JP5938104B2 - 非接触電圧波形センサを用いて電力を算出するためのシステムおよび方法 - Google Patents

非接触電圧波形センサを用いて電力を算出するためのシステムおよび方法 Download PDF

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Description

本発明は、一般に、交流(AC:alternating current)電力測定に関し、より詳しくは、非接触電圧波形形状センサを用いてAC電力を算出するためのシステムおよび方法に関する。
住居で使用される電気エネルギーは、通常、その住居に給電する電力導体へ十分にアクセスする電気計器を用いて測定される。しかしながら、電気計器は、典型的に地域の電力事業者の所有物であり、行われる測定を自動化手段によって住居が利用することは一般にできない。居住者が電力消費データをほぼリアルタイムで取得するために、事業者の電気計器の後ろ(居住者側)に追加の電気計器がしばしば設置される。追加の電気計器の設置は、一般に、事業者が所有する計器と同じ電気導体へのアクセスを必要とする。接続は、2つのタイプ、すなわち、1)各導体の回りに置かれたフェライトコア・トランスでしばしば作られる電流センサ、および2)各導体上で電圧を測定するための物理的な電気接続からなる。
絶縁された導体の回りの電流センサの配置は、配線の修正を何も必要としない。しかしながら、電圧測定を行うための導電体のタッピングは、危険な高圧導体への物理的なアクセスを往々にして必要とする。安全上の理由で、電圧測定の接続には永続的な取り付け箇所の設置がしばしば必要であり、これにより設置コストが増加し、専門知識(しばしば認可された電気技師)が必要となる。
図14は、多世帯計量システム(先行技術)を示す図面である。多世帯の設置において、必要な従来型計器および電気的接続の数は、計量される住居の数に比例する。各240Vスプリットフェーズ電気計器では、i)中性線、L1、およびL2への接続、ii)L1およびL2の回りに置かれた電流ループが必要である。
従って、50戸のアパートには、150の接続および100の電流ループが必要となるであろう。しかしながら、計器はすべて1つの供給バス上にあると思われるので、給電バスにはL1、L2、および中性点の接続(3つのタップ箇所)が必要であり、結果として、電圧は(外部電圧分配有線ネットワークを経由して)計器へ供給される。
従来、電圧計は、接点接続を必要とし、電流センサと束ねてパネル内に置かれる、従って、電気技師による設置が必要である。電力は、電流および電圧測定結果から計算される。電力測定結果は、コレクタへ送られる。コレクタは、測定結果をサーバ上で示すことができ、あるいは、ユーザが見るように測定結果をディスプレイへ送ることができる。文献に記載されるいくつかの新しいコンポーネントには、安価なエレクトロニクスを用いた非接触電圧計がある。一例は、パネルの外側で電流を測定するための磁力計プレート、および磁力計によって検出されたアンペア数をスケーリングするために用いる校正負荷である。磁力計は、磁界の強度もしくは方向を測定するデバイスである。この場合、導体における電流の流れが磁界を誘導し、この磁界が磁力計によって感受される。
非接触単一ノード・モニタ、例えば、Owl(R)モニタによって宣伝されるものおよびPowerSave EnviRは、内部に配線する必要がないので設置するのが容易である。欠点は、電池による電力供給が必要であり、かつ不十分な電圧推定値ゆえに不正確さに見舞われることである。これらのモニタが用いる電力算出は、Irms×Vrmsである。変流器は波形、位相および大きさの測定結果を提供し、公称Vrmsは推定される。ひずみは、公称Vrmsを用いた結果として、ならびに、高調波力率、変位力率、および高調波電圧を考慮しないことから生じる。
図12は、第1の電力測定システム(先行技術)を示すブロック図である。最近の論文は、別個の電圧および電流ノードからなる単一住居のための非接触計器を記載する。1つの論文(非特許文献1)は、電気パネルの外側に取り付けて校正した電流形状センサまたは磁力計を記載する。電気パネル上のセンサの配置は、決定的に重要であり、センサ上の2つのLEDライトによって導かれる。校正ユニットは、1Hzのパルスをなす一連の既知の負荷(10W、100W、および200W)のサイクルを回る。このシステムは、能動的に電圧を測定しないで、代わりに(仮定した力率1を有する)1つの校正に依存するという事実を抱える。このアプローチは、導体への物理的アクセスを必要としないので、電流センサを用いる市販品を改善するが、力率の変化もいずれの電圧変化も考慮しない。電流センシングには変流器および校正した磁力計をいずれも用いることができるが、パテルのシステムと既存の市販計器との1つの違いは、変流器の代わりに校正した磁力計を用いることである。
要約すれば、パテルは、Irms×Vrmsの電力算出を行う単一ノード・システムを開示する。センサは、電流を決定するための磁力計であって、校正される必要があり、公称Vrmsは推定される。電力測定結果におけるひずみは、公称Vrmsを用いること、ならびに、高調波力率、変位力率、および高調波電圧を考慮しないことから生じる。
単一ノード・システムは、ノラス(非特許文献2および非特許文献3)によっても提案されている。ノラスの提案した単一ノード・モニタは、電力を(I×V)の合計として算出する。センサは、変流器および静電電圧計である。静電電圧計は、導体の電圧をその電圧によって発生した静電界を測定することによって決定する。Vrmsの値は推定される。測定結果におけるひずみは、電圧推定値に限られるが、静電電圧計は、(例えば、電池駆動される)電源内蔵型ノードとしてパッケージするには消費電力が大きすぎる。この問題は、電圧を間歇的に測定することによってのみ改善できる。
図13は、第2の電力測定システム(先行技術)を示すブロック図である。別の論文(非特許文献4)は、電圧測定ノードからの電圧位相および電圧値を電流ノードと同期させることを記載する。シュミットは、別個のノード(接触および非接触)を実装することによって電圧を仮想化することを記載する。これは、住宅所有者が、非接触ノードをパネル内に入れ、次にVnodeをいずれか近くの壁ソケットに差し込むことによって、電力測定システムを設置することを可能にする。この同期要件は、電圧および電流サンプルをGPS同期タイムスタンプとともに送る高圧ライン上の同期位相計測器と同様である。このシステムでは電流ノードがすべての計算を行う必要があり、ノード・クロックが同期したままである必要がある。このアプローチは、パテルよりかなり改善されるが、同期には双方向無線機およびかなり複雑なフェーズロックループが必要であり、信頼性、複雑度およびコストに影響を与える。
非接触AC電圧センサを用いて電力使用量をより正確に測定する手段が存在すれば、有利であろう。
パテル(Patel)ら,「エンドユーザ配備可能な住宅全体非接触電力消費センサの設計および評価(The Design and Evaluation of an End−User−Deployable,Whole House,Contactless Power Consumption Sensor)」,CHI 2010:計算システムにおける人的因子に関するACMコンファレンス予稿集(Proceedings of ACM Conference on Human Factors in Computing Systems),2010年4月 マチェイ A.ノラス(Maciej A.Noras),「固体電界センサ(Solid State Electric Field Sensor)」,静電気学に関するESA年次大会予稿集(Proc.ESA Annual Meeting on Electrostatics)2011 マチェイ A.ノラス(Maciej A.Noras).「バラクタダイオード/MIS/MOS構造に基づく電界センサ(Electric field sensor based on a varactor diode/MIS/MOS structure)」IEEE,産業応用学会年次大会予稿集(Proceeding from Industry Applications Society Annual Meeting),2010 シュミット(Schmid)ら,「電圧チャンネルの仮想化によってどこでも任意の電線を計量する(Meter Any Wire,Anywhere by virtualizing the Voltage Channel)」,ビルドシス(BuildSys),2010年11月10日
