TW201711341A - 監控電能消耗之方法與裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係提供一種用於監控電路之電能消耗之方法與裝置。該監視裝置包括一感應器耦接至該電路，用於當偵測到該電路之故障時，產生一電力故障訊號；一訊號處理元件係耦接至故障感應器，用於改善故障訊號之訊噪比；一故障觸發狀態暫存器，用於當偵測到故障情況時，儲存該監視裝置所執行之至少一回應動作；即一中央處理器(CPU)耦接至該訊號處理元件及至該故障觸發狀況暫存器。為回應該故障訊號，該CPU係令該監視裝置執行該回應動作。

Description

監控電能消耗之方法與裝置
本發明大致上而言係關於能源使用之領域，且尤指一用於監控電能消耗之方法與裝置。
自從工業革命開始，電能已成為建構出二十一世紀人類生活環境不可或缺之要素。從現代藥物到太空時代技術等，人類的進步都與電能息息相關。電能的重要性也將不斷持續至未來相當長遠之世代。
能量守恆定律闡明了能量並不會分解為無或可憑空創造出，而僅係由一種型態轉變為另一種型態，由一物質傳遞至另一物質。
以電力形態存在之能量通常係最利於分配、控制與使用的。也因此，電能對整體社會而言，有其相當重要之地位。同時，一個國家的建設與發展也通常係依據此國家之每人平均所消耗之電能而評估之。
電能之一特徵在於，其可以直流電(DC)或交流電(AC)方式產生之。例如，電池係DC之一例，其係利用化學轉變過程以產生電能。而風力發電則為AC之一例，其電能係藉由轉換風 力之動能所產生。
過去所習知最初之商業電力傳輸系統係為DC，並以同於負載所需之電壓之電流傳輸之。此種系統因其於傳輸線上所產生之熱能造成相當嚴重之I2R損耗，且其亦面臨其他技術上之困難。也因此些損耗，限制了電力可自發電廠傳送至使用者端之間的距離，且此距離相對而言係相當短的。由於其受限之距離，及使用上所需之具有不同電壓之DC等，許多區域性的發電廠及傳送系統須提供廣泛的電能，故每一發電廠必須建造於使用端之鄰近地區。
雖I2R損耗可藉由提升電壓等級，以減少此損耗，但將DC電壓提升至可在相當距離之傳輸線上有效地減少I2R損耗之程度而言，係相當困難且不具效益的。
AC可相當程度地克服所述於遠距離傳輸線上傳送DC所面臨之困難。不同於DC，AC電壓可依需求相當簡易地升壓或降壓。因其具有此重要之特徵，故其可使電能能夠以批量方式傳送過相當遠之距離，如現今我們已熟知之技術。
於北美地區，所產生與傳送至使用者端之AC電力係利用兩個不同且相連接之系統。電力由於遠處之發電廠所產生，並以高壓電之方式傳送至鄰近變電站。
透過高壓電傳出可大幅度地減少於傳輸線上所產生之I2R損耗。
增高之電壓亦可減少於傳輸線上之電流，也基於此，導 體之尺寸亦可較為小。
隨者技術的進步，高壓DC系統之數量逐漸增加，但現今大多大型電能傳輸仍以AC型式為主。
變電站係鄰設於需求之中心，以利電力使用。
連接至發電廠與變電站之電力線網路稱為「電力傳輸線」。於變電站時，AC電壓係降壓，以供應至客戶端。而連接至變電站之電力線網路稱為「配電線」。
於北美地區，發電廠、傳輸線、變電站與配電線等整體而言，稱為全國性「電力網」。
而全國性電力網，具體而言，係由三個區域電網所構成：一者位於東部，以服務美國東岸、平原區州及部分加拿大省分；另一者位於西部，以服務美國太平洋岸、山區州及加拿大其他省分；及再另一者則用於提供服務德州。為將區域電網之間可能因某一區域電網之擾動而對其他電網產生之影響降至最低，區域電網之間的連結係有限制性的。故，電力網之架構可相當程度地改善電力傳輸至客戶端之可靠度。
能夠有效率地產生、傳輸與非配電力係與電能之另一特徵有直接關係。目前已知，電能並無法長時間地大量儲存之。DC電能可以相對較小之量迅速地儲存之，例如，儲存於電池或電容器內之電量。但，AC則無法被輕易地儲存。
於許多例子中，AC電能之儲存須將其轉變為其他型式，如DC電能，使其以此型式儲存之。大多時候，在使用前， DC電能隨後必須先再轉變回AC。每一主轉換過程都會造成次轉換電能產生無可避免之型式，通常而言，此型式係指熱能。
於實際操作上，AC型式之電能必須在有需求之切確時刻時產生與傳送之。無法有效地大量儲存AC電能，已嚴重影響其電力之生成與分配上之效率。
發電廠之造價、運作與維護皆相當昂貴。此些發電廠之設計主為產生足夠之電力，以滿足任何時段之最大需求。惟，對電力之需求係時常改變。如於某一時段，電力需求視所在之地理位置、季節與其他因素等而有所不同。若客戶端皆可於任何時段都能完全滿足其所需，則一理想的發電廠應依照用電量最高時段之尖峰負載需求設計之。然而，當所需電量需求小於發電廠之尖峰發電量時，其將產生過量的電能，且此電能除並未被有效利用外，亦無法被儲存以於後續使用。因此，也造成了所產生過量之電能之浪費與發電所需之成本皆須由發電廠的客戶端所承擔。而環境亦受此分擔部分之影響。
發電廠所採取解決電能需求不同之方法主要有兩種。
第一種係將現階段不需要使用之發電機自供應線上切除之；及第二種係當需求超過發電量時，自其他電力公司購買額外之電能，及當需求係少於發電量時，將過剩之電能轉售給其他電力公司。
故，電力網之設計可使其連接至發電廠，在電壓、頻率與相位皆為同步之情況下，可允許輸入與輸出電力至其他電力 網。
