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CN105531897B - 具有光波导片的负荷中心监控器 - Google Patents

具有光波导片的负荷中心监控器 Download PDF

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CN105531897B CN201380079576.5A CN201380079576A CN105531897B CN 105531897 B CN105531897 B CN 105531897B CN 201380079576 A CN201380079576 A CN 201380079576A CN 105531897 B CN105531897 B CN 105531897B
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Abstract

光波导片50固定于负荷中心2的面朝内的通道门4。当门关闭时，光波导片被定位成使其一部分与负荷中心中的断路器10A并置，以使得光波导片能够接收表征在断路器中的电流的光信号70A。光波导片50还被定位成使其另一部分与聚合器的光学窗口48并置。光波导片被配置成在其主体内内反射光信号70A，并被配置成将内反射光信号从断路器引导到聚合器的光学窗口。聚合器可以将表征电流的使用的信息提供给警报器、测量设备、智能电网或存储设备以用于随后的使用。

Description

具有光波导片的负荷中心监控器
发明人:史蒂夫·M·米莱德
发明领域
所公开的发明广泛地涉及监控负荷中心中的电能需求。
发明背景
为了创造智能电网基础设施以更好地管理能源，有必要监控并测量在单独的消耗点(points of consumption)的、在家庭中的、在营业地点的以及在工业现场的能耗需求。在家庭、营业地点以及工厂中的电力分配的焦点是负荷中心，其中支路采用在负荷中心中占据了分支位置槽(slot)的支路断路器进行组织，并且支路经过断路器被连接到进入的主电力总线。负荷中心是用于设置监控并测量能耗需求的能力(capability)的一个位置。
在家庭、营业地点以及工厂中的能量监控设备的通用设置应当简单、实用并且负担得起。在现有技术中，支路监控系统要求在负荷中心中安装电流互感器和布线或多个小型电路板，将每一个电流互感器或电路板固定于每一个单独的支路线路。这样的解决方案对于在负荷中心外壳的界限内的改造既不一定简单、实用，也不一定不昂贵。
发明概述
本发明提供了简单、实用并且相对不昂贵的设备，以转换在家庭、营业地点或工厂中的负荷中心，以实现用于智能电网基础设施的能量监控。本发明没有要求对负荷中心自身重新布线，当使用电流感测断路器时，负荷中心的空间已非常宝贵。相反，将光波导片固定(例如，通过磁体)于负荷中心的通道门的面向内侧的表面。当通道门关闭时，光波导片从单独的断路器经过其各自的光发射器接收光信号。光信号表征由在每一个断路器中的电流传感器感测到的电流。每一个光信号承载标识信息以识别发送光信号的断路器。光波导片被配置成在光波导片的主体内内反射光信号。聚合器或光收集器电路安装于负荷中心中的断路器支路位置槽中。聚合器或光收集器电路包括被配置成从光波导片接收光信号的光接收器。聚合器或光收集器电路包括识别器电路，以基于在接收的光信号中的标识信息识别哪个断路器发送所接收的光信号。聚合器或光收集器电路可以被配置成把表征在每一个断路器中感应到的电流的信息提供给警报器、测量设备、智能电网或存储设备中的至少一个，以用于随后在最简单的情况中使用。
附图简述
在如下简要描述的附图中描绘了本发明的示例实施方式：
图1A示出本发明的示例实施方式，其显示具有光波导片的负荷中心，光波导片固定(例如，通过磁体)于负荷中心的通道门的面向内侧的表面的光波导片。支路采用在负荷中心中占据分支位置槽的分支断路器进行组织,并且支路经过断路器连接于进入的主电力总线。聚合器或光收集器电路安装于负荷中心中的断路器分支位置槽中。在光波导片中显示了示例光路径。
图1B示出在图1A中显示的发明的示例实施方式,其显示关闭的通道门以及光波导片；光波导片从单独的断路器中经过其各自的跳闸标记窗口接收光信号。光信号表征由在每一个断路器中的电流传感器感测到的负荷电流。光波导片被示出为将光信号内反射到聚合器电路。