本明細書に開示されるのは、電力消費量を局所的にモニタするために、第三者が一戸建てまたは集合住宅に(グループ分けされるか、または物理的に隔たった電力量計を)安価に取り付けることを可能にするシステムおよび方法である。本システムおよび方法は、同じ住居または施設内の部分回路を便利にモニタするためにも用いることができる。システム設置は、パネルにおける接続も電気技師も必要としない。
電力計量における重要な課題としては、電流、電圧、およびそれら2つの間の位相差を測定することが必要であり、それによって、力率(PF:power factor)をユニットごとに正確に算定できる。PFの決定は、実際の電力消費量の正確な算出に役立つ。
従来、正確な電力測定には、計量される回路ごとに第三者の計器を個別に設置する必要があり、これは、装置および設置コストの両観点から法外である。第三者の計器は、電気配線への複数の接続、搭載のためのかなりの物理的スペース、および取得した測定結果を集めるための各デバイスへの通信リンクを必要とする。他の従来のアプローチは、非接触電流計と一定電圧の仮定とを用いることによって電力を算出する。これらの非接触計器は、しばしば同期が必要であり、甚だしく不正確な結果をもたらす。
それゆえに、非接触センサからの電圧波形形状測定結果を用いて電力を算出するための方法が提供される。導電性媒体は、ソースノードから接続先ノードへ、交流(AC)電圧と関連する、AC電流を運ぶ。本方法は、導電性媒体を通るAC電流を測定する。導電性媒体に直接接続されていない非接触センサを用いて、AC電圧波形形状が測定される。接続先ノードにおける電力使用量は、AC電流測定結果、AC電圧波形形状の測定結果、およびAC電位に応じて算出される。簡単にするために、AC電流もAC電圧波形形状もともに、ソースノードと接続先ノードとの間に位置する第1のノードで測定される。電力使用量算出に用いるAC電位は、推定値、実測結果、または外部ソース(例えば、電力会社)によって供給される値とすることができる。
一態様において、複数の瞬時電流値(I)がACサイクルごとに測定され、AC電圧位相がAC電圧波形形状から決定される。次に、電力使用量は、複数のI値からAC電流位相およびAC電流二乗平均平方根(IRMS:I root mean square)値を算出することによって決定される。差角(Q)は、AC電流の位相とAC電圧の位相との間に見出される。AC電位から導出されたVRMS値を用いて、cos(Q)×IRMS×VRMSが見出される。変形例では、AC電流位相が複数のI値から算出される。合成されたAC電圧信号が、サイクルごとに複数の瞬時電圧値(V)を用い、測定されたAC電圧波形と同じ位相を有するAC電圧波形形状(例えば、正弦波)の推定値によりAC電圧の大きさをスケーリングすることによって算出される。差角(Q)が、AC電流の位相とAC電圧の位相との間に見出される。差角は、IおよびV瞬時値の間の変位を維持するために用い、(I×V)が複数の値にわたって合計される。別の選択肢として、合成されたAC電圧信号は、測定されたAC電圧波形形状によりAC電圧の大きさをスケーリングすることによって生成できる。
非接触電圧位相センサを用いて電力を算出するための上記の方法およびシステムのさらなる詳細が以下に提供される。
非接触電圧位相センサを用いて電力を算出するためのシステムの概略ブロック図である。 図1のシステムの高調波ひずみ力率の変形例を示す概略ブロック図である。 図1のシステムの負荷校正の変形例を示す概略ブロック図である。 異なるノードで測定された情報を用いて電力を算出するためのシステムを示す概略図である。 異なるノードで測定された情報を用いて電力を算出するためのシステムを示す概略図である。 異なるノードで測定された情報を用いて電力を算出するためのシステムを示す概略図である。 多住居電力測定システムを示す概略ブロック図である。 多住居電力測定システムを示す概略ブロック図である。 単一ノード・システムを2ノード・システムと対比したブロック図である。 力率補償システムを示すブロック図である。 電圧波形形状補正電力測定システムを示すブロック図である。 高調波力率補正を用いた電力測定システムを示すブロック図である。 非接触センサからの電圧波形形状測定結果を用いて電力を算出するための方法を示すフローチャートである。 異なるノードで測定された情報を用いて電力を算出するための方法の変形例を示すフローチャートである。 第1の電力測定システム(先行技術)を示すブロック図である。 第2の電力測定システム(先行技術)を示すブロック図である。 多世帯計量システム(先行技術)を示す図である。
図1は、非接触電圧位相センサを用いて電力を算出するためのシステムの概略ブロック図である。システム100は、交流(AC)電圧と関連する、AC電流を運ぶ導電性媒体106の第1のノード104に結合するように構成された非接触AC電流センサ102を備える。第1のノード104は、ソースノード108と接続先ノード110との間の任意の箇所にあってよい。システム100は、任意の従来型電流センサを用いて作動する。例えば、フェライトコア・トランスで作られたセンサは、電流によって発生したインダクタンスを測定し、一旦校正されると、電流測定結果をもたらすことができる。代わりに、AC電流センサは、導体に実際に接触するタイプであってもよい。例えば、直列接続した電流計を用いてもよいが、そのときには全電流が計器を通って流れる。直列にシャント抵抗を置いて、次にシャント抵抗の両端間の電圧降下を測定する方がより典型的である。これは、測定装置をより扱いやすくする。また、シャント抵抗を予測される負荷に合わせて作り、標準的な電圧計を用いて電流を検出することができる。
導電性媒体106は、ソースノード108から接続先ノード110へ接続される。典型的に、導電性媒体は銅線であり、L1および(図示されない)L2線間にAC電位、ならびに中性線/接地を有する。非接触AC電流センサ102は、AC電流測定結果を供給するための出力をライン112上に有する。非接触電圧位相センサ114は、導電性媒体106に直接接続することなく第1のノード104に結合するように構成される。電圧位相センサ114は、AC波形形状測定結果を供給するための出力をライン116上に有する。一態様において、電圧位相センサは、平坦なプレート、または導電性媒体を少なくとも部分的に囲むように湾曲したプレートである。測定信号を運ぶ1つの電線がどこでプレート114に接続するかは必ずしも重要でない。プレートは、導体106から電荷を受け取る。その電荷は、次に測定を行うためにA/Dコンバータに印加される。
算出器118は、AC電流測定結果を受け取るための入力ポートをライン112上に、およびAC波形形状測定結果を受け取るための入力ポートをライン116上に有する。算出器118は、電力使用量値をAC電流測定結果、AC電圧波形形状測定結果、およびAC電位に応じて接続先ノードに供給するための出力をライン120上に有する。ここでは、算出器がシステムにおける別個のノードとして示される。しかしながら代わりに、算出器は、第1のノード、ソースノード、接続先ノード、またはAC電位測定を行うノードに位置してもよい。算出器118は、(例えば、メモリ122に記憶した)AC電位推定値、またはAC電位の実測結果に応じて電力使用量を算出する。図示されるように、この例ではソースノードが、測定されたAC電位をライン124上に供給する、しかしながら、測定は、システムにおける他のノードで行われてもよい。AC電位は、(例えば、電力会社から)外部ソースによってライン126上に供給された値であってもよい。
一態様において、AC電流センサ102は、ACサイクルごとに複数の瞬時電流値(I)を供給する。電圧位相センサ114は、AC電圧位相測定結果を供給する。例えば、電圧位相をもたらすために、電圧波形形状の電圧軸ゼロ交差、およびゼロ交差間の間隔を用いることができる。算出器118は、複数のI値からAC電流位相およびAC電流二乗平均平方根(IRMS)値を算出して、AC電流の位相とAC電圧の位相との間の差角(Q)を見出す。算出器は、AC電位から導出したVRMS値を用いてcos(Q)×IRMS×VRMSを見出す。上述のように、AC電位は、推定値、および実測値、または外部ソースによって供給された値とすることができる。位相値Qは、既知の位相オフセットを補償するように設定された一定値によって調整することもできる。
