TW201923364A - 電力功耗感測方法及感測裝置 - Google Patents

Abstract

一種感測裝置，係包括用以定位於導線外表面上之殼體以及容置於該殼體中之電路板；該電路板具有用以感測該導線之感測區域，使該電路板所量測之數值係為相對數值，故該電路板之電路設計能簡化，以縮小該感測裝置之體積。

Description

電力功耗感測方法及感測裝置

本發明係有關一種電力測量方法及裝置，尤其指一種非接觸式負載量測之電力功耗感測方法及感測裝置。

傳統用電管理係利用可量測單一場域的耗電狀況(如住宅、工廠、商業大樓等場域的用電量)之電表裝設於總電源處，以令使用者得知耗電量，而得以進行用電管理，以達到節電之目的。

然而，單一場域往往會佈設多條電線，以提供不同的使用需求(如不同樓層或不同室內空間)，故每一條電線均需配置一台電表，致使該場域之用電管理處會佈設多台電表，且因安裝數量龐大，而使安裝成本極高，且裝設繁雜。

因此，遂開發出比流器(Current Transformer，簡稱CT)之技術，係將各條電線匯集於一配電箱上，再於配電箱之各電線之接點處分別安裝一比流器，使單一電線對應單一比流器，再將各該比流器藉由延長線匯集於一電表主機(或集中式類比數位轉換裝置)，故將各CT所量得的電流之波形訊號，以類比訊號的形式通過複雜多條的延長線 回傳至該電表主機(或集中式類比數位轉換裝置)，以進行後續之資料分析及應用，因而只需安裝一台電表主機，即可得知耗電量。

然而，各該比流器均需拉出一條延長線，致使該配電箱周圍會佈滿許多延長線而呈星狀配線，造成裝設麻煩或維修不易，且佔據該配電箱空間並使該配電箱呈現雜亂。部分設計可用串聯方式連結複數比流器於匯線排之配線上，其效果雖可使配線環境美觀，但卻使價格更加昂貴，甚至這種設計的安裝人力成本高於該電表主機之價格，若無法簡化降低安裝工時，將不利於廣泛使用。

因此，如何克服上述習知技術之種種問題，實已成為目前業界亟待克服之難題。

鑑於上述習知技術之種種缺失，本發明揭露一種電力功耗感測方法，係包括：利用感測裝置感測導線上之電流或電壓之波形之變化；將該電流或電壓之波形進行積分運算及數位化處理；以及計算該電流或電壓之數值之均方根，其中，該電流或電壓之數值係為相對數值。

於前述之方法中，該感測裝置係利用電磁場感應原理感測該導線上之電流或電壓之波形之變化。

於前述之方法中，復包括於進行積分運算後，進行濾波作業，再計算該電流或電壓之數值之均方根。

於前述之方法中，復包括於計算該電流或電壓之數值之均方根後，計算功率因數。例如，該功率因數之計算係 藉由進行該電流及電壓之零點交越偵測，以量測該零點交越之時間差，且利用該電流之波形之失真狀況修正非線性負載誤差，藉此推算該功率因數。

本發明復揭露一種感測裝置，係包括：殼體，係用以定位於一導線之外表面上；以及電路板，係容置於該殼體中並具有用以感測該導線之電流或電壓之波形之變化之感測區域。

前述之感測裝置中，該殼體係設有一用以配合該導線之定位部。例如，該定位部係為用以容置該導線之凹槽。

前述之感測裝置中，復包括固定部，係用以將該殼體固定於該導線上。例如，該固定部係為束線帶，且該殼體形成至少一穿孔，以令該束線帶穿過該穿孔並繞過該導線，使該殼體與該導線相互抵靠。

前述之感測裝置中，該電路板係定義有類比量測板區及數位板區，且該電路板之電路配置係包含設於該類比量測板區之量測部與訊號處理電路，以及設於該數位板區之數位運算電路與通訊部。例如，該數位板區上設有微處理器，且佈設有部分該數位運算電路及/或部分該通訊部。

再者，該量測部係為佈設於該電路板之感測區域上的佈線，例如，該量測部係為兩組對稱之線圈，且該兩線圈係反向繞線；或者該量測部係包含形成於該電路板之其中一側上且面對該導線的感應層，更進一步，該量測部復包含形成於該電路板之另一側上的接地層。

