KR20170110648A - 어드레싱가능한 전기 콘센트들을 포함하는, 스마트 기기들 - Google Patents

어드레싱가능한 전기 콘센트들을 포함하는, 스마트 기기들 Download PDF

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Abstract

에너지 소모 또는 비용을 감소시키는데 도움이 되는 스마트 기기들이 정의된다. 스마트 기기들은 전력선들을 통해 그리고 특히 한편으로 라이브 플러스 뉴트럴 전력선들과 다른 한편으로 접지선 사이에서 통신 신호들을 주입함으로써 스마트 에너지원들과 통신하고, 통신 프로토콜은 전원이 기기가 접속되는 전기 회로를 식별할 수 있게 하고 이에 의해 그 기기에 대한 정확한 전기 회로 상에서 기기에 선택된 타입의 전력을 라우팅할 수 있게 한다. 어드레싱가능한 전기 콘센트가 또한 스마트 기기의 한 형태로서 개시된다.

Description

어드레싱가능한 전기 콘센트들을 포함하는, 스마트 기기들
관련 출원들
이 출원은 "Smart Appliances"라는 명칭으로 2015년 1월 29일에 출원되었으며 그 개시내용 전체가 참조로 본원에 포함되는 미국 특허 출원 일련번호 제14/608,207호를 우선권 주장한다. 출원은 추가로 "Addressable Electrical Outlets"라는 명칭으로 2015년 2월 16일에 출원되었으며 제14/608,207호의 부분-계속 출원이며 그 개시내용 전체가 참조로 본원에 포함되는 미국 특허 출원 일련번호 제14/623,454호를 우선권 주장한다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 광전지 태양열 전력과 같은 간헐적 재생가능한(renewable) 에너지원들의 효율적 사용에 관한 것이고, 특별하게는 스마트 기기들 및 어드레싱가능한 전기 콘센트들을 스마트 에너지원들과 통신상으로 커플링시키는 하우스 와이어링 통신 시스템(house wiring communication system)에 관한 것이다.
때때로, 기술적 개발권들에서, 새로운 용어들 및 구문들이 이들의 가능한 의미의 전체 범위가 일반적으로 수용되기 전에 사용될 수 있다. 예를 들어, 용어 ISDN(Integrated Services Delivery Network)(통합 서비스 전달 네트워크)은 한때 공중 전화 시스템의 가능한 기술적 미래를 기술하도록 만들어졌다. 수년 후, ISDN 배너 하의 개발들이 가상(imagination)을 캡쳐하는 것으로 이어지지 않아서, ISDN이 냉소적으로 "I Still Don't Know"라는 별명으로 불리는 결과를 초래했다. ISDN은 IP 라우팅 및 인터넷에 의해 현재 완전히 추월당하여 진부해졌다.
현 10년 내, 용어 "스마트 그리드(The Smart Grid)"가 전기 네트워크의 미래를 기술하는데 사용되기 시작했다. 용어는 전기 그리드를, 바람 및 태양과 같은 간헐적 재생가능한 에너지원들의 더 높은 비율을 수용할 수 있도록 만드는 것을 가장 빈번하게 내포하는 것으로 보이지만, 평균적인 주택 소유주를 위해 할 수 있는 것은 여전히 미스터리이며, 많은 이들이 결과적으로 에너지 사용을 위한 요금들이 증가할 것이라고 냉소적으로 예측한다.
마찬가지로, 용어 "스마트 기기들"이 최근 사용되기 시작했다. 매우 다양한 스마트 기기들이 존재함에 따라, "스마트 기기"에 일반적인 의미를 부여하거나, 또는 "스마트 기기"를 특성화하는 행동을 부여하는 것이 어려울 수 있다. "스마트 기기"의 하나의 미래는 그것이 에너지 소모 또는 비용을 최소화하기 위해 다양한 타입들 또는 비용들의 전력의 가용성에 대해 자동으로 적응되는 것일 수 있는데, 이는 전원들과 스마트 기기 사이의 통신을 내포하는 것으로 보인다.
데이터 케이블에 의한 스마트 기기들과의 통신은 추가적인 옥내 배선을 요구할 것이며; 따라서 이러한 데이터 통신이 바람직하게는, 예를 들어, 블루투스, 지그비, 또는 WiFi 표준들을 사용하는 무선이어야 한다고 결론지어질 수 있다. 그러나, 선택된 타입의 전력을 스마트 기기에 라우팅하기 위해, 전력 설비는 어느 차단기 회로에 기기가 접속되는지를 알 필요가 있는데, 이는 기존의 무선 또는 유선 방법들에 의해서는 제공되지 않는다. 따라서, 기기가 접속되는 전기 회로를 식별하는 방법에 대한 필요성이 존재하며; 사용자에 대해 일반적인 관심 및 이점을 줄 수 있는 스마트 기기 및 "스마트 그리드"와의 그것의 상호작용의 특징들을 정의할 필요성이 존재하며, 새롭고 유형적인 이점들을 제공하는 스마트 기기를 구성하고, 제어하고, 이와 통신하기 위한 일부 신규한 방법들 및 시스템들을 소유하고 고안하기 위해 광범위한 진보된 전기 기기들이 설계될 수 있다. 어드레싱가능한 전기 콘센트가 본원에서 기술되는데, 이는 그것의 전력의 원격 제어를 위해 그리고/또는 컴퓨터 또는 프린터와 같은 기기에 대한 로컬 데이터 접속을 제공하기 위해 종래 기술의 기기와 함께 사용될 수 있다.
연관된 과-전류 보호 디바이스들에 의해 보호되는 와이어들에 의해 다수의 회로들 또는 콘센트들에 전력을 분배하기 위한 스마트 전력 분배 유닛을 포함하는 전기 설비에서, 발명의 스마트 기기들 또는 어드레싱가능한 콘센트들과 또는 이들 사이에서 자동으로 통신하기 위한 방법 및 시스템은 스마트 기기가 접속된 회로 또는 콘센트를 결정하여, 이에 의해 스마트 전력 분배 유닛이 선택된 타입들의 전력을 스마트 기기에 라우팅할 수 있게 한다. 스마트 전력 분배 유닛은 또한, 스마트 기기 또는 어드레싱가능한 콘센트로 그리고 스마트 기기 또는 어드레싱가능한 콘센트로부터 정보를 통신하여, 그것이 자신의 의도된 작업을 수행하거나 또는 그것을 턴 온 또는 턴 오프하는 시기 또는 방법과 같은, 그것의 동작에 영향을 줄 수 있다.
한 가지 구현예에서, 통신하기 위한 방법 및 시스템은, 라이브, 뉴트럴 및 접지 와이어들을 포함하는, 각각의 회로의 전력 분배 와이어들을 사용하여, 캐리어 주파수 신호의 변조에 의해 디지털 데이터를 전송 및 수신하는 것을 포함한다. 캐리어 주파수 신호는, 예를 들어, 통신 신호 커플링 인덕터의 적어도 단일-턴 1차측 권선(single-turn primary winding)을 구성하기 위해 라이브 및 뉴트럴 전력 리드들 중 적어도 하나가 - 접지 리드를 제외 - 통과하는 각각의 스마트 기기 또는 어드레싱가능한 콘센트에서 자기 커플링 디바이스 또는 변압기를 사용함으로써 전력 분배 와이어들에 커플링될 수 있다.
바람직한 구현예에서, 자기 커플링 디바이스는 커패시터를 가지고 캐리어 신호 주파수로 공진되어 제1 동조 회로인 멀티-턴 2차측 권선을 가지는 페라이트 토로이드이다. 유사한 또는 동일한 배열이 스마트 전력 분배 유닛에서 사용되어 선로(wire run)를 스마트 기기가 플러그인된 콘센트에 커플링시킨다. 뉴트럴 와이어가 자기 커플링 디바이스를 통과한 이후, 그것은 접지 와이어로, 필요한 경우 전력선 주파수에서 높은 임피던스를 그리고 캐리어 주파수에서 낮은 임피던스를 가지는 커패시터와 디커플링되어서, 접지 와이어와 적어도 뉴트럴 와이어를 포함하는 커플링 루프가 캐리어 주파수에서 형성되고, 커플링 루프는 이에 의해 선로의 각각의 단부에서 동조된 회로들 사이에서 캐리어 신호 주파수에서 데이터 변조된 신호들을 커플링시킨다.
캐리어 주파수 신호는 디지털 주파수 변조(FSK)와 같은 임의의 적절한 변조 기법을 사용하여 스마트 전력 분배 유닛과 스마트 기기 또는 어드레싱가능한 콘센트 사이에서 전달될 데이터를 이용하여 변조되고, 캐리어 주파수 신호는 이후 복조되어 데이터를 추출한다. 바람직하게는, 주파수 시프트 키잉 또는 위상 시프트 키잉의 변형과 같은 일정한 포락선 변조가 하드-제한 수신기와 함께 사용된다.
시간 듀플렉스 또는 핑퐁 통신 프로토콜(TDMA)이 사용되어 각각의 방향에서 교번적으로 디지털 데이터 변조된 캐리어 주파수 신호들의 버스트들을 전송할 수 있다. 시간 듀플렉스 포맷은 상이한 차단기 회로들 상의 기기들이 순차적으로 폴링(poll)될 수 있게 하는 각각의 전송 방향에 대한 다수의 시간-슬롯들을 포함할 수 있다. 시간 듀플렉스 포맷은, 초기에 새로운 디바이스와의 통신을 최초로 설정하는 것; 추후 통신을 위한 시간 슬롯들을 할당하는 것; 추후 통신을 위한 어드레스들을 할당하는 것; 스마트 전력 분배 유닛에 접속되는 기기의 타입 또는 클래스를 설정하는 것; 기기 또는 콘센트가 어느 전력 회로에 의해 전력공급되는지 또는 기기가 어느 콘센트에 플러그인되는지의 견지에서 스마트 기기 또는 어드레싱가능한 콘센트의 위치를 설정하는 것; 기기가 하나의 위치로부터 언플러그되거나 상이한 위치로 플러그인되어야 하는 위치 업데이트 동작을 수행하는 것; 및 스마트 기기, 어드레싱가능한 콘센트, 전기 설비, 교류 에너지원, 또는 스마트 그리드의 동작에 관련된 데이터를 교환하는 것을 포함할 수 있는 목적들을 위해, 상이한 슬롯들이 GSM 또는 IS54와 같은 TDMA 셀룰러 전화 시스템에서와 같이 상이한 타입들의 데이터를 반송하는 프레임 패턴을 더 포함할 수 있다.
각각의 디지털 데이터 버스트는 동기화 패턴, 데이터가 의도되는 유닛에 대한 어드레스, 및 목적지 유닛의 행동을 제어하기 위한 데이터를 포함할 수 있다. 대안적으로, 데이터는 어느 기기들이 주어진 차단기 회로 상에 있는지를 결정하기 위한 질의 또는 "CQ 호출"일 수 있다. 동일한 캐리어 신호 주파수 상에서 동시에 전송하려 시도하는 상이한 기기들 또는 콘센트들 사이의 신호 충돌들은, 이들을 상이한 시간 슬롯들에 할당하는 것, 스마트 전력 분배 유닛으로부터의 질문 메시지에 응답해서만, 또는 캐리어 감지 다중 액세스(CSMA)의 사용에 의해 전송을 허용하는 것, 또는 이러한 방법들의 조합에 의해 회피될 수 있다.
통상적인 설비 및 응용예에서, 스마트 전력 분배 유닛은 그리드 전력 또는 태양열 전력과 같은 다수의 전기 전원들을 가질 수 있고, 이는 임의의 주어진 스마트 기기 또는 어드레싱가능한 콘센트가 접속되는 차단기 회로에 관련될 수 있다. 발명의 실시예들의 통신 방법 및 장치는 임의의 주어진 기기가 접속되는 차단기 회로를 공개하고, 따라서, 기기가 하나의 콘센트로부터 언플러그되어 상이한 회로 상의 상이한 콘센트로 플러그인되는 경우, 이것이 검출될 수 있으며, 스마트 전력 분배 유닛은 어느 차단기 회로가 그것이 해당 기기 또는 콘센트에 선택가능한 타입의 전력을 지향시켜야 하는지에 대해 여전히 알고 있을 것이다.
발명에 따른 스마트 기기 또는 어드레싱가능한 콘센트의 한 가지 공통적 특성이 따라서 스마트 전력 분배 유닛과 통신하여, 이에 의해 에너지 소모 또는 비용을 공동으로 최소화하는 기기 또는 콘센트로서 요약될 수 있으며, 이러한 목표를 가장 효과적으로 달성하기 위한 전제 조건은 스마트 전력 분배 유닛에 의해 서빙되는 전력 회로들 중 어느 것에 스마트 기기 또는 어드레싱가능한 콘센트가 접속되는지를 자동으로 설정하는 것이다.
도 1은 스마트 기기들 사이에서 통신하기 위한 회로 배열을 예시한다.
도 2는 스마트 전력 분배 유닛을 더 상세히 도시한다.
도 3은 240-볼트 회로를 커플링시키기 위한 통신 신호를 도시한다.
도 4는 유틸리티 회사로부터 스마트 기기들로의 통신의 체인을 도시한다.
도 5는 가능한 시분할 다중 액세스 프레임 포맷을 도시한다.
도 6은 디지털 데이터를 변조 및 복조시키기 위한 가능한 회로를 도시한다.
도 7은 새로운 타입의 회로 차단기를 도시한다.
도 8은 스마트 기기들을 위한 새로운 타입의 전력 유입 커넥터를 도시한다.
도 8a는 도 8의 새로운 타입의 전력 유입 필터에 대한 회로를 도시한다.
도 9는 주거 설비 내에 존재할 수 있는 스마트 기기들을 도시한다.
도 10은 전송 주파수 응답들을 분석하기 위해 사용되는 회로를 도시한다.
도 11은 단선(short line)들 및 댐핑 없음(no damping)에 대한 넓은 범위의 주파수 응답을 도시한다.
도 12는 장선(long line)들 및 댐핑 없음에 대한 넓은 범위의 주파수 응답을 도시한다.
도 13은 단선들 및 댐핑 없음에 대한 통과대역 주파수 응답을 도시한다.
도 14는 장선들 및 댐핑 없음에 대한 통과대역 주파수 응답을 도시한다.
도 15는 댐핑이 있는 장선들에 대한 넓은 범위의 주파수 응답을 도시한다.
도 16은 댐핑이 있는 단선들에 대한 통과대역 주파수 응답을 도시한다.
도 17은 댐핑이 있는 장선들에 대한 통과대역 주파수 응답을 도시한다.
도 18은 더 낮은 Q 회로들을 이용한 통과대역 주파수 응답을 도시한다.
도 19는 동일한 차단기 회로에 플러그인되는 5개의 기기들에 대한 전송 감쇠를 도시한다.
도 20은 동일한 차단기 회로에 플러그인되는 10개의 기기들에 대한 전송 감쇠를 도시한다.
도 21은 대안적인 통신 신호 커플링 회로를 도시한다.