當電力業從原本為一嚴格管制之產業演變為一較為鬆散之產業，電力業隨之產生出四個不同區塊。此些區塊包括(1)電力發電，如發電廠；(2)大型電力以高壓電線傳輸；(3)本地配電至客戶端；及(4)電力零售。
所述零售係指電力之最後銷售至客戶端。
於一非自由管制之電力市場，應僅有一個主要的電力公司，其擁有所有的傳輸與配電架構。此公司之運作可藉由向其他公司購買由他方所產生之電力，再將其銷售與分配給客戶端。
於一自由管制之電力市場，公司可擁有傳出與配電架構，但僅負責銷售與分配電力給末端使用者。此自由管制之市場可允許供電商彼此間的競爭，亦允許此些供應商直接銷售電力給客戶端。
此自由管制之市場之目的在於，增加供應商之間的競爭，以達到提供較低價格給客戶，並可令客戶就最優惠之價格選擇交易之。惟，此自由管制之電力市場，以及現今越趨普遍之替代電力能源型式，如太陽能與風力發電等，已造成電力在發電上、分配上與使用上相當的複雜程度。
當在某些地區，太陽能與風力可能為唯一可用之電力，此些電力型式逐漸減少了對電力網的依賴，同時，其亦降低了對於大型電力發電系統在環境上所造成之影響。
舉例而言，於一般的住家式太陽能設備中，設置有太陽 能板以盡可能地接收太陽光。太陽能板所產生之DC電流係轉換為AC，亦利於住戶使用，並可藉以減少或切斷使用來自電力網之電力。對住戶而言，好處在於其所產生之較低之電費及對環境維護上之貢獻。
當太陽能或風力設備可產生大於使用者所需之電力時，此些過剩之電能大多時候，皆可賣回給電力公司。
雖然如此減少整體上對大型發電需求之依賴可具有相當地優勢，但也造成其他的問題。
對於無法使用風力或太陽光之時段等，發電廠與電力網係必要的。當替代能源使用越趨頻繁，電力公司之營收亦將會越趨減少，甚可能影響其在客戶完全不使用其架構之時，仍需維持同樣程度架構之能力。
這也是為何許多公家事業委員會允許電力公司對使用替代能源之客戶，仍向其徵收部分費用，以作為對大型發電與電力網之津貼補助。
目前，電力公司所售之電能係以每小時千瓦為單位作為電耗之計算。由於自由性市場及對環境越趨重視等因素，替代能源持續成長，且消費者在購買電能方面也開始有更多的選擇。
此些選擇將包括如每月預先支付每千瓦小時為單位之費用，及其他類似手機公司所銷售之服務計畫等。因此，最終將演變為消費者可自我控制其所使用之電能消耗。
其他選擇則可包括如電力公司答應以一統一價格提供 足夠的電能，以維持一房子或房間之溫度在一季節內之某範圍內。
雖使用電能有許多的優點與便利，然其亦跟隨著相當的危險性。主要的危險係指觸電與火災。觸電的發生主因人體因接觸到通電之電路或帶磁性體而使該人體成為了電路的一部份。
一般而言，一經正確設計、安裝與維護之電力系統是相當安全的。觸電與火災通常乃是因錯誤設備及/或電力系統之破壞等而造成。而經正確設計之設備通常部會無端發生故障等。
電力設備故障之情況通常係長久下來所造成，且其可能之原因則有相當多種可能。舉例而言，當於家電產品內之絕緣體開始龜裂，此家電產品所使用之電流常常會因此而相對地增加。因此，當所使用之增量電流長時間下來，將會造成故障，且亦將成為潛在觸電與火災發生風險之警訊。
在環境因素之壓力下，及逐漸攀升的電費等，越來越多的消費者了解到科技的發展可將替代能源帶入至一般住戶家中，且對此綠色電能之需求不斷增加。故，此領域中之技術者而言應可以理解的是，提供一種能完善的方案，以監控電能消耗係迫切的。
本發明利用一安全電力系統之必要元件，以解決電路過載及故障保護之缺失。於常見之電力系統中，保險絲及斷路器 可提供在電路過載方面之保護，同時，故障保護方面，則可藉由電弧故障斷路器(Arc Fault Circuit Interrupters,AFCI)及接地故障斷路器(Ground Fault Circuit Interrupters GFCI)以達到保護功效。
AFCI保護可藉由偵測意外發生之電弧，及電弧導致火災發生之前切斷電源，以協助避免火災之發生。GFCI保護則可當偵測到電流流向非預期之路徑時(如通過水或人體等)，立即切斷電源。
本發明可強化由斷路器及AFCI與GFCI裝置所提供之安全防護，同時，本發明亦可藉由此些普遍使用之元件已存在於電力系統之優點，提供有效之方案，以克服現今監控電能消耗上所面臨之問題。
100及1306‧‧‧智慧型斷路器
101、102、107及108‧‧‧端子
103‧‧‧中性線
104‧‧‧相線
105、301、704、801及805‧‧‧支路中斷器
106、302、601及701‧‧‧支路
109‧‧‧感應器
110‧‧‧低阻抗之電路
111及316‧‧‧自我檢測電路
112及307‧‧‧電壓/電流感應器
114‧‧‧暫存器
115‧‧‧時間暫存器
116、321、608、706、807、1011及1111‧‧‧CPU
117‧‧‧訊號
118‧‧‧電池
200‧‧‧操作流程圖
201~212、216~222、401~404、406~412、414~417、419、501~510‧‧‧步驟
214、405‧‧‧觸發支路中斷器
215‧‧‧清除故障類別與時間暫存器內之AFCI及GFCI故障
300‧‧‧插座
303‧‧‧觸發訊號
304及305‧‧‧插座孔
304A及305A‧‧‧插座終端
306‧‧‧GFCI/AFCI感應器
308‧‧‧低阻抗電路(SNR)
309‧‧‧LED燈
310‧‧‧電路中斷器、揚聲器
311及1007‧‧‧語音電路
