TWM555951U - 交流電力參數量測裝置 - Google Patents

Abstract

一種交流電力參數量測裝置，包含一比流器、一訊號切換單元、一能量採集單元、一能量儲存單元、一電力參數轉換單元以及以一無線通訊單元。其中，該比流器感應一電力系統纜線而輸出一電力信號，該訊號切換單元控制該電力信號應傳輸至該能量採集單元或該電力參數轉換單元，當電力信號傳輸至該能量採集單元時，電力信號轉換為電力而儲存至該能量儲存單元以作為本創作之工作電力，當電力信號傳輸至該電力參數轉換單元時，該電力參數轉換單元轉換該電力信號並傳送至無線通訊單元，使無線通訊單元計算出電力系統纜線之相關電力參數。本創作利用單一比流器實現能量採集與量測電力參數之雙重目的，達到長期持續監控電力系統的目的。

Description

交流電力參數量測裝置

本創作關於一種交流電力參數量測裝置，尤指一種利用單一比流器偵測電力參數的量測裝置。

電力參數常用於電力品質監控、電費計算、時間電價契約容量評估、節約電能、電力設備預知保養以及電力系統安全維護等應用目的。透過量測電力系統上所獲得的電壓、電流、電力設備溫度、環境溫度、環境濕度、環境特定氣體濃度等諸多電力參數，來滿足電力系統監控的需求。

電力參數的量測必需要裝設量測設備，在安裝該量測設備時需要考量其供電問題，為了避免因安裝量測設備而需將整體系統斷電或重新佈建電力線的困擾，現有的作法是電力系統纜線上架設多數個比流器，其中有一部分的比流器作為電力採集比流器，其感應出的微電壓或微電流供該量測設備使用，而其餘部分的比流器作為感測元件以收集電力參數。

但上述目前的作法必需使用到多個比流器，提高了量測設備的安裝成本及時間，為了要容置較多的比流器，還額外衍生空間配置的問題，如果空間有限的話，更會提高裝設該量測設備的施工複雜度。因此，使用多數個比流器進行電力參數的量測仍有其不便之處。

有鑑於現有量測電力參數時，需以多個比流器分別作為電力採集及參數量測而產生的困擾，本創作之主要目的係提出一種交流電力參數量測裝置，以單一比流器達到能量採集與測量電力參數之雙重功能，實現長期持續監控電力參數之需求。

為達成前述目的，係令本創作交流電力參數量測裝置包含有：

一比流器，係用於耦合一電力系統纜線，感應該電力系統纜線以產生一電力信號；

一訊號切換單元，係連接於該比流器，以控制該電力信號之輸出對象；

一能量採集單元，連接該訊號切換單元，當該訊號切換單元控制該電力信號輸出至能量採集單元，該能量採集單元將該電力信號轉換為一儲備電力；

一能量儲存單元，係連接該能量採集單元並儲存該儲備電力，以作為交流電力參數量測裝置所需之工作電力；

一電力參數轉換單元，連接該訊號切換單元，當該訊號切換單元控制該電力信號輸出至電力參數轉換單元，該電力參數轉換單元根據該電力信號計算得出一電力參數；

一無線通訊單元，連接該訊號切換單元以及該電力參數轉換單元，該無線通訊單元係傳輸一切換控制信號至該訊號切換單元，使該訊號切換單元控制該電力信號傳遞至能量採集單元或電力參數轉換單元，並將該計算得出之電力參數對外無線傳送至一外部裝置。

當本創作操作於一量測模式時，該訊號切換單元控制該電力信號傳遞至電力參數轉換單元，使電力參數轉換單元根據該電力信號轉換出一數位信號，再由無線通訊單元根據該數位信號計算出電力參數；當本創作操作於一儲能模式時，該訊號切換單元控制該電力信號傳遞至能量採集單元，該能量採集單元將該電力信號轉換為電力而儲存至該能量儲存單元，利用該能量儲存單元所儲備之電力作為本創作交流電力參數量測裝置，而無需額外提供電源；藉此，本創作使用單一個比流器可實現能量採集與測量電力參數的雙重功能。