图2示出包括跳闸标记窗口的断路器的示例实施方式。
图3示出在图1B中显示的本发明的示例实施方式,其显示关闭的通道门以及光波导片；光波导片将光信号从断路器中内反射到聚合器电路。该图还显示在每一个断路器中的各种示例元件，以用识别信息对光信号编码来识别发送光信号的断路器。该图还显示在聚合器电路中的各种示例元件，以基于在所接收的光信号中的标识信息识别哪个断路器发送了所接收的光信号。
示例实施方式的详细描述
本发明提供简单、实用并且相对不昂贵的设备，以转换在家庭、营业地点或工厂中的负荷中心，实现用于智能电网基础设施的能量监控。本发明没有要求对空间已非常宝贵的负荷中心自身重新布线。
图1A示出本发明的示例实施方式，其显示了具有光波导片50的负荷中心2，光波导片50固定(例如，通过磁体60)于负荷中心2的通道门4的面向内侧的表面。除了磁体60，其他类别的合适的紧固件可以用于将波导片50保持于门4，其他类别的合适的紧固件包括例如粘合剂、螺丝、销以及适合波导片边缘的带槽引导件(slotted guide)。在本发明的一个示例实施方式中，光波导片50可以是平面的并且由光学玻璃或能够引导可见光或红外光的光学质量热塑性塑料(例如，聚碳酸酯或硅树脂)组成，具有近似1毫米的示例厚度。在光波导片50中显示了示例光路径65A和65B。
支路可采用在负荷中心2中占据分支位置槽45的分支断路器10A和10B进行组织,并且支路经过断路器10A和10B连接于进入的主电力总线6。断路器10A和10B中的每一个可以包括用于在断路器处于跳闸位置时显示可见的标记的各自的跳闸标记窗口26A和26B，如本领域已知的。在本发明的一个示例实施方式中，跳闸标记窗口26A和26B被设计和配备以也用作端口，光信号可以由位于断路器内侧的光发送设备(诸如，发光二极管(LED))通过该端口传输。其他的示例实施方式是可能的，例如其中光发送设备可以以其他方式并入断路器和优选地位于断路器的前表面13(图2)上的光发射器以便面向光波导片50。通常在负荷中心2中占据分支位置槽的断路器10A和10B可以包括诸如接地故障断路器的具有完整电流测量功能的断路器、电弧故障断路器以及具有电弧故障和接地故障功能性的组合的断路器。
聚合器或光收集器电路30在负荷中心2中占据了断路器分支位置槽45。聚合器电路30可以包括可用作端口的光学窗口48，可以由光接收设备(诸如位于聚合器30内侧的光敏二极管接收器)经过光学窗口48接收光信号。
图1B示出在图1A中显示的发明的示例实施方式,其显示了关闭的通道门4以及光波导片50；光波导片50分别从单独的断路器10A和10B经过其各自的跳闸标记窗口26A和26B接收光信号70A和70B。光信号70A和70B表征由在每一个各自的断路器10A和10B中的电流传感器感测的负荷电流。光波导片50被示出为将光信号70A和70B从跳闸标记窗口26A和26B内反射到聚合器(即，光收集器)电路30的光学窗口48。内反射的光信号70A和70B沿着在图1A的光波导片50中显示的各自的示例光路径65A和65B传播。
图2示出断路器10A的示例实施方式，断路器10A包括可用作端口的跳闸标记窗口26A，光信号可由位于断路器10A内侧的光发送设备(诸如，发光二极管(LED))通过该端口传输。其他的示例实施方式是可能的，例如其中光发送设备可以位于断路器的外部，在拴接在断路器的背面上并且能够经过光波导片进行通信的附加模块中。该图也显示了断路器10A的手柄11、前面13、负荷终端15以及底部17。
图3示出在图1B中显示的本发明的示例实施方式,其显示关闭的通道门4以及光波导片50；光波导片50将光信号70A和70B从各自的断路器10A和10B中内反射到聚合器或光收集器电路30。光波导片50被定位成使其一部分与断路器10A的光发送器24A(例如，断路器10A的跳闸标记窗口26A)并置，以使得光波导片50能够接收由断路器10A中的LED发送器24A传输的光信号70A。光波导片50还被定位成使其一部分与断路器10B的光发送器24B(例如，断路器10B的跳闸标记窗口26B)并置，以使得光波导片50能够接收由断路器10B中的LED发送器24B发射的光信号70B。