도 22는 어드레싱가능한 전기 콘센트들의 체인 접속을 도시한다.
도 2는, 허가된 미국 특허 제8,937,822호의 계속 출원인, 미국 특허 출원 공보 제2014/084,687호로서 공개된, 2014년 10월 24일에 "Improved Solar Energy Conversion and Utilization System"라는 명칭으로 현 발명자에 대해 출원된 미국 특허 출원 제14/062,884호에 기술된 바와 같이, "스마트 로드 센터(Smart Load Center)"라고도 명명되는 스마트 전력 분배 유닛의 내부 배열을 도시한다. 위 출원 및 '822 특허는 이에 의해 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.
본원에서 "스마트 전력 분배 유닛"으로서 지칭되며, 위에서 포함된 출원들 및 특허에서 "스마트 로드 센터"로서 지칭되는 디바이스는 차단기 박스, 로드 센터, 또는 서브-패널과 같은 다양한 다른 이름들로서 종래 기술에서 또한 공지될 수 있는 디바이스들의 클래스에서 새로운 디바이스이다. 일반적으로, 형용사 "스마트"와 이러한 용어들 중 임의의 것과의 결합은, 디바이스에 통상적인 또는 "넌-스마트" 디바이스들에서 통상적으로 발견되는 것을 넘는 일부 새로운 능력 또는 지능적 행동이 제공된다는 것을 뜻하는 것으로 의도된다. 마찬가지로, 용어 "스마트 기기"들은 일부 새로운 그리고 유용한 행동을 가지는 가정용 전기 기기를 뜻한다. 용어 "스마트 기기"는 또한 영구적으로 설치되는 가정용 전기 기기들의 형태들로서 이들을 간주함으로써 스마트 로드 센터/스마트 전력 분배 유닛을 포함하는 것으로 일반화될 수 있다. 용어 "스마트 기기"는 또한, 태양열 에너지 설비 내의 엘리먼트들과 같은 다른 영구적으로 설치되는 디바이스들, 즉, 스마트 DC-대-AC 인버터들, 스마트 광전지 스트링 조합기들, 및 스마트 배터리 제어기들을 포함하는 것으로 일반화될 수 있고, 또한 스마트 전력 분배 유닛과 통신하여 이에 의해 이들을 원격으로 턴 온 또는 턴 오프하거나 컴퓨터 또는 프린터와 같은 종래 기술의 기기에 대한 접속을 위한 로컬 데이터 콘센트를 제공하는 스마트 전기 콘센트들 또는 어댑터들을 의미할 수 있다. 용어의 의미는 또한 과금 목적으로 소모를 측정하여 소모를 전기 유틸리티 회사에 보고하거나, 또는 유틸리티 회사로부터 하루-중-시간 기반 요금 변경들을 자동으로 수신하는 스마트 전기 유틸리티 계측기(meter)들을 포함하도록 확장될 수 있다. 따라서, 스마트 기기들 또는 어드레싱가능한 콘센트들과 스마트 전력 분배 유닛 사이의 통신은 또한 스마트 기기들 사이의 통신으로서 간주될 수 있고, 그 역도 성립한다. 일반적으로, 기술될 발명은 이러한 통신이 관심대상일 때 임의의 이러한 일반화된 스마트 기기들 사이의 통신을 위해 사용될 수 있다.
위에서 포함된 '822 특허에 개시된 스마트 로드 센터를 예시하는 도 2에서, 종래의 차단기 패턴의 중심에서 일반적으로 아래로 확장하며 회로 차단기들이 접속되는 2개의 전력 버스들에 비해, 이제 새로운 4개의 전력 버스바들이 있는데, 2개는 태양열 전력 또는 다른 대체 에너지원에 대한 것이고, 2개는 유틸리티 그리드 전력 또는 다른 1차측 에너지원에 대한 것이다. 4중 버스바(3009)는 각각의 태양열 입력 러그(L1 및 L2)(3001)에 대해 적어도 60 암페어 및 각각의 유틸리티 전력 입력 러그(L1 및 L2)(3002)에 대해 적어도 60 암페어를 핸들링하도록 크기가 정해진다. 도 2의 패널은 통상적으로 서브-패널로서 설치되며 메인 서비스 패널로부터 60A 또는 100A의 2-극 급전기 차단기를 통해 급전된다. 태양열 입력은 태양열 DC 대 AC 로드 인버터(1000)로부터 유도될 수 있는데, 이는 이미 전기적으로 전류 제한된다. 싱글 폴, 더블 스로우(Single Pole, Double Throw)(SPDT) 릴레이들(3003)이 사용되어 태양열 전력 버스바들 중 하나로부터 또는 유틸리티 전력 버스바로부터 각각의 차단기의 각각의 극에 대한 전력을 선택한다. 각각의 측에서, 차단기들은 L1과 L2를 사용하는 것 사이에서 교번하고, 따라서, 한 쌍의 인접한 슬롯들이 우물 펌프 또는 회전식 건조기에 대해 필요한 것과 같은 양극(240-볼트) 회로에 대해 사용될 수 있다. 각각의 릴레이는, 도시되지는 않았지만 그것의 기능들이 위에서 포함된 출원들에 상세히 기술된 마이크로프로세서에 의해 제어되며, 도 6을 기술할 때 더 확대될 것이다.
각각의 릴레이(3003)에 의해 선택되는 전원은 그 위에 2차측이 감겨서 각각의 회로에 대한 전류 센서를 제공하는 토로이달 코어(toroidal core)(3008)를 통해 그것의 연관된 차단기에 라우팅된다. 여기서 발명의 기재로부터 명백해질 바와 같이, 동일한 또는 유사한 토로이달 코어가 사용되어 코어를 통해 전력선 또는 전력선들로/로부터 디지털 데이터 변조된 캐리어 주파수 신호들을 주입하거나 추출할 수 있고, 데이터는 해당 차단기 회로를 통해 스마트 기기 또는 어드레싱가능한 콘센트에 전송되거나 이로부터 수신된다.
각각의 차단기 회로로/로부터 캐리어 주파수 제어 신호들을 주입하는 또는 추출하는 대안적인 방법은, 도 1의 도움으로 기술되는 방식으로, 별도의 토로이드 코어를 사용한다.
US 120-볼트 기기는 라이브(L, 블랙), 뉴트럴(N, 화이트) 및 접지(노출된 구리 또는 그린) 전도체들을 포함하는 3-전도체 케이블(100)을 사용하여 싱글 폴 과전류 보호 디바이스(Overcurrent Protection Device)(OCPD)로부터 급전되는 120-볼트 콘센트에 플러그인된다. OCPD는 오늘날 가장 일반적인 회로 차단기이지만, 더 오래된 설비들에서는 여전히 퓨즈일 수 있다. 용어 "차단기" 및 "차단기 회로"는 이하에서 각자, 그것이 어떤 타입이든 OCPD를, 그리고 그것이 보호하는 유선 회로를 지칭하도록 사용될 것이다. 3-전도체 케이블은 동일한 차단기로부터, 병렬로 접속되는, 일련의 120-볼트 콘센트들을 급전할 수 있다. 통상적으로, 상표명 ROMEX™을 가지는 3-전도체 케이블이 유선 주거 설비들을 위해 사용되는 반면, 상업적 설비들은 금속성 도관을 통해 개별 전도체들을 끌어냄으로써 배선된다.
도 1은 단일 콘센트로 플러그인되는 것으로 가정되는 단 하나의 스마트 기기(400)를 도시한다. 다른 스마트 기기들이 동일한 회로 상의 다른 콘센트들에 플러그인되는 경우가 추후 분석될 것이다.
120-볼트 회로에 대해, 전력 분배 박스(300)는 3가지 타입들: (1) 전류 과부하 트립 전용; (2) 전류 과부하 및 접지-불량 트립(GFCI 차단기) 또는 (3) 전류 과부하 및 아크 불량 트립(AFCI 또는 Combi 차단기) 중 하나일 수 있는 싱글-폴 차단기(single-pole breaker)를 포함한다. 타입 1의 회로 차단기는 케이블(100)의 라이브(블랙) 전도체가 부착되는 단일 출력 접속만을 가진다. 다른 한편으로 GFCI 및 AFCI 차단기들은 라이브 및 뉴트럴 와이어들 모두에 대한 접속들을 가지고, 차단기를 뉴트럴 버스바에 접속시키기 위한 "피그테일(pigtail)"을 가진다. 어느 방식이든, 뉴트럴 와이어는, 직접적으로든, 또는 AFCI 또는 GFCI 차단기를 통해서든, 전력 분배 박스(300) 내의 뉴트럴 버스바로의 경로를 찾는다. 또한, 뉴트럴 와이어는 궁극적으로는, 그것이 접지될 수 있는 유일한 장소인, 서비스 입구(service entrance)에서 역으로 접지로의 경로를 찾는다.
발명의 일 구현예에 따르면, 전력 분배 박스(300)에서의 케이블(100)의 라이브 및 뉴트럴 와이어들은 T2로 라벨링된, 토로이드 또는 다른 자기 변압기-유사 컴포넌트를 통과한다. 와이어가 페라이트 토로이드와 같은 폐쇄형 자기 회로 내의 구명을 통과할 때, 그것은 단일 턴의 권선을 구성하는데, 이는 1차측 권선으로서 간주될 수 있다. 일 구현예에서, T2 는 또한, 더 많은 수의 턴들, 예를 들어, 10-100 턴들로 구성될 수 있는 2차측 권선을 가진다. 2차측 권선의 인덕턴스는 선택된 캐리어 신호 주파수에서 적절한 커패시터 값(C4로 라벨링됨)을 가지고 공진하도록 선택된다. 적절한 캐리어 주파수는, 그것이 다른 디바이스들을 간섭하지 않을 수 있도록 선택되어야 한다. 예를 들어, AM 라디오들의 455 KHz 중간 주파수, 500 KHz 긴급상황 주파수, 및 FM 라디오들의 10.7 MHz 중간 주파수는, 중파 및 VHF 대역들에서의 이들의 동작 주파수들과 더불어, 회피되어야 한다. 종래 기술의 전력선 통신 디바이스들은 또한 회피될 수 있는 86-130 KHz 영역 내의 다른 주파수들을 사용하지만, 이들은 뉴트럴과 접지 사이보다는 라이브와 뉴트럴 사이의 신호를 커플링시키는 것을 감안한다는 점에서 이들은 다소 상이하게 동작하는데, 이는 60 Hz 부하들에 의해 로딩됨으로 인해, 훨씬 더 많은 신호 전력을 요구한다. 여기서 고려되는 가능한 비-간섭 주파수 범위는 300-400 KHz이지만, 구내 배선을 통한 신호 전파의 분석에 따라, 520 KHz 또는 13.5 MHz와 같은 다른 이산 주파수들이 사용될 수 있다.
기기(400)에서의 유사한 배열은 T1 및 C2를 포함하는데, 이는 T2 및 C4와 동일한 주파수로 동조된다. 도 1로부터, 접지가 C3 및 C1에 의해 뉴트럴에 실제로 단락되는 경우, 뉴트럴 및 접지 와이어들은 T1 및 T2 모두를 통과하는 폐쇄된 단일 턴 커플링 루프를 형성하고 이에 의해 한쪽에서 다른 쪽으로 신호를 커플링시킨다. T1과 C2의 그리고 T2와 C4의 공진의 Q-인자가 클 때, 그것은 전력 분배 박스로부터 저 손실을 가지는 전체 신호를 기기 또는 콘센트에 커플링시키기 위해 그리고 그 역을 위해 T1과 T2 사이에 매우 작은 커플링을 요구한다. 예를 들어, Q-인자가 20인 경우, 임계 커플링이라 명명되는, 단지 1/20의 커플링 인자가, 완전한 신호 전달을 위해 요구되는 전부이다. 이는 캐리어 주파수 곱하기 √2/20과 동일한 -3 dB 대역폭 및 비교적 평탄한 주파수 응답을 가지고 임계-커플링된 복동조 회로를 형성한다. 또한, 도 1의 신호 전송 방법은, 신호 경로가 전구 필라멘트들과 같은 60 Hz 부하들을 가지고 로딩되지 않는다는 장점을 가진다. 그러나, 옥내 배선의 효과들을 포함하는 주파수 응답은, 임계-커플링된 복동조 회로들을 제작(engineer)하려고 시도하는 것이 옥내 배선의 길이들에 너무 의존적임을 보여준다. 기술될 바와 같이, 가변적인 와이어 길이들 및 일부 스마트 기기들 또는 어드레싱가능한 콘센트들이 동일한 콘센트 체인을 흠낼(tee'd off) 가능성에 대해 더욱 강건한 방식은 댐핑 저항기들의 사용을 수반한다.
테이블 램프들과 같이, 접지 와이어를 사용하지 않을 수 있는 기기들이 존재하지만, 발명을 이용하기를 원하는 임의의 스마트 기기가 접지 와이어를 가지도록 요구될 수 있다는 것이 예상된다. 비-접지형 2-극 콘센트들을 허용한 더 오래된 배선 표준들은 이제 구식이며, 무시될 수 있다.