請參考圖1所示，本創作交流電力參數量測裝置包含有：一比流器10、一訊號切換單元20、一能量採集單元30、一能量儲存單元40、一電力參數轉換單元50以及一無線通訊單元60。

該比流器10係耦合至一電力系統纜線100，可從該電力系統纜線100上感應得到一電力信號，該電力信號可以是一微電壓信號或一微電流信號，其中，該比流器10具有一轉換倍率，可將通過該電力系統纜線100上的一實際電壓或實際電流轉換為該電力信號。

該訊號切換單元20連接該比流器10，用以決定該比流器10輸出之感應信號的傳輸對象，即控制該電力信號應傳遞至該能量採集單元30或該電力參數單元50。

該能量採集單元30具有輸入端及輸出端，該輸入端係連接該訊號切換單元20，該輸出端係連接該能量儲存單元40，其中，該能量採集單元30可為一充電電路，當從該比流器10輸出之電力信號通過該訊號切換單元20傳送至該能量採集單元30時，該能量採集單元30將該電力信號進行轉換為儲備電力而傳遞至該能量儲存單元40，將儲備電力儲存在該能量儲存單元40中，以作為本創作交流電力參數量測裝置的工作電源。該能量儲存單元40可為一充電電池或一電容。

該電力參數轉換單元50連接該訊號切換單元20，當從該比流器10輸出之電力信號通過該訊號切換單元20傳送至該電力參數轉換單元50時，將輸入之電力信號量測出來後，交由無線通訊單元60依據該比流器10的轉換倍率反算出通過該電力系統纜線100上的實際電壓或實際電流，得到所需之電力參數。在本實施例中，該電力參數轉換單元50包含一電流信號測量IC，可將比流器10輸出的類比電力信號轉換為一數位信號，再將該數位信號提供給無線通訊單元60。

該無線通訊單元60連接該訊號切換單元20及該電力參數轉換單元50，無線通訊單元60內部具有執行運算的一處理器(CPU)，該無線通訊單元60與一外部裝置通訊，可根據預先設定的週期輸出一切換控制信號給該訊號切換單元20，令該訊號切換單元20根據該切換控制信號決定電力信號之傳送對象，除此之外，該無線通訊單元60以週期性的封包格式將電力參數對外傳送至外部裝置，供外部裝置作為資料運算、分析、顯示或控制的依據。該無線通訊單元60可採用6GHz以下的頻段傳輸信號，例如藍芽、Z-Wave、ZígBee、Wi-Fi、LoRa、Sigfox、NB-IoT等協定。

本創作的交流電力參數量測裝置依據其電路動作方式，操作於一量測模式及一儲能模式。該量測模式及儲能模式可兩者交替運作，一般而言，本創作多數時間是運作於儲能模式，僅需利用少數的時段運作於量測模式來偵測電力參數，因此該能量儲存單元40具有充足的電力提供本創作操作於量測模式，電路動作的詳細說明如下。

量測模式：請參考圖2所示，當該訊號切換單元20切換連接至電力參數轉換單元50，因此，該比流器10感應出來的電力信號可通過切換單元20傳遞至電力參數轉換單元50。此時該能量採集單元30與訊號切換單元20分離，該電力參數轉換單元50可獲得不受干擾的電力信號，轉換出相對較為精確的信號供無線通訊單元60計算出實際電力參數。因為能量採集單元30未接收電力信號，故不會對能量儲存單元40進行儲能，但本創作交流電力參數量測裝置仍可由能量儲存單元40儲備的電力暫時供電以維持運作。

儲能模式：請參考圖3所示，當該訊號切換單元20切換連接至能量採集單元30，因此，該比流器10感應出來的電力信號可通過切換單元20傳遞至能量採集單元30。令能量採集單元30能再次收集電力並儲存於能量儲存單元40，補充交流電力參數量測裝置工作所需的電力。