312‧‧‧電力線通信(Power-Line Communications)介面
314‧‧‧LAN/WiFi介面
315‧‧‧藍芽傳送器
317、318、1008及1108‧‧‧RAM
319、1010及1110‧‧‧非揮發性記憶體
320‧‧‧電子位址模組
322‧‧‧實時時鐘
400、1400‧‧‧流程圖
418‧‧‧回報故障訊號至MCS
420‧‧‧回報電力使用資料至MCS
508‧‧‧回報狀況至MCS
600、700及800‧‧‧智慧型插座
602及603‧‧‧中斷器
604、605、704及806‧‧‧控制訊號
606及607‧‧‧傳送座孔
702、703、802及804‧‧‧電接觸點
803‧‧‧中性
900‧‧‧示意圖
901‧‧‧模組
902及1003‧‧‧電力片
905‧‧‧智慧型裝置
903‧‧‧智慧型插座
904‧‧‧聲波
1001及1002‧‧‧藍芽傳送器
1004‧‧‧電力線通信介面
1005‧‧‧狀態指示器
1006‧‧‧音訊警報器
1009及1109‧‧‧ROM
1100‧‧‧MCS
1101‧‧‧電力箱相線
1102‧‧‧電力線通信介面
1103‧‧‧資料儲存裝置
1104‧‧‧DHCP伺服器
1105‧‧‧狀態LED
1106‧‧‧音訊警報
1107‧‧‧語音電路
1300‧‧‧電池陣列
1301、1302、1303、1304、1401‧‧‧太陽能板
1305‧‧‧組合器
1307‧‧‧充電控制器
1308‧‧‧充電電池組
1309、1405‧‧‧併網轉換器
1310‧‧‧配電箱
1311及1407‧‧‧雙向電表
1402‧‧‧斷路器100第1圖
1403‧‧‧充電控制器
1404‧‧‧電池組
1406‧‧‧主配電箱
本發明之新穎特徵係如本案申請專利範圍所界定。惟，為更加完整及清楚了解本發明之內容，以下提供本發明之詳細說明及其附圖，其相關附圖之說明如下：第1圖係本發明之智慧型斷路器之一實施例之方塊圖。
第2圖係如第1圖所示之智慧型斷路器之操作流程圖。
第3圖係本發明之智慧型斷路器之另一實施例之方塊圖。
第4及5圖係如第3圖中所示之智慧型斷路器之操作流程圖。
第6圖係本發明之智慧型插座之另一實施例之方塊圖，該插座具有複數個支路中斷器。
第7圖係本發明之智慧型插座上之另一實施例之方塊圖，其中一支路中斷器係用於中斷傳輸至電觸點之電力。
第8圖係本發明之智慧型插座上之另一實施例之方塊圖，該插座係實施於一雙相系統中。
第9圖係本發明之遠端控制及顯示系統之一實施例之方塊圖，此系統性用於監控於一電力系統中之電能消耗與故障狀況。
第10圖係如第9圖所示之系統中，構成該系統之一模組之方塊圖。
第11圖係本發明之主控系統之一實施例之方塊圖。
第12圖係整合本發明之智慧型斷路器、智慧型插座及主控系統至一電力箱內之方塊圖，其中一支路中斷器係用於中斷傳輸至電觸點之電力。
第13圖係本發明之智慧型斷路器應用於一作為替代電源之太陽能電池陣列中之方塊圖。
第14圖係本發明之智慧型斷路器應用於一風力驅動之替代電源之方塊圖。
以下將針對本發明之較佳實施例作詳細之說明，請一併參考其附圖。
如第1圖所示，其為本發明之智慧型斷路器100之一實施例之方塊圖。斷路器100可製為具有一般斷路器之實體尺寸與輪廓，如習知用於電力箱中之斷路器。因此，斷路器100可與習知之一般斷路器相互交換使用。
斷路器100之電力端子101及102可耦接至如設於電力箱中之主電力線之中性線103及相線104。相線104可連接至支路中斷器105，當來自CPU116之訊號117給予指示時，其可選擇式地切斷相線104至支路106之間的連接。
中斷器105可為一機構元件，如習知技術，其可經由一電訊號觸發一電磁閥以驅動之。
中斷器105亦可為一固態裝置，如習知技術之三極體流開關(triac)。
斷路器100可進一步包含GFCI/AFCI感應器109，其可經由中斷器105通過端子107及108，以連接至中性線103及相線104。
感應器109可經組態經由一高訊噪比(signal-to-noise ratio,SNR)及低阻抗之電路110，提供故障感應訊號至CPU116。SNR110可改善斷路器100於偵測GFCI及AFCI故障狀態上之性能。
電壓/電流感應器112亦可經由中斷器105通過端子107及108，以連接至中性線103及相線104。感應器112可提供電壓訊號至CPU116，以表示支路106之電壓大小及流經支路上之電流 大小。藉由來自電壓/電流感應器112之電壓與電流訊號，以及來GFCI/AFCI感應器109之故障訊號，CPU116可辨識於支路106上之故障，包括如過載故障、AFCI故障及GFCI故障。此些故障隨後係提供給CPU，以作為判斷何時及於何種狀況下，應觸發中斷器105以中斷提供至支路106之電力。
當故障發生時，CPU116可儲存故障類別與其發生之時間於故障類別與時間暫存器115中。斷路器100亦可依狀況加以程式編輯，觸發中斷器105以回應於偵測到之故障。此些狀況則儲存於故障狀況暫存器114中。最初時，默認之觸發狀況可儲存於暫存器114，並可於爾後再依需求變更之。
斷路器100可含依實時時鐘117，用於協助追蹤事件之時間，如某一特定故障之日期與時間，及自從最後一次故障至今所經過之時間等。
可使CPU116與相應之斷路器100相作用之附加元件，如ROM及RAM等，其詳細說明請參第3圖所示之內容。