뉴트럴 및 접지 와이어들을 포함하는 바람직한 폐쇄형 커플링 루프를 제공하기 위해, C1 및 C3는, 캐리어 신호 주파수에서, 단락 회로에 근접하는, 낮은 임피던스들을 가지도록 선택될 수 있다. 실제 단락 회로는, 그것이 단지, 한 장소에서 뉴트럴 대 접지를 접속시키도록 허가될 수 있음에 따라, 사용되지 않을 수 있는데, 이는 유틸리티 서비스 입구에서 돌아간다. 접지 및 뉴트럴이 제2 장소에서 함께 접속되는 경우, 리턴 전류 흐름은 뉴트럴 전도체와 접지 전도체 사이에서 불명확한(indeterminate) 방식으로 분할된다. 이것이 야기하는 문제점들 중 하나는 정상적으로 정확하게 밸런싱된 라이브 및 뉴트럴 와이어들 상의 전류에 의존하는 GFCI 차단기들의 혼동이다. 라이브 전류와 뉴트럴 전류 사이의 6 밀리암페어만큼의 불일치(discrepancy)는 접지 불량을 뜻하며, 인원을 쇼크로부터 보호하기 위해 GFCI 차단기를 트립할 것이다. 따라서, C1 및 C3가 캐리어 신호 주파수에서 낮은 임피던스를 가져야 하는 반면, 이들은 선 주파수에서 넌-제로 임피던스를 가져야 한다. 선 주파수에서의 임피던스는 예컨대, 6 mA보다 다소 더 적은 전류가 뉴트럴 와이어로부터 접지로 우회(divert)될 수 있는 최댓값임을 보장하는 것이어야 한다. 직렬인(또는 단독인) C1 및 C3의 임피던스는 뉴트럴 와이어의 임피던스와 병렬로 나타나며, 따라서, 우회된 전류의 일부는, 뉴트럴 와이어 임피던스가 알려진 경우 계산될 수 있다. 주거 배선은 0.00829 옴/미터의 저항을 가지는 적어도 14 AWG의 와이어를 사용한다. 100 미터 선로 길이가 각각 20 암페어의 전류에서 16 볼트의 라이브 및 뉴트럴 와이어 모두에 대한 전압 강하를 내포하는 0.8 옴의 뉴트럴 와이어 저항을 제공한다고 가정한다. 그러나, 가장 최근의 국가 전기 코드에서 새롭게 강화된 추가적인 제한은, 선로들 상의 전압 강하가 5%, 즉 6 볼트를 초과하거나, 또는 라이브 또는 뉴트럴 와이어 당 3 볼트이어야 하는 것인데, 이는 50 피트 초과의 선로들에 대해 더 큰 게이지 와이어를 사용함으로써 달성된다. 14 AWG의 50-풋 선로는 20 암페어에서 뉴트럴 와이어를 따라 단지 2.54 볼트 강하만을 제공하는 전도체 당 0.127 옴의 저항을 가질 것이다. 또다른 경감 인자는, 스마트 전력 분배 박스(300)가 선로들의 평균 길이 및 따라서 구리 및 설비 비용을 감소시키기 위해 그것이 서빙하는 콘센트들의 클러스터의 중심 주위에 배치되도록 의도된다는 것이다. 따라서, C1 및 C3에 대한 최대 허용가능한 값들을 결정할 목적으로, 케이블(100)의 뉴트럴 와이어를 따르는 전압 강하가 3 볼트 이하라고 가정될 것이다. C1 및 C3는 이후 6mA 초과를 뉴트럴에서 접지로 우회시키지 않기 위해 500 옴보다 더 큰 임피던스를 각각 가져야 한다. 이것의 10배의 값, 또는 5000 옴이 선택되어 크기 마진의 순서를 제공하고 몇몇 스마트 기기들이 동일한 차단기 회로에 플러그인되도록 허용할 수 있다. 이것은 53 nF의 커패시터 값과 같은데, 이는 520 KHz의 고려되는 최고 캐리어 주파수에서 5.8 옴의 임피던스를 가진다. 47nF의 표준 커패시터 값이 사용될 수 있다.
신호 전송의 추가적인 분석은, C1의 훨씬 더 작은 값이 충분할 수 있으며, 불명확한 길이의 옥내 배선에서 발생하는 스퓨리어스 공진(spurious resonance)들을 댐핑시키기 위해 직렬 저항을 포함하는 것이 유용하다는 것을 보여줄 것이다. C3는 전력 분배 박스(300)의 메인 서비스 입구 업스트림에서 접속되는 뉴트럴 및 접지 와이어들로 인해 일반적으로 생략될 수 있다. 그러나 C3가 GFCI 차단기의 앞에서 접속되는 경우, 허용가능한 값 내에서 그것은 그렇게 제한되지 않는다. 예를 들어, 급전기의 길이가 캐리어 신호 주파수에서 과도한 임피던스를 제시하는 서비스 입구까지 이어지는 경우 1uF 커패시터가 사용될 수 있다.
도 1의 회로에서, 전력선 주파수에서의 전류는 라이브 및 뉴트럴 와이어들 상에서 동일하게 그리고 반대 방향들로 흐르며 따라서 T1 및 T2의 2차측들에서 상쇄된다. 이것이 그 경우가 아니더라도, 캐리어 신호 주파수가 간섭을 회피하기 위해 전력선 주파수와는 충분히 멀리 분리되는 것이 예상된다. 그러나, 라이브 및 뉴트럴 모두가 자기 회로를 통과함으로써 획득되는 전력 선속 상쇄(power line flux cancellation)의 원칙적 이점은, 20 암페어와 같이 큰 값일 수 있으며, 120 Hz의 주파수에서 캐리어 신호의 바람직하지 않은 진폭-변조를 잠재적으로 야기할 수 있는, 전력선 전류들에 의한 자기 코어의 주기적 플럭스 포화(periodic flux saturation)의 기회를 회피한다는 것이다. 그것은 또한 그 사이에 60 Hz 부하들이 접속되는 라이브 및 뉴트럴 와이어들을 포함하는 제2 커플링 루프를 생성하는 것을 회피하는데, 이러한 제2 루프는 불특정된 60 Hz 부하들의 불명확한 속성으로 인해 캐리어 주파수 신호에 대한 비결정적 영향을 가진다. 전기 기술자들은, 신호가 접지에 대해 라이브 및 뉴트럴 와이어들에 어떻게 동상으로 커플링되는지를 기술하는 용어 "공통 모드"에 친숙할 것이다.
240 볼트 기기가 미국에서 사용될 때, 그것은 그것들 사이에 240 볼트를 갖지만 접지시키기 위해 각각 120 볼트만을 가지는, 2개의 이상(out-of-phase) 120-볼트 와이어들에 의해 급전된다(분할 위상 동작(split phase operation)이라 명명됨). 각각의 120-볼트 선 상의 전류가 동일하며 반대인 경우, 뉴트럴 전류가 존재하지 않지만; 회전식 건조기 및 전기 오븐과 같은 일부 기기들은 하나의 120-볼트 레그와 뉴트럴 사이에, 내부 조명과 같은 가외의 컴포넌트들을 접속시킬 수 있고, 따라서, 뉴트럴 전류는 이후 제로가 아니다. 과거에는, 뉴트럴 와이어는 회전식 건조기에 대해 접지 와이어로서의 역할을 하도록 허용되었지만, 넌-제로 뉴트럴 전류로 인해, 뉴트럴 접속이 유실되는 경우, 건조기의 케이스로부터의 잠재적인 쇼크 위험요소가 있었고; 따라서 전기 코드에 의해 임의의 기기에 대한 접지 와이어로서 뉴트럴 와이어를 사용하도록 더 이상 허용되지 않으며, 이러한 배열은 미래의 스마트 기기들에서도 허용되지 않을 것이다. 따라서, 미래의 240 볼트 스마트 회전식 건조기는 L1, L2, 뉴트럴 및 접지를 포함하는 4-와이어 접속을 사용해야 한다. 그것은 이후, 2개의 120-볼트 핫레그들(L1, L2) 상의 전류들과 제로인 뉴트럴 전류의 합산이다. 따라서 자기 코어에서 동일한 전력선 주파수 플럭스 상쇄를 제공하기 위해, 모든 3개의 와이어들(L1, L2 및 뉴트럴)은 도 3에 도시된 바와 같이 코어를 통과해야 한다. 이는 또한 전력선 부하들이 캐리어 주파수 신호 경로 내로 커플링되는 것을 회피한다.
도 3에서, 케이블(101)은 일반적으로 레드 및 블랙 와이어들 상에서 2개의 반대-위상 핫레그들(L1 및 L2)을 반송하고, 뉴트럴은 화이트 와이어 상에 있고 접지는 노출된 구리 또는 그린 와이어이다. 회전식 건조기와 같은 플러그-인 스마트 기기(410)는 4-핀 플러그 및 콘센트 조합(401)에 의해 접속될 수 있다. 고정된 온수기는 일반적으로 플러그-인이 아니라, 오히려 하드-와이어링되며, 그것이 또한 120 볼트가 아니라 240 볼트만을 필요로 하는 경우 정상적으로는 뉴트럴 와이어를 필요로 하지 않을 수 있다. 그럼에도, 라이브 전도체로부터 접지로 커패시터들(C1 및 C3)를 접속시키는 것을 회피하기 위해, 스마트 온수기가 이 발명에 따른 데이터 통신들을 전송 및 수신할 목적으로 뉴트럴 와이어를 가지는 케이블을 사용할 것이 예상되는데, 이는 유럽 전기 코드들 하에서는 허용되지 않으며, 미국에서도 회피되어야 한다. 3개의 핫 레그들(L1, L2 및 L3)을 가지는 3-상 기기들을 사용하는 산업상의 3-상 응용예들 또는 유럽 거주 설비들에서, 3개의 핫 와이어들(L1, L2 및 L3) 더하기 뉴트럴은 모두 전력 주파수 플럭스 상쇄를 보존하기 위해 자기 회로를 통과할 수 있다. 120/240v 차단기 패널들이 임의의 슬롯에서 하나의 또는 두 개의 극 차단기들을 호스팅하도록 허용하기 위해, 통신 신호 커플링 토로이드가 라이브 와이어(들)를 가지는 설비 상에 끼워져서(threaded) 차단기와 뉴트럴 와이어(들)가 차단기의 기기 측 상의 뉴트럴 버스에 접속하는 결과를 초래한다.
도 10은 전송 주파수 응답들을 분석하기 위해 사용되는 회로를 도시한다. 전력 분배 유닛(300)은 선택된 캐리어 주파수에서 공진하는 제1 동조 회로(L1, C1, R1)를 포함하고, 뉴트럴 및 라이브 와이어들은 L1의 자기 회로를 통과하여 리턴으로서 접지와 커플링 루프를 형성한다. 뉴트럴, 라이브 및 접지 와이어들은 유닛(300)으로부터 다양한 거리들에 있는 콘센트들에, 옥내 배선을 통해 계속 급전한다. 유닛(300)으로부터 가장 먼 거리에 있는 기기를 급전하는 제1 콘센트는 스마트 기기(400-1)에 급전한다. 기기 코드가 콘센트에 플러그인 되고, 접지, 뉴트럴 및 라이브 와이어들을 픽업한다(pick up). 6' 기기 코드 길이가 계산에서 가정되었다. 기기(400-1)의 내부에서, 뉴트럴 및 라이브 와이어들은 유닛(300) 내에서와 동일한 값들의 컴포넌트들(L1, C1, R1)로부터 형성될 수 있는 또다른 동조 회로의 자기 회로를 통과한다. 뉴트럴은 이후 댐핑 저항기(Rs)와 직렬인 커플링 커패시터(dC)를 통해 접지에 접속된다.
제1 기기의 좌측에, 종래 기술의 기기가 플러그인되는 또다른 콘센트가 존재할 수 있다. 그것은 라이브 및 뉴트럴로부터 접지로의 커패시터들을 가지는 종래 기술의 안전하지 않은 타입의 필터링된 전력 유입 커넥터를 가질 수 있다. 이러한 커패시터들의 값은 통상적으로 2200 pF이다. 필터링된 전력 유입 커넥터는 통상적으로 100-300 uH 영역 내의 인덕턴스들을 가지는 라이브 및 뉴트럴 와이어들에 대해 직렬 초크들을 또한 가진다. 따라서 이러한 필터가 라이브+뉴트럴로부터 접지로 제공하는 임피던스 Yterm는 4400　pF 커패시터와 직렬인 150 uH 인덕터로서 모델링될 것이다.
도 11 내지 14는 각자 유닛(300)으로부터 기기(400-1 및 400-2)으로의 전송을 위해 계산되는 도 10의 회로의 오버레이된 주파수 응답들을 도시한다. 이 계산을 위해 사용된 컴포넌트 값들은 권선비 N = 20; L1 = 200 uH; C1　=　1000　pF; R1 = 4 Kohms; dC = 47 nF; Rs = 0였다.
선 길이들의 2개 세트들이 사용되었다.
단선들: 길이 0 = 5'; 길이 1 = 2'; 길이 2 = 3'; 길이 3 = 5'
장선들: 길이 0 = 10'; 길이 1 = 20'; 길이 2 = 30'; 길이 3 = 50'
도 11은 댐핑 저항기 Rs = 0에 대한 단선 길이 경우에 대해 대략 2 KHz 내지 2 MHz 범위에 걸친 주파수 응답을 도시한다. 약 750 KHz 및 1350 KHz에서, 345 KHz를 중심으로 하는 원하는 통과대역 위에 일부 상당한 스퓨리어스 공진들이 존재함을 알 수 있다.
도 12는 장선 경우에 대한 넓은 범위의 주파수 응답을 도시한다. 배선 길이들을 증가시키는 것은 스퓨리어스 공진들 중 하나가 원하는 통과대역 주파수 미만으로 떨어지도록 만들고, 이제 약 240 KHz에서 나타난다. 이는, 일부 선 길이에서, 스퓨리어스 공진이 원하는 통과대역 중심 주파수와 일치하고, 이에 의해 전송을 왜곡시킬 수 있음을 나타낸다.
도 13은 위의 단선 길이 경우에 대해 346 KHz의 원하는 캐리어 신호 주파수 주위의 주파수 응답을 도시한다. 유닛(300)으로부터 어느 하나의 기기로의 또는 그 역으로의 주파수 응답들은 실질적으로 동일하며, 통과대역은 적절하게 평탄하다.
도 14는 장선 길이 경우에 대한 통과 대역 주위의 주파수 응답을 도시한다. 통과대역이 주파수 내에서 상향 시프트되어서 345 KHz의 바람직한 주파수에서의 신호가 통과대역 밖에 있다는 것이 주요하게 관측된다.
따라서 도 11-14는, 옥내 배선으로부터 초래되는 댐핑 스퓨리어스 공진들 없이, 옥내 배선의 길이의 변형들이 전송 주파수 응답에서의 바람직하지 않게 큰 변경들을 생성함을 예시한다. 신호 커플링 회로들이 수동이기 때문에, 이들은 가역적이며, 역방향 전송에 대한 주파수 응답들은 동일하다.
도 15는 스퓨리어스 공진들이 없어졌음을 예시하는, 댐핑 저항기(Rs)가 47 옴과 동일할 때 장선 길이 경우에 대한 넓은 범위의 주파수 응답을 도시한다. 또한, 커플링 커패시터(dC)는 47 nF에서 10 nF로 감소할 수 있었다.
도 16은 댐핑이 있는 단선 경우에 대한 통과대역 형상을 도시한다. 임계-커플링된 복동조 응답 대신, 댐핑 저항기(Rs)에 의해 제공되는 저항성 커플링을 이용한 응답은 실질적으로 캐스케이드된 단일 동조 회로들의 응답이며, 이는 디지털 FM에 대해 적합한 보다 바람직한 그룹 지연 특성을 가진다. 도 17은 댐핑이 있는 장선 경우에 대한 통과대역 응답을 도시한다. 그것은 단선 경우에 비해 실질적으로 변경이 없는 것으로 보인다. 따라서, 댐핑 저항기(Rs)의 도입은 전송 주파수 응답 형상을 옥내 배선들의 길이와는 실질적으로 무관하게 만든다(render).
도 17에서 명백한 6 dB 대역폭은 약 20 KHz인데, 이는 복조기의 정교함(sophistication)에 따라, 9.6 KB/s 내지 25 KB/s 범위 내에서 FSM, MSK 또는 GMSK 변조들을 지원할 것이다. 국내용 기기들이 매우 비용에 민감함에 따라, 수신기는 가능한 단순하여, 넌-코히어런트 FSK 또는 MSK를 이용하여 더 낮은 비트레이트 수치를 사용하는 것을 제안한다.
더 높은 비트레이트가 바람직한 경우, 대역폭은 동조 회로의 Q를 낮춤으로써 증가할 수 있다. 예를 들어, R1을 8 Kohm에서 4 Kohm으로 감소시키는 것은 도 18의 통과대역을 생성하는데, 이는 약 33 KHz의 -6 dB 대역폭을 가져서, 이진 데이터를 이용하는 19.2 KB/s FSK 변조를 용이하게 지원한다.