其中，本創作的訊號切換單元20可由以下數種架構實現：

請參考圖4，該訊號切換單元20連接於比流器10、電力參數轉換單元50以及能量採集單元30之間，該比流器10具有一第一輸出端11及一第二輸出端12，該能量採集單元30具有一第一輸入端31及第一第二輸入端32。在第一實施例中，該訊號切換單元20包含一訊號整流電路21及一第一輸入開關22。該訊號整流電路21具有一第一輸入端211、一第二輸入端212、一第一輸出端213以及一第二輸出端214，其中該第一輸入端211透過電力參數轉換單元50連接至比流器10的第一輸出端11，該第二輸入端212連接至比流器10的第二輸出端12，該第一、第二輸出端213、214連接至能量採集單元30。該第一輸入開關22連接在第一輸入端211與第二輸入端212之間。

當需要執行量測模式時，控制該第一輸入開關22為關閉(closed)狀態，而形成一旁路路徑，使比流器10感應產生出來的電力信號進入電力參數轉換單元50而不會流入訊號整流電路21，該電力參數轉換單元50可轉換電力信號為數位信號，再由無線通訊單元60根據該數位信號而計算出電力參數。當需要執行儲能模式時，控制該第一輸入開關22為開啟(open)狀態，由比流器10感應產生出來的電力信號將通過電力參數轉換單元50而進入該訊號整流電路21，該訊號整流電路21將交流形式的電力信號整流成一直流信號，並輸出給能量採集單元30，供能量採集單元30收集及轉換。

另請參考圖5所示，在第二實施例中，該訊號切換單元20包含一訊號整流電路21及一第一輸出開關24。該訊號整流電路21具有一第一輸入端211、一第二輸入端212、一第一輸出端213以及一第二輸出端214，其中該第一、第二輸入端211、212分別連接至比流器10的第一輸出端11及第二輸出端12。該第一輸出端213透過該電力參數轉換單元50連接至能量採集單元30的第一輸入端31，第二輸出端214連接至能量採集單元30的第二輸入端32。該第一輸出開關24連接於能量採集單元30的第一輸入端31及第二輸入端32之間。

當需要執行量測模式時，控制該第一輸出開關24為關閉(closed)狀態，而形成一旁路路徑，使比流器10感應產生出來的電力信號經過訊號整流電路21再進入電力參數轉換單元50，而不會進入能量採集單元30。該電力參數轉換單元50可根據整流後的電力信號轉換為數位信號，再由無線通訊單元60計算出電力參數。當需要執行儲能模式時，控制該第一輸出開關24為開啟(open)狀態，由比流器10感應產生出來的電力信號經過整流後，將通過電力參數轉換單元50而進入能量採集單元30，供能量採集單元30收集。

請參考圖6所示，在第三實施例中，該訊號切換單元20包含一訊號整流電路21、一第一輸入開關22以及一第二輸入開關23。該訊號整流電路21具有第一輸入端211～第四輸入端214。該第一輸入開關22連接該比流器10的第一輸出端11，並且在電力參數轉換單元50的一第一輸入端51及訊號整流電路21的第一輸入端211之間進行切換。該第二輸入開關23連接該比流器10的第二輸出端12，並且在電力參數轉換單元50的一第二輸入端52及訊號整流電路21的第二輸入端212之間進行切換。

當需要執行量測模式時，控制該第一輸入開關22與第二輸入開關23分別切換連接至電力參數轉換單元50的第一輸入端51及第二輸入端52。由比流器10感應出來的電力信號進入電力參數轉換單元50，該電力參數轉換單元50可根據電力信號轉換出一數位信號，再由無線通訊單元60根據該數位信號計算換算出電力參數。當需要執行儲能模式時，控制該第一輸入開關22與第二輸入開關23分別切換連接至訊號整流電路21的第一輸入端211及第二輸入端212，電力信號通過進入該訊號整流電路21，該訊號整流電路21將交流形式的電力信號整流成一直流信號，並輸出給能量採集單元30，供能量採集單元30收集及轉換。