又，該通訊部係藉由單一傳輸線將訊號傳輸至一資料 儲存裝置，進一步，該傳輸線係可串聯複數該感測裝置。

由上可知，本發明之電力功耗感測方法及感測裝置，主要藉由相對數值表示量測結果，故相較於習知智慧型電表，本發明之電路設計能大幅簡化，使該感測裝置之體積能大幅縮小，且其電路設計能採用通用元件取代習知智慧型電表之高性能元件，因而不需浪費龐大工時的校正成本，使該感測裝置之商品化成本能大幅降低。

1‧‧‧感測裝置

10‧‧‧殼體

100‧‧‧定位部

101‧‧‧穿孔

11‧‧‧固定部

2‧‧‧電路板

20‧‧‧量測部

20a,20b‧‧‧線圈

200‧‧‧感應層

201‧‧‧接地層

21‧‧‧數位運算電路

22‧‧‧通訊部

23‧‧‧微處理器

50‧‧‧積分電路

51‧‧‧帶通濾波器

52‧‧‧放大器

8‧‧‧感測組

8a‧‧‧資料儲存裝置

8b‧‧‧傳輸線

9‧‧‧電力測量系統

90‧‧‧導線

90a,90b‧‧‧端埠

91‧‧‧導線匯整裝置

92‧‧‧插座

93‧‧‧資料處理裝置

94‧‧‧總電表

B‧‧‧磁場

I‧‧‧電流

C‧‧‧電容結構

V‧‧‧電壓差

E‧‧‧電場

第1圖係為本發明之感測裝置於使用時之立體示意圖；第2圖係為本發明之感測裝置之電路板的電路配置示意圖；第3A圖係為第2圖之電路板之量測部之第一實施例的電路佈設之平面示意圖；第3B圖係為第3A圖之感應方式的示意圖；第4圖係為第2圖之電路板之量測部之第二實施例的電路佈設之側視示意圖；第5圖係為本發明之感測裝置之電路板之訊號處理電路的佈設示意圖；第6圖係為本發明之電力功耗感測方法的流程示意圖；第7圖係為本發明之電力功耗感測方法所量測出之相對數值的圖表；以及第8圖係為本發明之感測裝置使用於電力測量系統之 配置示意圖。

以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。

須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如「上」、「下」、「左」、「右」及「一」等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本發明可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施之範疇。

第1圖係為本發明之感測裝置1之立體示意圖。如第1圖所示，該感測裝置1係為非接觸式負載量測型式，其包括一採用貼覆方式設於單一導線90上之殼體10、至少一用以將該殼體10固定於該導線90上之固定部11、以及容置於該殼體10中之電路板2(詳參第2圖)。

所述之殼體10係於其中一側(如下側)設有一用以配合該導線90之定位部100，例如，沿前後方向延伸之弧形凹槽，使該導線90之上側弧形周面能嵌入該凹槽中，以輔 助定位該導線90於感測區域中而避免偏移。然而，有關該定位部100之定位方式繁多，並不限於上述。

所述之固定部11係例如為束線帶、魔鬼沾、膠體或其它結構，並無特別限制。具體地，如第1圖所示，以束線帶為例，先於該殼體10形成至少一貫穿左、右兩側之穿孔101，再令該束線帶穿過該穿孔101並繞過該導線90之下側弧形周面，使該束線帶之兩端交錯而成為環圈結構，再拉緊該束線帶以縮小該環圈體之環圈面積，使該殼體10之定位部100與該導線90相互緊密抵靠，以固定兩者而防止兩者鬆脫。然而，有關該固定部11之定位方式繁多，並不限於上述。

該電路板2之電路配置係如第2圖所示，於本實施例中，該電路板2係定義有類比量測板區及數位板區，該數位板區上設有微處理器23，該電路板2並包含設於該類比量測板區之量測部20、設於該類比量測板區之訊號處理電路(或類比訊號處理電路)、設於該數位板區之數位運算電路21(其部分配置於該微處理器23中)、設於該數位板區之通訊部22(其部分配置於該微處理器23中)、以及提供該電路板2所需之電源。具體地，該些板區於製作上可為單一線路板，亦或該電路板2可由兩片線路板組成，例如相互堆疊排設。