도 16, 17 및 18은 동일한 차단기 회로 내에 플러그인되는 2개의 스마트 기기들의 경우에 대해 계산되었다. 동일한 차단기 회로 내에 플러그인되는 스마트 기기들의 수가 5로 증가하는 경우, 전송 응답들은 도 19에 도시된 바와 같으며, 도 20은 10개 기기들에 대한 결과를 도시한다. 동일한 차단기 회로 상에 더 많은 기기들을 로딩하는 것의 유일한 효과는, 유닛(300) 뿐만 아니라 2개 기기들을 이용한 35 dBs로부터, 5개 기기들을 이용한 40-48 dBs 범위 및 10개 기기들에 대한 50-59 dBs 범위로의, 전송 감쇠의 증가이다.
수용가능한 전송 감쇠의 양은 전송 전력 및 수신기에서의 결과적인 신호 대 잡음비에 의존한다. 도 4를 참조하면, R1이 생략되고 R2가 사용되어 R1의 4 Kohm 값과 동일한 댐핑을, 그러나 T2의 2차측 상에서 4:1 스텝-다운 탭에서 제공하는 경우, R2의 값은 4k/16 또는 250 ohm이다. 캐리어 신호 주파수에서 5 볼트 피크-대-피크 논리 신호는 이후 250 옴 부하로의 5 mW의 가용 전송 신호 전력 또는 기본 주파수에서의 +7 dBm을 내포한다. 위 계산들에서 전송 감쇠를 정의하는 방법은 6 dB의 감쇠를 보여주는 무손실 회로를 초래하며; 이를 정정하는 것은 +7 dBm -59 dbs +6 dbs = -46 dBm의 최소 수신 신호를 초래한다. 이는 열잡음에 비해 라디오 통신 관점들 및 방식으로부터 여전히 매우 큰 신호이다. 따라서, 전기 설비의 지배적인 뉴트럴-대-접지 잡음 환경이 30 KHz 대역폭에서 -56 dBm 미만인 경우, 낮은 디지털 데이터 에러 레이트를 제공하기 위한 적절한 신호-대-잡음비가 존재할 것이다. 에러 정정 코딩 및 에러 검출 코딩 모두가 어떤 식으로든 비트 에러에 대한 면역을 제공하기 위해 사용될 것임이 예상된다. 에러 정정을 위한 컨볼루션 인코더들은 구현하기에 매우 단순하며, 하드-결정 컨볼루션 디코딩은 여기서 고려되는 낮은 비트레이트들에서 마이크로프로세서들 내에서 용이하게 수행될 수 있다. 에러 검출은 각각의 데이터 패킷을 통해 순환 중복 검사 코드들(CRC)에 의한 것으로 예상된다. 그러나 발명은 에러 정정 및 검출 코딩의 선택 또는 사용에 의해 제한되지 않으며, 임의의 코딩이 사용될 수 있거나 코딩이 사용되지 않을 수도 있다.
스마트 전력 분배 유닛과 스마트 기기들 사이의 통신 링크의 다수의 가능한 사용들이 이제 개요화될 것이다.
스마트 기기는 그것의 전력 소모 및 주어진 데드라인까지 그것의 동작을 완료하기 위해 요구되는 킬로와트시(kilowatt hour)의 수에 관한 데이터를 스마트 전력 분배 유닛에 전달할 수 있다. 스마트 전력 분배 유닛은 이 데이터를 유틸리티 회사에 전달하여 유틸리티 회사가 전달을 스케쥴링하도록 할 수 있다. 예를 들어, 전기 자동차는 태양열 전력이 수신되지 않는 밤에 그것의 배터리가 충전되게 할 필요가 있을 수 있으며, 유틸리티는 주어진 데드라인 이전에, 요구되는 수의 킬로와트시가 언제 전달될지를 결정하도록 허용되는 것에 대한 응답으로 더 낮은 비용을 공급할 수 있다. 스마트 기기가 예를 들어, 세탁기일 때, 형용사 "스마트"가 지칭하는 행동은 유사하게 연기되는 동작 특징일 수 있고, 이에 의해, 사용자가 세탁기에 적재하여(load) 연기된 실행을 선택한 이후, 그것의 동작은 스마트 전력 분배 유닛으로부터 표시가 수신될 때까지 지연될 것이다. 스마트 전력 분배 유닛은 예를 들어 기기가 무료인 태양열 전력의 가용성에 따라 또는 감소된 비용의 그리드 전력의 가용성에 따라 실행하도록 할 수 있다. 감소된 비용의 전력의 표시는 유틸리티 회사로부터 실시간으로 스마트 전력 분배 유닛에 의해, 인터넷을 통해, 또는 임의의 수단에 의해 유틸리티 회사와 통신하는 스마트 전자 전기 계측기를 통해 수신될 수 있다. 대안적으로, 전력 비용들은 실시간 시계를 포함하는 것으로 예상되는 스마트 전력 분배 유닛 내로 프로그래밍될 수 있는 미리 정의된 하루 중 시간들에서 변경될 수 있다.
따라서 연기된 동작은 식기세척기, 회전식 건조기, 전기 자동차 충전기들 등에 대해 유용할 수 있다. 스마트 전력 분배 유닛은, 예를 들어, 거의 한낮인 경우일 수 있음에 따라, 무료인 태양열 전력이 많을 때, 또는 대안적으로 그리드 전력에 대한 감소된 비용이 적용될 때, 연기된 동작을 개시하도록 이러한 기기들에 표시할 수 있는데, 이는 하루 중 미리 결정된 시간, 또는 스마트 전력 분배 유닛이 스마트 전기 유틸리티 계측기로부터 낮은-비용 표시를 수신할 때의 임의의 다른 시간일 수 있다. 스마트 기기는 또한 사용자가 저비용 전력이 이용가능할 때에만 바람직하게 실행해야 함을 특정하도록 할 수 있지만, 임의의 비용으로 특정된 시간까지 그것의 동작을 완료해야 한다.
스마트 기기가 냉장고, 냉동고, HVAC 시스템, 온수기 또는 전기 오븐과 같은 온도 제어 디바이스를 수반할 때, 바람직한 "스마트" 행동은 평균 에너지 소모 또는 비용을 최소화하기 위한 알고리즘을 포함할 수 있다. 예를 들어, 냉장고는 +3 ℃에서 압축기를 켜고 +1 ℃에서 그것을 끔으로써, 약 +2 ℃의 내부 온도를 유지하기에 일반적으로 유용한 내부 제어 회로를 가질 수 있다. 작은 2 ℃의 히스테리시스는 압축기가 신속하게 스위치온 및 스위치오프하지 않음을 보장하는데, 이는 마모 및 에너지 소모를 증가시킨다. 그러나, 더 낮은 비용의 에너지가 이용가능할 때, 스마트 냉장고는 오프/온 온도 임계들을 예를 들어, 각자 -1 ℃ 및 +1 ℃로 낮추도록 설계될 수 있다. 에너지를 더 비싼 비용으로 되돌릴 시에, 임계들은 정상으로 돌아가지만, 내부 온도를 -1 ℃로부터 +3 ℃로 높이는 것이 +1 ℃로부터 +3 ℃로 높이는 것에 비해 두 배 더 오래 걸리며, 이에 의해 더 비싼 전력의 사용을 지연시킨다.
위에서와 유사한 알고리즘이 HVAC 시스템들에 대해 사용될 수 있다. 더 높은 비용이 적용될 때보다는 낮은 비용의 전력이 이용가능할 때 건물이 1도만큼(a degree) 또는 더 낮은 온도로 냉각될 수 있거나, 또는 더 높은 비용이 적용될 때보다는 더 낮은 비용이 적용될 때 1도 만큼 또는 더 따뜻하게 난방될 수 있다. 온수기가 유사하게 핸들링될 수 있다. 따라서 이러한 기기들은 구름이 위에서 이동함에 따라 태양열 전력의 시변 속성에 대해 실시간으로 적응할 수 있고, 따라서, 더 비싼 유틸리티 전력의 사용을 재개할 시의 지연은 적어도 일부 태양 차광 이벤트들 사이의 시간을 연결(bridge)하는데 충분하다.
수신되지만 현재 사용되지 않는 과도한 태양열 에너지를 저장하는 디바이스들과 같은 새로운 스마트 기기들이 예상될 수 있다. 더 큰 저장 배터리 뱅크가 명백한 예이지만, 600 갤런의, 충분히-지연된(well-lagged) 물탱크가 12시간 동안 집을 난방하기에 충분한 열을 저장할 수 있으며 적절한 열 교환기를 사용하는 HVAC 시스템 내에 통합될 수 있으며, 물이 초과 태양열 또는 전기 전력을 이용하여 가열되며, 열이 추후에 열 교환기를 통해 추출되어 밤시간 동안 집을 따뜻하게 유지한다는 것이 또한 고려될 수 있다. 하루 중 특정 시간들에서 낮은 비용의 전기를 사용하는 저장 히터들은 유사한 원리를 사용하여 이미 존재한다. 이러한 시스템들은 스마트 전력 분배 유닛에 의해 "스마트" 방식으로 제어될 수 있는 새로운 타입들의 기기의 예들을 구성할 수 있다.
예상될 수 있는 또다른 새로운 스마트 기기는 단순히 작은, 매우 낮은 비용의 알파벳 숫자 디스플레이인데, 이는 임의의 콘센트에 플러그인함으로써 스마트 전력 분배 유닛으로부터 디스플레이할 데이터를 수신한다. 이러한 디스플레이는 요구되는 특별한 배선 없이 임의의 콘센트에 플러그인될 수 있고, 그것은 이후 본원에 기술되는 통신 시스템을 사용하여 그 자체를 식별하여, 스마트 전력 분배 유닛에 그것이 플러그인하는 회로를 보여주며, 사용자가 이전에 프로그래밍한 데이터를 그 특별한 디스플레이에 디스플레이하여 보여준다. 디스플레이되는 데이터는 하루 중 시간; (스마트 온도 센서들로부터 수신되는) 온도들의 내 또는 외; 인터넷-접속형 스마트 전력 분배 박스를 통해 인터넷 상에서 또는 다른 스마트 센서들로부터 수신되는 날씨 정보; 옥내 설비 또는 집의 임의의 회로의 실제 전력 소모; 수신되는 태양열 전력의 양; 태양 전지 충전 상태; 전기 자동차 배터리 충전 상태 등 중 임의의 것일 수 있다. 사용자는 상이한 방들 내의 하나 이상의 디스플레이들 상에 순환적으로 디스플레이될 위 리스트 내의 항목들 중 임의의 것을 선택할 수 있다.
HVAC 시스템은 그것의 동작을 제어하기 위해 스마트 전력 분배 유닛으로부터 위에서 언급된 스마트 온도 센서들로부터의 데이터를 포함하는 제어 신호들을 수신하도록 구성될 수 있다. 스마트 전력 분배 유닛은 알람 시계 기능들, 디스플레이 기능들, 온도 제어 기능들, 연기된 동작 기능들 등, 뿐만 아니라 태양열 대 유틸리티 전력의 사용을 관리하는 그것의 일반적 기능을 수행하기 위한, 다양한 표준 소프트웨어 알고리즘들을 이용하여 구성될 충분한 능력의 내부 프로세서를 가질 수 있다. 따라서, 전기 시계들, 기압계들, 온도조절계들의 기능을 대체하고, 또한 온도계들을 위해 이전에 요구된 배선을 제거하는 것이 가능하다. 스마트 전력 분배 유닛은 단순히 스마트 온도 센서로부터 스마트 HVAC 시스템으로 온도 값을 전달할 수 있거나, 또는 대안적으로, 그것이 범용으로 요구되는 기능이기 때문에, 스마트 전력 분배 유닛은, 사용자가 타겟 온도들, 낮시간 및 밤시간 온도 등을 설정하게 하는 것을 포함하는, 온도조절계의 모든 기능들을 수행하기 위한 소프트웨어 프로세스를 포함할 수 있다. 또한 본원에 기술되는 전력선 통신 회로들을 PC들 내에 포함시켜서 이들이 전기 설비에 이들의 프로세싱 전력을 기여하는 내재적 능력을 가지는 것이 가능하다. 이는 사용자의 PC와 스마트 분배 유닛(300)과 스마트 기기들(400) 사이의 통신을 위해 USB, RS232, WiFi, 블루투스 또는 지그비에 대한 대안을 제공하여, 그것이 사용자와 사용자의 스마트 기기들 사이의 주요 맨-머신 인터페이스(Man-Machine Interface)로서 작용하도록 할 수 있다.
따라서, 지능형 제어 전략들이 전기 오븐, 커피 메이커, 온수기, 컴퓨터 등과 같은 다양한 기기들을 위해, 평균 전력 소모를 감소시키는 것, 가능한 가장 많은 양만큼 전력의 평균 비용을 감소시키는 것, 또는 집 내의 어느 곳에나 사용자에게 상태 및 다른 데이터를 디스플레이하는 것 중 어느 하나의 공통 목표를 가지고,정의될 수 있다.
위에 포함된 출원들에 기술된 바와 같이, 도 2의 스마트 전력 분배 유닛은, 태양열 전력의 가용성 및/또는 태양-충전식 배터리의 상태에 대한 정보를 수신하기 위해, 광전지 태양열 전력 시스템, 예를 들어, DC-대-AC 인버터들과 통신할 수 있다. 이러한 태양열 전력 시스템에서 사용될 수 있는 인버터는 위에 포함된 출원들 및 특허에 또한 기술된다. 스마트 전력 분배 유닛은 다른 스마트 전력 분배 유닛들 및 사용자의 개인용 컴퓨터와, 그리고 따라서 인터넷에 통신할 수 있다. 여기서, 스마트 전력 분배 유닛이 또한 적절하게 설계된 스마트 기기들과 그리고 스마트 전기 계측기와, 그리고 따라서 계측기가 속하는 유틸리티 회사에 통신할 수 있다. 따라서, 완전한 통신 체인은 그리드 전력을 제공하는 유틸리티 회사와 최종 사용자의 기기들 사이에 생성될 수 있고, 스마트 전력 분배 유닛은 필요한 경우 통신 허브 및 프로토콜 컨버터로서 작용한다.
도 4는 다양한 엔티티들 사이의 통신 링크들을 예시한다. 스마트 전력 분배 유닛(300)은 회로 차단기들(301), 접지 버스바들(302), 뉴트럴 버스바들(303), 및 마이크로프로세서 및 통신 전자 회로(304)를 포함한다. 통신 링크들에 관련된 컴포넌트들 및 배선만이 도시되며, 도시되지 않은 주요 항목들은 전력 급전기들, 다른 태양열 시스템 컴포넌트들, 및 서브-패널로서 유닛(300)에 급전하는 메인 서비스 입구 패널이다.
