令电池为器具预留能量的另一设备。
在一个实施例中,提供了一种完备的在线电插头,其封装了组装在插头体中的多个微型印刷电路板,使得来自电插座的AC或DC电力通过插头直接到达器具线。电路板可以包括一个或多个电源、微控制器、电流传感器、电压传感器、诸如继电器的电子开关、照明的指示器和通信设备。插头可能能够高频读取电压和电流,以存储、分析和传送器具性能。当由内部微控制器或外部源指示时,插头也可以能够接通或关断电器。插头可能能够随着时间监测器具的性能,检测器具是否高效地运行并且根据通过各种能量提供者施加或建议的需求响应能力来接通或关断器具。在一个实施例中,插头还能够通过显示模块例如照明器给予用户反馈。在一个实施例中,插头也能够使用区块链框架进行通信。在一个实施例中,插头还能够控制能量储存或能量生成系统来最高效地使用可用电力。
尽管已经描述了一些实施例,但是这些实施例仅以示例方式呈现,而不是为了限制本发明的范围。的确,本文中描述的新方法和系统可以修改为各种其他形式;此外,可以做出在此描述的方法和装置的形式的各种省略、替换和改变。

Claims (20)

1.一种用于将电器耦合到电源的电源插头,包括:
电流传感器,被配置为测量通过所述插头提供给所述电器的电流;
电压传感器,被配置为测量通过所述插头提供给所述电器的电压;
处理器,被配置为:
根据与所述电流传感器和所述电压传感器做出的电流测量和电压测量有关的数据确定功耗数据;
使用所述功耗数据监测所述电器的性能;
发射机,被配置为发送与所述电器的性能有关的信息。
2.根据权利要求1所述的电源插头,其中,监测所述电器的性能包括:
使用所述功耗数据重复地生成特征集合,其中,所述特征集合包括一个或多个特征;
将每个生成的特征集合与比较数据进行比较。
3.根据权利要求2所述的电源插头,其中,所述比较数据是使用先前生成的一个或多个特征集合来生成的,所述先前生成的一个或多个特征集合是使用来自先前测量的电流测量和电压测量的功耗数据而生成的。
4.根据权利要求2所述的电源插头,其中,重复生成特征集合包括:
以规则的时间间隔提取所述功耗数据的一部分;
且将每个生成的特征集合与比较数据进行比较包括:
将对应于当前时间间隔的特征集合与针对一个或多个先前时间间隔生成的特征集合进行比较。
5.根据权利要求2所述的电源插头,其中,重复生成特征集合包括:
在所述功耗数据中监测事件;
提取所述功耗数据的一部分,所述一部分使用所述事件来标识;
从所述一部分提取特征集合。
6.根据权利要求5所述的电源插头,其中,将每个生成的特征集合与比较数据进行比较包括:
将从所述一部分提取的特征集合与使用针对先前提取的部分生成的一个或多个特征集合来生成的特征集合进行比较。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的电源插头,还包括:
存储器模块,所述存储器模块包括非易失性存储器并且被配置为存储所生成的特征集合。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的电源插头,其中,所述特征集合包括以下中的一个或多个:与所述电器的一个或多个组件的接通频率有关的信息、与所述电器的一个或多个组件的接通时间的持续时间有关的信息、与在操作周期期间的事件有关的信息、在一段时间上消耗的电量、在使用事件标识的时间段期间以规则间隔消耗的电量、事件持续时间、在操作周期内事件的发生时间。
9.根据权利要求8所述的电源插头,其中,与接通频率有关的信息包括以下中的一个或多个:组件在固定时间段内接通的次数;组件在固定时间段内接通的平均次数,其中所述平均是在较长的固定时间段内取得的;接通和关断之间的时间;以及接通和关断之间的平均时间。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电源插头,其中,所述电流传感器被配置为以第一采样频率测量通过所述插头向所述电器提供的电流,且所述电压传感器被配置为以第二采样频率测量通过所述插头向所述电器提供的电压。
11.根据权利要求10所述的电源插头,其中,所述第二采样频率大于或等于1MHz。
12.根据权利要求2至11中任一项所述的电源插头,其中,所述处理器还被配置为:
当在当前生成的特征集合与比较数据之间的差超过阈值差时,识别出性能下降。
13.根据权利要求12所述的电源插头,还包括:
电子控制开关,被配置为允许以第一配置向所述电器提供电力,并且防止以第二配置向所述电器提供电力;
所述处理器还被配置为:
响应于在通信模块处接收到的指令或者响应于所识别的性能下降或者响应于用户输入,指示所述开关从所述第一配置转换到所述第二配置。
14.根据权利要求12或13所述的方法,还包括:
显示模块,被配置为在性能下降被识别出时进行显示。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电源插头,其中,所述性能是实时监测的。
16.根据前述权利要求中任一项所述的电源插头,还包括:
隔离组件,其中,所述电压传感器通过所述隔离组件耦合到所述处理器。
17.根据前述权利要求中任一项所述的电源插头,其中,所述通信模块被配置为与其他本地联网设备进行通信。
18.根据前述权利要求中任一项所述的电源插头,其中,所述通信模块被配置为通过互联网连接进行通信。
19.一种电器,包括前述权利要求中任一项所述的电源插头。
20.一种监测耦合到电源插头的电器的性能的方法,包括:
测量通过所述插头提供给所述电器的电流;
测量通过所述插头提供给所述电器的电压;
根据与所述电流传感器和所述电压传感器做出的电流测量和电压测量有关的数据确定功耗数据;
使用所述功耗数据监测所述电器的性能;
发送与所述电器的性能有关的信息。
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