斷路器100可進一步包含自我檢測電路111，如本技術領域中具有通常知識者所熟知，可用於啟動斷路器100之自我檢測。當斷路器100安裝於電力箱中實，該自我檢測可自動啟動，或亦可由使用者以手動方式，按下檢測鍵以啟動之。
同時，如第1圖所示之電池118，其可用於當另一電源無法使用時，提供電力至斷路器100。
第2圖係如第1圖所示之斷路器100之操作流程圖200。
於步驟201，初始化用於斷路器100之故障觸發狀況，並將其儲存於故障觸發狀況暫存器114中。
於步驟202，重設故障類別與時間暫存器115，以表示無執行中或先前之故障狀況。
於步驟203中，判斷一故障訊號是否經由GFCI/AFCI感應器109或電壓/電流感應器112感測到其存在。若存在有故障訊號，則流程繼續進行至步驟204。若無任何故障訊號，則流程回到步驟203，以作出是否故障訊號是否存在之決定。
於步驟204中，故障訊號係儲存於故障類別與時間暫存器115中。
於步驟205中，判斷此故障訊號是否為一過載電流故障。若是，則觸發中斷器205，以於步驟206中斷傳送至支路104之電力，且先前於步驟204中所儲存於故障類別與時間暫存器之目前故障狀況，係於步驟207中清除之。之後，此流程回到步驟203。
若步驟205判斷該故障狀況並非一過載電流故障，則於步驟208中，再判斷此故障是否為一AFCI故障。
若其係AFCI故障，於步驟209中，根據AFCI故障狀況是否存在，以判斷是否應觸發中斷器105。若是，於步驟210觸發中斷器105中，並於步驟212清除於故障類別與時間暫存器115中之AFCI故障，且流程回到步驟203。
若於步驟209中，基於AFCI故障本身，判斷出不應觸發 該中斷器105時，則進一步判斷基於一額外故障狀況，是否應觸發中斷器105。如步驟211所示，此額外故障狀況之範例可為，一先前已發生於目前AFCI故障狀況之預設時間「x」內之GFCI故障。本技術領域中具有通常知識者亦應可理解，其他故障狀況亦是可能的。
於步驟211中，若符合觸發中斷器105之條件，則觸發中斷器105，並清除於故障類別與時間暫存器115中之AFCI及GFCI故障，且此流程回到步驟203。若於步驟211中，未符合觸發中斷器105之條件，則流程回到步驟203。
於步驟208中，若判斷此故障非為AFCI故障，則流程繼續進行至步驟216。於步驟216中，判斷此故障是否為GFCI故障。
若其係GFCI故障，於步驟217中，根據GFCI故障狀況是否存在，以判斷是否應觸發中斷器105。若是，於步驟218觸發中斷器105，並於步驟220清除於故障類別與時間暫存器115中之GFCI故障，且流程回到步驟203。
若於步驟217中，基於GFCI故障本身，判斷出不應觸發該中斷器105時，則進一步判斷基於一額外故障狀況，是否應觸發中斷器105。如步驟419所示，此額外故障狀況之範例，如步驟219所示，可為一先前已發生於目前GFCI故障狀況之預設時間「x」內之AFCI故障。本技術領域中具有通常知識者亦應可理解，其他故障狀況亦是可能的。
於步驟219中，若符合觸發中斷器105之條件，則中斷器 105係於步驟221中被觸發，並於步驟222中清除於故障類別與時間暫存器115中之AFCI及GFCI故障，且此流程回到步驟203。若於步驟219中，未符合觸發中斷器105之條件，則流程回到步驟203。
第3圖係本發明之另一實施例之智慧型電插座300之方塊圖。
插座300可製為具有一般斷路器之實體尺寸與輪廓，如習知之一般牆電力插座孔。因此，插座300可與習知之一般斷路器相互交換使用。
插座300可包含有支路中斷器301，其可選擇式地切斷支路302與形成插座孔304及305之插座終端304A及305A之間的連線。
中斷器301可為一機構元件，如習知技術，其可經由一電訊號觸發一電磁閥以驅動之。
中斷器301亦可為一固態裝置，如習知技術之三極體流開關(triac)。於本發明中，中斷器301之運作係由來自CPU321之控制訓好所控制之，詳如下。
智慧型插座300可進一步包含耦接至支路302之GFCI/AFCI感應器306，及電壓/電流感應器307。GFCI/AFCI感應器306可經組態，以經由CPU訊號與資料匯流排(以下簡稱「CPU匯流排」)並透過一高訊噪比及低阻抗電路(SNR)308提供故障感應訊號至CPU321。SNR110可改善智慧型插座300於偵測 故障狀態上之性能。
電壓/電流感應器307可透過CPU匯流排，提供電壓及電流訊號至CPU321。藉由來自電壓/電流感應器307之電壓與電流訊號，以及來GFCI/AFCI感應器306之故障訊號，CPU321可辨識故障，包含如支路106上之過載故障、AFCI故障及GFCI故障。當CPU321辨別出故障時，以下三種事件之一或多個將會發生。
事件1：CPU 321可輸出觸發訊號303至電路中斷器310，以切斷支路302至插座孔304及305之連線。CPU 321亦可觸發此故障狀況之可見標示，如點亮LED燈309，或可透過揚聲器310以發出聲音警報，或其他音訊裝置等。LED 309可為多色裝置，且每一色光可代表故障狀況之類別。聲音警報亦可為透過語音電路311之人工語音，以根據故障之性質與嚴重程度等予以撥放。