각각의 차단기 회로는 그것의 공진 커패시터(C4) 및 선택적으로 도 1의 TRX(201)의 다른 컴포넌트들과 조합될 수 있는, 도 1(또는 240-볼트 회로들 및 2-극 차단기들에 대해 도 3)에 도시된 바와 같은 연관된 캐리어 주파수 신호 변압기(T2)를 가질 수 있다. 모든 신호 변압기들(T2)의 출력들은 마이크로프로세서 및 통신 회로들(304)에 접속되는데, 여기서 전송을 위한 캐리어 주파수 신호들이 생성되거나 또는 수신된 신호들이 디코딩될 수 있다. 비용을 감소시키기 위해, 하나의 송신기 수신기(TRX)(201)는 모든 변압기들(T2) 사이에서 멀티플렉싱되어, 급전 콘센트 체인(350)과 같이 한번에 하나의 차단기 회로와 통신하도록 사용될 수 있다. 회로(304)가 하나의 콘센트 체인과 통신할 때, 멀티플렉서는 연관된 차단기의 변압기(T2)를 TRX(201)에 접속시키고, 이후 회로(304)가 디지털 데이터 시퀀스를 포함하는 변조된 캐리어 주파수 신호를 생성하고, 그것을 선택된 T2를 통해 전송한다. 기기 어드레스가 이미 알려진 경우, 디지털 데이터 시퀀스는 메시지 비트들이 의도되는 기기에 표시하기 위해 콘센트 체인(350)에 플러그인된 기기(400)의 어드레스를 포함할 수 있다. 메시지는 기기(400)로부터 상태 또는 다른 데이터를 요청하는 질문 메시지일 수 있거나, 또는 대안적으로 그것은 기기(400)에 대한 커맨드일 수 있거나 또는 기기(400)에 의해 요구되는 데이터를 제공할 수 있다. 상이한 기기들이 상이한 데이터를 제공하고 상이한 데이터를 제공할 수 있기 때문에, 최대 유연성을 위해, 메시지 비트들의 의미 및 이들의 포맷팅은 기기 제조자가 정의하도록 남겨질 수 있으며, 기기 제조자는 PC(500) 내에 로딩될 CD 상에 프로그램을 제공하여 자신의 기기의 제어를 핸들링하거나, 회로들(304)을 그렇게 하도록 구성할 수 있다. 반면, 대안적으로, 블루투스 통신에 대해 수행되는 바와 같이, 예상될 수 있는 기기들의 유한 개수의 클래스들에 대한 데이터 필드들 및 포맷팅을 표준화하는 것이 바람직할 수 있다. 두 가능성들 모두 제공될 수 있으며, 이에 의해 회로들(304)은 미리 정의된, 알려진 클래스에 따르는 기기의 제어를 유지하는 한편, 커스텀, 기기-제조자 공급형 제어 프로그램을 사용하여 PC(500)에 비-표준 기기의 제어를 선정하며(delegating), 회로들(304)은 후자의 경우, 이제 스마트 기기와 PC(500) 사이에서 단지 데이터 릴레이로서 작용한다.
기기의 어드레스 또는 타입이 아직 알려지지 않은 경우, 어드레스는, 통신 회로들(304)이 아직 등록되지 않은 임의의 기기가 그 스스로 알리도록 할 것을 요구함을 나타내는 예약된 비트 패턴으로 대체될 수 있다. 이는 "서비스 발견"이라 지칭된다. 그 스스로 알리는 새로운 기기에 이후 향후 통신을 위해 고유한 어드레스가 할당된다. 둘 이상의 새로운 기기들이 동시에 응답하여 충돌하는 것을 방지하기 위해, 응답 이전에 랜덤 지연이 캐리어 감지 다중 액세스의 사용과 더불어 시작될 수 있고, 이에 의해 기기는 시간 슬롯 내의 캐리어 신호 강도를 결정하고, 그것이 이미 신호를 반송하고 있는 경우 그 시간 슬롯 내에서 전송하지 않는다.
주기적으로, 모든 차단기 회로는 무엇이 그 차단기 회로에 접속되었는지를 결정하기 위해 서비스 발견 메시지를 이용하여 정보를 알아낼 수 있다(interrogate). 추가로, 파워 오프되고 이후 다시 파워 업되는 기기들은 "활성" 메시지를 회로들(304)에 전송함으로써 이들이 플러그인되는 콘센트 체인 상에서 이들의 갱신된 존재를 알릴 수 있다.
기기가 그것이 하나의 콘센트로부터 다른 콘센트로 이동했음을 알게 하는 절차는 셀룰러 폰 시스템들에서 "위치 업데이트"라 명명되는 절차와 유사한데, 이는 모바일 폰이 현재 어느 탑으로부터 서비스 받고 있는지를 결정하기 위해 사용된다. 실제로, 셀룰러 전화 시스템들의 이동도 관리 개념들 중 다수가 유사한 이슈들을 해결하기 위해 이 출원에서 재사용될 수 있다.
셀룰러 무선 전화 시스템은 하나의 기지국의 서비스 영역으로부터 또다른 기지국의 서비스 영역으로 움직이는 다수의 셀폰들을 가진다. 셀폰이 새로운 기지국이 더 양호한 신호를 제공한다는 것을 검출할 때, 그것은 새로운 기지국에 의해 브로드캐스트되는 코드를 그것을 잡고 있는(locked) 이전 기지국에 의해 브로드캐스트되는 코드와 비교하고, 이들이 상이한 경우, 셀폰은 위치 업데이트를 수행한다. 이는 변경을 요청하는 메시지를 이전 기지국에 전송하는 것을 수반할 수 있거나, 또는 그것은 새로운 기지국에 대한 랜덤 액세스를 수행하는 것을 수반할 수 있거나, 또는 둘 모두를 수반할 수 있다. 이러한 이동도 관리 프로토콜은 스마트 기기들의 상황에서 여기서 재-정의된다. 스마트 기기가 먼저 콘센트에 플러그인되거나 파워업될 때, 이 발명의 통신 회로는 연속적인 시분할 멀티플렉스 프레임들에서 반복적으로 발생하는 브로드캐스트 제어 채널(BCCH)라는 명칭의 시간 슬롯 상에서 스마트 전력 분배 유닛(300)에 의해 브로드캐스트되는 데이터를 디코딩하려고 시도할 수 있다. 스마트 전력 분배 유닛으로부터 스마트 기기들로의 통신들은 다운링크라고 명명될 반면 스마트 기기들로부터 스마트 전력 분배 유닛으로의 통신들은 업링크라고 명명될 것이다. BCCH 다운링크 슬롯으로부터 디코딩되는 데이터는 차단기 회로 및 그것이 접속되는 스마트 전력 분배 유닛의 표시를 포함할 수 있다. 디코딩되는 데이터가, 그것이 이전과 동일한 회로 또는 스마트 전력 분배 유닛에 접속되지 않음을 나타내는 경우, 스마트 기기는 그것이 자신의 존재를 새롭게 알리거나 새로운 회로 상에서 최초로 알려야 한다는 것을 알고 있다. 이는 다운링크 BCCH에 대응하는 업링크 시간슬롯 상에서 랜덤 액세스 메시지를 전송함으로써 수행될 수 있다. 대응하는 업링크 슬롯은 랜덤 액세스 채널 또는 줄여서 RACH라 명명된다. RACH 상에서 전송하기 이전에, 스마트 기기는 RACH 슬롯 상에서 캐리어 신호 강도를 측정하고, 이전 슬롯 상의 측정된 신호 강도가 낮을 경우에만 다음 RACH 슬롯 상에서 전송할 수 있다. 독립적인 송신기-수신기가 하나 초과의(또는 모든) 차단기 회로들에 대해 제공되는 경우, TDM 프레임 포맷은 상이한 차단기 회로들 상에서 시차가 날 수 있고(stagger), 따라서 BCCH 슬롯이 상이한 회로들 상에서 상이한 시간에서 발생하고, 이에 의해 많은 신호들이 동시에 옥내 배선 상에서 전송되는 것을 회피한다.
이 점에서, 스마트 기기가 플러그인되는 차단기 회로의 표시를 자동으로 제공하는 것이 스마트 기기에 의해 그것이 플러그인되는 콘센트로부터 선택될 회로-특정적 코드를 브로드캐스트하는 전력선 다운링크 통신들만을 가짐으로써 달성될 수 있고, 스마트 기기는 이후, 예를 들어, WiFi, 블루투스 또는 지그비를 사용하는 무선 통신을 포함하는 임의의 수단에 의해 전력 분배 시스템에 역으로 코드를 통신한다는 것이 언급될 수 있다.
도 5는 단일의 송신기-수신기(TRX)가 16개의 차단기 회로들 사이에서 공유될 스마트 전력 분배 패널들에 제공된다고 가정할 시 가능한 TDM 프레임 포맷을 도시한다. 초당 19.2 킬로비트의 전송 심볼 레이트를 가정하면, 버스트 슬롯(6000)은 시작 및 종단에서 4개의 알려진 가드 비트들, 2개의 64-비트 데이터 필드들에 의해 경계를 이루는, 슬롯의 중간에 있는 24-비트 싱크 워드, 시작 코돈(codon) 또는 미드-앰블을 포함한다. 데이터 필드들 내의 128개 비트들 전체는 다음과 같이 할당될 수 있다:
- 동일한 전기 설비에서 16개까지의 서브-패널을 구별하기 위한 4-비트 서브-패널(유닛 300) ID;
- 서브-패널 당 16개 까지의 차단기 회로들을 구별하기 위한 4-비트 차단기 회로 ID;
- 256개까지의 기기들을 구별하거나 또는 특별한 또는 브로드캐스트 데이터를 반송하는 것으로서 슬롯을 식별하기 위한 8 비트 기기 어드레스;
- 어드레싱된 기기에 한번에 데이터 40 비트를 전달하기 위한 40-비트 메시지 ID 필드;
- 8 비트 CRC 코드
위의 64 비트는 이후 레이트 1/2의 테일 비트화 컨볼루션 코드(tail biting convolutional code)를 거쳐서 전체 비트 카운트를 128로 두배로 만든다. 128 비트는, 그것이 예견된 간섭 패턴들에 대해 장점을 제공하는 경우, 슬롯(6000)의 우측 절반(64) 및 좌측 절반에 대해 교번적으로 인터리빙될 수 있다.
16개 슬롯들(6000)은 다른 방향으로 전송되는 16개 슬롯들에 선행하여 한 방향으로 전송되어 프레임(6001)을 형성할 수 있다. 16개 슬롯들 각각이 주어진 차단기 회로에 할당될 수 있고, 따라서 회로들 각각은 전송 슬롯 할당 및 수신 슬롯 할당을 수신한다. 이러한 할당들은 트래픽 요구에 따라 고정되거나 계속 변경될 수 있다.
위의 예시적인 값들을 사용하면, 매 4초마다 15개 프레임 주기들이 존재한다. 따라서, 슈퍼프레임(6002)은 15개 프레임 주기들을 포함하고, 매 4초마다 반복한다. 슈퍼프레임 내의 프레임들은 F0 내지 F14로 넘버링된다. 이러한 프레임들 중 하나는 상이한 기기들로의 슬롯들의 할당을 제어하기 위한 데이터를 포함하는 다운링크 채널(유닛(3090) 대 기기)인 브로드캐스트 제어 채널 BCCH인 것으로 지정될 수 있다. BCCH 프레임의 역방향 등가물은 랜덤 액세스 채널이며, 이는 새로-접속된 기기들이 유닛(300)에 대해 스스로를 식별하고, 시스템에 대해 고유한 어드레스 할당 및 추후 통신을 위한 슬롯 할당을 수신하게 한다. 도 5의 TDMA 포맷은 단지 예시적이며, 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 도 5의 예시적인 포맷과는 상이할 수 있는 적절한 TDMA 포맷을 고안하기 위해 도출될 수 있는 디지털 셀룰러 모바일 폰 시스템들의 분야에서 많은 종래 기술이 존재한다.
도 4는 완전한 설비에서 존재할 수 있는 다양한 통신 링크들을 예시한다.
PC(500)와 회로들(304) 사이의 통신 링크(501)는 RS232, USB, WiFi 또는 블루투스와 같이 PC들이 이미 적응된 논리적 통신 링크이지만, 대안적으로는 PC에 컴퓨터의 전력 콘센트에 접속되는 적절한 프로토콜 컨버터가 구비되는 경우 이 발명의 전력선 통신 시스템일 수 있다. 모든 PC들 및 많은 다른 기기들에 이러한 전력선 통신 능력을 구비하는 한 가지 방식은, 하기에 더 기술될 바와 같이, 특히 이미 포함된 변압기(T1 또는 T2)를 가지는 새로운 타입의 필터링된 전력 유입 커넥터를 사용하는 것이다.
통신 링크(801)는, 설치되는 경우, 다른 스마트 전력 분배 유닛들(300) 및 DC 대 AC 인버터들(미도시됨)을 포함하는, 태양열 에너지 시스템의 엘리먼트들 사이의 통신을 제공한다. 이 프로토콜은 사유적(proprietary)이거나, 또는 스마트 기기들에 대한 전력선 통신들과는 상이한 표준일 수 있다.
통신 링크(601)는 스마트 전자 전기 계측기와의 통신을 제공하며, 전기 계측기나 유닛(300) 어느 것도 이동되는 것으로 예상되지 않으며 오히려 영구적으로 설치됨에 따라, 하드배선될 수 있다. 전기 계측기와 유틸리티 회사 사이의 통신 링크(701)는 유틸리티 회사에게 사유적일 수 있다. 통신 링크들(601 및 701) 사이의 프로토콜 전환을 수행하는 것은 스마트 계측기(700)에 달려 있으며, 유닛(300)의 통신 회로들(304)은 요구되는 경우, 링크들(501, 601, 801)과 전력선 통신 프로토콜 사이의 프로토콜 전환을 스마트 기기들에 제공한다. 추가로, PC(500)는 인터넷 접속을 가질 수 있고, 따라서, 대안적인 통신 경로들 유틸리티 회사에 제공하거나, 또는 태양열 정보 수집 및 분배 서버와 같은 다른 서비스들을 제공한다.
따라서, 완전한 통신 체인이, 이것이 유틸리티 회사 및 최종 사용자 모두에게 이점을 제공하는 경우, 유틸리티 회사에서 개별 기기까지 어떻게 형성될 수 있는지가 기술되었다. 그것은 또한 "스마트 그리드"를 개별 "스마트 홈들"로 그리고 심지어 개별 스마트 기기들로 하향 확장하는 것으로서 간주될 수 있다.