於本實施例中，該量測部20係採用在印刷電路板上直接設計線圈或感應電極結構的佈線方式，使該量測部20之成本趨近於零，若有其它較高精度需求時，亦可外接比 流器或羅式線圈等電流探頭。具體地，如第3A圖所示，該量測部20係利用電磁場感應原理感測單一導線90上之電流流動波形之變化。例如，該量測部20係為分別設於該導線90兩側之兩組對稱線圈20a,20b，且該兩線圈20a,20b係反向繞線，例如，其中一線圈20a為順時針方向繞圈，則另一線圈20b為逆時針方向繞圈，反之亦可。

如第3B圖所示，於電流I(箭頭方向)通過該導線90時，依據安培定律，該導線90之電流I會形成一環形磁場B(如第3B圖中之箭頭方向表示磁場方向)，而磁場的強度正比於該導線90上的電流I大小，再依據法拉第感應定律，上述二個互為反向繞線的線圈20a,20b會感應出同一電流方向的感應電壓，且該感應電壓會與該導線90之電流I大小呈正比。

再者，因該導線90之電流I並未經過該兩線圈20a,20b之中間處，因而該磁場B來自於未對稱該兩線圈20a,20b之中央處，故相同方向的磁場B作用在二個互為反向繞線的線圈20a,20b上，使該兩線圈20a,20b所感應出之電壓會相互抵消，以避免外部磁場干擾，進而達到抗干擾之目的。

又，由於該導線90為交流訊號，故該電流I與該量測部20所感應的訊號係為時變電壓訊號，且其實際波形與量測到的電壓訊號呈現微分關係。因此，在訊號處理上，如第5圖所示，該電路板2之訊號處理電路(或類比訊號處理電路)係先以積分電路50進行積分運算，以將訊號依時間積分而重現波形，並依照訊號特性藉由一帶通濾波器51 進行濾波作業及藉由一放大器52進行放大濾波處理步驟，以處理為可數位擷取之型態，再輸出。

於另一實施例中，該量測部20亦可利用平行面感應電容，以於兩電極之間的電壓差產生電場，其感應電荷流動，而產生電流之波形之變化。具體地，如第4圖所示，該量測部20係包含形成於該電路板2其中一側上且平行面對該導線90(其中一電極)的感應層200(如以銅箔作為另一電極)，以令該導線90與該感應層200形成一個電容結構C，且該導線90與該感應層200之間的電壓差V會產生電場E，並依據高斯定律，兩金屬電極在該電場E中會產生感應電荷流動，因而產生電流，且該電流會與該導線90上之電壓大小成正比。

再者，該量測部20復包含一形成於該電路板2另一側之接地層201(如銅箔)，其與該感應層200之間不存在電壓差，因而不會產生感應電流，故該接地層201能隔離外界的電磁干擾。

又，該量測部20所感應之訊號為時變電流訊號，且轉換為電壓訊號後，係與實際波形呈微分關係。因此，在訊號處理上，如第5圖所示，該電路板2之訊號處理電路(或類比訊號處理電路)需先以積分電路50進行積分運算，以將訊號依時間積分而重現波形，並依照訊號特性藉由帶通濾波器51進行濾波作業及藉由放大器52進行放大濾波處理步驟，以處理為可數位擷取之型態，再輸出。

有關該量測部20之結構種類繁多，只要能符合在印刷 電路板上直接設計的低成本方式即可，並不限於上述。

接著，如第2圖所示，上述兩種量測部20之感應方式，經由上述該訊號處理電路輸出訊號後，將進行數位處理與計算，即經由數位運算電路21(如波形數位取樣電路)將電流/電壓之波形進行多點暫態取樣，再以該電路板2上之微處理器23進行訊號整合運算處理作業(如均方根值運算)，之後藉由該通訊部22配置於該微處理器23中之通訊協定管理，以由該通訊部22之資料通訊介面將訊號傳輸至如第8圖所示之資料儲存裝置8a。