入射到波导片50上的光信号70A和70B(本文称为入射光)是经过断路器10A和10B的各自的跳闸标记窗口26A和26B传输的，该光信号70A和70B可以被引导进入波导片50，以变成大致在平面波导片50内的两个维度中传播的完全内反射的光信号。可选择地，合适的反射表面可以分别定位在波导片50的对侧上，光信号70A和70B(来自跳闸标记窗口26A和26B的入射光)从波导片50的对侧进入波导片50，以增加具有比在波导片50内临界角更大的传播角度的入射光的比例。
平面波导片50可以由具有折射率n1的光导介质组成。波导片50可以用具有较低折射率n2的透明包层覆盖，或者可以仅仅用同样具有较低折射率n2的周围空气包覆。斯奈尔定律(Snell’s Law)说明，波导片50内的光线在一个特定的角度(临界角)将不会被传输到较低系数n2的包层中，但相反将会沿着在两种介质之间的波导片50的表面行进。斯奈尔定律可表示为临界角的正弦等于n2/n1的比率，其中n1和n2是折射率并且n1大于n2。如果经过波导片50的光线大于临界角，则折射的光线将会完全反射回波导片50内，也就是说，虽然包层或空气可能是透明的，但是将会完全内反射。在波导片50中，通过从较低折射率包层的反射，光线穿过波导片50，因为光的角度大于临界角。
光波导片50还可被定位成使其一部分与聚合器电路30的光学窗口48并置。退出波导片50并且进入聚合器电路30的光学窗口48的光信号70A和70B(本文称为退出光)可以被引导离开波导片50并且进入光学窗口48。可选择地，合适的反射表面可以被定位在波导片50的对侧上，光信号70A和70B从波导片50的对侧上退出波导片50，退出光进入聚合器电路30的光学窗口48，用以增加从波导片50中退出的光信号70A和70B的比例。
该图还显示了在断路器10A和10B中的每一个之中的各种示例元件，以用标识信息对光信号编码来识别传输光信号的断路器。在断路器10A中，可能是负荷电流的电流12A由电流传感器14A感测，电流传感器14A可以是电流互感器、霍尔效应(Hall-effect)设备或其他类别的传感器。从电流传感器14A输出的感测信号可以是模拟信号，其被采样并由模数(A/D)转换器16A转换成数字值，并然后该数字值输入至编码器20A。断路器的序列号38A或者其他形式的标识也会被输入至编码器20A。编码器20A合并这些值以生成合并的信号，其包括断路器10A的标识信息以及表征由电流传感器14A感测的电流的值。合并的信号被输入至调制器22A并且经调制的信号被应用于LED发送器24A的信号输入端。然后光信号70A从LED发送器24A被输出、用断路器10A的标识信息以及表征由电流传感器14A感测的电流的值进行调制。类似的元件和操作包括于断路器10B。除了负荷电流12A，可以对线电流、线电压、接地故障电流以及起源于或合成于断路器的传感器中的电路参数进行监控和通信。
该图还显示在聚合器电路30中的各种示例元件，用以基于在从发送断路器接收的光信号中的标识信息识别是断路器10A还是断路器10B传输了所接收的光信号70A或70B。聚合器电路30包括光敏二极管接收器32，其接收退出波导片50的光信号70A和70B。在解调器34中将从光敏二极管接收器32输出的电信号进行解调，并且把由解调器输出的数字电信号输入至解码器36。从解码器36输出的已解码的信号包括标识信号，该标识信号包括指示哪个断路器发送了该信号和表征由电流传感器感测的电流的值的标识信息。断路器识别器电路38识别断路器，并将其标识输出至处理器40。解码器36把表征由电流传感器感测的电流的值输出至处理器40。聚合器电路30可以把已解码的光信号提供给警报器46、测量设备44或存储设备47中的至少一个以用于随后的使用，或者可以借助于发送器42将所接收的电流信号传输至智能电网。可以想到的是，在没有要求负载中心的额外的通信布线的基本的改造实施方式中，存储设备可以是SandiskTM或由负荷中心的所有者使用的其他可移除和便携式存储设备。发送器42可以是无线发送器或有线发送器。
虽然公开了本发明的特定示例实施方式，本领域中的技术人员将认识到对于特定示例实施方式所述的细节可做出改变而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (11)