변조된 캐리어 주파수 신호들에 의해 데이터를 통신하기 위한 TRX(200, 201)의 간략화된 회로가 도 6에 도시된다. 신호 커플링 변압기(T2)는 Magnetics Inc. 2206L 타입의 페라이트 토로이드일 수 있는데, 이는 2개 또는 3개의 14 AWG 또는 더 큰 전력 와이어들이 통과하기에 충분한 내측 구멍 직경을 가진다. 이 토로이드는 20 턴의 2차측을 가지고 약 200uH의 인덕턴스를 제공한다. 2차측은 (345 KHz의 주파수에 대해) 1000 pF의 영역 내의 C4의 선택에 의해 원하는 캐리어 신호 주파수로 공진되며, Q-인자는 9.1 Kohm의 영역 내에서 R1의 선택에 의해 약 20으로 감소된다. 항목(2001)은 74HC4051과 같은 표준 8-웨이 멀티플렉서들을 조합함으로써 형성될 수 있는 16-웨이 아날로그 멀티플렉서이다. 이는 자신의 고유한 회로에만 통신하는 스마트 기기에서가 아니라, 많은 회로들에 통신하는 스마트 전력 분배 유닛에서만 요구된다. 변압기(T2)는 2차측 상의 적절한 탭을 사용하여 멀티플렉서(2001) 내로 커플링되어 편리한 임피던스를 획득할 수 있다. 예를 들어, 5개 턴들에서의 탭은 500옴과 600 옴 사이의 임피던스 레벨을 제공한다. 멀티플렉서는 하나의 변압기(T2) 상의 탭을 선택하여 복조기(2002)에 접속하는데, 이는 Philips FM 라디오 칩 타입 SA624에 기초할 수 있다. 이 칩은 대역 외 간섭 신호들을 억제하기 위한 대역통과 필터(2005) 및 주파수 판별기 코일(2004)에 대한 접속들을 가진다. 전술된 컴포넌트들은 바로 구입할 수 있으며, 신속하게 프로토타입들을 구성하기 위해 사용될 수 있다. 발명이 큰 범위의 사용을 위해 채택되는 경우, 데이터 복조 및 디코딩을 수행하기 위해 훨씬 더 적은 외부 컴포넌트들을 가지는 더 낮은 비용의 칩을 설계하는 것이 가능할 것이다. 복조기(2005)는 아날로그 대 디지털 컨버터를 포함하는 프로세서(2003)에 라디오 신호 강도 표시(RRSI)를 제공한다. RSSI 신호는 프로세서(2003)가 가장 큰 신호 강도를 가지고 수신되는 전송을 결정하고, 이에 의해 모든 차단기 회로 상의 스마트 전력 분배 유닛에 의해 전송되는 고유한-식별 코드로부터 그것이 플러그인되는 회로를 결정하도록 한다. 마찬가지로, 회로(2005)의 주파수 판별기의 출력은, 그것이 슬라이서에 의해 이진 신호로 먼저 제한되는 경우 디지털 입력에, 또는 그렇지 않은 경우 소프트-결정 디코딩이 사용될 경우 프로세서의 또다른 아날로그 대 디지털 컨버터 입력에 접속된다. 프로세서(2003)는 메모리에 신호 버스트를 레코딩하고, 이후 복조된 디지털 신호의 하드 또는 소프트 에러 정정 및 검출 코딩을 수행하고, 이후 요구되는 경우 어느 곳에서나 결과를 라우팅하거나 또는 그것의 미리-프로그래밍된 알고리즘에 따라 전력 선택 릴레이들을 수행함으로써 그 결과에 따라 작용할 수 있다.
멀티플렉서(2001)는 입력 없음을 선택하도록 설정될 수 있고, 이후 실제로 3-상태가 된다(tri-state). 전송 컴포넌트(2006)는 또한 각각의 T2 상의 탭에 저항기(R2)를 통해 각각 접속되는 3-상태가능한 출력들을 가질 수 있다. 전송 회로(2006)의 출력이 3-상태일 때, 이는 수신된 신호들이 R2에 의해 부하가 걸리지 않는 멀티플렉서(2001)로 전달되도록 한다. 반면, 멀티플렉서 입력이 선택되지 않을 때, 전송 회로(2006)는 캐리어 신호 주파수에서 신호를 T2 상의 탭에 전달할 수 있다. 캐리어 주파수의 주파수 변조가 데이터 통신을 위해 사용되는 경우, 캐리어 주파수 신호는 예를 들어 5 볼트 피크 대 피크의 논리 레벨 사각파일 수 있다. 대안적으로, 전송 컴포넌트(2006)는 3상태 불가능한, 논리-레벨 출력들을 가질 수 있고, R2는 수신 회로 Q 인자를 설정하기 위한 댐핑 저항기가 되며, 이후 R1을 생략하는 것이 가능하다.
전술된 스마트 기기들 사이에서 통신하기 위한 시스템은 기존의 설비들이 업그레이드되도록 하는 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 6의 회로를 포함하는 유닛은, 기존의 서브-패널이 부하들에 대안적인 전원들을 라우팅하기 위한 능력이 결여될 수 있더라도, 기존의 서브-패널 내에 또는 그 옆에 맞도록 잠재적으로 설계될 수 있다. 그럼에도, 유틸리티-요금-기반 연기 동작, 온도조절 기능들 및 전력 소모 모니터링 및 사용자의 PC로의 보고와 같은 유용한 기능들이 여전히 수행될 수 있다.
발명의 또다른 잠재적인 향후 실현은 도 6의 회로의 적어도 일부를 새로운 회로 차단기 설계 내에 구축하는 것을 포함한다. GFI 차단기들이 라이브/뉴트럴 전류 불균형을 모니터링하기 위해 도 1 또는 도 3의 변압기(T2)와 같은 변압기를 이미 포함한다고 가정한다. 따라서, 단일의 이러한 변압기가 GFI 기능 및 전력선 통신 기능 모두를 수행할 수 있는 것이 가능하다. AFCI 차단기들은 심지어 아크 불량과 연관되는 라이브 와이어 상의 전류의 스펙트럼 특성들을 계산하고 검출하는 디지털 신호 프로세서를 포함한다. 라이브 와이어 상의 전류의 모니터링은 물론 또한 회로 상의 전력 소모를 모니터링하기 위해 사용될 수 있다. 따라서 이러한 프로세서는 또한 전력선 통신 데이터를 디코딩하도록 프로그래밍될 수 있다. 따라서 전력선 통신들을 수행하기 위해 이러한 컴포넌트들을 포함하는 새로운 타입의 차단기가 예상될 수 있으며, 이는 외부에서 공급되는 프로그래밍 비트들에 의해 GFI 차단기, AFC 차단기, 이 둘의 조합 또는 단지 과전류 보호 디바이스라고 할 수 있다. 새로운 차단기가 다소 유사한 종래 기술의 차단기들로 보이지만, 부하 회로에 대한 라이브 및 뉴트럴 단자들 뿐만 아니라, 그것은 마이크로프로세서 버스와 인터페이싱하여 전송을 위한 데이터를 수신하거나 수신된 데이터를 전달하기 위해 최하부 면 상에 추가적인 접속을 가진다. 새로운 차단기가 또한 선택적으로 부하 회로에 대한 접지 단자, 및 각자의 버스들에 접속하기 위한 접지 피그 테일 및 뉴트럴 피그테일을 가질 수 있다. 선택적으로, 피그테일들이 단지 GFI 및 AFCI 차단기들이 기존의 패널들에 플러그인될 수 있게 하기 위해 사용됨에 따라, 피그테일들은 정상적인 라이브 스탭(stab) 뿐만 아니라 접지 및 뉴트럴 스탭들로 대체될 수 있다. 새로운 차단기는 기존의 패널에 맞도록 의도되지 않으며 따라서 그것의 디자인이 양보될 필요가 없다.
5-핀 통신 인터페이스는 접지 핀, 인에이블핀, 직렬 인 핀, 직렬 아웃 핀 및 클록 핀을 포함하는, 새로운 차단기 설계에 대해 예상될 수 있다. 직렬 데이터 입력은 차단기 타입(OCPD 전용, AFCI, GFCI 또는 이들 모두) 및 그것의 전류 제한, 뿐만 아니라 전송을 위한 데이터의 래칭 및 전송을 위한 시간슬롯의 할당을 설정할 수 있다. 직렬 출력 데이터는 차단기가 트립(trip)되었는지의 여부, 트립의 원인, 및 회로 전류 및 최근 회로 전류 이력을 결정하기 위해 마이크로프로세서에 의해 판독될 수 있다. 이러한 회로 차단기가 도 7에 예시된다. 새로운 회로 차단기는 전력선 주파수에서 라이브와 뉴트럴 사이의 전류 불균형을 샘플링할 뿐만 아니라 통신 캐리어 주파수 신호를 샘플링하는 변압기(T2)를 포함한다. 새로운 차단기는, 라이브 와이어 상에서만 전력선 전류를 샘플링하는 T3를 또한 포함한다. 통신 및 전류 모니터링 회로(4003)는 T2로부터의 신호를 프로세싱하여, 접지 불량이 존재하는지를 결정하고, 또한 여기서 이전에 기술된 바와 같이 통신 신호를 추출하거나 주입한다. 회로(4003)는 T3에 의해 샘플링된 라이브 전류를 프로세싱하고, 디지털 전류 측정을 통신 신호 커넥터(4004)에 전달한다. 라이브 전류가 또한 프로세싱되어 아크 불량 또는 과전류 조건을 검출한다. 과전류 제한은 통신 커넥터(4004)를 통해 프로그래밍될 수 있고, 프로그래밍된 제한이 초과되는 경우, 또는 아크 불량이 검출되는 경우, 라이브 와이어를 스탭(4002)으로부터 신속하게 분리하여 이에 의해 고장난 회로에서 전류를 제거하는 전기-기계식 트립 메커니즘(electro-mechanical trip mechanism)(4001)에 신호가 송신된다. 프로세서 전력 및 메모리가 현대의 기술에 의해 저렴하기 때문에, 회로(4003)는 회로 전류 및 전압의 이력의 기억의 견지에서 원하는 만큼 많은 기능성을 포함할 수 있다. 추가로 라이브 와이어와 뉴트럴 와이어 사이의 전압을 측정하기 위한 A-대-D 컨버터가 주어지는 경우, 그것은 예를 들어 4-분기 전력 소모 및 전력 인자를 계산할 수 있다.
개인용 컴퓨터, 세탁기 또는 냉장고와 같은 기기들 내로의 전력선 통신 기능의 통합을 용이하게 하도록 예상될 수 있는 또다른 새로운 컴포넌트는 도 8에 도시된 전력 유입 커넥터이다. 이것은 종래 기술에서와 같이, 라이브, 뉴트럴 및 접지 핀들(5001, 5002, 5003)에 대해 동일한 크기, 형상 및 이격들을 가지는, PC들, 프린터들 등에 제공되는 것과 같은 일반적인 파워 리드들을 수용하도록 의도되지만, 이제 임의의 다른 전력선 필터링 앞에, 임의의 다른 전력선 필터링 뿐만 아니라, 또는 임의의 다른 전력선 필터링 대신, 도 1의 전력선 통신 커플링 변압기(T2)를 포함한다. 또한, 전력선 필터링은 위에서 포함된 출원들 및 '822 특허에서 논의된 바와 같이 도 9a의 안전하지 않은 회로로부터 도 9b의 안전한 회로로 변경될 것이다. 또한, 도 9b 내의 공통 모드 필터링 인덕터가 본 출원의 도 1의 변압기(T1)와 동일한 방식으로 실제로 접속되며, 뉴트럴에서 접지로의 커패시터가 도면의 C3과 같이 접속됨을 알 수 있다. 따라서, 도 8의 새로운 커넥터가 종래 기술에 비해 내부에 가외의 컴포넌트들을 필요로 하는 것이 아니라, 이제 공통 모드 필터 초크 상의 2차측에, 아마도 인쇄 회로 장착에 의해, 전력선 통신 회로들로의 접속을 위한 핀들(5005)을 끌어내는 것이 가능하다. 그렇지 않은 경우, 패널-장착 플랜지(5004) 내의 그리고 길이, 폭 및 높이 디멘젼들의 임의의 장착 구멍들을 포함하는 도 8의 커넥터는 기존의 전력 유입 커넥터들과 기계적으로 상호교환가능할 수 있다.
대안적으로, 새로운 변압기(T2)는 도 8a에 도시된 바와 같이 명시적으로 포함될 수 있다. 도 8a에서, 라이브(L) 및 뉴트럴(N) 와이어들은 토로이드(T2)를 통과하고, 이후 뉴트럴은 이전에 기술된 바와 같이 dC 및 Rs를 통해 접지에 접속된다. 라이브 및 뉴트럴 와이어들은 위에서 포함된 '822 특허의 교시들에 따라 안전상의 이유로 수정되는 것으로서 종래 기술에서와 같이 C10, L1a, L1b, C11, 및 C12로 구성된 EMI 필터를 계속 통과한다. T2 상의 2차측 권선에 전력선 통신 송신기-수신기(TRX)로의 접속을 위해 커넥터 상에 새로운 핀들을 끌어낼 수 있다.
도 1 및 도 8a의 T2와 같은 변압기들을 사용하는 신호 커플링 회로들에 대해 많은 논의를 전념했지만, 발명은 통신 신호들을 전력 분배 와이어들에 커플링시키는 그 방법에만 반드시 제한되지는 않는다. 예를 들어, 대안적인 방법은 직렬 공진 회로, 예컨대 세라믹 공진기를, 도 21에 도시된 바와 같이 뉴트럴 선에 접속시켜 복조를 위한 캐리어 주파수 신호를 제거하는 것일 수 있다. 도 21은, T2 대신, 전과 같이, C10, L1a, L1b, C11, 및 C12를 포함하는 필터링된 전력 유입 커넥터의 안전한 형태를 도시하며, 시그널 커플링 컴포넌트는 캐리어 신호 주파수에서 낮은 임피던스 직렬 공진을 가지는 세라믹 공진기(X1)이다. 이것은 TRX(200)의 낮은 출력 임피던스 송신기로부터 접지에 대한 뉴트럴 와이어에 캐리어 신호들을 커플링시키고, 접지에 대한 뉴트럴 와이어로부터의 캐리어 신호들을 TRX(200)의 낮은 입력 임피던스 수신 회로들에 커플링시킨다.
하나 초과의 커플링 방법이 발명을 구현하도록 고안될 수 있지만, 실제로, 채택되는 방법은 표준에 따라야 하며 따라서 상이한 제조의 기기들이 예측가능한 결과들을 가지고 동일한 구내에서 사용될 수 있다. 따라서, 상이한 커플링 방법들을 사용하는 기기들이 동일한 차단기 회로 상의 상이한 콘센트들에 플러그인될 때, 각각의 제안되는 커플링 방법이 분석되어 그 자체 및 다른 기기들의 성능을 결정해야 한다.
