TW201414128A - 電路斷路器面板 - Google Patents

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Jeffrey L Franks
Stephen E Williams
Ray Cole
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Edison Global Circuits
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Abstract

一電力輸送系統包括一電路斷路器面板。電路斷路器面板包括複數個電路斷路器和耦合於各個電路斷路器的跳脫控制電路。跳脫控制邏輯接收由使用者輸入的其中一選定斷路器的跳脫電流值及一由該選定的其中一斷路器的電流測量值。跳脫控制電路會在該電流測量值超過該跳脫電流值時，使該斷路器跳脫。

Description

電路斷路器面板
本發明關於電路斷路器面板。
本發明主張美國臨時申請號61/675,498，申請日2012年7月25日及61/735,172，申請日2012年10月的優先權，兩者併入本文的說明書。
電路斷路器面板被廣泛應用於將複數個受保護的分支電路與一電源隔離。一面板包括許多受每個不同分支電路保護的斷路器。斷路器可因應故障狀況而提供一自動切換機制(例如過載或短路)，中斷電路的連接而停止電力的供應。電弧故障電路斷路器(AFCI)和接地故障斷路器(GFCI)係可分別檢測出故障電弧和接地故障的新型斷路器技術。
本文所公開的方法和系統，用於提供複數個電路斷路器跳脫選項的動態控制。本文還公開了一種電路斷路器面板，有利於使用者和該電路斷路器面板及/或實用程序的提供者之間的電力和電路斷路器面板之間的相互作用。本文還公開了一種電路斷路器面板設置，使可通過電路斷路器面板接收多媒體/互聯網傳輸。此外，在至少一些實施例所公開的電路斷路器面板實施例提供了一使用者之間的通訊和經由電路斷路器面板供電的電器的介面使用者。
在至少一些實施例中，一電路斷路器面板提供過載保護給一具有八個分支電路保護的產品。電路斷路器面板可以是一具有20安培斷路器的60安培服務盒。下列名詞構成了本發明電路斷路器面板 的基礎：1)一電器配電箱提供60安培，單相120VAC/240VAC 50/60赫芝；2)分支電路過載電流保護裝置(斷路器)，具有一端跳脫的功能；3)提供單機雙金屬/磁跳脫驅動的電路保護功能；4)整合在斷路器中用來感測接地故障事件檢測及/或電弧故障事件檢測的感測器；5)單極額定120VAC/240VAC，50/60Hz，20安培的斷路器；6)設置在一可容置多達8個電路斷路器的塑料外殼的斷路器(本文稱為“斷路器網”)；7)電匯流排及分流測量感測器，其係整合到一測量和控制電路板，其亦可容置在斷路器網；8)斷路器係連接至電匯流排的線路側，而不致曝露接觸到使用者；9)斷路器結合位在測量及控制電路板的遙感和控制連接器。
上面列出的項目可以作為一獨立的系統進行測試，以提供基本的分支電路過載保護。此架構除了組成滙流排系統及主電路連接的元件之外，是不依賴於測量和控制板的使用。各種輔助功能可被加到分支電路的電路斷路器面板的過載保護設置。這些輔助功能包括：1a)斷路器網改良成包括兩個常用電路板(一測量和控制電路板和系統控制器板)用於控制、測量、感測和使用者界面選項；1b)智能斷路器的功能是用來實現接地故障電路中斷(GFCI)及電弧故障電路中斷(AFCI)功能；2)測量和控制電路板及系統控制器板是予以密封以防止被篡改；3)測量和控制電路板提供高品質的電力總功率計量功能及致能分支電路量測/控制的功能；4)系統控制器板提供了使用顯示器的人機界面(HMI)(例如TFT觸控顯示器)； 5)顯示器具有一整合的觸控顯示器，以達到對每一分支電路用來設置和觀察的輔助功能的；6)顯示器提供狀態、時間、功率測量訊息、以及用來測試輔助功能的裝置；7)顯示器顯示的電路事件、故障檢測和故障特性(如過電流、接地故障、故障電弧、線路尖峰、欠壓、功率品質)；8)使用人機界面(HMI)來設定分支電路特性(名稱、用途等)，分支電路的優先次序、啟用分支電路(GFCI，AFCI等)等個人化功能。
至少一些實施例中，電路斷路器面板(例如使用系統控制器板)提供了一種從一通訊供應者至家庭的閘道。這可以是以實際銅線連接、光纖、手機信號塔、或專有的廣域網路予以達成。其協定處理遠端記錄和通過通訊連接的控制方法，跟連接的方法無關。通訊閘道的一實施例是藉由使用通訊供應者所提供的通訊組件。該通訊組件連接到系統控制器板，例如經由一USB 2.0連接裝置。在至少一些實施例中，係由通訊提供著設定通訊組件，以構成一可與行動電話區塔協定相容的介面以完成無線電頻率(RF)介面。本發明設備若可以的話，可提供至少3G甚至可能4G的服務。該通訊模組是安裝在房子的外面並經由房子的牆壁將USB 2.0電纜連接到系統控制器板。
