TWI404943B - Power phase detection equipment, methods and computer program products - Google Patents

Description

電力相位檢測設備、方法及電腦程式產品

本發明是有關於一種電力相位檢測設備、方法及電腦程式產品，特別是指一種使用電力線載波(Power Line Carrier；簡稱PLC)技術的電力相位檢測設備、方法及電腦程式產品。

目前，電力公司的停限電管理資訊系統在高壓饋線部份，其屬性資料已達相當之準確度，但變壓器及供電用戶之關聯性，仍存在相當程度之不一致性，造成施工停電通知用戶之作業錯誤情況發生，影響公司與用戶之關係，甚至造成用戶設備燒損而賠償。以停電方式調查用戶端與供電端的變壓器的關聯，不但會造成用戶停電之不便與損失，且易招致用戶抱怨，亦相對減少公司電費收入。然而，目前調查時都以目測方式而無法得到完全正確的資料。

因此，如何快速有效且正確得調查與校核用戶與變壓器關聯資料，為一有急切需要解決的課題。

因此，本發明之目的，即在提供一種利用電力線載波技術能精確且快速判讀電力相位的檢測設備、方法及電腦程式產品。

於是，本發明電力相位檢測設備係對一供電端及一用戶端之間的一電力線的載波進行電壓相位鑑定。該電力相位檢測設備包含一載波處理電路及一相位鑑定模組，該載波處理電路自該用戶端取得一載波信號並解調為一待測信號，且包 括一判斷該待測信號之過零點的比較器、一檢知過零點時產生一停止信號的產生器；該相位鑑定模組收到一開始信號時便開始計數工作，令該開始信號產生後的第一個產生的停止信號為有效，且收到被判定為有效的停止信號時發出一拴鎖信號，收到該拴鎖信號後，將該計數器的計數值暫存，並依據該待測信號的相位「AN相」、「BN相」、「CN相」與「AB相」、「BC相」、「CA相」恰好具有延遲相位的特性，設定不同電壓相位的門檻值對於該待測信號的過零點的計數值加以區隔而產生不同的編碼信號。

本發明電力相位檢測方法係對一供電端及一用戶端之間的一電力線的載波進行電壓相位鑑定，該電力相位檢測方法包含下述步驟：(a)自該供電端取得一預定信號，自該用戶端取得一載波信號並解調為一待測信號；(b)判斷該待測信號之過零點，且於檢知過零點時產生一停止信號；(c)收到一開始信號時便開始計數工作，且令該開始信號產生後的第一個產生的停止信號為有效，並於收到被判定為有效的停止信號時發出一拴鎖信號以將該計數器的計數值暫存；及(d)依據該待測信號的相位「AN相」、「BN相」、「CN相」與「AB相」、「BC相」、「CA相」恰好具有延遲相位的特性，設定不同電壓相位的門檻值對待測信號的過零點的計數值加以區隔而產生不同的編碼信號。

本發明內儲電力相位檢測程式之電腦程式產品是當電腦載入該電腦程式並執行後，可完成如前所述之方法。

本發明電力相位檢測設備、方法及電腦程式產品之功效 在於：應用電力線載波技術以活線測定用戶與變壓器關聯，能即時獲得正確的相關資料，尤其對大樓住宅公寓等配電室之用戶與變壓器關聯，可隨時快速有效複查，同時更可應用於低壓事故搶修時，供現場人員快速且正確得檢測出相關之變壓器，避免因誤判斷而影響到其他用戶用電。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1，一般電力公司供電方式是由電力公司的一變電所50延伸出的一主饋線501，再由主饋線501供電給多數個不同區域的供電端51(電壓器)，供電端51以分歧的電力線53連接至不同的用戶端52。

本發明電力相位檢測方法的較佳實施例係利用一供電端51的電力相位檢測設備61電性連接位於供電端51(電壓器)以提供一預定信號，如：電壓信號，另一操作人員則是利用一用戶端52的電力相位檢測設備62電性連接用戶端52的電力線53並接收預定信號以與用戶端52的待測信號進行電壓相位鑑定，茲將本發明之技術原理說明如下。

如圖2，220伏特的電壓信號區分為三種電壓相位包括V_AB 、V_BC 、V_CA ；配合圖1，當供電端51供應電壓為220伏特時，220伏特之本發明電力相位檢測方法是在供電端51(變壓器)的「AB相」連接供電端51的電力相位檢測設備61，供電端51的「AB相」輸出的預定信號V_AB 用以與用 戶端52的待測信號作為比較基準，為避免雜訊干擾，將預定信號V_AB 加以調變為一調變信號饋入電力線53。