関係する変形例では、算出器118は、複数のI値からAC電流位相を算出する。算出器118は、サイクルごとに複数の瞬時電圧値(V)を用い、AC電圧位相測定結果と同じ位相を有するAC電圧波形形状の推定値により(AC電位から導出した)AC電圧の大きさをスケーリングすることによって、合成されたAC電圧信号を生成する。最も単純な形状では、AC波形は、完全な正弦波として推定されるが、しかし他の波形形状推定値も可能である。算出器118は、AC電流の位相とAC電圧の位相との間の差角(Q)を見出して、IおよびV瞬時値の間の変位を維持するために差角を用いる。最後に、算出器は、複数の値にわたって(I×V)を合計する。明示的には示さないが、AC電流位相は、代わりに電流センサによって決定されてもよい。
関係する別の変形例では、算出器118は、複数のI値からAC電流位相を算出し、サイクルごとに複数の瞬時電圧値(V)を用い、測定されたAC電圧波形形状によりAC電圧の大きさをスケーリングすることによって、合成されたAC電圧信号を生成する。算出器118は、AC電流の位相とAC電圧の位相との間の差角(Q)を見出して、IおよびV瞬時値の間の変位を維持するために差角を用い、複数の値にわたって(I×V)を合計する。
別の変形例では、AC電流センサ102は、ACサイクルごとに複数の瞬時電流値(I)を供給する。算出器118は、サイクルごとに外部ソースからライン126上で複数の測定された瞬時電圧値(V)を受け取る。算出器118は、複数のI値に応じてAC電流位相を算出して、AC電流の位相とAC電圧の位相との間の差角(Q)を見出す。算出器118は、IおよびV瞬時値の間の変位を維持するために差角を用い、複数の値にわたって(I×V)を合計する。
図2は、図1のシステムの高調波ひずみ力率の変形例を示す概略ブロック図である。この態様では、AC電流センサ102は、ハイパスフィルタ200を含み、ACサイクルごとにライン112上で複数の瞬時電流値(I)を供給し、ライン112上では複数のハイパスフィルタ処理されたI値を供給する。電圧位相センサ114は、AC電圧位相測定結果を供給する。算出器118は、複数のI値からAC電流位相を算出し、I値およびフィルタ処理されたI値から高調波ひずみ力率(hpf:harmonic distortion power factor)を算出する。算出器118は、AC電流の位相とAC電圧の位相との間の差角(Q)を見出し、AC電位から導出されたVRMS値を用いて、cos(Q)×IRMS×VRMS×hpfを見出す。
図3は、図1のシステムの負荷校正の変形例を示す概略ブロック図である。既知の負荷300は、導電性媒体106の第2のノード(図示されるように、接続先ノード110が第2のノードである)に選択的に接続する(すなわち、第2のノードから電力を引き出す)ように構成される。AC電流センサ102は、既知の負荷が接続されたときに、校正されたAC電流測定結果を供給する。算出器118は、既知の負荷および校正されたAC電流測定結果に応じてVRMS値を算出することが可能であり、電力使用量を算出する際にAC電位としてVRMS値を用いる。一態様において、既知の負荷300は、サブサイクル期間にわたって第2のノード110に選択的に接続される。既知の負荷は、抵抗(または様々な範囲の抵抗)、キャパシタ(または様々な範囲のキャパシタ)、インダクタ(または様々な範囲のインダクタ)、あるいは先に挙げた素子の組み合わせであってもよい。
図4Aから4Cは、異なるノードで測定された情報を用いて電力を算出するためのシステムを示す概略図である。システム400は、交流(AC)電圧と関連する、AC電流を運ぶ導電性媒体106の第1のノード104に結合するように構成されたAC電流センサ102を備える。導電性媒体は、電流をソースノード108から接続先ノード110へ運ぶ。AC電流センサ102は、AC電流測定データを供給するための出力をライン112上に有する。
AC電圧センサ402は、(ここではソースノード108として示される)第2のノードに結合するように構成され、AC電圧測定データを供給するための出力をライン404上に有する。注:AC電圧センサは、代わりに第1のノードまたは接続先ノードに位置してもよい。同じく注:この態様では、AC電流およびAC電圧センサは、非接触であっても、あるいは導電体106と接触するタイプであってもよい。テストノードは、第1のノード104、第2のノード108、ならびに第1のノード104および第2のノード108の両方であってもよく、測定された遅延値を含んだ測定データを送信する。遅延値は、データが測定されたときと、データが送信されたときとの間の期間である。算出器118は、AC電流測定データを受け取るための入力をライン112上に有し、遅延値をもつAC電圧測定データの入力をライン404上に有する。算出器118は、入力に応じて電力使用量を接続先ノードに供給するための出力をライン120上に有する。
図4Aは、テストノードが第1のノード104であり、算出器が第2のノードに位置することを示す。言い換えれば、AC電流センサ102は、電流データを算出器118へ遅延値とともに送信する。図4Bは、テストノードが第2のノードであり、算出器118が第1のノードに位置することを示す。この態様では、AC電圧センサ402が、遅延値をもつAC電圧データを送信する。図4Cは、AC電流センサ102もAC電圧センサ402もともにテストノードとして機能し、算出器が第3のノード406に位置することを示す。すなわち、AC電流センサ102もAC電圧センサ402もともに遅延値をもつデータを送る。正確な電力測定結果を導出する際の遅延値の重要性が以下により詳細に提示される。
図5Aおよび5Bは、多住居電力測定システムを示す概略ブロック図である。このシステム500は、電源電圧レベルの正確な測定値を取得するために単一電圧測定ノード502を用いて電力を測定する。電流フロー測定結果は、電流トランス(変流器)による電流サンプル測定結果、または電流の大きさおよび電流位相測定結果を取得する別個の電流ノードを用いて取得される。図示されない一態様では、所与の周期に関するRMS電圧が電力値の計算のために無線通信によって電流ノード504へ送信される。代わりに図示されるように、電流フローおよび電圧位相測定結果が電流ノード504から電圧ノード502へ送信される。同じ電流ノード504では、N戸の住居に関して、電圧波形状測定結果が静電電圧センサのような非接触電圧プローブを用いて取得される。一態様において、電圧波形状は、電圧ノードからの電圧レベル測定結果を用いてスケーリングされ、電力を取得するために電圧サンプルに電流サンプルが乗じられる。他の態様では、電力は、電圧および電流波の間の位相差を計算することによって導出される。
リモート電流および電圧形状測定ノード504は、長寿命電池によって電力を供給されてもよく、あるいは測定される回路の電気導体への誘導結合によってそれらの電力を収集してもよい。電圧ノード502は、ブレーカパネルに、あるいは高電流フローの間の電圧測定結果のひずみを避けるために好ましくは電気パネルに近いいずれかのコンセントに繋ぎ込むことができる。計算された値は、他のシステム、例えば、エネルギー表示およびエネルギー管理システムへ送るために利用可能である。
電圧センシングのための物理的接続の数は大幅に低減され、結果として装置および設置コストを節約する。正確な電圧計量に必要な電圧センシング接続は、計量サイトごとに一組(L1、L2および中性線)のみである。高精度電圧測定装置は、L1、L2、およびN上の一箇所から電圧測定を行うための回路構成要素を含む単一デバイスに統合される。
電流測定および電圧形状測定を行うために用いるデバイスは、導電体との物理的接触を何も必要としない。電流の大きさおよび位相のためのセンサは変流器からなり、変流器は、絶縁された導電体の周りで開き、かつパチンと閉じる「スプリットコア」トランスであってもよい。測定される電気回路の位置にある電圧センサは、絶対的な大きさではなく、電圧形状のみを必要とする。電圧形状測定は、静電センサを用いて行われ、この場合もやはり電気導体との物理的接続を必要としない。むしろ、電圧位相センサは、測定される電気導体の近くに位置すること、例えば、絶縁された導電体の表面上に静電電圧センサを置くことのみが必要である。