本發明電路斷路器面板所提供的一些通訊功能如下：1)提供高速串流服務(WAN)；2)藉由系統控制器板與家庭區域網路(HAN)的終端家電進行通訊；3)提供VoIP、連接視訊、音頻及/或網際網路連接功能；4)提供電力供應者的連接；5)為遠端抄表、住家電力控制(將電力開啟或關閉)、提供旁路電力控制需求(基於優先使用權控制分支電路)、提供計時量測訊息、支援VPN和SCADA協定，以確保電力供應者的連接及通訊平台和格式、提供監管協定以使訊息可以任一方向發送、提供多功能監管訊息的使用以使任何一方都不會彼此互相排斥 (例如登入、計量及/或控制)；6)使用HMI藉由通訊供應者及/或電力供應者來進行設定；7)使用HTM來進行通訊設定(例如路由、IP位址、GPS座標、SIM卡設定、憑證、VPN、SCADA設定；8)使用HMI來進行電力供應者設定(例如使用者帳戶號碼、憑證、VPN、SCADA設定)；9)藉由附設於系統控制板的子板(WiFi及/或ZigBee通訊板)來對房子內部的裝置進行無線連接。該子板提供的各種功能如下：1)包含在電路斷路器網中的系統控制板係與適當的子板予以組態，以致能房子中額外的終端無線通訊；2)支援包括VoiP(電話)、音頻串流(音樂)、視頻串流(電視)、網路連接(筆記型電腦)、智能盒連接(筆記型電腦)等各種終端通訊。
一些實施例中所公開的電路斷路器面板包括一行動電話基地台。行動電話基地台將電路斷路器面板作為一蜂巢無線數據網路的存取點(例如GSM，LTE或其他蜂巢無線通訊網路)。因此，電路斷路器面板可以提供一小型或微型的蜂巢網路的存取點。這種電路斷路器面板可與其它行動電話基地台電路斷路器面板進行內部通訊而形成一網狀網路。因此，本實施例電路斷路器面板可緩和安裝傳統手機信號發射塔的需要性。
本發明所公開的電路斷路器面板實施例還可包括誤動跳脫邏輯。傳統的斷路器可能會在不是真正發生電弧或接地故障事件時即開路。例如傳統的電弧故障電路斷路器和接地故障電路斷路器易受電磁脈衝而跳脫。一般的情況下，閃電可能會導致兩種類型的電路元件受干擾而跳脫，而需要人為重置。本發明實施例公開的電路斷路器面板包括例如栓鎖繼電器的開關，可在發生故障事件時根據檢測到有明確的跳脫事件才開路和閉路。因此，實施例提供了使斷路器開路但又能避免必須手動重置己跳脫斷路器的不便。當故障事件的分析結果顯示出一真正的故障事件很可能發生時(即實正的電弧或接地故障)， 那麼本發明會在檢測到故障時使連結於分支電路的斷路器跳脫，並要求需手動重置斷路器。
為了更完整地理解本發明及其優點，請參考下面的說明及圖式，其中：
100‧‧‧系統
102‧‧‧電源
104‧‧‧匯流排子系統
108A-108H‧‧‧分支電路
110A-110H‧‧‧電路斷路器
112A-112H‧‧‧電流感測器
120‧‧‧測量和控制電路板
122‧‧‧測量及故障檢測介面
124‧‧‧跳脫控制邏輯
126‧‧‧通用型測量介面
128‧‧‧電源供應介面
130‧‧‧菊花鏈
140‧‧‧系統控制板
142‧‧‧觸控顯示器
144‧‧‧RS-232至測量和控制電路板
146‧‧‧10/100 E-MAC介面
148‧‧‧USB 2.0主埠
150‧‧‧USB 2.0主埠
152‧‧‧SD卡MMC介面
154‧‧‧即時時脈
156‧‧‧電源供應器
158‧‧‧PWM背光顯示電路
160‧‧‧USB 2.0主埠
162‧‧‧USB 2.0裝置埠
164‧‧‧USART埠
166‧‧‧J-TAG埠
200‧‧‧系統
204‧‧‧WAN通訊模組
206‧‧‧天線
208‧‧‧WAN提供者
218‧‧‧中央控制系統
302‧‧‧電路斷路器
304‧‧‧機械組件
306‧‧‧分支電路
312‧‧‧自我測試電路
314‧‧‧電磁閥
316‧‧‧控制感測介面
318‧‧‧高信號雜音比低阻抗電路
320‧‧‧GFCI/功率邏輯
322‧‧‧GFCI/AFCI感測器
324‧‧‧功率感測器
第1圖表示本發明一實施例的斷路器系統；第2圖表示本發明另一實施例的斷路器系統；第3圖表示本發明一實施例的代表性電路斷路器方塊圖；第4圖表示本發明實施例斷路器系統之控制方法。
參照第1圖至第4圖的實施例，圖中相同的標號對應相同的部件，以更好理解本發明的原理及其優點。以下說明中使用相同的術語和申請專利範圍中提及到特定的系統組件。本領域技術人員能理解，在本領域中的個人和企業可能以不同的名稱表示特定的組件。本文件並不打算區分相同功能的不同的名稱。在下面的討論和申請專利範圍中，術語“包括”和“包含”是一開放型式，因此應被解釋為意味著“包括，但不限於....”。另外，術語“耦合”是指間接或直接的電連接。因此，當第一設備耦合到第二個設備，則該連接可以是通過直接的電連接，或通過經由其它電器設備連接。
第1圖顯示本發明實施例之系統100。如圖所示，系統100包括多數個電路斷路器110A-110H耦合至該系統100之匯流排子系統104。每個電路斷路器110A-110H都包括有一電流感測器112A-112H。當每個電路斷路器110A-110H可對相對應的分支電路108A-108H在接收電源102之電力時提供故障保護。
第1圖中的每個電路斷路器110A-110H連接至跳脫控制 邏輯124。在至少一些實施例中，該跳脫控制邏輯124係安裝到一測量和控制電路板120。測量和控制電路板120包括例如一測量及故障檢測介面122經由該測量及故障檢測介面122可接收來自於斷路器110A-110H的功率檢測信號和故障感測信號。
跳脫控制邏輯124提供一有設定值的(例如過載)跳脫選項、一電弧故障電路中斷(AFCI)跳脫選項、一接地故障電路中斷器(GFCI)跳脫選項，和每個電路斷路器110A-110H的AFCI/GFCI跳脫選項。在至少一些實施例中，每個電路斷路器110A-110H的跳脫選項可以選擇由使用者通過一使用者介面(例如觸控顯示器142)連接跳脫控制邏輯124。每個被設置連接於跳脫控制邏輯124的斷路器110A-110H之跳脫選項也可以選擇通過本地或遠端的電腦裝置。