請參考圖7所示，在第四實施例中，該訊號切換單元20包含一訊號整流電路21、一第一輸出開關24以及一第二輸出開關25。該訊號整流電路21具有第一輸入端211～第四輸入端214，其中該第一輸入端211與第二輸入端212分別連接至比流器10的第一輸出端11及第二輸出端12。該第一輸出開關24連接該訊號整流電路21的第一輸出端213，並且在電力參數轉換單元50的第一輸入端51及能量採集單元30的第一輸入端31之間進行切換。該第二輸出開關25連接該訊號整流電路21的第二輸出端214，並且在電力參數轉換單元50的第二輸入端52及能量採集單元30的第二輸入端32之間進行切換。

當需要執行量測模式時，控制該第一輸出開關24與第二輸出開關25分別切換連接至電力參數轉換單元50的第一輸入端51及第二輸入端52。由比流器10感應出來的電力信號經過訊號整流電路21整流之後，進入電力參數轉換單元50，該電力參數轉換單元50可根據整流後的電力信號轉換為數位信號，再由無線通訊單元計算出電力參數。當需要執行儲能模式時，控制該第一輸出開關24與第二輸出開關25分別切換連接至能量採集單元30的第一輸入端31及第二輸入端32，整流後的電力信號輸出至能量採集單元30，供能量採集單元30收集及轉換。

在前述圖4～圖7各實施例中，該第一輸入開關22、第二輸入開關23、第一輸出開關24以及第二輸出開關25等，可利用繼電器、電晶體、光耦合器或磁耦合器等機械式或電子式開關元件實施；在該訊號整流電路21中，可包含二極體、橋式整流器等機械式或電子式整流元件或操作放大器等偏壓元件。

本創作利用單一比流器運作於量測模式或儲能模式，即可達到能量採集及電力參數量測的雙重目的，不僅可以減少比流器的使用數量、降低成本及佈線難度，也可以長期監測電力系統而獲得所需的電力參數。

10‧‧‧比流器
11‧‧‧第一輸出端
12‧‧‧第二輸出端
20‧‧‧訊號切換單元
21‧‧‧訊號整流電路
211‧‧‧第一輸入端
212‧‧‧第二輸入端
213‧‧‧第一輸出端
214‧‧‧第二輸出端
22‧‧‧第一輸入開關
23‧‧‧第二輸入開關
24‧‧‧第一輸出開關
25‧‧‧第二輸出開關
30‧‧‧能量採集單元
40‧‧‧能量儲存單元
50‧‧‧電力參數轉換單元
51‧‧‧第一輸入端
52‧‧‧第二輸入端
60‧‧‧無線通訊單元
100‧‧‧電力系統纜線

圖1：本創作交流電力參數量測裝置之電路方塊圖。 圖2：本創作交流電力參數量測裝置之量測模式電路動作示意圖。 圖3：本創作交流電力參數量測裝置之儲能模式電路動作示意圖。 圖4：本創作中的訊號切換單元第一實施例其電路方塊圖。 圖5：本創作中的訊號切換單元第二實施例其電路方塊圖。 圖6：本創作中的訊號切換單元第三實施例其電路方塊圖。 圖7：本創作中的訊號切換單元第四實施例其電路方塊圖。

10‧‧‧比流器

20‧‧‧訊號切換單元

30‧‧‧能量採集單元

40‧‧‧能量儲存單元

50‧‧‧電力參數轉換單元

60‧‧‧無線通訊單元

100‧‧‧電力系統纜線

Claims (10)