リモート電流および電圧形状測定デバイスは、測定される回路と直接電気的に接続しないので、デバイスのための電力は、局所的な電池によって供給される。加えて、デバイスは、テストされる電気回路から電力を収集することもできる。電気導体(変流器の一次巻線)を通って電流が流れるときに、変流器は、(その二次巻線で)導体から電力を引き出し、その電力を局所蓄積部に蓄積して、次にデバイスへ電力を供給する。代わりに、電力は、その目的のみの別個のトランスを用いて収集されてもよい。測定される導体を通って電力が流れるであろうという保証はないので、電流/電圧形状ノードの電力バジェットは、システム要件(例えば、不使用回路上の動作年数)に合致するように電圧ノード502との通信を維持するデューティサイクル調整のような手段によって管理される。電流センシング、電圧形状センシング、および電力収集ピックアップは、各導電体の回りの設置が簡略化されるように1つの取り付け機構に構築される。
供給導体の電圧の大きさおよび位相角が著しく変動しない通常の設置では、電圧測定デバイスは、1つの電圧供給ラインのみに直接接触する。他の供給ライン上の電圧は、センシングした単一ラインから読み取った値によって推定される。他の導体の電圧位相は、センシングした導体の電圧位相に一定の位相角を加えることによって推定される。例えば、L1およびNへの接続のみの240V、スプリットフェーズ供給に関して、L2上の電圧は、L1にほぼ等しいと推定でき、L2の電圧位相は、L1の電圧位相プラス180度であると推定できる。これにより電圧センシング・ノードの設置物を公称120V ACコンセントに差し込むことが可能であり、結果として、設置をさらに簡略化する(240Vコンセントはあまり一般的でない)。
電圧ノードと同様に、電流/電圧形状ノードは、電圧の大きさがほぼ等しく、2つの位相に関する位相オフセットが一定なので、第2の電圧センサおよび取得回路構成要素を必要としない。この電圧センシング回路構成要素の削減により、このデバイスに関するハードウェア・コストおよび電力バジェットが削減される。
電流/電圧形状ノードは、変流器から取り込んだA/D値に、電圧ノードから受信したRMS電圧による、電圧センサからの同時A/Dサンプルを乗じることによって、L1およびL2に関する二乗平均平方根電力値(PおよびP)を計算する。電圧信号の位相は、電圧ノードで重要でなく、専ら電圧A/D測定値のRMS値のみが計算されて、電圧ノードから電流/電圧形状ノードへ送信される。
電流/電圧形状ノードでは、L1およびL2電流入力上のA/D変換器が電流サンプルを供給し、静電電圧センサが電圧形状サンプルを供給する。これらの電圧形状サンプルに、スケールファクタ(電圧ノードからのRMS電圧/電圧形状サンプルのRMS値)が乗じられる。電力は、電流サンプルに、スケーリングされた電圧形状サンプルを乗じることによって計算される。力率およびエネルギー消費量のような他の値は容易に計算できる。
すべての計量位置への電圧が同じなので、単一電圧ノードでのRMS電圧の測定結果を電流/電圧形状ノードにおけるすべての測定値に適用できる。フィーダ導体の極めて低いライン抵抗ゆえに、サービス・フィーダの両端間の電圧損失は無視できる。この算出された電力データは、エネルギー使用量の視覚化およびエネルギー使用量の個人的な修正を可能にする。データは、自動化されたエネルギー管理システムにも適用可能である。
本発明が他の電気計量技術に優る主な利点は、電圧サンプルを得るために必要な電気的接続がより少なく、設置および装置のコストを削減することである。実際、電圧サンプルは、通常のACプラグから取得される。電流/電圧形状ノードは、極めて容易に設置するために電気的接続を何も有さない。電流/電圧形状ノードを電力収集に用いるときに、これらのノードは、保守要件を何も有さない(例えば、電池交換がない)。電流/電圧形状ノードは、電圧ノードの送信機からデータを受信するために単方向の無線受信機を用いる。これは、電流/電圧形状ノードにおける電力消費およびコストを削減する。電圧および電流サンプルを乗算する結果として、電力算出における比較的高い精度が達成される。RMS値および位相オフセットを用いると、達成される精度はより低い。
図6は、単一ノード・システムを2ノード・システムと対比したブロック図である。すべてのセンサを単一ノードに束ねることは、センサを2つのノードへ分配することとは区別できる。単一ノード・パッケージは、校正負荷ノード600によって補助され、このノードは、センサを含まず、データを送らないが、むしろセンサによって認識でき且つセンサを校正するために使用できるパターンで既知の負荷を追加する。
単一ノード・パッケージは、少なくとも電流センサ102を含み、従って、電流ノード602(またはInode)と呼ばれる。二重ノード・パッケージは、少なくとも接触電圧センサを含んだ第2のノードを含み、従って、このノードは電圧ノード604(またはVnode)と呼ばれる。両方のシステムが、データを受信して電力値をディスプレイまたはウェブサイトへ送るためにコレクタ・ノード606(またはCnode)を用いる。図示されるように、電力算出器118は、Inode602に位置するが、代わりにCnode606またはVnode604に位置してもよい。また、Vnode604がデータをInode602へ送ることが示されるが、システムは、この特定の信号経路には限定されない。
任意の有意な時間にわたって異なる回路間の電圧降下を無視できるように、複数の位置が、十分なサイズの電線で配線されると仮定する。プラグイン・ノード(Vnode)が大きな電流を引き込む回路上のパネルから遠く離れて置かれる場合には、電圧測定結果を歪ませる電圧降下がありうる。単一の住居では、一般に、位相ごとに1つの電圧センサが必要である。大部分の住居は、スプリットフェーズ電力を使用し、それゆえに2つの電圧センサが必要であろう。しかしながら、スプリットフェーズ供給の第1の位相上に1つの電圧センサのみが設置されているときには、第2の位相の電圧は、第1の位相の電圧測定値を用いることによって妥当な精度で推定できる。
住宅におけるそれぞれの回路をモニタするには、位相ごとに1つの電流センサが必要である。例えば、住宅全体をモニタするために2つの電流センサ(位相ごとに1つ)が必要であろう。2相エアコンを個別にモニタするためには、別の2つの電流センサが必要であろう。2相ドライヤを個別にモニタするためには別の2つの電流センサが必要であろう。居間の照明を個別にモニタするためには1つの電流センサが必要であろう、などである。異なる回路における電力を算出するために分担電圧値を用いる。
多世帯住居は、通常、住居のクラスタのうちで1つのトランスを共有し、同じトランス上のすべての住居が一組の電圧計を共有できる。上記の仮定を所与として、一対(スプリットフェーズ)の電圧センサが、そのトランスに取り付けられたすべての住居での電力算出に必要な情報を提供できる。より大きな多世帯住居では、208V WYE配電におけるように、電力は、3相トランスからの2相として配電される。結果として、一組の3つの電圧センサが、トランスの様々な位相に取り付けられたすべての住居での電力算出のために電圧測定結果を供給できるであろう。
居住システムにおいて、電圧は、(米国では120V系で±5Vに規定された)振幅も(完全な正弦波に極めて近い)形状もほとんど変動しない。しかしながら、電圧の位相は、電流の位相に対して相当に変動する。
測定および推定された電圧パラメータは区別できる。いくつかの従来型電力モニタは、RMS電圧が公称値であると推定し、電流計のみに依存して電力を算出する。改良された電力算出は、実際の接触電圧測定結果なしに行うことができる。(おそらくユーザによって入力された)推定される電圧値を(下記のように)校正された非接触電圧センサと組み合わせることによって、電力算出に変位力率を含めることができ、それによって実際に使用された電力のより正確な推定値が提供される。
60Hz系では1サイクルに0.0166秒かかる。50Hz系では1サイクルに0.02秒かかる。電流および電圧波形を用いて計算を行うときに、未処理値は、互いに有意に時間をシフトさせるべきではない。例えば、電圧センサが遠く離れており、電圧値が、1msの遅延が加わる接続を経由して送られる場合、力率算出に7%のずれが生じることになろう−これは、電力算出におけるかなりの誤差に繋がる。同様に、2msの遅延は、力率算出における27%の誤差を引き起こすであろう。最悪のケースは、値が可変的な遅延を伴って経路を進む場合である。1つの無線リモート電流センサが2msの遅延を導入するルータを経由して通信する場合には、得られる算出結果は、27%以上の誤差を有するであろう。それゆえに、測定値間の偶発的な位相シフトを回避するように注意しなければならない。このことは、様々な経路を通して遅延を注意深く算出することによって、あるいは、おそらくマイクロ秒精度の正確な時間値で値にタイムスタンプを押すことによって達成される。