如圖所示，測量和控制電路板120還包括通用型測量介面126以確定系統100的功率消耗訊息、組織、格式，並選定發送功率消耗訊息至一公用的計量收集網址(圖未示出)。測量和控制電路板120還包括一電源供應介面128，依系統100不同的組件而輸出不同準位的電壓。例如，跳脫控制邏輯124和通用型測量介面126能使用不同準位的電壓進行操作。電源供應介面128還可以提供電源至一連接於測量和控制電路板120及系統控制板140的組件。在至少一些實施例中，測量和控制板120和系統控制板140通過一RS-232介面進行通訊。此外，複數個測量和控制電路板120可以菊花鏈130的技術(例如通過RS-485介面)來提供所需的額外的斷路器。以這種方式，系統100中所有的電路斷路器都能被延伸至藉由複製測量和電路板120的操作方式(跳脫控制迴路的功能)來給所需的額外的斷路器。即使測量和控制電路板120的數量增加，系統100只需使用一系統控制板140。
如圖所示，系統控制板140包括一觸控顯示器142(例如一TFT觸控顯示器或其他觸控顯示器技術)。在觸控顯示器142上顯示 訊息給使用者，同時還能讓一使用者與系統100的控制功能及/或關於系統100的請求訊息進行互動。例如，系統100可以顯示跳脫訊息、斷路器跳脫的原因(如電流過大、接地故障、電弧故障、接收跳脫命令等)。顯示跳脫斷路器的訊息也可以顯示是否能重置一跳脫斷路器。例如，當在系統100確定試圖重置的斷路器跳脫將是無效的(例如跳脫的原因還沒有被校正、一開放電路的時間區間還沒有到等等)，則系統100可以顯示斷路器跳脫目前不能被重置。正如前面提到的，一使用者/管理員應能夠對系統100中的各斷路器設定(動態更新)內定的跳脫選項、電弧故障電路中斷(AFCI)跳脫選項、接地故障電路中斷(GFCI)跳脫選項，和AFCI/GFCI跳脫選項。系統控制器板140還包括一PWM(脈寬調變)背光顯示電路158，以調節觸控顯示器142的背光強度。
系統控制板140還包括多種通訊介面：一RS-232介面144，以與測量和控制電路板120；一10/100 E-MAC介面146，其具有媒體獨立介面(MII)或簡化媒體獨立介面(RMII)；一USB 2.0主埠148，其具有記憶相容性；一USB 2.0主埠150，可選擇與一WiFi子板通訊；一SD多媒體介面卡152(MMC)；一USB 2.0主埠160，可連接一廣域網路(WAN)；一USB 2.0裝置埠162，可用來設定及安裝系統100的控制軟體/韌體；一通用型異步接收器/發送器(USARD)埠164，可相容於RS-232，以對系統100的軟體/韌體作除錯；一J-TAG埠166，作為測試和除錯操作。系統控制器板140還包括一電源供應器156來調整系統控制板140不同組件電源的電壓。此外，系統控制板140包括一即時時脈(RTC)154，以提供系統控制板140的各種韌體組件的時脈。
測量和控制基板120和系統控制板140的組件，僅用於舉例說明，而不是為了限制本發明實施例的特定的通訊介面或控制方式。在一般情況下，每個測量和控制電路板120提供一跳脫控制迴路 給預定數量的斷路器(例如8個電路斷路器)。跳脫控制迴路能夠感測到可觸發斷路器跳脫的所有斷路器故障情況。為了要定義出可以感測複數個故障情況的斷路器的跳脫條件，由斷路器所檢測出的故障感測信號和功率檢測信號會被傳遞到跳脫控制迴路，跳脫控制迴路能分別管理每個電路斷路器的特定跳脫條件。以這種方式，可以客制化並根據所需而進行更新每一個電路斷路器(例如110A-110H)的跳脫條件，以及提供不同的分支電路(例如分支電路108A-108H)的故障保護。
同時，系統控制器板140提供使用者介面選項和通訊功能，提高斷路器系統或面板的功能。例如，使用者介面功能的系統控制器板140可用來提供系統100的使用者/管理員有關功率消耗訊息、設備管理、以及斷路器的管理。同時，系統控制器板140的通訊功能可提供家庭區域網路(HAN)進行測試、除錯、與電器進行端點通訊、與電插座通訊及/或收到多媒體服務(如互聯網，VOIP，電視，串流廣播/聲音等)。
在一些實施例中，測量和控制電路板120的跳脫控制迴路組件可以被結合在使用者介面的功能及/或在一單一的控制基板的系統控制板140的通訊功能。在一般情況下，本文所述的跳脫控制迴路組件，使用者介面功能和通訊功能可以在不改變系統100操作的控制電路板下，分佈在複數個控制電路板。此外，使用者介面的特性和本文所說明的系統控制板140不排除被設置在系統100的管理功能中，而該系統100中係連接一可與系統100的控制邏輯通訊的單獨計算機系統或可攜式控制裝置。換句話說，一系統100的使用者/管理員可以使用預先整合的使用者介面(例如觸控顯示器142)、一各別的使用者介面(例如執行正確的軟體的電腦設備)、或兩者來管理系統100的功能。
在至少一些實施例中，系統100的管理功能可以分為使 用者管理的功能和管理員的管理功能。換句話說，系統100也許僅可供最終使用者(例如一屋主)存取。例如，使用者可以選擇人機介面的顏色和樣式選項，能夠開啟/關閉非緊急事件的(廣告)的聲音，設置關於分支電路和整個系統消耗功率的反饋標準。此外，系統100也許只能供一系統安裝置(例如一電器承包商)可以予以存取。例如，系統安裝可以命名分支電路，優先為分支電路設置/或為每個分支電路設置跳脫選項(跳脫電流準位、跳脫時間區間、GFI、AFI等)。此外，系統100也許只能供通訊供應者予以存取。例如，通訊提供商可以設置時區訊息、GPS座標、網路時間協定、VPN選項、通訊供應者的身份驗證憑據、啟用/禁用系統功能(消防/警察/緊急應對選項)。此外，系統也有可能只供電力公用事業提供者予以存取。例如，一電力供應者可以設定帳戶號碼、SCADA存取訊息、後續存取憑證(使用者名稱/密碼)、用以通訊的路由訊息(例如VPN選項)。