於本實施例中，該數位運算電路21係將波形以每秒4,000點進行數位取樣，再於該微處理器23中進行均方根值運算，故非線性負載亦可準確量測。

再者，該數位運算電路21中亦可設有偵測電路，例如零點交越偵測電路，其用於進行電流/電壓之零點交越偵測，以輸出訊號至該微處理器23，使該微處理器23量測該零點交越之時間差，以評估相位，再加上電流之波形之失真狀況修正非線性負載誤差，藉此推算功率因數。

又，該通訊部22配置於該微處理器23中之通訊協定管理係用以協調處理該感測裝置1之各部分運作時序及資料運算，並將量測資料經由該通訊部22之資料通訊介面傳出。例如，該通訊管理協定之實體層(物理層)係採用並聯設計，如RS485差動訊號，以抗干擾，使得通訊路徑得以單一電纜運作，而減少配線複雜度，如單一電纜最多可串聯254個裝置。具體地，如第8圖所示，一傳輸線8b係 聯結六個感測裝置1至該資料儲存裝置8a。

另外，該通訊部22之通訊管理協定之應用層(協定層)係採用需求回應(Request-response)架構進行設計，如ModBus，其不僅適用於多種傳輸方式且容易使用。

因此，本發明提供一種電力功耗感測方法，如第6圖所示，其包括：先將非接觸式的電力感測裝置1貼覆安裝於迴路導線90上，使該感測裝置1之電路板2之量測部20利用電磁場感應原理感測該導線90上之電流流動之波形(或電壓之波形)之變化，再透過該電路板2之訊號處理電路進行積分運算與適當的濾波除雜訊，之後該電路板2之數位運算電路21將此感應到的類比電流之波形(或電壓之波形)訊號轉為數位訊號並計算電流(或電壓)之數值之均方根，再將所取得的電流(或電壓)值訊號透過網路連結傳送至資料儲存裝置8a及/或電腦，以進行後續電力量測資料的處理應用。應可理解地，亦可先以該電路板2之數位運算電路21進行數位化後，再透過該電路板2之訊號處理電路進行積分運算及電流(或電壓)之數值之均方根計算。

於本實施例中，該電力功耗感測方法可依需求計算功率因數。具體地，該非接觸式電力感測裝置1可設計內部感應器或由外部電路取得電壓訊號，特別是電壓波形零交點訊號，此類電壓波形訊號也可藉由該感測裝置進行數位化處理，例如，結合電流波形訊號以計算功率因數、或者電壓與電流訊號相乘所得的相對的功率消耗數值。

因此，該感測裝置1所量測之數值會以限定範圍(例如0至1024數字)的相對數值來表示。

再者，由於該電力功耗感測方法不需量測絕對精度，故在電路設計上得以大幅簡化，使該感測裝置1之體積能大幅縮小，且可免用習知智慧型電表之高性能及高單價的元件而採用通用低價的元件，以於使用前不需浪費人力校正的成本，因而大幅降低該感測裝置1之整體製造生產成本，且即便量測相對數值，該電力功耗感測方法仍具有高度線性度(如第7圖所示)。因此，若有絕對精度需求，亦可進行線上校正後換算出精確的電流I、電壓差V等量測單位值。

又，該感測裝置1可進一步結合建物、場域等總電表資訊(如第8圖所示)，並配合相關演算法以將相對數值轉換為絕對數值，使其具有實體電表的量測效果。因此，該感測裝置1藉由非接觸該導線90之便利安裝特性，使該感測裝置1得以適用在量測電箱迴路電流、照明燈具功耗、生產設備異常監測、節能評估量測等對電力功耗測量有需求的使用情境。

進一步而言，如第8圖所示，係為本發明之感測裝置1使用於電力測量系統9之配置示意圖。如第8圖所示，該電力測量系統9係包括：一導線匯整裝置91、一感測組8以及一資料處理裝置93。

所述之導線匯整裝置91係為配電盤，其電性連接複數導線90，使該些導線90之一端埠90a連接至該導線匯整 裝置91，而另一端埠90b係連接至插座92，且藉由總電表94偵測該導線匯整裝置91上之電力資料，其中，該插座92係用以供電予電子物品(圖略)，如家電、3C產品、工業用機具或其它用電產品等。