1.一种负荷中心监控器，包括：
断路器，其安装在负荷中心中并且电连接到配电总线，所述断路器包括被配置成感测由所述断路器传导的电流的电流传感器，所述断路器包括耦合于所述电流传感器的光发送器，所述光发送器被配置成将光信号发送到所述断路器之外，所述光信号表征由所述电流传感器感测的电流，所述光信号承载标识信息以识别所述断路器；
聚合器，其安装于所述负荷中心中，所述聚合器包括被配置成经过所述聚合器的光学窗口接收所述光信号的光接收器，所述聚合器还包括耦合于所述光接收器的识别器电路，所述识别器电路被配置成基于所接收的光信号中的标识信息识别发送了所接收的光信号的断路器；以及
光波导片，其固定于所述负荷中心的面朝内的通道门，使得当所述通道门关闭时，所述光波导片被定位成使其一部分与所述断路器的所述光发送器并置，以使得所述光波导片能够接收由在所述断路器中的所述光发送器发送的所述光信号，所述光波导片还被定位成使其另一部分与所述聚合器的所述光学窗口并置，所述光波导片被配置成将内反射光信号从所述断路器的所述光发送器引导到所述聚合器的所述光学窗口，以在所述聚合器中提供所接收的光信号。
2.根据权利要求1所述的负荷中心监控器，还包括：
其中所述断路器和所述聚合器安装于所述负荷中心的断路器分支位置槽中。
3.根据权利要求1所述的负荷中心监控器，还包括：
其中光波导片借助于磁体、粘合剂、螺丝、销以及适合所述光波导片的边缘的带槽引导件中的至少一种的方式被安装于所述负荷中心的所述通道门的面朝内的表面上。
4.根据权利要求1所述的负荷中心监控器，还包括：
其中所述光波导片由聚碳酸酯或硅树脂组成。
5.根据权利要求1所述的负荷中心监控器，还包括：
其中所述断路器还包括耦合于所述电流传感器的输出端并且耦合于所述光发送器的输入端的编码器，所述编码器被配置成生成合并信号，所述合并信号包括所述断路器的标识信息和表征由所述电流传感器感测的电流的值。
6.根据权利要求1所述的负荷中心监控器，还包括：
其中所述聚合器还包括耦合于所述光接收器的输出端并且耦合于所述识别器电路的输入端的解码器，所述解码器被配置成生成包括所述断路器的标识信息的标识信号以及表征由所述电流传感器感测的电流的值。
7.根据权利要求1所述的负荷中心监控器，还包括：
其中所述聚合器还包括耦合于所述光接收器的输出端的解码器，所述解码器被配置成生成包括表征由所述电流传感器感测的电流的值的已解码的光信号，所述聚合器还被配置成将所述已解码的光信号提供给警报器、测量设备、智能电网或存储设备中的至少一个以用于随后的使用。
8.根据权利要求1所述的负荷中心监控器，还包括：
其中所述光发送器可以位于所述断路器的窗口处或所述断路器的外部。
9.根据权利要求1所述的负荷中心监控器，还包括：
其中由所述电流传感器感测的电流是负荷电流、线电流、接地故障电流以及起源于或合成于所述断路器中的所述电流传感器的电路参数之中的至少一个。
10.根据权利要求7所述的负荷中心监控器，其中所述存储设备是可移除和便携式存储设备。
11.一种负荷中心监控器，包括：
断路器，其安装在负荷中心中并且电连接于配电总线，所述断路器包括被配置成感测由所述断路器传导的电流的电流传感器，所述断路器包括耦合于所述电流传感器的光发送器，所述光发送器被配置成将光信号发送到所述断路器之外，所述光信号表征由所述电流传感器感测的电流，所述光信号承载标识信息以识别所述断路器；
聚合器，其安装于所述负荷中心中，所述聚合器包括被配置成经过所述聚合器的光学窗口接收所述光信号的光接收器，所述聚合器还包括耦合于所述光接收器的识别器电路，所述识别器电路被配置成基于所接收的光信号中的标识信息识别发送了所接收的光信号的断路器；以及
光波导片，其被定位成使其一部分与所述断路器的所述光发送器并置，以使得所述光波导片能够接收由在所述断路器中的所述光发送器发送的所述光信号，所述光波导片还被定位成使其另一部分与所述聚合器的所述光学窗口并置，所述光波导片被配置成将内反射光信号从所述断路器的所述光发送器引导到所述聚合器的所述光学窗口，以在所述聚合器中提供所接收的光信号。
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