系統100可以藉由要求連通系統所需輸入的授權碼、授權密鑰之代表或附件或其他驗證方式來驗證存取系統100。例如，一授權密鑰可以連接到USB介面的系統100。系統100可以由密鑰所授權的使用者驗證管理操作而讀取例如加密的安全性訊息。例如，一有執照的電工可連接一第一密鑰以得以存取系統100的電氣控制，而一通訊公司的代表可以連接至系統100的第二個密鑰而得以存取該系統100的通訊功能。如果無法提供正確安全的密鑰、授權碼辨識時，則系統100可以禁止變更。亦可在不使用認證的狀況下，提供可存取至少部份使用者可設置的特性。
系統100可以記錄及儲存每個密鑰、授權碼或其他的認證機制所執行的操作的訊息。該系統100還可以將儲存的訊息經由認證的方法而傳送到一連結於認證機制及相關功能的系統(例如一中央控制系統)。例如，對於一密鑰存取電器功能而言，系統100可以將可 驗證該密鑰及可表示經由該密鑰驗證過的操作的儲存訊息傳送至一連結或由電力公用事業公司維護的控制系統。當控制系統確定所執行的操作沒有被授權，則控制系統可不允許或使系統100不允許該操作，從而使系統100回到操作前的狀態(即不執行由該認證機制而執行的操作)。在一些實施例中，系統100可以聯繫認證機制的控制系統，以在偵測到該認證機制及由該認證機制所關聯的先前存取之後，判斷該認證及允許的權限等。
在至少一些實施例中，電力提供者能夠遠端存取系統100以收集耗電訊息及/或選擇性地將系統100中的斷路器予以跳脫。在至少一些實施例中，如果電力提供者將斷路器跳脫時，跳脫控制邏輯124會將斷路器保持在跳脫狀態(手動重置電路斷路器的開關是無效的)，直到在電力提供者通知跳脫控制邏輯124為止。以這種方式，電力提供者可以防止系統100誤操作，或甚至誤用各別的斷路器及其相應的分支電路。
第2圖顯示出本發明的另一實施例的系統200。第2圖的系統200類似於第1圖所示的系統100。相對於第1圖，更顯示了額外的通訊功能。第2圖所示系統200包括一具有天線206的WAN通訊模組204耦合到作為連接廣域區域網路(WAN)的USB2.0主埠160。以這種方式，WAN通訊模組204和天線206可與一WAN提供者208通訊。
在一些實施例中，WAN通訊模組204包括邏輯(例如電路和指令)，使WAN通訊模組204可作為一小型、微型等的行動電話基地台。例如範圍不到兩公里的一小型、微型或者是是約200米或更小的一小型、和約10米範圍內的毫微型。WAN通訊組件204可以執行全球系統移動通訊(GSM)、長期演進(LTE)、或其他無線通訊的標準的行動電話基地台。因此，WAN通訊模組204可以將一電路斷路器面 板包括系統200，以作為一小型基地塔。分佈在不同地理位置的電路斷路器面板的系統200可進行無線通訊，並形成一網狀網路，提供了一寬域的區域無線網路。因此，本實施例可在不需要傳統行動電話的發射塔的狀況下，應用在廣闊地理區域的無線通訊。
系統200還顯示在系統控制板140中增加了一具有天線160的WiFi無線子板158。該WiFi無線子板158可作為家庭區域網路(HAN)服務的通訊之用。系統200還顯示一具有天線164的ZigBee無線子板162，可作為相容的電器和插座間的通通訊之用。
一些實施例中的系統200，可提供通過複數個WLAN頻道。例如經由第一WLAN頻道(即公共頻道)可以提供電話服務、娛樂服務等的與電路斷路器面板的最終使用者有關的通訊，以及經由第二個WLAN頻道(即私人頻道)而與存取電路斷路器面板的公用事業公司進行通訊。與私人頻道關聯的私人頻道對公用事業公司而言是獨一的，而非公眾使用的。該私人頻道的SIM卡的組態是只能對公用事業公司的服務進行通訊。提供該私人頻道的電信公司可辨識出該私人頻道的SIM卡，並將所有的私人頻道的通訊連接到該公用事業公司的服務。該私人頻道可以在電路斷路器面板與公用事業公司之間透過虛擬私人網(VPN)進行通訊。當電路斷路器面板的私人頻道SIM卡被取出，則系統控制板140可能會禁制電路斷路器面板的操作(例如打開斷路器110以禁止電力傳送)。私人頻道SIM卡可能無法使用在非電路斷路器面板以外的裝置，因為私人頻道SIM卡只提供與公用事業公司的伺服器的通訊，且電路斷路器面板和公用事業公司伺服器只能辨識用於該私人頻道通訊的VPN編碼協定和安全驗證。
電路斷路器面板與公用事業公司伺服器之間的互聯網協定(IP)通訊可以經由私人頻道啟動電路斷路器面板和公用事業公司伺服器之一。雖然電路斷路器面板的私人頻道互聯網協定的IP位址可以 動態改變，但公用事業公司的伺服器可以在任何特定時間連接到私人頻道的電信公司，以判別哪些IP位址是與私人頻道SIM卡相關聯。公用事業公司的伺服器可以使用所取得的IP位址而與電路斷路器面板進行通訊。另外，如果公用事業公司伺服器欲與電路斷路器面板進行通訊，但無法在通訊啟始之前取得私人頻道的話，伺服器可以經由一側頻道(例如經由文字短訊)來要求電路斷路器面板啟始IP協定與伺服器進行通訊。
第3圖顯示本發明一實施例的電路斷路器302的方塊圖。該電路斷路器302可以是於等效於或應用於電路斷路器110A-H。該斷路器302包括可選擇性地與分支電路306斷開接續的機械組件304。機械組件304包括一開關(例如栓鎖繼電器、繼電器、半導體開關，或其他合適的電力開關裝置)。在至少一些實施例中，機械組件304耦合到一線路匯流排及一中線路匯流排(亦即，可以直接接觸對應於至少一些機械組件304和線路匯流排和中線的導體)。機械組件304可以藉由一由電控制信號觸發的電磁閥314予以啟動。一旦機械組件304受到電磁閥314的觸發而“跳脫”(即將分支電路306的接通予以斷開)，則該機械組件304即必須以手動方式使分支電路306恢復接通。在一些實施例中，跳脫控制邏輯124可以自動開路和閉路開關。也就是說，跳脫控制邏輯124可自動恢復分支電路的連接，而不需要手動重置。