1. 一種交流電力參數量測裝置，包含： 一比流器，係用於耦合一電力系統纜線，感應該電力系統纜線以產生一電力信號； 一訊號切換單元，係連接於該比流器，以控制該電力信號之輸出對象； 一能量採集單元，連接該訊號切換單元，當該訊號切換單元控制該電力信號輸出至能量採集單元，該能量採集單元將該電力信號轉換為一儲備電力； 一能量儲存單元，係連接該能量採集單元並儲存該儲備電力，以作為交流電力參數量測裝置所需之工作電力； 一電力參數轉換單元，連接該訊號切換單元，當該訊號切換單元控制該電力信號輸出至電力參數轉換單元，該電力參數轉換單元轉換該電力信號為一數位信號； 一無線通訊單元，連接該訊號切換單元以及該電力參數轉換單元，該無線通訊單元係根據該數位信號計算出一電力參數，傳輸一切換控制信號至該訊號切換單元，使該訊號切換單元控制該電力信號傳遞至能量採集單元或電力參數轉換單元，並將對外傳送該電力參數至一外部裝置。
2. 如請求項1所述之交流電力參數量測裝置，其中： 該比流器具有一第一輸出端及一第二輸出端； 該能量採集單元具有一第一輸入端及一第二輸入端； 該訊號切換單元包含： 一訊號整流電路，具有： 一第一輸入端，係經過該電力參數轉換單元連接至該比流器的第一輸出端； 一第二輸入端，係連接至該比流器的第二輸出端；以及 一第一輸出端及一第二輸出端，係分別連接至該能量採集單元的該第一輸入端及該第二輸入端； 一第一輸入開關，連接在該訊號整流電路的該第一輸入端與該第二輸入端之間。
3. 如請求項1所述之交流電力參數量測裝置，其中： 該比流器具有一第一輸出端及一第二輸出端； 該能量採集單元具有一第一輸入端及一第二輸入端； 該訊號切換單元包含： 一訊號整流電路，具有： 一第一輸入端以及一第二輸入端，係分別連接至該比流器的第一輸出端及第二輸出端； 一第一輸出端，係經過該電力參數轉換單元連接至該能量採集單元的第一輸入端； 一第二輸出端，係連接至該能量採集單元的該第二輸入端； 一第一輸出開關，連接在該能量採集單元的該第一輸入端與該第二輸入端之間。
4. 如請求項1所述之交流電力參數量測裝置，其中： 該比流器具有一第一輸出端及一第二輸出端； 該能量採集單元具有一第一輸入端及一第二輸入端； 該電力參數轉換單元具有一第一輸入端及一第二輸入端； 該訊號切換單元包含： 一訊號整流電路，具有： 一第一輸入端以及一第二輸入端； 一第一輸出端及一第二輸出端，係分別連接至該能量採集單元的第一輸入端及第二輸入端； 一第一輸入開關，其一端連接該比流器的第一輸出端，另一端切換連接至該電力參數轉換單元的第一輸入端或該訊號整流電路的第一輸入端； 一第二輸入開關，其一端連接該比流器的第二輸出端，另一端切換連接至該電力參數轉換單元的第二輸入端或該訊號整流電路的第二輸入端。
5. 如請求項1所述之交流電力參數量測裝置，其中： 該比流器具有一第一輸出端及一第二輸出端； 該能量採集單元具有一第一輸入端及一第二輸入端； 該電力參數轉換單元具有一第一輸入端及一第二輸入端； 該訊號切換單元包含： 一訊號整流電路，具有： 一第一輸入端以及一第二輸入端，係分別連接至該比流器的第一輸出端及第二輸出端； 一第一輸出端及一第二輸出端； 一第一輸出開關，其一端連接該訊號整流電路的第一輸出端，另一端切換連接至該電力參數轉換單元的第一輸入端或該能量採集單元的第一輸入端； 一第二輸出開關，其一端連接該訊號整流電路的第二輸出端，另一端切換連接至該電力參數轉換單元的第二輸入端或該能量採集單元的第二輸入端。
6. 如請求項1至5項中任一項所述之交流電力參數量測裝置，其中，該比流器具有一轉換倍率，將通過該電力系統纜線上的一實際電壓或一實際電流轉換為該電力信號。
7. 如請求項6所述之交流電力參數量測裝置，該電力參數轉換單元包含一電流信號測量IC，該電流信號測量IC轉換該電力信號為該數位信號。
8. 如請求項7所述之交流電力參數量測裝置，該能量採集單元為一充電電路。
9. 如請求項8所述之交流電力參數量測裝置，該能量儲存單元為一充電電池或一電容。
10. 如請求項6所述之交流電力參數量測裝置，該無線通訊單元具有一處理器，該處理器根據該比流器的轉換倍率，換算該數位信號為電力參數。