一態様において、電圧波形形状センサは、電線上にテープで付けた簡単な銅棒を用いて作動できる。センシングした電圧形状および位相は、例えば、オシロスコープ上に表示できる。
有効電力は、電圧サンプルを乗じた電流サンプルをある時間(例えば、1サイクル当り4096サンプル、1秒当り60サイクル)にわたって合計することにより最も正確に算出できる。電流および電圧サンプルが別個の計器に由来する場合には、どこでも算出が行われているところへサンプルが送られる。成分(電圧または電流)の1つをパラメータ化した場合には、サンプルにアクセスするために、推定される元の波形をパラメータから合成できる。
電流および電圧波形のRMS値を用いる場合には、「有効電力」は、Irms×Vrms×pfである。
ここでpfは、電圧と電流との間の位相シフトおよび電流波形における高調波(電圧波形は正弦波であると仮定する)からの寄与を含む力率である。
電力会社は、「有効電力」に対して請求を行うが、Irms×Vrmsとして算出される複素電力(VA)を供給しなければならないことに留意すべきである。これらの値は、大きく異なりうる。電流が10アンペア、電圧が120ボルト、および力率が0.5であるとする。「有効電力」は600ワットである。しかし、配線および装置は1,200VAの定格としなければならない。
図7は、力率補償システムを示すブロック図である。上述のように、本明細書では1つの単一ノード・システムが開示され、システム1.1(図1参照)と呼ばれる。ここで単語「システム」に続く数字「1」は、単一ノード・システムを意味する。システム1.1は、電流波形、大きさ、および形状を測定するための変流器または校正された磁力計であってもよいAC電流センサと、Vphaseを測定するための電圧波形形状センサとを用いて、電力をIrms×Vrms×dpfとして算出する。公称Vrmsは推定される。電力測定ひずみは、公称Vrmsを用いること、ならびに、高調波力率および変位力率を考慮しないことから生じうる。それゆえに、変位力率を補正するために電圧位相測定結果を加えることによって、ベースライン算出を強化できる。算出は、ベースライン算出におけるように、Irms×Vrmsを乗算することからなるが、次に、この結果にcos(電流と電圧との間の角度差)が乗じられる。このシステムは、変位力率を補正するが、しかし高調波力率は補正しない。
電力算出は、InodeまたはCnodeにおいて行うことができる(図6参照)。電力をCnodeで算出する場合には、パラメータがInodeからCnodeへ送られ、同期させるべきデータは何もない。
上記システムの変形例として、位相補正された電圧波形を生成するために、電圧位相推定器を用いることができる。この場合もやはり、このシステム(システム1.2)は、単一ノード・システムとして作動する。電力は、(I×V)の合計として算出される。電圧波形形状センサがVphaseを測定するために用いられ、変流器または校正された磁力計が電流に関する波形、位相および大きさのデータを供給する。Inodeでは、Vphaseおよび公称Vrmsが推定される。電力測定ひずみは、公称Vrmsを用いることから、および、電圧高調波を考慮しないことから生じうる。しかしながら、システム1.1と比較して、電流高調波に起因するひずみが取り除かれる。
システム1.2は、変位力率と電流高調波に起因する高調波力率とを補正する。このシステムに伴う追加の作業は、電圧波形を合成すること、および、電流サンプル×電圧サンプルを乗算することからなる。これは、シュミット(上記背景技術セクション参照)と同様であるが、電圧位相推定器に従って電圧波形をシフトさせる。シュミットとは異なり、Vrmsは別の計器からではなく、理想的な電圧波形の一定のRMS値(例えば120V)へのスケーリングから取得される。
電力算出は、InodeまたはCnodeにおいて行うことができる。電力をCnodeで算出する場合には、電流サンプル、および電圧と電流との間の位相差がInodeからCnodeへ送られ、同期させるべきデータは何もない。
図8は、電圧波形形状補正電力測定システムを示すブロック図である。図8に示されるシステム(システム1.3)は、形状補正した電圧波形を生成するために電圧波形推定器による補助を提供する。この場合もやはり、システムは、単一ノード・システムとして作動できて、電力は、(I×V)の合計として算出される。電圧波形形状センサがVshapeを測定し、変流器または校正された磁力計が電流波形、位相および大きさのデータを供給する。このシステムでは、Vshapeを測定して公称Vrms値が推定される。スケーリングされない波形では電圧高調波が生じるので、公称Vrmsを用いる結果として起りうる電力測定ひずみが生じる。
電圧波形形状センサは、電圧波形を合成する代わりに用いられる。非接触電圧波形形状センサは、波形形状の良好な推定を与えるが、信号の非接触性によって測定値が減衰するので、電圧波形形状測定結果は、専ら適切にスケーリングされる必要がある。
算出は、電流サンプルに、スケーリングされた電圧サンプルを乗じることからなる。このシステムは、電圧波形ひずみを補正する。このシステムに伴う追加の作業は、電圧波形をスケーリングすること、および、電流サンプル×電圧サンプルを乗算することからなる。これは、シュミットと同様であるが、しかし電圧波形形状を測定し、完全な電圧正弦波を仮定しない。
電力算出は、InodeまたはCnodeにおいて行うことができる。電力をCnodeで算出する場合には、電流サンプルおよび電圧形状サンプルがInodeからCnodeへ送られ、同期させるべきデータは何もない。
図9は、高調波力率補正を用いた電力測定システムを示すブロック図である。図9のシステム(システム1.4)は、高調波力率を加えるための基本周波数フィルタの追加によって電力算出を補助する。この場合もやはり、システムは、単一ノード・システムとして作動できる。電力は、Irms×Vrms×hpfとして算出される。電圧波形形状センサがVshapeを測定する。変流器または校正された磁力計が電流波形、位相および大きさのデータを供給する。このシステムでは、Vshapeを測定して公称Vrms値が推定される。起りうる電力測定ひずみは、公称Vrmsを用いる結果として、ならびに、電圧高調波および変位力率を考慮しないことから生じうる。
電流センサの出力に60Hzフィルタ(または国際的な現場では50Hz)が加えられ、このフィルタ処理された値のRMS値が計算される。高調波力率を取得するために、この値がフィルタされないサンプルのRMS値によって除される。算出は、前のようにIrms×Vrmsを乗算すること、および、この結果に高調波力率を乗じることからなる。このシステムは、高調波力率を補正するが、しかし変位力率を補正しない。電力算出は、InodeまたはCnodeにおいて行うことができる。電力をCnodeで算出する場合には、パラメータがInodeからCnodeへ送られ、同期させるべきデータは何もない。
図9に示されるシステムは、システム1.5を表すためにも用いることができ、単一ノードは、電力を次のように算出する。すなわち、Irms×Vrms×dpf×hpf。電圧波形形状センサがVshapeを測定し、変流器または校正された磁力計が電流波形、位相、および大きさのデータを供給する。このシステムでは、Vshapeを測定して公称Vrms値が推定される。起りうる電力測定ひずみは、公称Vrmsを用いる結果として、および、電圧高調波を考慮しないことから生じうる。
このシステムは、変位および高調波力率をともに考慮に入れることによって電力推定を改善する。電圧が正弦波であると仮定すると、理論上、これは、電流サンプルに電圧サンプルを乗じるのと同じ電力値を提供する。電力算出は、InodeまたはCnodeにおいて行うことができる。電力をCnodeで算出する場合には、パラメータがInodeからCnodeへ送られ、同期させるべきデータは何もない。
システム1.6は、公称電圧を校正された電圧で置き換え、システム1.1、1.2、1.3、1.4、または1.5と組み合わせることができる。システム1.6は、複数の電力算出モードをもつ単一ノード・システムとして作動できる。変流器が電流波形、位相、および大きさのデータを供給する。電圧は、InodeでVRMSを測定することによって推定される。ひずみは、上述の電圧推定から生じうる。
このシステムでは、電流センサは、予め校正されたセンサであり、従って、一旦設置すると電流センサを校正する必要はない。次に電圧RMS値を決定するために、校正ノードを用いる。例えば、電圧は、校正ノードに適用した抵抗値、およびRと関連して対応する電流(I)を認識の上で計算される。Vは、V=I×Rによって計算される。