도 9는 주거 설정에서 다수의 스마트 기기들을 예시한다. 스마트 전력 분배 유닛(300)은 스마트 기기들에 대한 발명의 전력선 통신 시스템의 허브일 뿐만 아니라 어느 전원이 어느 기기에 대해 사용하는지에 대한 아비터(arbiter)이다. PC(500)에는 파워 코드 상으로의 통신 신호들의 커플링을 용이하게 하는, 도 8에 도시된 새로운 형태의 전력 유입 커넥터가 구비될 수 있다. 플러그인되는 콘센트들(350)(또는 도시되지 않은 다른 콘센트)이 무엇이든 간에, 그것은 자신의 위치를 유닛(300)에 공지할 것이고, 따라서 그것은 PC(500)을 목적지로 하는 데이터 또는 전력을 정정 회로에 라우팅할 수 있다. 예를 들어, PC(500)가 연장된 정전(utility outage)동안 전력을 수신하기 위한 높은 우선순위를 가지도록 지정되는 경우, 그 우선순위는 임의의 시간에 그것이 플러그인되는 전력 회로에 할당될 것이다. 그것이 상이한 콘센트로 이동한 경우, 새로운 콘센트 회로가 이제 그 우선순위를 받을 것이다.
회전식 건조기들(5011)에 대한 현재 강제적인 4-핀 소켓이 또한 도 9에 도시된다. 유닛(300)이 디스플레이를 위해 선택된 데이터를 송신하도록 요청받은 디스플레이(5012)는 임의의 콘센트에 플러그인될 수 있고, 본원에 기술된 이동도 관리 동작들을 수행한 이후, 유닛(300)은 어느 차단기 회로가 데이터를 전송할지를 알 것이다.
온도 센서(5010)는 350과 같은 임의의 콘센트 체인과 동일한 회로에 하드배선될 수 있거나, 또는 그렇지 않은 경우 임의의 콘센트에 플러그인될 수 있다. 그것은 마찬가지로, 이후 그것에 주기적으로 질문하여 온도를 수신하고 그 온도를 사용하여 HVAC 시스템을 제어할 수 있는 유닛(300)에 자신의 위치를 알릴 것이다. HVAC 시스템에는 추가적인 제어 와이어들이 설치될 필요 없이 전력선 통신들을 따라 커맨드들이 차례로 주어진다.
따라서, 스마트 기기들에 분배될 일부 기준에 따라 선택될 수 있는 둘 이상의 에너지원들을 가지는 전기 설비가, 어느 전기 회로들에 그 기기들이 잠시 접속되는지를 하는 이유가 기술되었으며, 이 정보를 제공하는 방법 및 장치가 개시된다. 태양열 에너지와 같은 대체 에너지를 사용함으로써 또는 가변적인 유틸리티 요금들에 대해 적응시킴으로써, 에너지 또는 에너지 비용을 절감하기 위한 잠재성을 포함하는 중요한 유틸리티를 사용자에게 제공할, 스마트 기기들의 몇몇 클래스들의 일반적 특성들이 또한 기술되었다.
본원에 기술된 발명의 전력선 통신 능력이 결여된 종래 기술의 기기들의 전력을 원격으로 제어하는 것이 바람직한 경우, 어드레싱가능한 전기 콘센트라는 명칭의, 새로운 타입의 전기 콘센트가 도 22에 도시된 바와 같이 예상될 수 있다.
도 22는 특정 회로 차단기를 통해 스마트 전기 분배 박스(300)로부터 나오는 라이브, 뉴트럴 및 접지선들에 접속되는 제1 어드레싱가능한 전기 콘센트(451)를 도시한다. 콘센트(451)는 지금까지 기술된 바와 동일한 전력선 통신 회로, 소위 C2-1에 의해 캐리어 주파수로 동조되는 전력선 통신 신호 커플링 변압기(T1-1)를 포함하며, (라이브 + 뉴트럴) 및 접지 와이어들을 포함하는 커플링 루프는 위에서 설명된 이유로 R1-1에 의해 댐핑되는 C1-12에 의해 폐쇄된다. 변압기(T1-1)가, 전력이 커넥터 핀들(481-1 및 482-1)에 대해 잠기기(tapped off) 이전에 라이브 및 뉴트럴 와이어들에 의해 끼워질 수 있거나, 또는 탭 와이어들 자체에 의해 끼워질 수 있거나, 또는 도 22에 도시된 바와 같이 데이지-체인형의(daisy-chained) 콘센트로부터 또다른 콘센트로 나오는 라이브 및 뉴트럴 와이어들에 의해 끼워질 수 있다는 것에 유의한다. 뉴트럴 와이어가 변압기(T1-1)를 통과한 이후 C1-1 및 R1-1이 뉴트럴 와이어에 접속되는 한, 이들 3개의 구성들 중 임의의 하나가 사용될 수 있다. 통신 신호들은, 스마트 전력 분배 유닛에 그리고 스마트 전력 분배 유닛으로부터 T1-1를 통해 트랜시버(TRX 251-1)에 의해 전송되거나 수신된다.
스마트 전력 분배 유닛(300)으로부터 특정 어드레싱가능한 콘센트로의 신호는 그 콘센트의 어드레스를 포함한다. 모든 어드레싱가능한 전기 콘센트들은 별도의 어드레스들을 가질 수 있어서, 이들이 개별적으로 제어될 수 있게 한다. 통상적으로, 어드레싱가능한 콘센트로의 제어 신호가 디코딩되어 어드레싱가능한 콘센트(451)의 TRX(251-1)로부터 릴레이(RL1-1)로 릴레이 구동 신호를 제공하여 라이브 와이어를 차단(interrupt)함으로써 콘센트의 전력 출력을 턴 오프 또는 턴 온시킨다.
트랜시버(TRX 451-1)가 콘센트가 스위치 온되든 스위치 오프되든 간에 TRX(451-1)에 전력공급할 목적으로 차단되지 않은 라이브 와이어로의 접속을 가질 것이라는 것이 언급되어야 한다. 신호 인코딩, 디코딩 및 구동 릴레이(RL1-1)를 포함하는 특수 커스텀 칩으로서 TRX(45-1)를 구성함으로써, 비용 및 전력 소모가 최소화될 수 있다.
본 기술분야의 통상의 기술자는, 도 22의 기본 회로 개요가 소위 GFI 콘센트의 개요와 동일하다는 것을 인지할 수 있는데, 소위, 라이브 + 뉴트럴 상에서 공통 모드 전류를 감지하는 전류 변압기(T1-1) 및 감지된 신호를 프로세싱하는 프로세서(TRX 451-1)가 존재한다. 캐리어 주파수 통신 신호들을 추출하면서 접지 누설을 나타내는 60 Hz 불균형 전류를 검출하는 T1-1에 의해 감지되는 공통 모드 신호를 프로세싱하고, 이에 의해 GFI 콘센트의 기능을 어드레싱가능한 콘센트 내에 포함시키는 것이 가능하다. 아크 불량 또는 콤비 콘센트(아크 불량 + GFI + 전력선 통신 콘센트)는, 3개 기능들 모두를 위해 요구되는 부품들 사이에 큰 시너지가 존재함에 따라, 유사하게 생산될 수 있다. 콘센트로부터의 출력이 차단될 때, 그것은 사용자에 의해 리셋될 때까지 차단된 채 유지할 것이다. 차단의 표시는, GFI, AFCI, 또는 콤비 콘센트로부터, 그 표시를 사용자의 PC 또는 다른 디스플레이 상에 디스플레이할 수 있는 스마트 전력 분배 유닛(300)에 송신되는 캐리어 주파수 신호 내로 인코딩될 수 있다. 또한, 그것은 트립되는 콘센트를 사용자의 PC로부터 원격으로 리셋시키도록 배열될 수 있는데, 이는 콘센트가 다락 또는 좁은 공간과 같이 액세스 불가능한 위치에 있을 때 큰 편의를 제공한다.
콘센트가 기기에 의해 소모되는 전력 전류를 감지하고 그것을 인코딩하고, 그것을 TRX(451)를 통해 유닛(300)에 보고하고, 따라서 사용자가 자신의 설비의 전력 소모를 개별 콘센트들로 뿐만 아니라 각각의 차단기 회로로 하향 매핑할 수 있게 하기 위한, 전류 변환기를 포함할 수 있다는 것이 또한 이해될 것이다. 이 경우, 어드레싱가능한 콘센트에 어드레싱되는 데이터는 그 콘센트 상의 전류 소모의 보고를 도출하기 위한 질의를 포함할 수 있다.
콘센트들은 일반적으로 전력 유입을 위한 라이브 및 뉴트럴 단자, 및 다음 콘센트 다운스트림으로 전달되는 전력을 위한 라이브 및 뉴트럴 단자를 가진다. 도 22의 콘센트(452)는 또다른 콘센트인데, 이는 콘센트(451)와 동일하며 다운스트림으로 접속될 수 있다. 콘센트들(451 및 452)과 다른 추가적인 다운스트림(미도시됨) 모두는 스마트 전력 분배 유닛(300)으로부터 개별적으로 제어될 수 있다.
아크 불량 검출기는, 아크의 특성인 전력선 전압 또는 전류 또는 둘 모두 상의 전기적 잡음의 특징을 결정하고, 이후 다운스트림 전력 급전을 차단함으로써 일반적으로 동작할 수 있다. 본 발명에서, 전력 데이지 체인형 다운스트림을 차단시키기 위한 제2 릴레이는 아크 불량 회로 차단 피쳐의 구현을 허용한다. 국가 전기 코드는 제1 콘센트로의 전력이 차단가능하지 않을 때 유닛(300)으로부터 아크-고장 보호 회로의 제1 콘센트로의 배선에 대한 요건들을 둔다.
임의의 어드레싱가능한 콘센트는, 데이터가 전력선 통신 시스템과 PC, 프린터 또는 스마트폰과 같은 USB 기기들 사이에서 교환되도록 하는, USB 포트(USB-1)와 같은 외부 데이터 접속을 추가로 가질 수 있다. 따라서, 콘센트는 예를 들어, 릴레이(RL1-1)를 제어하기 위해, 그것으로 어드레싱되는 데이터를 단독으로 종단시킬 수 있거나, 또는 콘센트 내에 종단되지 않는 데이터를 재포맷하고, 그것을 외부 디바이스에 의해 평가되도록 USB 소켓에 전달할 수 있다. 마찬가지로, 외부 디바이스로부터 USB 소켓을 통해 입력되는 데이터는 전력선 통신 매체를 통한 전송을 위해 재포맷되고 인코딩될 수 있다. USB 소켓은 또한 스마트폰과 같은 USB 기기들을 충전시키기 위해 5v 전력을 제공할 수 있다. 예를 들어, PC의 경우, 소켓에 대해 어드레싱되지 않은 전력선 통신 비트스트림들이 USB 포트에 출력되고 PC에 전달된다. PC는 비트스트림이 그것에 어드레싱되는지를 결정한다. 반면, PC는 USB 소켓을 통해 비트스트림을 입력할 수 있고, 트랜시버(TRX 251-1)는 그것을 통신 캐리어 주파수 신호 상에 인코딩하여, 그것을 유닛(300)에 전송한다. 유닛(300)은 신호를 디코딩하여 그것이 어드레싱된 것을 결정하고, 그것을 상이한 차단기 회로 상에 있을 수 있는 수신측 기기(addressee appliance)에 포워딩한다. 이러한 수단에 의해, 하나의 차단기 회로 상의 콘센트에 플러그인된 하나의 방 안의 PC는 또다른 방 안의 또다른 콘센트에 플러그인된 기기를 제어할 수 있고, 상이한 차단기 회로 - 예를 들어 - 테이블 램프는 그것을 어드레싱가능한 콘센트에 플러그인함으로써 원격으로 스위치 온 및 스위치 오프될 수 있다. 따라서 스마트 전력 분배 유닛은 스마트 기기들, 컴퓨터들, 컴퓨터 주변기기들 및 어드레싱가능한 콘센트들 사이에서 데이터 및 제어 신호들을 교환하기 위한 통신 허브로서 작동한다.
어드레싱가능한 콘센트는 종래의 전기 콘센트에 대한 대체물로서 구성될 수 있거나, 또는 종래의 콘센트에 플러그인하는 어댑터로서 구성될 수 있다. 후자의 경우, 어댑터는 종래의 출력에 플러그인하는 3-핀 플러그 피쳐를 가지고, 라이브 와이어가 릴레이(RL1-1)에 의해 차단된 3-핀 콘센트를 제공할 것이다. 콘센트 또는 어댑터의 4-핀 버전들이 또한, 도 3에 따른 핫 레그들 둘 모두를 사용하는 미국 240 볼트 기기들에 대해 예상될 수 있다.
본 기술분야의 통상의 기술자는 다양한 수정들을 상세하게 하기 위해 본원에 개시되는 교시들을 사용할 수 있거나, 또는 다양한 시스템들을 구성할 수 있는 동시에, 후속하는 청구항들에 의해 기술되는 바와 같이 발명의 범위 내에서 유지될 수 있다.