事件二：除了可觸發中斷器301以直接切斷支路302至插座孔304及305之連線外，另一方式係CPU 321可將所有或所選擇之故障訊號傳送至主控系統，如第11圖所示，並可經由藉由電力線通信(Power-Line Communications)介面312，以處理及處置之。
電力線通信(Power-Line Communications,PLC)為一種習知之通信技術，可用於在導體上加載資料，而此導體亦同時可用於傳輸AC電力或將電力配送給消費者。其他替代傳輸技術皆亦可能的，如LAN/WiFi介面314，或w.透過藍芽傳送器315之藍 芽傳輸等。
事件三：CPU321可觸發中斷器310，以切斷支路302至插座304及305之間的連接狀態，亦可傳送故障訊號至主控系統，如第11圖所示。
插座300亦可包括自我檢測電路316，其係藉由CPU匯流排以耦接至CPU 321。此自我檢測電路316可使測試訊號傳送至主控系統，或自主控系統回傳之，其可經由，例如，電力線通信介面312以測試該智慧型電源節點100之整體功能。
自我檢測電路316可包括測試按鍵，藉由下壓此按鍵，即可啟動自我檢測，或可透過該主控系統可啟動自我檢測。
如本領域中具有通常知識者所熟知，CPU 321可用於執行計算機程式指令。同時，除了上述之元件外，CPU321亦可經由CPU匯流排耦合至多個不同的元件。
此些元件包括如，可用於儲存計算機程式指令之RAM 317(隨機存取記憶體；Random Access Memory)、亦可用於儲存計算機程式指令之ROM 308(唯讀記憶體；Read Only Memory)，及亦可用於存計算機程式指令之非揮發性記憶體319(Non Volatile Memory)。
於本發明之一實施例中，可經CPU321所執行電腦軟體程序可分為二或多種彼此不同之種類，以分別儲存於RAM317、RAM318及/或非揮發性記憶體319中。
舉例而言，低階操作程序之基本集，如習知之韌體，可 儲存於ROM318中。此些低階初步程序可用於使CPU321與智慧型插座300之元件通信之必要程序。同時，無論所執行之工作為何，該些程序對CPU321在執行任何有用之運作時係必要的。
一較高階程序集，通常亦稱為「應用程式」，係運作於韌體程序集之上或「位」在其上，以用於執行特定工作，如自AFCI/GFCI感應器306接收故障訊號，及判斷特定故障狀況等。應用程式可儲存於非揮發性記憶體319中。
於執行韌體及其上之應用軟體程序時，CPU321通常須暫存資料與中間計算等。此些資料與中間計算係儲存於RAM317。
如此技術領域所熟知，韌體係永久地儲存於ROM中，且大多係不變的。應用軟體則儲存於非揮發性記憶體中，且若有新增功能以取代舊功能於軟體可使用時，其可加以改變或更新之。換言之，此亦使插座300可重新編程的，故當主控系統有需要更新時，如透過電力線通信介面312，其可依此需求編程之。
電子位址模組320可提供一唯一的電子位址給智慧型插座300。因此，插座300可由主控系統賦予唯一之位址。
此位址係以唯一之數字串之方式，儲存於電子位址模組320中。此位址配置方式之一範例可為，如本領域中具有通常知識者所熟知之基於IPv4或IPv6之網際網路協定位址。此位址亦可為靜態或動態IP位址。
靜態IP位址一旦經配置後，係不能改變的。因此，電子 位址模組320可於智慧型插座製造時，配置靜態IP位址。或者，當智慧型插座連接至支路302時，主控系統可將動態IP位址配置給智慧型插座。
插座300亦可包含一實時時鐘322，用於協助追蹤事件之時間，如某一特定故障之日期與時間，及自從最後一次故障至今所經過之時間等。
第4及5圖係如第3圖中所示之智慧型斷路器之操作流程圖。
於步驟401中，判斷一故障訊號是否存在。若是，流程持續進行至步驟404，以於此步驟中根據此故障訊號，判斷是否應觸發中斷器302。若是，則觸發中斷器301，且流程繼續至步驟408進行之。否則，流程直接跳至步驟408進行之。
於步驟408中，根據此故障，判斷是否應觸發一可見故障警報。若是，則觸發此可見警報於步驟409中，且流程繼續至步驟412進行之。否則，流程直接跳至步驟412進行之。
於步驟412中，根據此故障，判斷是否應觸發一音訊故障警報。若是，則觸發此音訊警報於步驟414中，且流程繼續至步驟417進行之。否則，流程直接跳至步驟417進行之。
於步驟417中，根據此故障，判斷是否應將此故障回報至主控系統。若是，則回報此故障至主控系統，且流程繼續至步驟501進行之，如第5圖所示。否則，流程直接跳至步驟501進行之，如第5圖所示。
於步驟503中，根據電壓/電流感應器307所示之訊號，判斷一支路電壓是否存在，如第3圖所示。若是，流程繼續至步驟503進行之，並於此步驟中，判斷其是否為冷啟動，意即若插座300係首次連接至支路302。若是，則於步驟505中，自主控系統取得一動態IP位址。否則，流程回到步驟401，如第4圖所示。若一靜態IP已分配給插座300時，則將無須於步驟505中取得一動態IP。
如步驟507中，自主控系統取得用於插座300之操作參數，並於步驟509中，將如第3圖所示之實時時鐘318根據來自如主控系統之資訊，加以設定之。
之後，此流程進入至步驟510，於此步驟中，可點亮一預備指示燈(如第3圖所示之LED燈309之綠燈)以告知該插座300係處於預備狀態。
此流程並跳至步驟401進行之，如第4圖所示。
若於步驟501，當判斷出並無任何支路電壓存在時，流程繼續至步驟505進行之.