以用戶端52的電力相位檢測設備62自供電端51取得該預定信號V_AB ，接著，自用戶端52取得調變信號並解調為一待測信號，如：用戶端52的「BC相」輸出為待測信號V_BC ；然後，計算預定信號V_AB 於一預定週期的一第一過零點t1與待測信號於同一週期的一第二過零點t2，並依據不同電壓相位的門檻T1、T2、T3值對待測信號的過零點的計數值編碼而產生不同的編碼信號。

用戶端52的電力相位檢測設備62具有一計數器及一編碼模組，且電力相位檢測設備62於收到預定信號V_AB 的起始時間t0同時送出一開始信號(Start signal)予計數器以開始計數，假設計數器計數速率為x KHz，亦即為每ms計數一次，以60Hz電力線弦波信號來計算，每次計數電力線信號相位前進約度，以預定信號V_AB 為例，一週期信號(第1次過零點上升緣至第2次過零點上升緣)約需16.6x 次計數，即起始時間t0至全週期時間t1的計數值為16.6x 次，而用戶端52的電力相位檢測設備62取得的待測信號V_BC 於啟始時間t0後的第1次過零點上升緣的時間t2時，即送出一停止信號(Stop signal)令計數器停止計數，並且將計數器最後產生之數字加以記錄，以待測信號V_BC 為例，計數值 為5.5x 次，以待測信號V_CA 為例，計數值為11x 次，藉此決定用戶端52所使用電力信號與供電端51所傳送之電力信號兩者之間的相位關係。

因此，以220伏特為例，若用戶端52所使用電力線53之電壓相位亦為「AB相」，則計數值約為16.6x ，若用戶端52所使用電力線之電壓相位為「BC相」，則計數器之計數結果約為5.5x ，若用戶端52所使用電力線之電壓相位亦為「CA相」，則計數值為11x 。

為了區隔起見，在編碼模組設定T1=8.3x 為門檻值用來區隔「BC相」與「CA相」，同時設定T2=13.8x 為門檻值用來區隔「CA相」與「AB相」，也就是計數值小於8.3x 大於2.7x 則屬於「BC相」，而介於8.3x 與13.8x 之間則為「CA相」，小於2.7x 大於13.8x 則為「AB相」，且計數器於數至T3=22x 時將被強制停止以避免混淆。

參閱圖3，110伏特的相位鑑定原理與220伏特相同，差別僅在於110伏特的相位「AN相」、「BN相」、「CN相」與220伏對應的「AB相」、「BC相」、「CA相」恰好皆延遲了相位30度，也就是計數器將會多數約1.4x 次，因此110伏的計數分析編碼部份與220伏僅差別在於：計數值t4=0+1.4x =1.4x 、計數值t5=5.5x +1.4x =6.9x 、計數值t6=11x +1.4x =12.4x ，且門檻值T1’=8.3x +1.4x =9.7x ，而門檻值T2’=13.8x +1.4x =15.2x ，其餘原理皆相同，不再贅述。

需說明的是，本發明電力相位檢測方法可利用軟體程式 或硬體設備實現，以軟體程式實現的方式是一種內儲電力相位檢測程式之電腦程式產品，當電腦載入該電腦程式並執行後完成前述之判斷處理及編碼輸出。

配合圖1，本發明電力相位檢測設備位於供電端51的供電端51的電力相位檢測設備61(如圖4)，及用戶端52的用戶端52的電力相位檢測設備62(如圖5)具有相同的元件及電路架構。

參閱圖4及圖5，本發明電力相位檢測設備主要包含一處理單元10、一載波處理電路11、一相位鑑定模組12、一串列通訊模組13及一人機介面裝置15，需說明的是，本實施例雖然是將處理單元10及相位鑑定模組12區分為不同元件，但熟知本領域技術者亦可將處理單元10及相位鑑定模組12整合成一個控制晶片，因此亦屬於本發明保護範疇。

如圖4，供電端51的電力相位檢測設備61及用戶端52的電力相位檢測設備62的差異只在於供電端51的電力相位檢測設備61的載波處理電路11負責輸出調變信號；如圖5，用戶端52的電力相位檢測設備62的載波處理電路11負責接收解調信號及利用相位鑑定模組12進行相位判讀。