システム1.7は、公称電圧を外部電圧で置き換える。このシステムは、システム1.1、1.2、1.3、1.4、または1.5と組み合わせることができる。システム1.7は、複数の電力算出モードをもつ単一ノード・システムとして作動できる。変流器が電流波形、位相、および大きさのデータを供給する。電圧は、外部位置でVRMSを測定することによって推定され、Cnodeへ送られる。ひずみは、上述の電圧推定から生じうる。
電流ノードの計器は、その結果をCnodeへ送る。パテルの校正(上記背景技術セクション参照)は、Inodeに回路構成要素を追加し、この回路構成要素が、測定される回路上のコンセントに差し込んだ校正器によって導入された校正パターンを検出する。校正器は、あるパターンで抵抗を挿入および除去する。単一ノードは、電流の変化が校正ルーチンに起因するかどうかを判定するために、そのパターンを探して電流センサをモニタする。校正ルーチンに起因する場合には、電力ノードが追加の算出を行い、既知の抵抗有りおよび無しでの電流に基づいて電圧を決定する。
パテルは、10W、50W、100W、200Wの抵抗を1Hzのパルスにして挿入する校正パターンを提案する。この仕組みは、時折の手動での校正を意図しており、200Wまでを消費する大きな抵抗が必要なために費用がかかると思われる。より実用的には、このパターンは、サイクル内の低電圧間隔に測定を行うように、サブサイクル期間を修正できる。校正は、自動的に規則的な間隔で、または連続的に行うことができる。
あるいは、抵抗の代わりにキャパシタおよび/またはインダクタを用いることもできる。これは、導入されるインダクタンス(L)およびキャパシタンスIに基づいて既知の無効電力値を導入することになり、従って、有効電力は(回路の非効率性を除けば)浪費されないであろう。最後に、静電電圧形状計を校正すべきであれば、磁力計を校正するための上述の技術を適用できる。
別の態様では、電力を測定するために2ノード・システムが用いられる。かかるシステムは、1つの非接触ノードを接触Vnodeと組み合わせる。非接触ノードは、内部に配線する必要がないので、設置するのが容易である。接触ノードは、内部に配線してもよく、あるいは、プラグイン・パッケージからなってもよい(電気技師の必要性を回避する)。
背景技術セクションに上述したように、シュミットは、Vnodeが電圧をVrmsおよび位相にパラメータ化して、これらを同期のためのタイムスタンプとともにInodeへ無線で送るという可能な仕組みを記載する。Inodeは、受信した情報から同期した電圧波形を生成し、次にサンプルを一緒に乗算する。この技術は、ノードを時刻同期させることを必要とする。
電圧波形は、通常、(その位相、周波数、および振幅が変動するとはいえ)完全な正弦波に極めて近いので、パラメータ化するのに適している。対照的に、電流は、通常、高調波を抱えるので、パラメータ化するのがより難しい。
システム2.1は、変位力率補正を補助するために電圧位相推定器を用いる。単語「システム」に続く数字「2」は、複数ノード・システムを意味する。このシステムは、Vrmsが通信手段によって接触Vnodeから定期的にアップデートされることを除けば、単一ノード・モニタに関するシステム1.1と同じである。
電力算出は、Inode、Vnode、またはCnodeにおいて行うことができる。電力をVnodeで算出する場合には、パラメータがInodeからVnodeへ送られ、同期させるべきデータは何もない。電力をCnodeで算出する場合には、パラメータがセンサノードから送られ、同期は必要ない。
システム2.2は、Vrmsが通信手段によって接触Vnodeから定期的にアップデートされることを除けば、単一ノード・モニタに関するシステム1.2と同じである。システム2.2は、位相補正された電圧波形を生成するために電圧位相推定器を用いる。電力算出は、Inode、Vnode、またはCnodeにおいて行うことができる。電力をVnodeで算出する場合には、電流サンプルおよびInodeからVnodeへの位相差が送られ、位相差は、サンプルを同期させるために用いられる。電力をCnodeで算出する場合には、電流サンプル、InodeからCnodeへの位相差、およびVnode電圧サンプルがCnodeへ送られる。位相差は、サンプルを同期させるために用いられる。
システム2.3は、Vrmsが通信手段によって接触Vnodeから定期的にアップデートされることを除けば、単一ノード・モニタに関するシステム1.3と同じである。システム2.3は、形状補正された電圧波形を生成するために電圧形状推定器を用いる。電力算出は、Inode、Vnode、またはCnodeにおいて行うことができる。Vnodeで算出する場合には、Inodeからの電流サンプルおよび電圧形状サンプルがVnodeへ送られ、位相差は、サンプルを同期させるために用いられる。電力をCnodeで算出する場合には、電流サンプル、InodeからCnodeへの位相差、およびVnode電圧サンプルがCnodeへ送られる。位相差は、サンプルを同期させるために用いられる。
システム2.4は、Vrmsが通信手段によって接触Vnodeから定期的にアップデートされることを除けば、単一ノード・モニタに関するシステム1.4と同じである。システム2.4は、高調波力率を補正するために基本周波数フィルタを用いる。
システム2.5は、システム2.1およびシステム2.4を組み合わせ、Vrmsが通信手段によって接触Vnodeから定期的にアップデートされることを除けば、単一ノード・モニタに関するシステム1.5と同じである。
システム2.6は、時刻同期を遅延で置き換える。データをノード間で送ることにより導入される遅延が既知である場合には、同期されたシステムは必要ない。このシステムは、クロックをノード間で同期させる複雑さを取り除く。代わりに、電圧位相が遅延パラメータとともに非接触ノードに到着する。たとえノード・クロックがドリフトしても、遅延測定における差異は僅かである。このシステムは、新しい電圧センサも必要としない。送信側と受信側との間のタイミング基準は、送信されるデータ・パケットである(例えば、パケットのプリアンブル上で同期される)。送信ノードがその局所データ測定から同期用送信点(プリアンブル)への遅延を送信し、受信ノードが同期用受信点(プリアンブル)から局所測定データへの遅延を測定する。
システム2.7は、電圧波形を合成する代わりに、Vnodeからサンプルを用いることを除けば、システム2.2と同じである。システム2.7は、位相補正された電圧波形を生成するために電圧位相推定器を用いる。
電力算出は、Inode、Vnode、またはCnodeにおいて行うことができる。電力をInodeで算出する場合には、電圧サンプルがVnodeからInodeへ送られ、Vnodeサンプルを位相差により調整することによってサンプルが同期される。電力をVnodeで算出する場合には、Inodeからの電流サンプルおよび位相差がVnodeへ送られ、位相差は、サンプルを同期させるために用いられる。電力をCnodeで算出する場合には、電流サンプル、InodeからCnodeへの位相差、およびVnode電圧サンプルがCnodeへ送られる。位相差は、サンプルを同期させるために用いられる。
上に提示されるこれらの変形例の大部分において、電力は、専らノード間で情報を送ることによりいずれのノードでも算出できる。従って、算出をInodeで行う理由は何もない。特に、(電池を用いる)50のInodeがありうる多世帯の所では、Inodeの複雑さおよび電力需要が最適に削減されるべきである。かくして、電流パラメータは、処理のためにVnodeまたはCnodeのいずれかへ送られるとよい。
パラメータ化した値を送る二重ノードの変形例では、(パラメータを局所的に測定する代わりに)それらを送ることにより導入される遅延は、僅かである。それに対して、サンプルを乗算する変形例は、ノード・クロックを同期させて送るサンプルにタイムスタンプを押すか、または、送信により導入される遅延を追跡するかのいずれかによって、注意深く同期させなければならない。表1は、同期を必要とするシステムをまとめたものである。
パラメータ化した値を用いる変形例では、Wi−Fiまたは簡易な形態の電力線通信(PLC:Power Line Communication)が用いられる。サンプルを乗算する変形例では、サンプルを適切にシフトさせるために、同期(クロックまたは遅延)、あるいは位相差の測定のいずれかを用いることができる。