在至少一些實施例中，斷路器302包括連接於分支電路306的GFCI/AFCI感測器322和功率感測器324。GFCI/AFCI感測器322可提供故障感測信號經由高信號雜音比低阻抗電路318送至GFCI/功率邏輯320。高信號雜音比低阻抗電路318的作用是提高斷路器302的故障檢測性能。同時，功率感測器324可直接提供電力感測信號給GFCI/功率邏輯320。由功率感測器324所產生的電力感測信號以及由 GFCI/AFCI感測器322所產生的故障感測信號，GFCI/功率邏輯320能夠區別出過載故障、AFCI故障、GFCI故障。當GFCI/功率邏輯320區別出故障時，會由GFCI/功率邏輯320輸出一相應的故障信號。由GFCI/功率邏輯320所輸出的故障信號是直接控制電磁線圈，而斷路器302在接收到GFCI/功率邏輯320所產生的任一故障信號時，則是轉移地去控制感測介面316，其係將該GFCI/功率邏輯320所產生的該故障信號載送至跳脫控制迴路(例如位於測量和控制電路板120的控制邏輯124)。位在斷路器302外的跳脫控制邏輯124會依據斷路器302所選定的跳脫選項(例如內定(例如過載)跳脫選項、AFCI跳脫選項、CFCI跳脫選項、AFCI/GFCI跳脫選項)而決定是否使該電路斷路器302跳脫。斷路器302可以根據需要藉由設定控制邏輯124而予以調整(外部及分離於斷路器302的故障檢測功能)。換句話說，在斷路器302能夠檢測到所有跳脫選擇的故障條件，但跳脫控制迴路(於斷路器302外部)在響應該檢測到的故障時，則用於決定是否忽略檢測到的故障或使機械組件304跳脫。
例如跳脫控制邏輯124(斷路器302外部)可以設定成依據內定的跳脫選項，而使電路斷路器302作動。依據內定的跳脫選項，由GFCI/功率邏輯320檢測到的所有故障條件(過載、AFCI、GFCI)會被轉送到跳脫控制邏輯124。在響應時，跳脫控制邏輯124會在檢測到過載時，使電磁線圈312受到激磁，但在AFCI檢測及FGCI檢測時則不會。依據AFCI跳脫選項，所有由GFCI/功率邏輯320檢測到的故障狀況，都會被轉送到跳脫控制邏輯124。在響應時，跳脫控制邏輯124會在檢測到過載或是AFCI檢測時，使電磁線圈312受到激磁，但在FGCI檢測時則不會。依據GFCI跳脫選項，所有由GFCI/功率邏輯320檢測到的故障狀況，都會被轉送到跳脫控制邏輯124。在響應時，跳脫控制邏輯124會在檢測到過載或是GFCI檢測時，使電磁線圈312 受到激磁，但在AFCI檢測時則不會。依據AFCI/GFCI跳脫選項，所有由GFCI/功率邏輯320檢測到的故障狀況，都會被轉送到跳脫控制邏輯124。在響應時，跳脫控制邏輯124會在檢測到過載或是GFCI或是GFCI檢測時，使電磁線圈312受到激磁。
一些可能的故障情況，跳脫控制邏輯124可自動機械組件304中的開關開路和閉路，以控制分支電路中的電流，而不是將開關開路及需要手動重置(即斷路器跳脫)。這樣的操作的優點是如果檢測到一暫態的可能故障時，那麼該開關可以被開路，而當故障不存時則予以閉合，而不需要手動重置斷路器。因此，本實施例可在發生短暫誤動故障時，避免了以手動重置斷路器302的不便。
跳脫控制邏輯124可以監測通過每個電路支路的電流，以檢測出在自然暫態時所發生的可能電弧故障事件(即誤動電弧故障)。跳脫控制邏輯124可分析分支電路中流動的電流的訊號來識別潛在的電弧故障事件。例如，跳脫控制邏輯124可以比較一分支電路的電流訊號和預設的電弧故障電流訊號。根據比較結果，跳脫控制邏輯124可確定電弧故障事件的統計概率。當檢測到一潛在的電弧故障事件時，跳脫控制邏輯124會打開該機械組件304中的開關(這並不是跳脫，而是暫時使分支電路禁能)。當電弧故障事件發生過後，跳脫控制邏輯124可自動將開關閉路。本實施例的跳脫控制邏輯124可使用一種基於歷史/時間的滑動視窗的統計匹配演算法。當電弧故障事件具有較高的間隔率而再度發生時，那麼跳脫控制邏輯124可延長開關開路的時間。基於歷史/時間的統計概率，發生電弧故障事件的機率較高時，跳脫控制邏輯124會將斷路器予以跳脫(即，開關開路且需要手動重置)。因此，本實施例提供了電弧故障事件干擾跳脫防止的功能，且可選擇性地啟用和禁用。
相似地，跳脫控制邏輯124可監測接地電流來檢測出自 然暫態的接地故障事件(即誤動接地故障)。當檢測到一潛在的接地故障事件時，跳脫控制邏輯124會打開該機械組件304中的開關。當接地故障事件發生過後，跳脫控制邏輯124可自動將開關閉路。本實施例的跳脫控制邏輯124可使用一種基於歷史/時間的滑動視窗的統計匹配演算法。當接地故障事件具有較高的間隔率而再度發生時，那麼跳脫控制邏輯124可延長開關開路的時間。基於歷史/時間的統計概率，發生接地故障事件的機率較高時，跳脫控制邏輯124會將斷路器予以跳脫(即，開關開路且需要手動重置)。因此，本實施例提供了接地故障事件干擾跳脫防止的功能，且可選擇性地啟用和禁用。
由於跳脫控制邏輯124可代替或與斷路器本身結合，故可確定是否及/或何時將斷路器跳脫進而將連接於斷路器的分支電路開路、以及電路斷路器跳脫的電流準位可以藉由跳脫控制邏輯124予以改變。因此，斷路器302可以限制任何分支電路的電流大小小於或等於該選定的斷路器302的最大電流。例如當斷路器302被設定使用在最大跳脫電流時(例如20安培，200安培或其他的安培數)，該跳脫控制邏輯124可在當電流準位小於或等於設定的最大跳脫電流準位放大器(例如5，10，15安培等)時，使斷路器302跳脫。因此，若電路斷路器面板的電流額定值較少時，可以降低整體成本。斷路器302跳脫的電流準位可以由經授權的人員，例如授權的服務人員(如有執照電工)、電力公司人員予以設定。斷路器302跳脫的電流準位可以由經授權的人員透過，例如連接於電路斷路器面板的輸入裝置，例如觸控顯示器142或經由有線或無線網路耦合到電路斷路器面板的使用者介面予以輸入。