人機介面裝置15包括一控制單元150、一串列通訊模組151、一輸入單元152、一顯示單元153及一記憶單元154，其中，控制單元150是一微處理單元，輸入單元152是一鍵盤，顯示單元153是一液晶面板，主要是將串列通訊模組151收到的資料儲存在記憶單元154(EEPROM)並顯示在顯示單元153上。

參閱圖4，在供電端51操作時，是透過輸入單元152鍵入欲傳輸的資料，例如：變壓器編號、變壓器圖資座標、用戶電號等等，顯示在顯示單元153並且由串列通訊模組151傳輸至載波處理電路11調變後透過電力線53傳輸出去；參閱圖5，在用戶端52操作時，則是將由電力線53上的載波信號經由載波處理電路11接收、解調及相位鑑定模組12編碼後顯示在顯示單元153上。

參閱圖6，載波處理電路11包括一控制晶片31、一耦合變壓器32、一傳送帶通濾波器33(TX BAND PASS FILTER)、一接收帶通濾波器34(RX BAND PASS FILTER)及一保護電路35。

本較佳實施例中，控制晶片31為電力線載波通訊適用之控制單元；耦合變壓器32一匝數比1：1的耦合變壓器；傳送帶通濾波器33是載波輸出的帶通濾波器；接收帶通濾波器34是載波輸入的帶通濾波器；保護電路35是防止異常的突波信號輸入。

參閱圖7，控制晶片31的功能方塊規劃如下：

1.串列介面311：是與處理單元10間的資料傳輸界面，其資料傳輸內容包括一般的資料輸出/輸入同步信號及相關的控制信號，傳輸方式可分為同步或非同步。

2.控制暫存器312：是一個24位元的控制暫存器，允許控制可程式化的參數包括：傳輸速率(Baud rate)、調變的頻率差、看門狗(WATCHDOG)、發送時間控制及頻率檢測時機等。

3.調變模組313：採頻率鍵移調變模式，其工作即將串列界面傳入的信號調變為頻率鍵移調變信號，所謂頻率鍵移調變即以兩種不同頻率分別代表數位信號的邏輯零及邏輯壹；且以較低的頻率代表邏輯壹，而較高的頻率代表邏輯零。

4.解調模組314：是相對於調變模組313，解調模組314負責將檢波輸入的信號依頻率鍵移調變格式還原為數位邏輯的”0”或”1”之信號再送至串列界面311。

5.載波輸入檢波模組315：將輸入的載波信號依控制暫存器312的設定值而過濾及檢波出正確的載波信號，再送至解調模組314。另外本模組同時亦會產生兩個重要的信號，分別為目前已接收到電力線的載波信號且此信號符合已設定的頻率通道有載波或前置碼從電力線被檢出。

6.載波輸出控制模組316：調變完成的信號需經載波輸出控制模組316及電壓電流控制模組317放大其信號才可輸出，載波輸出控制模組316以一個自動準位控制器為主。

7.電壓電流控制模組317：配合一組AB類放大器以達到穩定的調變信號輸出，且輸出信號的放大準位於每一筆資料的開端均有緩步上升的處理，電壓及電流的調整只需增加簡單的電阻電容於外部即可完成。

8.時序產生及輸出模組318：負責產生基本工作時脈及看門狗的計時器，同時輸出一個時脈以提供處理單元10使用。

9.附加功能模組319：包括一判斷過零點的比較器、 一檢知過零點時產生一停止信號的產生器及一供應處理單元10電力的穩壓電源產生器。

處理單元10為電力相位檢測設備之控制中樞，主要功能是以中斷的方式隨時偵測串列通訊模組13及串列介面311是否有資料輸入並即時將由串列通訊模組13收到的資料經控制晶片31調製後載入電力線，及將電力線上的載波信號解調後再發送至串列介面311。

串列通訊模組13之主要功能為轉換成TTL準位的串列資料給處理單元10，將串列非同步之信號轉為差動信號後於RS-485網路中傳送，其通訊抗雜訊能力極佳，且通訊有效距離長度很遠約有1000米。