非接触ノードのための電力は、耐用年数の長い交換式電池を用いて最も容易に供給される。しかしながら、電池は、特に複数のアパートおよび/または部分回路を測定する多くの電流測定ノードがあるときに、メンテナンスの課題を提起する。電流フローの測定に変流器を用いるときには、これらの同じ変流器から利用可能な電力がある。変流器は、電流測定結果およびノードのための電力を供給する二重機能を提供する。各機能、すなわち、電力および測定用に別個の変流器も可能である。
電力は、測定される回路に電流フローが存在するときにその回路から収集できるに過ぎない。回路が電流測定ノードへの電力供給を維持するのに十分な電力フローを有さない場合には、Inodeは、利用可能な電力に合致するようにそのデューティサイクルを調整するか、または、追加の電源(例えば、電池)を補強しなければならない。
図10は、非接触センサからの電圧波形形状測定結果を用いて電力を算出するための方法を示すフローチャートである。本方法は、明確さのために番号付けしたステップのシーケンスとして示されるが、番号付けはステップの順序を必ずしも決定付けない。当然のことながら、これらのステップのいくつかを省略しても、並行して行っても、またはシーケンスの厳密な順序を維持する必要なしに行ってもよい。しかしながら一般に、本方法は、示されたステップの番号順に従う。本方法は、ステップ1000で開始する。
ステップ1002は、ソースノードから接続先ノードへ、AC電圧と関連する、AC電流を運ぶ導電性媒体を設ける。ステップ1004は、導電性媒体を通るAC電流を測定する。ステップ1006は、導電性媒体に直接接続されていない非接触センサを用いて、AC電圧波形形状を測定する。ステップ1008は、AC電流測定結果、AC電圧波形形状の測定結果、およびAC電位に応じて接続先ノードでの電力使用量を算出する。
一態様において、ステップ1004におけるAC電流の測定は、ソースノードと接続先ノードとの間に位置する第1のノードでAC電流を測定することを含み、ステップ1006におけるAC電圧波形形状の測定も、第1のノードでAC電圧波形形状を測定することを含む。ステップ1008における電力使用量の算出は、AC電位推定値、AC電位の実測結果、または外部ソースによって供給された値である、AC電位に応じて電力使用量を算出することを含む。
一態様において、ステップ1004におけるAC電流の測定は、ACサイクルごとに複数の瞬時電流値(I)を測定することを含む。ステップ1006におけるAC電圧波形形状の測定は、AC電圧位相を測定することを含む。ステップ1008における電力使用量の算出は、次のサブステップを含む。ステップ1008aは、複数のI値からAC電流位相およびAC電流二乗平均平方根(IRMS)値を算出する。ステップ1008bは、AC電流の位相とAC電圧の位相との間の差角(Q)を見出す。ステップ1008cは、AC電位から導出されたVRMS値を用いて、cos(Q)×IRMS×VRMSを見出す。
関係する変形例では、ステップ1008dは、複数のI値からAC電流位相を算出する。ステップ1008eは、サイクルごとに複数の瞬時電圧値(V)を用い、測定されたAC電圧波形と同じ位相を有するAC電圧波形形状の推定値によりAC電圧の大きさをスケーリングすることによって、合成されたAC電圧信号を生成する。ステップ1008bは、AC電流の位相とAC電圧の位相の間の差角(Q)を見出す。ステップ1008fは、IおよびV瞬時値の間の変位を維持するために差角を用いる。ステップ1008gは、複数の値にわたって(I×V)を合計する。
別の態様では、ステップ1004は、ACサイクルごとに複数の瞬時電流値(I)を測定する。ステップ1008dは、複数のI値からAC電流位相を算出する。ステップ1008hは、サイクルごとに複数の瞬時電圧値(V)を用い、測定されたAC電圧波形形状によりAC電圧の大きさをスケーリングすることによって、合成されたAC電圧信号を生成する。ステップ1008bは、AC電流の位相とAC電圧の位相との間の差角(Q)を見出す。ステップ1008fは、IおよびV瞬時値の間の変位を維持するために差角を用いる。ステップ1008gは、複数の値にわたって(I×V)を合計する。
別の態様では、ステップ1004は、ACサイクルごとに複数の瞬時電流値(I)を測定する。ステップ1005は、複数の測定されたI値をハイパスフィルタ処理する。ステップ1008iは、I値およびフィルタ処理されたI値から高調波ひずみ力率(hpf)を算出する。ステップ1008bは、AC電流の位相とAC電圧の位相との間の差角(Q)を見出す。ステップ1008jは、AC電位から導出されたVRMS値を用いて、cos(Q)×IRMS×VRMS×hpfを見出す。
別の態様では、ステップ1004は、ACサイクルごとに複数の瞬時電流値(I)を測定する。ステップ1008dは、複数のI値からAC電流位相を算出する。ステップ1008kは、サイクルごとに複数の測定された瞬時電圧値(V)を用いる。ステップ1008bは、AC電流の位相とAC電圧の位相との間の差角(Q)を見出す。ステップ1008fは、IおよびV瞬時値の間の変位を維持するために差角を用いる。ステップ1008gは、複数の値にわたって(I×V)を合計する。
別の変形例では、ステップ1007aは、既知の負荷を導電性媒体に接続された第2のノードに適用する。ステップ1007bは、既知の負荷の両端間のAC電流の測定に応じてVRMSを算出する。ステップ1007cは、電力使用量を算定する際にAC電位としてVRMSを用いる。一態様において、ステップ1007aは、既知の負荷をサブサイクル期間にわたって適用する。別の態様では、ステップ1007aは、抵抗、キャパシタ、インダクタ、または上述の素子の組み合わせであってもよい既知の負荷を適用する。
図11は、異なるノードで測定された情報を用いて電力を算出するための方法における変形例を示すフローチャートである。本方法は、ステップ1100で始まる。ステップ1102は、ソースノードから接続先ノードへ、AC電圧と関連する、AC電流を運ぶ導電性媒体を設ける。ステップ1104は、導電性媒体を通るAC電流を第1のノードで測定する。ステップ1106は、導電性媒体上のAC電圧を第2のノードで測定する。ステップ1108は、測定データをテストノードから第1のノード、第2のノード、または第1および第2の両ノードへ送信する。送信される測定データは、測定された遅延値を含み、ここで遅延値は、データが測定されたときと、データが送信されたときとの間の期間である。ステップ1110は、AC電流測定結果、AC電圧測定結果、および遅延値に応じて電力使用量を算出する。一態様において、ステップ1108は、データを第1のノード、第2のノード、または収集ノードへ送信する。
非接触電圧波形形状センサを用いて電力測定を行うためのシステムおよび方法が提供された。本発明を説明するために特定のメッセージ構造およびハードウェアユニットの例が提示された。しかしながら、本発明は、単にこれらの例には限定されない。当業者であれば本発明の他の変形例および実施形態に気付くであろう。

Claims (12)

  1. 非接触センサからの電圧波形形状測定結果を用いて電力を算出するための方法であって、
    ソースノードから接続先ノードへ、交流(AC)電圧と関連する、AC電流を運ぶ導電性媒体を設ける導電性媒体設置ステップと、
    ACサイクルごとに複数の瞬時電流値(I)を測定するステップを含む、前記導電性媒体を通る前記AC電流を測定するAC電流測定ステップと、
    前記導電性媒体に直接接続されていない前記非接触センサを用いて、AC電圧波形形状を測定するAC電圧波形形状測定ステップと、
    前記AC電流の測定結果、前記AC電圧波形形状の測定結果、およびAC電位に応じて前記接続先ノードでの電力使用量を算出する電力使用量算出ステップと、
    測定された複数の前記I値をハイパスフィルタ処理するハイパスフィルタ処理ステップと、を備え、
    前記AC電流測定ステップには、前記ソースノードと前記接続先ノードとの間に位置する第1のノードで前記AC電流を測定するステップが含まれ、
    前記AC電圧波形形状測定ステップには、前記第1のノードで前記AC電圧波形形状を測定するステップが含まれ、