於步驟502中，判斷自從最後之支路電壓存在起之時間是否大於，例如，一分鐘。若否，則流程回到步驟501。否則，流程繼續至步驟504進行之。
於步驟504中，LED燈309指示出「一無支路電壓」之可見標示，舉例而言，其可為發亮之紅色色光，不同於預備燈。流程並繼續至步驟506進行之。
於步驟506中，判斷插座300之狀態與狀況是否應回報至主控系統。若是，則於步驟208中回報此狀況，且流程回到步驟501。否則流程直接回到步驟501。
請再參考第4圖，若於步驟401中判斷出未存在有故障訊號，則流程繼續至步驟402進行之。
於步驟402中，判斷主控系統是否有向插座300請求服務。若所請求之服務係為可與插座300相連通之請求，例如，取得故障狀況之狀態、提供中斷器301應被觸發之條件、提供CPU321操作所需之韌體更新等。
若是，於步驟403中提供服務至主控系統，且流程繼續至步驟406進行之。否則，流程直接跳至步驟406進行之。
於步驟406中，判斷是否應執行插座300之自我測試。若是，於步驟407執行此自我測試，流程繼續至步驟410進行之。
於步驟410中，判斷電力使用資料及其他電路參數是否應收集之。若是，於步驟411、415及416中，利用如第3圖所示之電壓/電流感應器307所感測之感應訊號，以判斷並儲存此些電力使用資料。
於步驟419中，判斷該資料是否應回報至主控系統。若是，於步驟402中回報此資料。否則，流程直接跳到步驟501進行之，如第5圖所示。
如第6圖所示，其為本發明之智慧型插座600之另一實施例之方塊圖，其中第一及第二支路中斷器602及604係用於根據 CPU 608所傳送之控制訊號604及605，以切斷由支路601傳送座孔606及607之電力。CPU 608之運作等係似於第3圖所示之CPU 321。
控制訊號604及605可由CPU 608根據如第1至3圖所示之多種故障狀態及第4及5圖所示之流程所產生之。中斷器602及603亦可經CPU 608而受控於主控系統。
如第7圖所示，其為本發明之智慧型插座700之另一實施例之方塊圖，其中支路中斷器704係用於根據CPU 706所傳送之控制訊號705，以切斷由支路701傳送到電接觸點702及703之電力。CPU 706之運作等係似於第3圖所示之CPU 321。
控制訊號705係由CPU 706根據如第1至3圖所示之多種故障狀態及第4及5圖所示之流程所產生之。因此，本發明之此實施例亦包括相應之GFCI/AFCI感應器、高SNR及低阻抗電路110、電壓/電流感應器112、自我測試電路111、故障觸發狀況暫存器114、故障類別與時間暫存器115及實時時鐘117。
接觸點702及703可連接至大型家電，如洗衣機、烘乾機、冰箱、冷熱空調系統及類似等。第7圖係一單相系統之方塊圖。
如第8圖所示，其為本發明之智慧型插座800之另一實施力，實施於一雙相系統上之流程圖。於此實施例中，支路中斷器801及805係用根據CPU 807所傳送之控制訊號806，以中斷自相線1及2連接至電接觸點802及804之電力。
CPU 807之運作係似於如第3圖所示之CPU 321。
控制訊號806係由CPU 807根據如第1至3圖所示之多種故障狀態及第4及5圖所示之流程所產生之。因此，本發明之此實施例亦包括相應之GFCI/AFCI感應器、高SNR及低阻抗電路110、電壓/電流感應器112、自我測試電路111、故障觸發狀況暫存器114、故障類別與時間暫存器115及實時時鐘117。
如第9圖所示之本發明之遠端控制與顯示系統之流程圖，此系統係用於監控由智慧型斷路器及智慧型插座所回報之電力消耗與故障狀態。
此系統包括一具有電力片902之模組901，用於插入至一般的電力插座或智慧型插座，如第3圖所示。模組901可包含一與智慧型裝置905相互通信之藍芽傳送器。
智慧型裝置905可為一智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦或桌上型電腦，其安裝有用於監控智慧型插座(如插座300)之軟體應用，如第10圖所示依第9圖所示之模組901之方塊圖。電力線通信介面1004可經由模組901耦接至支路，而該模組901係經電力片1002及1003連接支。電力片1002及1003可用於插入至一般的電力插座或智慧型插座，如第3圖所示。其亦可設有藍芽傳送器1001，以使控制及顯示訊號可與智慧型905相互交換支，如第9圖所示。
同時，模組901亦可包含狀態LED1005及音訊警報器1006，以用於表示模組901之運作狀態。一語音電路1007亦利用 如人工語音方式，提供狀態資訊，如本領域具有通常知識者所熟知。
模組901之運作可由CPU 1011所控制，其可經由CPU訊號與資料匯流排，以與藍芽傳送器1002、電力線通信介面1004及狀態指示器1005及1006相通信。
與CPU 1011耦接的亦有RAM1008、ROM1009及非揮發性記憶體1010。此些元件之運作係似於如第3圖所示之RAM317、ROM318及非揮發性記憶體319相較於CPU 321之運作。
當應用於智慧型裝置時，模組901可使使用者透過主控系統，於一相關聯之電力系統中監控多於種智慧型斷路器及插座。
如第11圖所示，其為本發明之主控係統(Master Control System,MCS)1100之一實施例之方塊圖。當MCS1100可經由電線傳輸連接時，其可於一電力系統之任一位置上運作之。
舉例而言，MCS1100可經組態，以具有一般店斷路器之大小，並可插入至電力箱內，如橫跨於電源箱中電源相線之一，如第11圖所示。MCS1100亦可經組態為一具有電力片之外部模組，其可插入至一般牆壁電插座上，以電性連接至該電力系統。
MCS1100之操作係受控於CPU 1112，其可經由電力線通信介面1102與智慧型裝置(如智慧型斷路器及智慧型插座)連通之。狀態LED1105及音訊警報1106可提供MCS1100之狀態資 訊，其並可經由CPU訊號與資料匯流排透過CPU 1111控制之。
資料儲存裝置1103可用於儲存電力故障、消耗電力及電路分析資訊，並亦可藉由多個不同之智慧型裝置以回報之。