除了改變跳脫的電流準位，跳脫控制邏輯124亦可以控制該斷路器302跳脫的時間。跳脫控制邏輯124可監測流過斷路器302的電流。當流過該斷路器302的電流超過預定的斷路器跳脫電流準位 一段跳脫時間區間後，跳脫控制邏輯124可使斷路器302跳脫，將連接於斷路器302的分支電路開路。經授權人員，如授權的服務人員(例如有執照的電工)、電力公司人員等，可以設定跳脫控制邏輯124的跳脫區間時間。該斷路器302的跳脫區間時間可以由經授權的人員透過，例如連接於電路斷路器面板的輸入裝置，例如觸控顯示器142或經由有線或無線網路耦合到電路斷路器面板的使用者介面予以輸入。
跳脫控制邏輯124和斷路器302之間的相互作用的例子包括：
1)跳脫控制邏輯124係被組態成不使斷路器302跳脫，因此，當斷路器302的額定電流超過時，會被致動元件(磁力、雙金屬等)控制而使斷路器302跳脫。
2)跳脫控制邏輯124被組態成在電流低於斷路器302的額定電流時，使斷路器302跳脫。
3)跳脫控制邏輯124被組態成斷路器302在額定電流的跳脫時間區間會較斷路器302中的致動元件(雙金屬、磁性型等)的響應時間還要快。
4)跳脫控制邏輯124被組態成將斷路器302中的開關(例如一栓鎖繼電器)可以在斷路器302中的致動組件響應之前，即予以開路、和禁止電流流過斷路器302，而避免誤動跳脫。當干擾的條件被排除時，跳脫控制邏輯124即可以將開關閉合並重新使電流得以流過斷路器302。
如圖所示，斷路器302還包括耦合於控制感測介面316的自我測試電路312。自我測試電路312可經由控制感測介面316將測試信號發送到跳脫控制邏輯124，以測試斷路器302和跳脫控制邏輯124的整體功能。藉由壓按一按鈕或位在斷路器302外部表面的接點而操作該自我測試電路312。斷路器302的外部表面亦可包括有作 為火線匯流排和中線匯流排的接觸點(例如滑動連接器及/或螺旋連接器)。
總之，系統100說明了一電路斷路器面板的控制系統。該控制系統是被區分成位在每個電路斷路器內部的故障檢測邏輯以及位在每個電路斷路器外部的跳脫控制邏輯。在至少一些實施例中，在每個電路斷路器內部的故障檢測邏輯能夠檢測過載、AFCI狀況、GFCI狀況。同時，每個電路斷路器外部的跳脫控制邏輯能夠提供內定的跳脫選項(只有過載)、AFCI跳脫選項(僅過載及AFCI)、GFCI跳脫選項(僅過載和GFCI)、和一響應於檢測到的故障的AFCI/GFCI跳脫選項(過載、AFCI、GFCI)。
電路斷路器面板的控制系統還包括一可與跳脫控制邏輯124通信的使用者介面。該使用者介面使使用者能夠查看電路斷路器面板的耗電訊息，以調整每個電路斷路器可受內定跳脫選項、AFCI跳脫選項、GFCI跳脫選項和AFCI/GFCI跳脫選項之一予以操作。電路斷路器面板的控制系統還可以包括耦合到複數個電路斷路器的公用量測介面。該公用量測介面可選擇性地將電路斷路器面板的耗電訊息傳送到一公用事業公司，並可使該公用事業公司選擇性地禁制每個電路斷路器。電路斷路器面板的控制系統還可以包括一網路介面，可提供家庭區域網路(HAN)的多媒體功能及/或作為電器/插座及電路斷路器面板之間通訊的通訊介面。
在一個電路斷路器面板盒中的電路斷路器數量，可依據電路斷路器面板盒是使用在家用/商用而有所不同。根據至少一些實施例中，電路斷路器面板盒模組可設置4、6、8、12、16、20、40或以上的斷路器。因應電路斷路器的數量，跳脫控制迴路的數量也隨之增加。換言之，本文所說明的跳脫控制迴路可以因應電路斷路器的預定數量(例如8個)而以控制晶片來實現。當斷路器的數目大於預定數目 時，控制晶片的數量增加。依需要，複數個控制晶片之間可以菊花鍊的技術來連接電路斷路器面板盒接收或由電路斷路器面板盒發送的通訊。
電路斷路器面板盒的實施例會根據電路斷路器的數量、電路斷路器的方位(例如垂直或水平)、顯示器及/或低地球軌道的衛星、顯示器的大小及位置、軟體組態、匯流排位置/形狀、量測器的使用、量測器的位置、無線通訊天線的使用、無線頻率和協定、與公用事業公司量測設備間的通訊能力、記錄、電路斷路器的遠端控制等而改變。在一些實施例中，電路斷路器面板可配置有可由使用者選擇的各種非必要功能。此外，每個電路斷路器可配置AFCI及/或GFCI選項功能。
在一些實施例中，電路斷路器面板盒的控制電路能夠支援本文所說明的所有功能。然而，不是所有的功能都是需要被每個使用者選定的，因此電路斷路器面板盒的實施是可以有所變化的。此外，使用者亦可稍後再決定是否要升級電路斷路器面板盒(例如增加顯示器、升級軟體、增加無線通訊等)，而不必更換整個電路斷路器電路面板盒。
在一些實施例中，可不管公用事業公司，而將電視、以太網及/或電纜連接到電路斷路器面板盒。例如插頭/插口及相關協定可整合在電路斷路器面板盒，以達到額外增加的功能。另外，電視、以太網及/或有線通訊可經由電力線或無線的硬體/協定來完成。在家用/商用方面，可使用適當的配接器/調制解調器將需要的信號予以轉換。
在至少一些實施例中，提供一或複數個電路斷路器面板的實施例：
1)使斷路器可插入火線及地線路匯流排，而不需電線；
2)觸控顯示器；