參閱圖8，相位鑑定模組12與處理單元10及載波處理電路11電性連接，其內部工作邏輯的設計採用數位邏輯開發軟體來進行設計，而實現的工作邏輯包括一信號管制器120、一灰碼(Gray code)計數器121、一拴鎖器122、一第一編碼器123、一第二編碼器124、一多工器125、拴鎖信號延遲器126及一結果發送器127。

處理單元10發送給相位鑑定模組12包括一時脈(Clock)信號、一重置(Reset)信號、一開始(Start)信號及一停止(Stop)信號，經過相位鑑定模組12的運算處理後，處理單元10並接收相位鑑定模組12的一編碼信號。

當相位鑑定模組12接收到重置信號時，內部的各個暫存區都會歸零；當灰碼計數器121收到開始信號時，便會開始依據時脈信號開始計數的工作，當計數值達22x 時，表示 完成一週期的時間，則計數器歸零。其中灰碼所代表的意義為8位元的計數值，在每一次的計數時都只會有1個位元發生變動，藉以降低系統的雜訊。

灰碼計數器121的輸出會傳送給拴鎖器122，當信號管制器120接收到停止信號產生時就送出一拴鎖信號，而拴鎖器122收到拴鎖信號後，便會將接收到的計數值暫存。

信號管制器120的是讓每次開始信號產生後的第一個產生的停止信號為有效，收到被判定為有效的停止信號時，信號管制器120才會發出拴鎖信號給拴鎖器122。

在編碼模組方面，本較佳實施例使用了第一編碼器123及第二編碼器124兩種編碼器，拴鎖器122輸出的計數值會同時送給兩個編碼器123、124做編碼，編碼器123、124的輸出會送入一個二選一的多工器125。

當多工器125收到的選擇信號為0，表示用戶端使用的是220伏特，第二編碼器124被選擇輸出編碼信號；當多工器125收到的選擇信號為1，則表示用戶端使用110伏特，第一編碼器123被選擇輸出為編碼信號。第一編碼器123及第二編碼器124之編碼方式分別如表1、表2所示。

當用戶端為使用110伏特時，若計數值小於4x 及大於15.2x 屬於「AN相」，二位元編碼為01(1)，介於4.1x 與9.6x 之間為「BN相」，二位元編碼為10(2)，介於9.7x 與15.2x 之間則為「CN相」，二位元編碼為11(3)；當用戶端為使用220伏特時，若計數值大於2.7x 小於8.3x 則屬於「BC相」，二位元編碼為10(2)，而介於8.3x 與13.8x 之間則為「CA相」，二位元編碼為11(3)，小於2.7x 大於138則為「AB相」，二位元編碼為01(1)。

經過多工器125選擇輸出的編碼信號會被送入結果發送器127，其負責的工作為連續接收多次(如：五次)的編碼信號，當在五次的編碼信號中出現達三次以上的相同數值，則結果發送器127便會將該編碼信號發送出去做為最後結果並自行回歸至初始狀態。

綜上所述，本發明電力相位檢測設備61、62及方法應用電力線載波技術以活線測定用戶端52與供電端51(電壓器)關聯，能即時獲得正確的相關資料，尤其對大樓住宅公寓等配電室之用戶端52與供電端51(電壓器)關聯，可隨時快速有效複查，同時更可應用於低壓事故搶修時，供現場人員快速且正確得檢測出相關之供電端51(電壓器)，避免因誤 判斷而影響到其他用戶用電，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