如習知之技術，DHCP伺服器1104可提供動態IP位址至需要位址之智慧型電源節點。
同時，CPU 1111並耦合有RAM 1108、ROM 1109及非揮發性記憶體1110。此些元件之運作方式，似於如第3圖中所述之RAM 317、ROM 318及非揮發性記憶體319相對於CPU 321之運作方式。
模組901可供使用者藉由與主控系統之通信，以監控於一相關聯之電力系統上之多種智慧型斷路器及插座。
第12圖係整合本發明之智慧型斷路器、智慧型插座及主控系統至一電力箱內之方塊圖，且支路設備亦可連接至電力箱上
如第12圖所示，部分支路係受一般習知之電路斷路器所保護，而其他支路則採用本發明之智慧型斷路器及智慧型插座。
第13圖係本發明之智慧型斷路器應用於一作為替代電源之太陽能電池陣列中之方塊圖。
該陣列包括有如習知之太陽能板1301-104、如習知之組合器1305、如第1圖所示之本發明智慧型斷路器1306、如習知之充電控制器1307、如習知之充電電池組1308、如習知之併網轉換器、如習知之配電箱1310及習知之雙向電表1311。
智慧型斷路器1308可監視故障狀態及由電池陣列1300所產生之電力，並可將此資訊回報至主控系統。該主控系統則藉由詢問所有在此電力系統中之智慧型斷路器與智慧型插座，以監視於該電力系統內之電力消耗。
基於以上，可正確地判斷太陽能電池陣列及電力公司所傳遞之電量。因此，當太陽能電池陣列產生過剩未用之電力時，且透過雙向電表1407將此未用電力賣回電力公司時，所抵消之成本可正確地計算之。
第14圖係本發明之智慧型斷路器應用於一風力驅動之替代電源之方塊圖。此系統之元件係與前述如第13圖所示之太陽能電池陣列系統相對應。
本技術領域中具有通常知識者應可理解，於此所教示之本發明之具體實施例及其原理原則等，旨僅在於說明本發明之技術特徵與功效，且依本發明所揭露之內容，其亦可有多中不同之變化及其他實施例，且此些變化與實施例等並不悖於於本發明之精神與範圍。
100‧‧‧智慧型斷路器
101‧‧‧電力端子
102‧‧‧電力端子
103‧‧‧中性線
104‧‧‧相線
105‧‧‧支路中斷器
106‧‧‧支路
107‧‧‧端子
108‧‧‧端子
109‧‧‧感應器
110‧‧‧低阻抗之電路
111‧‧‧自我檢測電路
112‧‧‧電壓/電流感應器
114‧‧‧暫存器
115‧‧‧時間暫存器
116‧‧‧CPU
117‧‧‧訊號
118‧‧‧電池

Claims (44)

  1. 一種用於監視一電路之監視裝置，該監視裝置包含：一故障感應器耦接至該電路，用於當偵測到該電路之故障時，產生一電力故障訊號；一訊號處理元件耦接至該故障感應器，用於改善該故障訊號之訊噪比；一故障觸發狀況暫存器，用於當偵測到故障情況時，儲存該監視裝置所執行之至少一回應動作；一中央處理器(CPU)耦接至該訊號處理元件及至該故障觸發狀況暫存器；及其中，為回應該故障訊號，該CPU係令該監視裝置執行該回應動作。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之監視裝置，其中，該故障感應器包含故障辨識電路，以自複數個預設故障狀況中，辨識出經由該故障感應器所偵測到之故障之類別。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之監視裝置，其中，該些複數個預設故障狀況包括電流過載、AFCI、GFCI及AFCI/GFCI之故障狀況。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之監視裝置，進一步包含一故障類別暫存器其係耦接至該CPU，以儲存該故障感應器所偵測到之故障之類別。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之監視裝置，進一步包含一耦合至該CPU之實時時鐘，其中當偵測到之故障發生時，該CPU係令該故障類別暫存器儲存紀錄故障發生之大約時間。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之監視裝置，其中，該故障觸發狀況暫存器儲存有一針對該些複數個預設故障類別之回應動作，且該些複數個故障類別係彼此於一預設時間內所發生。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之監視裝置，其中，該故障觸發狀況暫存器儲存有一針對複數個故障類別之回應動作，且該些複數個故障類別係彼此於一預設時間內所發生。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之監視裝置，其中，該故障觸發狀況暫存器儲存有一針對複數個不同故障類別之至少一組合之回應動作，該些複數個不同故障類別係彼此於一預設時間內所發生。
  9. 如請專利範圍第1項所述之監視裝置，進一步包含一耦接至該電路及該CPU之電壓/電流感應器，用於產生一對應於該電路上之電壓大小之電壓訊 號，及一對應於流經該電路之電流大小之電流訊號。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之監視裝置，其中，當該電壓訊號表示一電壓大小係高於或低於一預設電壓大小，該CPU產生一電壓故障訊號，並令該監視裝置執行一預設回應動作。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之監視裝置，其中，當該電流訊號表示一電流大小係高於或低於一預設電流大小，該CPU產生一電流故障訊號，並令該監視裝置執行一預設回應動作。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之監視裝置，進一步包含有一故障觸發狀況暫存器耦接至該CPU，用於當該電壓故障訊號產生時，可儲存有至少一應由該監視裝置所執行之回應動作。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之監視裝置，進一步包含有一故障觸發狀況暫存器耦接至該CPU，用於當該電流故障訊號產生時，可儲存有至少一應由該監視裝置所執行之回應動作。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之監視裝置，進一步包含有一故障類別暫存器耦接至該CPU，用於儲存該電壓/電流感應器所偵測到之故障之類別。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之監視裝置，進一步包含一耦合至該CPU之實時時鐘，其中當該電壓/電流感應器偵測到之故障時，該CPU係令該故障類別暫存器紀錄故障發生之大約時間。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之監視裝置，進一步包含一耦合至該CPU之自我檢測電路，用於使該軟體執行該監視裝置之一預設診斷檢測流程。