본 발명은, 물론, 발명의 본질적 특성들로부터 벗어나지 않고 본원에 구체적으로 설명된 것과는 상이한 방식들로 수행될 수 있다. 본 실시예들은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로서 모든 양태들에서 고려되어야 하며, 첨부된 청구항들의 의미 및 등가 범위 내에 있는 모든 변경들이 그 내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (36)

  1. 스마트 기기들(Smart Appliances) 사이에서 데이터를 통신하기 위한 통신 장치로서,
    상기 스마트 기기들 중 제1 스마트 기기로부터 상기 스마트 기기들 중 제2 스마트 기기로 통신하기 위한 상기 데이터를 캐리어 주파수 신호로 변조시키기 위한 변조기;
    제1 및 제2 전도 경로를 포함하는 회로에 상기 변조된 캐리어 주파수 신호를 상기 제1 스마트 기기에서 주입하기 위한 신호 주입 디바이스 ― 상기 전도 경로들 중 상기 제1 전도 경로는 라이브(live) 및 뉴트럴(neutral) 와이어들 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 제2 전도 경로는 접지 와이어(ground wire)를 포함하고, 상기 접지 와이어, 라이브 와이어 및 뉴트럴 와이어는 상기 제1 및 제2 기기들을 전력 회로에 접속시킴 ― ;
    상기 제1 및 제2 전도 경로들로 구성된 상기 회로로부터 상기 주입된 변조된 캐리어 주파수 신호를 상기 제2 스마트 기기에서 추출하기 위한 신호 추출 디바이스;
    상기 추출된 변조된 캐리어 주파수 신호를 복조 및 디코딩하여 상기 제2 스마트 기기에서 상기 데이터를 획득하기 위한 복조기
    를 특징으로 하는 통신 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 스마트 기기 또는 제2 스마트 기기는 다른 스마트 기기들 및 전기 콘센트(outlet)들 또는 회로들에 전력을 급전(feed)하기 위한 스마트 전력 분배 유닛(Smart Power Distribution Unit)인 통신 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 변조기는 주파수 시프트 키잉(Frequency Shift Keying)(FSK) 변조기인 통신 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호 주입 디바이스 및 신호 추출 디바이스는 스마트 기기에 전력을 급전하는 라이브 및 뉴트럴 와이어들이 통과하여 적어도 하나의 턴(turn)과 등가인 1차측 권선(primary winding)을 형성하는 자기 회로(magnetic circuit)를 포함하는 통신 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호 주입 또는 신호 추출 디바이스는 임의의 스마트 기기에 전력을 급전하는 라이브 및 뉴트럴 와이어들이 통과하여 적어도 하나의 턴과 등가인 1차측 권선을 형성하는 페라이트 토로이드(ferrite toroid)를 포함하고, 상기 토로이드는 상기 캐리어 신호 주파수에서 커패시터에 의해 공진으로 동조되는 멀티-턴 권선(multi-turn winding)을 가지는 통신 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 스마트 기기로부터 상기 제1 기기로 역방향으로 데이터를 통신하기 위한 신호 추출을 위해 상기 신호 주입 디바이스가 또한 사용될 수 있고 그 역이 성립하는 통신 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변조기는 상기 캐리어 주파수 신호로 데이터를 변조시키고, 이는 변조된 캐리어 주파수 신호가 순환 시분할 멀티플렉스 프레임 주기(recurring Time Division Multiplex frame period)의 할당된 전송 시간슬롯 내에서 상기 제1 전도 경로 및 상기 제2 전도 경로로 구성된 상기 회로 내로 상기 신호 주입 디바이스에 의해 주입되게 하는 통신 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호 추출 디바이스가 순환 시분할 멀티플렉스 프레임 주기의 할당된 수신 시간슬롯 내에서 상기 제1 전도 경로 및 상기 제2 전도 경로로 구성된 상기 회로로부터 상기 변조된 캐리어 주파수 신호를 추출하게 하는 통신 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 전도 경로 및 상기 제2 전도 경로로 구성된 상기 회로는 서비스 입구 패널(service entrance panel)에서 뉴트럴 대 접지의 결합(bonding of neutral to ground)에 의해 하나의 단부에서 완료되고(completed), 전력선 주파수에서 높은 임피던스를 가지는 반면 상기 캐리어 주파수에서 낮은 임피던스를 가지는 컴포넌트들을 통해 뉴트럴 대 접지(neutral to ground)를 접속시킴으로써 상기 스마트 기기 단부에서 폐쇄되고, 상기 전력선 주파수 임피던스는 특정된 개수의 이러한 스마트 기기들이 동일한 차단기 회로(breaker circuit) 내로 플러그인될 때 접지 불량 회로 차단(Ground Fault Circuit Interrupting) 차단기의 고장 트리거링(false triggering)을 회피하기에 충분히 높은 통신 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스마트 기기들 중 상기 제1 스마트 기기로부터 상기 스마트 기기들 중 상기 제2 스마트 기기로 통신하기 위한 상기 데이터는 별도의 제1 전도 경로 및 제2 전도 경로에 의해 형성되는 각각의 별도의 전기 회로에 대해 고유한 데이터를 포함하고, 상기 고유한 데이터는 상기 제1 스마트 기기 및 제2 스마트 기기가 접속되는 상기 전기 회로를 식별하는 통신 장치.
  11. 스마트 기기와 통신하기 위한 스마트 전력 분배 유닛으로서,
    라이브, 뉴트럴 및 접지 단자들을 포함하는, 적어도 하나의 전원으로부터 전력을 수용하기 위한 입력 단자들;
    상기 입력 단자들로부터 연관된 전력 출력 회로로 전력을 커플링시키기 위한 적어도 하나의 회로 차단기 ― 상기 전력 출력 회로는 라이브, 뉴트럴 및 접지 와이어들을 가짐 ― ;
    상기 전력 출력 회로의 뉴트럴 및 접지 와이어들에 의해 형성되는 루프로 데이터-포함 통신 신호(data-bearing communications signal)를 주입하기 위한 통신 신호 주입기
    를 특징으로 하고, 상기 데이터 포함 신호는 상기 적어도 하나의 회로 차단기들 중 어느 것이 상기 전력 출력 회로에 급전하는지에 대한 표시를 포함하는 스마트 전력 분배 유닛.
  12. 전원으로부터 이용가능할 때 더 낮은 비용의 에너지를 사용하기 위한 스마트 기기로서,
    사용자가, 상기 더 낮은 비용의 에너지가 이용가능할 때 동작하도록 상기 스마트 기기에 명령할 수 있게 하는 사용자 인터페이스;
    상기 더 낮은 비용의 에너지의 가용성(availability)의 표시를 획득하기 위해 전력선 접지, 뉴트럴 및 라이브 전도체들을 통해 전달되는 신호를 추출 및 디코딩하는 디코더
    를 특징으로 하고, 상기 표시는 상기 사용자 인터페이스를 사용하여 상기 사용자에 의해 명령되는 상기 동작을 개시하는 데에 사용되는 스마트 기기.
  13. 제12항에 있어서, 상기 디코더는 상기 기기가 접속되는 전기 전력 회로를 식별하는 표시를 획득하기 위해 상기 전력선 접지, 뉴트럴 및 라이브 전도체들을 통해 전달되는 신호를 디코딩하고, 상기 전원에 상기 디코딩된 표시를 재전송하고, 이에 의해 상기 전원이 상기 식별된 전기 전력 회로를 사용하여 상기 스마트 기기에 상기 더 낮은 비용의 에너지를 라우팅할 수 있게 하도록 추가로 구성되는 스마트 기기.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 더 낮은 비용의 에너지는 하루 중 오프-피크 시간들(off-peak times of day)에서 감소된 요금으로 이용가능한 유틸리티 그리드 전력(utility grid power)인 스마트 기기.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 더 낮은 비용의 에너지는 태양열 에너지인 스마트 기기.
  16. 어드레싱가능한 전기 전력 커넥터로서,
    전력 분배 유닛으로부터 라이브, 뉴트럴 및 접지에 접속하기 위한 단자들;
    접지 전도체에 대해 라이브 및 뉴트럴 전도체들의 공통 모드로 데이터-포함 통신 신호를 주입시키고, 마찬가지로 데이터-포함 신호를 추출하기 위한 신호 주입기/추출기;
    상기 신호 추출기에 의해 추출된 신호를 프로세싱하여 상기 통신 데이터를 디코딩하고, 상기 신호 주입기를 사용하여 주입될 통신 데이터를 인코딩하기 위한 트랜시버
    를 특징으로 하고, 상기 트랜시버는 상기 데이터가 상기 커넥터와 연관된 어드레스를 포함할 때 상기 커넥터에 접속될 수 있는 기기의 동작의 제어를 허용하도록 상기 디코딩된 통신 데이터를 전달하는 어드레싱가능한 전기 전력 커넥터.
  17. 제16항에 있어서, 전기 전력 콘센트(electrical power outlet)로서 구성되며, 상기 디코딩된 통신 데이터는 상기 콘센트 밖으로의 전력 흐름을 턴 온(turn on) 또는 턴 오프(turn off)시키도록 사용되는 어드레싱가능한 전기 전력 커넥터.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 전기 전력 콘센트로서 구성되며, 상기 디코딩된 통신 데이터는 상기 데이터가 상기 콘센트에서 종료(terminate)하지 않을 때 재포맷되어 USB 데이터 커넥터로 그리고 USB 데이터 커넥터로부터 라우팅되는 어드레싱가능한 전기 전력 커넥터.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 다운스트림 전기 전력 콘센트로의 라이브, 뉴트럴 및 접지 전도체들의 접속을 위한 추가적인 단자들을 가지는, 전기 전력 콘센트로서 구성되는 어드레싱가능한 전기 전력 커넥터.
  20. 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 스마트 기기의 전력 유입 커넥터로서 구성되는 어드레싱가능한 전기 전력 커넥터.
  21. 제16항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 콘센트에 플러그인하며, 기기가 플러그인될 수 있는 추가적인 콘센트를 제공하는 어댑터로서 구성되는 어드레싱가능한 전기 전력 커넥터.
  22. 제16항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 콘센트에 플러그인하며, 기기가 플러그인될 수 있는 추가적인 콘센트를 제공하는 어댑터, 및 상기 기기로의 그리고 상기 기기로부터의 데이터 신호들을 상기 트랜시버에 접속시키기 위한 USB 소켓으로서 구성되는 어드레싱가능한 전기 전력 커넥터.
  23. 제16항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 접지 불량 차단 콘센트로서 구성되며, 상기 신호 추출기는 또한 접지 누설을 나타내는 60Hz 신호를 상기 공통 모드로부터 추출하고 접지 누설의 경우에 상기 콘센트로부터의 전력 출력을 차단하는 어드레싱가능한 전기 전력 커넥터.
  24. 제16항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 접지 불량 차단 콘센트로서 구성되며, 상기 신호 추출기는 또한 접지 누설을 나타내는 60Hz 신호를 상기 공통 모드로부터 추출하고 접지 누설의 경우에 상기 콘센트로부터의 전력 출력을 차단하는 어드레싱가능한 전기 전력 커넥터.
  25. 제16항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 접지 불량 차단 콘센트로서 구성되며, 상기 신호 추출기는 또한 접지 누설을 나타내는 60Hz 신호를 상기 공통 모드로부터 추출하고, 접지 누설의 경우에 상기 콘센트로부터의 전력 출력을 차단하고, 수신자 어드레스를 가지는 접지 누설 회로 차단의 표시를 상기 캐리어 주파수 신호 상으로 변조된 신호로 인코딩하고, 상기 수신자로의 전송을 위해 상기 접지 전도체에 대해 뉴트럴 및 라이브 전도체들의 상기 공통 모드로 상기 변조된 캐리어 주파수 신호를 주입시키는 어드레싱가능한 전기 전력 커넥터.
  26. 제16항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 접지 불량 차단 콘센트로서 구성되며, 상기 디코딩된 어드레스는 콘센트 자체의 어드레스이며, 상기 디코딩된 데이터는 리셋을 나타내며, 이전에 발생한 접지 불량 트립(ground fault trip)을 리셋시키는 어드레싱가능한 전기 전력 커넥터.
  27. 라이브, 뉴트럴 및 접지 전도체들에 의해 전기 전력 분배 시스템에 접속되는 스마트 기기들 사이에서 데이터를 통신하는 방법으로서,
    의도된 수신자의 어드레스를 이용하여 상기 데이터를 인코딩하고, 인코딩된 데이터를 캐리어 주파수 신호로 변조시키는 단계;
    상기 접지 전도체에 대해 상기 라이브 및 뉴트럴 전도체들의 공통 모드로 상기 변조된 캐리어 주파수 신호를 주입하는 단계
    를 특징으로 하는 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 인코딩 및 주입은 스마트 전력 분배 유닛 내에서 수행되고, 상기 라이브, 뉴트럴 및 접지 전도체들은 특정 회로 차단기와 연관되는 방법.
  29. 제27항 또는 제28항에 있어서, 상기 인코딩 및 주입은 상기 라이브, 뉴트럴 및 접지 전도체들에 의해 상기 전기 전력 분배 시스템의 특정 차단기 회로에 접속되는 어드레싱가능한 전기 콘센트 내에서 수행되는 방법.
  30. 라이브, 뉴트럴 및 접지 전도체들에 의해 전기 전력 분배 시스템에 접속되는 스마트 기기들 사이에서 데이터를 통신하는 방법으로서,
    상기 접지 전도체에 대해 상기 라이브 및 뉴트럴 전도체들의 공통 모드로부터 변조된 캐리어 주파수 신호를 추출하는 단계;
    상기 캐리어 주파수 신호를 디코딩하여 의도된 수신자 기기의 어드레스 및 의도된 수신자 기기에 대한 데이터를 결정하는 단계;
    상기 의도된 수신자 기기가 상기 동일한 라이브, 뉴트럴 및 접지 전도체들에 접속되는 경우 상기 의도된 수신자 기기에 상기 데이터를 전달하는 단계
    를 특징으로 하는 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 추출 및 디코딩은 스마트 전력 분배 유닛 내에서 수행되고, 상기 라이브, 뉴트럴 및 접지 전도체들은 특정 회로 차단기와 연관되는 방법.
  32. 제30항 또는 제31항에 있어서, 상기 추출 및 디코딩은 상기 라이브, 뉴트럴 및 접지 전도체들에 의해 상기 전기 전력 분배 시스템의 특정 차단기 회로에 접속되는 어드레싱가능한 전기 콘센트 내에서 수행되는 방법.
  33. 제30항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추출 및 디코딩은 상기 라이브, 뉴트럴 및 접지 전도체들에 의해 상기 전기 전력 분배 시스템의 특정 차단기 회로에 접속되는 어드레싱가능한 전기 콘센트 내에서 수행되고, 상기 어드레싱가능한 전기 콘센트는 상기 결정된 어드레스가 상기 어드레싱가능한 전기 콘센트의 어드레스일 때 내부적으로 사용될 디코딩된 데이터를 전달하는 방법.
  34. 제30항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추출 및 디코딩은 상기 라이브, 뉴트럴 및 접지 전도체들에 의해 상기 전기 전력 분배 시스템의 특정 차단기 회로에 접속되는 어드레싱가능한 전기 콘센트 내에서 수행되고, 상기 디코딩된 어드레스에 의해 표시되는 의도된 수신자가 어드레싱가능한 콘센트 자체일 때, 릴레이 드라이버(relay driver)가 상기 데이터에 따라 상기 콘센트로부터의 전력을 턴 온 또는 턴 오프하도록 릴레이를 제어하게 되는 방법.
  35. 제30항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추출 및 디코딩은 상기 라이브, 뉴트럴 및 접지 전도체들에 의해 상기 전기 전력 분배 시스템의 특정 차단기 회로에 접속되는 어드레싱가능한 전기 콘센트 내에서 수행되고, 상기 디코딩된 어드레스에 의해 표시되는 의도된 수신자가 어드레싱가능한 콘센트 자체이고 상기 디코딩된 데이터가 질의 기기(inquiring appliance)로부터의 전류 소모 질의(current consumption inquiry)를 나타낼 때, 인코더가 상기 콘센트로부터 소모되는 전류를 측정하고 상기 질의 기기의 어드레스를 이용하여 전류 측정을 인코딩하여 응답(reply)을 형성하게 되고, 상기 응답은 상기 캐리어 주파수 신호로 변조되고, 상기 질의 기기로의 전송을 위해 상기 접지 전도체에 대해 상기 뉴트럴 및 라이브 전도체들의 공통 모드로 주입되는 방법.
  36. 원격으로 리셋가능한 접지 불량 차단 회로 차단기 콘센트(remotely resettable Ground Fault Interrupting circuit breaker outlet)로서,
    캐리어 주파수 신호 상으로 트립 표시(trip indication)를 인코딩하고, 접지에 대한 라이브 및 뉴트럴 전도체들의 공통 모드를 사용하여 상기 인코딩된 트립 표시를 원격 디스플레이에 전송하는 송신기;
    상기 접지에 대한 라이브 및 뉴트럴 와이어들의 공통 모드를 사용하여 수신되는 캐리어 주파수 신호를 디코딩하여 디코딩된 어드레스 및 디코딩된 데이터를 획득하고, 상기 어드레스가 상기 콘센트의 어드레스이고 상기 데이터가 요구되는 리셋을 표시하는 경우 이전에 당면된 접지 불량 트립 조건(previously encountered ground fault trip condition)을 리셋시키는 수신기
    를 특징으로 하는 원격으로 리셋가능한 접지 불량 차단 회로 차단기 콘센트.
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