3)可從電路斷路器面板盒的使用者介面使電壓和安全的要求(例如GFCI/AFCI)係可予以規程至每一個電路斷路器。
4)防止火線觸電；
5)使最終使用者可監控每個設備能源的消耗；
6)具有將GFCI和AFCI予以規劃在所有線路路徑的功能；
7)可在電路斷路器面板盒遙控規劃電器產品的耗電量；
8)自動軟啟動功能，以減少重新啟動電力時可消除火花。
在至少一些實施例中，每個電路斷路器被配置為提供一或複數個：1)減少單獨計量和相關的維護成本；2)遠端監控/讀取電力消耗；3)遠端關閉和開啟；4)在用戶端即可將竊取電力的警報傳送到公用事業公司，並可自動關閉竊取事件；5)公用事業公司可控制用戶端的每一個電路斷路器的電力耗電量；6)具有透過電力線網路、網狀網路、或其他有線或無線網路進行廣播的功能；7)若公用事業公司安裝一以上的通訊接口或電表(取決於公用事業公司是否升級)時，不再需要使用不同的電表；8)當公用事業公司在電力線網路安裝之後才提供額外的通訊來源時，可作為一開放的通訊閘道至家中或辦公室；9)不需勞動密集的人工抄表和相關費用。
根據至少一些實施例中，當電路斷路器面板若作為斷路器/電表閘道利潤中心時，則本發明可以下列一個或複數個被配置方式：1)一流入和流出用戶端或或辦公室的開放源閘道；2)可適應任何通訊軟體的開放式架構； 3)允許網際網路提供商或電話提供商等通訊消費者直接連接到斷路器配電箱的軟體，或使電力公司向最終使用者提供服務；4)一旦配電箱連接後，即不需在家中或辦公室佈線或配線；5)最終使用者能夠將電視或電腦插到家庭或辦公室的標準插座和接收提供商的通訊功能；6)使公用事業公司可以使用電力線通訊的功能得到利潤，以及可將斷路器配電箱連接到第三方商業公司；7)允許第三方在家中或辦公室無佈線的狀況下即可存取住家(系統允許經由家中或辦公室內的標準電路佈線進行通訊)；8)在家裡或辦公室即可提供一完全安全的通道保護牆，以支持來自第三方的遠端升級。
第4圖顯示本發明的一實施例方法400。該方法400包括組態複數個電路斷路器之控制迴路的步驟，其中該控制迴路可致能選擇內定的故障保護選項的選擇功能AFCI保護選項、GFCI保護選項、及AFCI/GFCI保護選項(步驟402)。該方法400還包括使用以前述組態的控制迴路來控制複數個電路斷路器(步驟404)
在至少一些實施例中，方法400可另外包括：接收使用者的輸入來設定複數個電路斷路器的其中一個電路斷路器，以與跳脫選項、AFCI跳脫選項、GFCI跳脫選項、AFCI/GFCI跳脫選項之一進行操作。額外地或可替換地，該方法400亦可包括由一公用事業提供者接收通訊，以遠端監測和控制複數個電路斷路器的功能。額外地或可替換地，該方法400亦可以包括經由電路斷路器面板管理家庭區域網(HAN)的通訊功能。額外地或可替換地，該方法400亦可以包括經由電路斷路器面板接收多媒體傳輸的功能。
雖然本發明針對具體實施例進行了說明，但這些說明並不意味著要限制本發明的解釋意義。本發明所公開的實施例以及本發 明的替代實施例的各種修改，對於本領域技術者而言，在本領域中乃為顯而易見。本技術領域的熟練技術者應理解本發明所揭露的概念和具體實施例，在本發明的相同目的的其他結構的基礎下，可在實施時作不同的修改或設計。在本領域中，這樣的等效構造並不脫離本發明所附申請專利範圍中所述本發明的精神和範圍。
以下的申請專利範圍將含蓋本發明範圍內的任何修改或實施例。
100‧‧‧系統
102‧‧‧電源
104‧‧‧匯流排子系統
108A-108H‧‧‧分支電路
110A-110H‧‧‧電路斷路器
112A-112H‧‧‧電流感測器
120‧‧‧測量和控制電路板
122‧‧‧測量及故障檢測介面
124‧‧‧跳脫控制邏輯
126‧‧‧通用型測量介面
128‧‧‧電源供應介面
130‧‧‧菊花鏈
140‧‧‧系統控制板
142‧‧‧觸控顯示器
144‧‧‧RS-232至測量和控制電路板
146‧‧‧10/100 E-MAC介面
148‧‧‧USB 2.0主埠
150‧‧‧USB 2.0主埠
152‧‧‧SD卡MMC介面
154‧‧‧即時時脈
156‧‧‧電源供應器
158‧‧‧PWM背光顯示電路
160‧‧‧USB 2.0主埠
162‧‧‧USB 2.0裝置埠
164‧‧‧USART埠
166‧‧‧J-TAG埠

Claims (26)

  1. 一種電力輸送系統，包括：一電路斷路器面板，包括：複數個電路斷路器；跳脫控制電路，耦合於各個電路斷路器，該跳脫控制電路被設定成：接收由一使用者輸入的由複數個電路斷路器中選定的一電路斷路器的一跳脫電流值；接收從該所選定的該電路斷路器的一電流測量值；當該電流測量值超過該跳脫電流值時，使該選定的該電路斷路器跳脫。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電力輸送系統，其中該跳脫控制電路進一步包括：接收由該使用者對該選定的該電路斷路器所輸入的一跳脫時間區間；當該電流測量值超過該跳脫電流值至少超過該跳脫時間區間時，使該選定的該電路斷路器跳脫。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電力輸送系統，還包括：一伺服器，被設定成可與該電路斷路器面板進行通訊；一控制器，設置在該電路斷路器面板中，該控制器被設定成：當確定由使用者輸入的一認證訊息時，選擇性地授權存取該電路斷路器面板的一部分；在輸入該認證訊息之後，並對該電路斷路器面板所作的存取期間，提供該訊息給該伺服器以識別該電路斷路器面板所作的改變；依據接收自該伺服器的一指令，不允許該變化。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電力輸送系統，該電路斷路器面板還包括一顯示器，而該電路斷路器面板可顯示一表示其中一電路斷路器的跳脫原因及表示該跳脫是否可被重置的訊息於該顯示器上。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的電力輸送系統，其中該跳脫控制電路在響應於一實質相同於該選定的該電路斷路器的一額定電流值時，使該選定的該電路斷路器在一小於該電路斷路器的致動組件的一跳脫反應時間內跳脫。