    前記電力使用量算出ステップには、AC電位推定値、前記AC電位の実測結果、および外部ソースによって供給された値からなる群から選択される前記AC電位に応じて前記電力使用量を算出するステップと、前記I値および前記ハイパスフィルタ処理された前記I値から高調波ひずみ力率(hpf)を算出するステップと、前記AC電流の位相と前記AC電圧の位相との間の差角(Q)を見出すステップと、前記AC電位から導出されるVRMS値を用いて、cos(Q)×IRMS×VRMS×hpfを見出すステップと、が含まれることを特徴とする方法。
  2. 非接触センサからの電圧波形形状測定結果を用いて電力を算出するための方法であって、
    ソースノードから接続先ノードへ、交流(AC)電圧と関連する、AC電流を運ぶ導電性媒体を設ける導電性媒体設置ステップと、
    前記導電性媒体を通る前記AC電流を測定するAC電流測定ステップと、
    前記導電性媒体に直接接続されていない前記非接触センサを用いて、AC電圧波形形状を測定するAC電圧波形形状測定ステップと、
    前記AC電流の測定結果、前記AC電圧波形形状の測定結果、およびAC電位に応じて前記接続先ノードでの電力使用量を算出する電力使用量算出ステップと、を備え、
    前記AC電流測定ステップには、前記ソースノードと前記接続先ノードとの間に位置する第1のノードで前記AC電流を測定するステップと、既知の負荷を前記導電性媒体に接続された第2のノードに適用するステップと、前記既知の負荷の両端間の前記AC電流の測定に応じてVRMS値を算出するステップと、が含まれ、
    前記AC電圧波形形状測定ステップには、前記第1のノードで前記AC電圧波形形状を測定するステップが含まれ、
    前記電力使用量算出ステップには、AC電位推定値、前記AC電位の実測結果、および外部ソースによって供給された値からなる群から選択される前記AC電位に応じて前記電力使用量を算出するステップと、前記AC電位として前記VRMS値を用いるステップと、が含まれることを特徴とする方法。
  3. 異なるノードで測定された情報を用いて電力を算出するための方法であって、
    ソースノードから接続先ノードへ、交流(AC)電圧と関連する、AC電流を運ぶ導電性媒体を設ける導電性媒体設置ステップと、
    前記導電性媒体を通る前記AC電流を第1のノードで測定するAC電流測定ステップと、
    前記導電性媒体上の前記AC電圧を第2のノードで測定するAC電圧測定ステップと、
    データが測定されたときと前記データが送信されたときとの間の期間を示す遅延値を含む測定データを、前記第1のノード、前記第2のノード、ならびに前記第1および第2の両ノードからなる群から選択されるテストノードから送信する測定データ送信ステップと、
    前記AC電流の測定結果、前記AC電圧の測定結果、および前記遅延値に応じて電力使用量を算出する電力使用量算出ステップと、を備えることを特徴とする方法。
  4. 非接触電圧位相センサを用いて電力を算出するためのシステムであって、
    ソースノードから接続先ノードへ、交流(AC)電圧と関連する、AC電流を運ぶ導電性媒体の第1のノードに結合するように構成され、AC電流測定結果を供給するための出力を有する非接触AC電流センサと、
    前記導電性媒体に直接接続することなく前記第1のノードに結合するように構成され、AC電圧波形形状測定結果を供給するための出力を有する前記非接触電圧位相センサと、
    前記AC電流測定結果および前記AC電圧波形形状測定結果を受け取るための入力ポートを有し、前記AC電流測定結果、前記AC電圧波形形状測定結果、およびAC電位に応じて電力使用量を前記接続先ノードに供給するための出力を有する前記算出器と、を備え、
    前記AC電流センサは、ACサイクルごとに複数の瞬時電流値(I)を供給し、
    さらに、前記AC電流センサは、ハイパスフィルタを含み、前記ACサイクルごとに複数の前記I値を複数のハイパスフィルタ処理された前記I値とともに供給し、
    前記非接触電圧位相センサは、AC電圧位相測定結果を供給し、
    前記算出器は、前記I値および前記ハイパスフィルタ処理された前記I値から高調波ひずみ力率(hpf)を算出し、複数の前記I値からAC電流位相を算出し、前記AC電流の位相と前記AC電圧の位相との間の差角(Q)を見出し、AC電位推定値、AC電位の実測値、および外部ソースによって供給された値からなる群から選択される前記AC電位から導出されたV RMS 値を用いて、cos(Q)×I RMS ×V RMS ×hpfを見出すことより前記電力使用量を算出することを特徴とするシステム。
  5. 前記算出器は、前記ACサイクルごとに複数の瞬時電圧値(V)を用い、前記AC電圧位相測定結果と同じ位相を有する前記AC電圧波形形状の推定値によりAC電圧の大きさをスケーリングすることによって、合成されたAC電圧信号を生成し、前記I値および前記V値の間の変位を維持するために前記差角を用い、複数の値にわたって(I×V)を合計することを特徴とする請求項4に記載のシステム。
  6. 前記算出器は、前記ACサイクルごとに複数の瞬時電圧値(V)を用い、測定された前記AC電圧波形形状によりAC電圧の大きさをスケーリングすることによって、合成されたAC電圧信号を生成し、前記I値および前記V値の間の変位を維持するために前記差角を用い、複数の値にわたって(I×V)を合計することを特徴とする請求項4に記載のシステム。
  7. 前記算出器は、前記外部ソースから前記ACサイクルごとに複数の測定された瞬時電圧値(V)を受け取り、前記I値および前記V値の間の変位を維持するために前記差角を用い、複数の値にわたって(I×V)を合計することを特徴とする請求項4に記載のシステム。
  8. 非接触電圧位相センサを用いて電力を算出するためのシステムであって、
    ソースノードから接続先ノードへ、交流(AC)電圧と関連する、AC電流を運ぶ導電性媒体の第1のノードに結合するように構成され、AC電流測定結果を供給するための出力を有する非接触AC電流センサと、
    前記導電性媒体に直接接続することなく前記第1のノードに結合するように構成され、AC電圧波形形状測定結果を供給するための出力を有する非接触電圧位相センサと、
    前記導電性媒体の第2のノードに選択的に接続するように構成された既知の負荷と、
    前記AC電流測定結果および前記AC電圧波形形状測定結果を受け取るための入力ポートを有し、前記AC電流測定結果、前記AC電圧波形形状測定結果、およびAC電位に応じて電力使用量を前記接続先ノードに供給するための出力を有する前記算出器と、を備え、
    前記AC電流センサは、前記既知の負荷が接続されたときに、校正されたAC電流測定結果を供給し、
    前記算出器は、AC電位推定値、AC電位の実測値、および外部ソースによって供給された値からなる群から選択される前記AC電位に応じて前記電力使用量を算出するものであり、前記既知の負荷および校正されたAC電流測定結果に応じてVRMS値を算出し、前記電力使用量を算出する際に前記AC電位として前記VRMS値を用いることを特徴とするシステム。
  9. 前記既知の負荷は、サブサイクル期間にわたって前記第2のノードに選択的に接続されることを特徴とする請求項に記載のシステム。
  10. 前記既知の負荷は、抵抗、キャパシタおよびインダクタからなる群から選択されることを特徴とする請求項に記載のシステム。
  11. 異なるノードで測定された情報を用いて電力を算出するためのシステムであって、
    ソースノードから接続先ノードへ、交流(AC)電圧と関連する、AC電流を運ぶ導電性媒体の第1のノードに結合するように構成され、AC電流測定データを供給するための出力を有する前記AC電流センサと、
    第2のノードに結合するように構成され、AC電圧測定データを供給するための出力を
    有するAC電圧センサと、
    前記AC電流測定データ、前記AC電圧測定データ、および遅延値を受け取るための入力、前記入力に応じて電力使用量データを接続先ノードに供給するための出力を有する算出器と、を備え、
    前記第1のノード、前記第2のノード、ならびに前記第1および第2の両ノードからなる群から選択されるテストノードは、データが測定されたときと前記データが送信されたときとの間の期間を示す前記遅延値を含んだ測定データを送信することを特徴とするシステム。
  12. 前記算出器は、前記第1のノード、前記第2のテストノード、および第3のノードからなる群から選択されるノードに位置することを特徴とする請求項11に記載のシステム。
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