所述之感測組8係包括至少一該感測裝置1及一用以接收該感測裝置1訊號之資料儲存裝置8a，且當同時使用多個感測裝置1時，可藉由單一傳輸線8b(或電纜)依序串聯多個感測裝置1，再連結到該資料儲存裝置8a，其中，該感測裝置1係以非侵入方式感測該導線90，且該資料儲存裝置8a係為個人電腦、工業電腦、伺服器、可程式邏輯控制器(programmable logic controller，簡稱PLC)、網路介面轉換器、或各種支援共通協定的裝置。

所述之資料處理裝置93係接收該資料儲存裝置8a中關於該感測裝置1所傳出之訊號資料與該總電表94之電力資料，並將此兩組資料進行運算分析。

綜上所述，本發明之電力功耗感測方法及感測裝置，係以相對數值表示量測結果，故其電路設計能大幅簡化，使該感測裝置之體積能大幅縮小，且其電路設計能採用通用元件取代習知智慧型電表之高性能元件，因而不需浪費龐大工時的校正成本，使該感測裝置之商品化成本能大幅降低。

再者，由於本發明之量測數值仍具有高度線性相關，故仍可進行線上校正後換算精確的電流安培、電壓伏特等單位值。

又，本發明之電力功耗感測方法及感測裝置可進一步結合場域總電表資訊，配合相關演算法將相對數值轉換為絕對數值，使其具有習知實體電表的量測效果。

上述實施例係用以例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (18)

1. 一種電力功耗感測方法，其步驟包含：利用感測裝置感測導線上之電流或電壓之波形之變化；將該電流或電壓之波形進行積分運算及數位化處理；以及計算該電流或電壓之數值之均方根，其中，該電流或電壓之數值係為相對數值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電力功耗感測方法，其中，該感測裝置係利用電磁場感應原理感測該導線上之電流或電壓之波形之變化。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電力功耗感測方法，復包括於進行積分運算後，進行濾波作業，再計算該電流或電壓之數值之均方根。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電力功耗感測方法，復包括於計算該電流或電壓之數值之均方根後，計算功率因數。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電力功耗感測方法，其中，該功率因數之計算係藉由進行該電流及電壓之零點交越偵測，以量測該零點交越之時間差，且利用該電流之波形之失真狀況修正非線性負載誤差，藉此推算該功率因數。
6. 一種感測裝置，係包括：殼體，係用以定位於導線之外表面上；以及 電路板，係容置於該殼體中並具有用以感測該導線之電流或電壓之波形之變化之感測區域。
7. 如申請專利範圍第6項所述之感測裝置，其中，該殼體係設有一用以配合該導線之定位部。
8. 如申請專利範圍第7項所述之感測裝置，其中，該定位部係為用以容置該導線之凹槽。
9. 如申請專利範圍第6項所述之感測裝置，復包括用以將該殼體固定於該導線上之固定部。
10. 如申請專利範圍第9項所述之感測裝置，其中，該固定部係為束線帶，且該殼體形成有至少一穿孔，以令該束線帶穿過該穿孔並繞過該導線，使該殼體與該導線相互抵靠。
11. 如申請專利範圍第6項所述之感測裝置，其中，該電路板係定義有類比量測板區及數位板區，且該電路板之電路配置係包含設於該類比量測板區之量測部與訊號處理電路，以及設於該數位板區之數位運算電路與通訊部。
12. 如申請專利範圍第11項所述之感測裝置，其中，該數位板區上設有微處理器，並佈設有部分該數位運算電路及/或部分該通訊部。
13. 如申請專利範圍第11項所述之感測裝置，其中，該量測部係為佈設於該電路板之感測區域上的佈線。
14. 如申請專利範圍第13項所述之感測裝置，其中，該量測部係為兩組對稱之線圈，且該兩組線圈係反向繞線。
15. 如申請專利範圍第13項所述之感測裝置，其中，該量測部係包含形成於該電路板之其中一側上且面對該導線的感應層。
16. 如申請專利範圍第15項所述之感測裝置，其中，該量測部復包含形成於該電路板之另一側上的接地層。
17. 如申請專利範圍第11項所述之感測裝置，其中，該通訊部係藉由單一傳輸線將訊號傳輸至一資料儲存裝置。
18. 如申請專利範圍第17項所述之感測裝置，其中，該傳輸線係可串聯複數該感測裝置。