10‧‧‧處理單元

11‧‧‧載波處理電路

12‧‧‧相位鑑定模組

120‧‧‧信號管制器

121‧‧‧灰碼計數器

122‧‧‧拴鎖器

123‧‧‧第一編碼器

124‧‧‧第二編碼器

125‧‧‧多工器

126‧‧‧拴鎖信號延遲器

127‧‧‧結果發送器

13‧‧‧串列通訊模組

15‧‧‧人機介面裝置

150‧‧‧控制單元

151‧‧‧串列通訊模組

152‧‧‧輸入單元

153‧‧‧顯示單元

154‧‧‧記憶單元

31‧‧‧控制晶片

311‧‧‧串列介面

312‧‧‧控制暫存器

313‧‧‧調變模組

314‧‧‧解調模組

315‧‧‧載波輸入檢波模組

316‧‧‧載波輸出控制模組

317‧‧‧電壓電流控制模組

318‧‧‧時序產生及輸出模組

319‧‧‧附加功能模組

32‧‧‧耦合變壓器

33‧‧‧傳送帶通濾波器

34‧‧‧接收帶通濾波器

35‧‧‧保護電路

50‧‧‧變電所

501‧‧‧主饋線

51‧‧‧供電端

52‧‧‧用戶端

53‧‧‧電力線

61、62‧‧‧電力相位檢測設備

圖1是一立體分解圖，說明變電延伸出的主饋線供電給多數個不同區域的供電端；圖2是一波形時序圖，說明220伏特的三種電壓相位的電壓信號；圖3是一波形時序圖，說明110伏特的三種電壓相位的電壓信號；圖4是一系統方塊圖，說明本發明電力相位檢測設備用於位在供電端的供電端的電力相位檢測設備；圖5是一系統方塊圖，說明本發明電力相位檢測設備用於位在用戶端的用戶端的電力相位檢測設備；圖6是一電路方塊圖，說明電力相位檢測設備的載波處理電路；圖7是一電路方塊圖，說明載波處理電路的控制晶片的功能方塊；及圖8是一功能方塊圖，說明電力相位檢測設備的相位鑑定模組。

10‧‧‧處理單元

11‧‧‧載波處理電路

12‧‧‧相位鑑定模組

13‧‧‧串列通訊模組

15‧‧‧人機介面裝置

150‧‧‧控制單元

151‧‧‧串列通訊模組

152‧‧‧輸入單元

153‧‧‧顯示單元

154‧‧‧記憶單元

62‧‧‧電力相位檢測設備

Claims (9)

1. 一種電力相位檢測設備，係對一供電端及一用戶端之間的一電力線的載波進行電壓相位鑑定，該電力相位檢測設備包含：一載波處理電路，自該用戶端取得一載波信號並解調為一待測信號，且包括一判斷該待測信號之過零點的比較器、一檢知過零點時產生一停止信號的產生器；及一相位鑑定模組，具有：一計數器，收到一開始信號時便開始計數工作，一信號管制器，令該開始信號產生後的第一個產生的停止信號為有效，且收到被判定為有效的停止信號時發出一拴鎖信號，一拴鎖器，收到該拴鎖信號後，將該計數器的計數值暫存，及一編碼模組，依據該待測信號的相位「AN相」、「BN相」、「CN相」與「AB相」、「BC相」、「CA相」恰好具有延遲相位的特性，設定不同電壓相位的門檻值對於該待測信號的過零點的計數值加以區隔而產生不同的編碼信號。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之電力相位檢測設備，其中，該相位鑑定模組的編碼模組包括一對應110伏特的電壓相位編碼的第一編碼器、一對應220伏特的電壓相位編碼的第二編碼器，及一選擇輸出第一編碼器或第二編碼器的編碼項號的多工器。
3. 依據申請專利範圍第1或2項所述之電力相位檢測設備，其中，該載波處理電路是採用一頻率鍵移調變/解調技術或一正交分頻多工的調變/解調技術。
4. 依據申請專利範圍第1或2項所述之電力相位檢測設備，其中，該計數器是計算該待測信號的一上升緣的過零點。
5. 依據申請專利範圍第1或2項所述之電力相位檢測設備，還包括一能將該編碼信號加以顯示之人機介面裝置。
6. 一種電力相位檢測方法，係對一供電端及一用戶端之間的一電力線的載波進行電壓相位鑑定，該方法包含下述步驟：(a)自該用戶端取得一載波信號並解調為一待測信號；(b)判斷該待測信號之過零點，且於檢知過零點時產生一停止信號；(c)收到一開始信號時便開始計數工作，且令該開始信號產生後的第一個產生的停止信號為有效，並於收到被判定為有效的停止信號時發出一拴鎖信號以將該計數器的計數值暫存；及(d)依據該待測信號的相位「AN相」、「BN相」、「CN相」與「AB相」、「BC相」、「CA相」恰好具有延遲相位的特性，設定不同電壓相位的門檻值對於該待測信號的過零點的計數值加以區隔而產生不同的編碼信號。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之電力相位檢測方法，其中，步驟(a)是採用一頻率鍵移解調技術或一正交分頻多工的解調技術。
8. 依據申請專利範圍第6項所述之電力相位檢測方法，其中， 步驟(b)是計算該待測信號的一上升緣的過零點。
9. 一種內儲電力相位檢測程式之電腦程式產品，當電腦載入該電腦程式並執行後，可完成請求項6、7或8所述之方法。