  6. 一種電力輸送方法，其系統包括有一具有複數個電路斷路器的電路斷路器面板和耦合到每一個電路斷路器的跳脫控制電路，該方法包括：提供一跳脫電流值給該從該跳脫控制電路，以控制該複數個電路斷路器中選定的一斷路器；由該選定的斷路器耦合電流測量值至該跳脫控制電路；其中該跳脫控制電路在一電流測量值超過電流跳脫值時，使該選定的斷路器跳脫。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電力輸送方法，還包括：為該選定的斷路器提供一跳脫時間區間至該跳脫控制電路；其中，該跳脫控制電路在該電流測量值超過跳脫電流值至少一跳脫時間區間時，該選定的斷路器跳脫。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的電力輸送方法，其中該提供跳脫電流值的方法包括：提供一低於該選定的斷路器的一額定電流值的跳脫電流值至該跳脫控制電路。
  9. 一種電路斷路器面板，包括：複數個電路斷路器； 一無線通訊子系統，其被設置用來操作包括複數個內部通訊電路斷路器面板的一網狀網路。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的電路斷路器面板，其中該無線通訊子系統係一行動電話基地台。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的電路斷路器面板，還包括一無線區域網路存取點。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的電路斷路器面板，其中該行動電話基地台係選自於小型和微型之一的基地台。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的電路斷路器面板，其中該無線通訊子系統是提供一無線區域網路中的複數個頻道間的通訊。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的電路斷路器面板，其中該複數個頻道的第一頻道包括一公用頻道，而該複數個頻道的第二頻道包括一私人頻道，以與一公用事業公司通訊。
  15. 一種電路斷路器面板，包括：複數個電路斷路器；耦合到該電路斷路器的跳脫控制電路，且可操作於：當一相應的分支電路檢測到一檢測條件時，將複數個電路斷路器中所選定的斷路器開關自動予以開路；當確定該檢測條件不再發生時，將該選定的斷路器中的該開關自動予以閉路。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的電路斷路器面板，其中該跳脫控制電路可在該相應的分支電路檢測到一電弧故障時，將該選定的斷路器中的該開關自動予以開路。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的電路斷路器面板，其中該跳脫控制電路可操作於：分析流過該分支電路的電流信號； 依據該電流信號以確定該分支電路是否發生電弧故障。
  18. 如申請專利範圍第15項所述的電路斷路器面板，其中該跳脫控制電路可在該相應的分支電路檢測到一接地故障時，將該選定的斷路器中的該開關自動予以開路。
  19. 如申請專利範圍第15項所述的電路斷路器面板，其中該跳脫控制電路可基於一故障檢測區間，而設定使該開關開路的一時間區間。
  20. 如申請專利範圍第15項所述的電路斷路器面板，其中該跳脫控制電路在該檢測故障條件超過一統計概率學中一預設的概率臨限值時，要求以手動重置該選定的斷路器。
  21. 一種以電路斷路器面板控制電力配送的方法，該電路斷路器面板包括有複數個電路斷路器和耦合到該複數個電路斷路器的跳脫控制電路，包括：檢測一分支電路的故障條件；當檢測到該故障條件時，自動將該複數個電路斷路器中的設有該跳脫控制電路的對應電路斷路器中的一開關予以開路；當檢測到該故障條件不再發生時，自動將該複數個電路斷路器中的設有該跳脫控制電路的對應電路斷路器中的該開關予以閉路。
  22. 如申請專利範圍第21項所述以電路斷路器面板控制電力配送的方法，其中該分支電路所檢測的該故障條件包括檢測該分支電路的電弧故障。
  23. 如申請專利範圍第21項所述以電路斷路器面板控制電力配送的方法，其中該分支電路所檢測的該故障條件包括檢測該分支電路的接地故障。
  24. 如申請專利範圍第22項所述以電路斷路器面板控制電力配送的方法，進一步包括：分析流過該分支電路的電流信號； 依據該電流信號以確定該分支電路是否發生電弧故障。
  25. 如申請專利範圍第21項所述以電路斷路器面板控制電力配送的方法，還包括基於一故障檢測區間，而設定使該開關開路的一時間區間。
  26. 如申請專利範圍第21項所述以電路斷路器面板控制電力配送的方法，更包括在該檢測故障條件超過一統計概率學中一預設的概率臨限值時，要求以手動重置該選定的斷路器之步驟。
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