  17. 申請專利範圍第1項所述之監視裝置，進一步包含一電路中斷器與該電路串聯連接，並可用於選擇式地中斷一從該電路流向一連接負載之電流，該電路中斷器係由該CPU所控制，其中該回應動作係指該CPU控制該電路中斷器以中斷於該電路上之電流。
  18. 一種斷路器，用於針對故障狀況以保護一電路，該斷路器包含：一故障感應器耦接至該電路，用於當偵測到該電路之故障時，產生一電力故障訊號，該故障感應器包括故障辨識電路，以自複數個預設故障狀況中，辨識出經由該故障感應器所偵測到之故障之類別；一訊號處理元件耦接至該故障感應器，用於改善該故障訊號之訊噪比；一故障觸發狀況暫存器，用於儲存一針對該故障感應器所偵測之每一故障 所作之回應動作；一故障類別暫存器耦接至該CPU，用於儲存該故障感應器所偵測到之故障之類別；一中央處理器(CPU)耦接至該訊號處理元件及至該故障觸發狀況暫存器；一電路中斷器與該電路串聯連接，並可用於並可用於選擇式地中斷一從該電路流向一連接負載之電流，該電路中斷器係由該CPU所控制；其中為回應該故障訊號，該CPU控制該電路中斷器以中斷於該電路上之電流。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之斷路器，其中，該些複數個預設故障狀況包括電流過載、AFCI、GFCI及AFCI/GFCI之故障狀況。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之斷路器，進一步包含一耦合至該CPU之實時時鐘，其中當偵測到之故障發生時，該CPU係令該故障類別暫存器儲存紀錄故障發生之大約時間。
  21. 如申請專利範圍第18項所述之斷路器，其中，該故障觸發狀況暫存器儲存有一針對複數個故障類別之回應動作，且該些複數個故障類別係彼此於一預設時間內所發生。
  22. 如申請專利範圍第18項所述之斷路器，其中，該故障觸發狀況暫存器儲存有一針對複數個不同故障類別之至少一組合之回應動作，該些複數個不同故障類別係彼此於一預設時間內所發生。
  23. 如請專利範圍第18項所述之斷路器，進一步包含一耦接至該電路及該CPU之電壓/電流感應器，用於產生一對應於該電路上之電壓大小之電壓訊號，及一對應於流經該電路之電流大小之電流訊號。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之斷路器，其中，當該電壓訊號表示一電壓大小係高於或低於一預設電壓大小，該CPU產生一電壓故障訊號，並令該監視裝置執行一預設回應動作。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之斷路器，其中，當該電流訊號表示一電流大小係高於或低於一預設電流大小，該CPU產生一電流故障訊號，並令該監視裝置執行一預設回應動作。
  26. 如申請專利範圍第24項所述之斷路器，其中當該電壓故障訊號產生時，該故障觸發狀況暫存器儲存有至少一應由該斷路器所執行之回應動作。
  27. 如申請專利範圍第24項所述之斷路器，其中當該電流故障訊號產生 時，該故障觸發狀況暫存器儲存有至少一應由該斷路器所執行之回應動作。
  28. 如申請專利範圍第26項所述之斷路器，其中，該CPU令該故障類別暫存器儲存該電壓故障訊號及當該電故障訊號發生時之大約時間。
  29. 如申請專利範圍第27項所述之斷路器，其中，該CPU令該故障類別暫存器儲存該電流故障訊號及當該電故障訊號發生時之大約時間。
  30. 如申請專利範圍第1項所述之監視器，進一步包含一狀態指示器，以提供狀態資訊。
  31. 如申請專利範圍第30項所述之監視器，其中，該狀態資訊係表示該監視器之運作狀態。
  32. 如申請專利範圍第30項所述之監視器，其中，該狀態資訊係表示該故障訊號存在與否。
  33. 如申請專利範圍第32項所述之監視器，其中，該狀態指示器為一發光二極體。
  34. 如申請專利範圍第30項所述之監視器，其中，該狀態指示器為一人聲。
  35. 如申請專利範圍第1項所述之監視器，進一步包含一通信介面，以使該監視器可與一遠端裝置相互通信。
  36. 如申請專利範圍第35項所述之監視器，其中該通信介面可允許透過一區域網路之通信。
  37. 如申請專利範圍第35項所述之監視器，其中該通信介面可允許透過一區域網路之通信。
  38. 如申請專利範圍第35項所述之監視器，其中該通信介面可允許透過一WiFi區域網路之通信。
  39. 如申請專利範圍第35項所述之監視器，其中該通信介面為一電力線通信介面。
  40. 如申請專利範圍第35項所述之監視器，其中該通信介面可允許使用一藍芽協定之通信。
  41. 如申請專利範圍第35項所述之監視器，進一步包含一電子位址模組，用於提供一唯一電子位址至該監視器。
  42. 如申請專利範圍第41項所述之監視器，其中該電子位址為一網際網路協定位址。
  43. 如申請專利範圍第1項所述之監視器，其中該監視器係適用於監視連接至一牆座孔之該電路。
  44. 如申請專利範圍第35項所述之監視器，進一步包括用於控制該CPU運作之電腦程式，該電腦程式可經由該通信介面更新之。
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