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図面 (20)

課題

主電力導体に関連する磁場および他のパラメータを正確に決定することを可能にする装置、システムおよび方法を提供する。

解決手段

磁場検出デバイスは、2つまたはそれ以上の磁場センサ641、642と、磁場センサ641、642の出力に電気的に連結される位相検出器651と、位相検出器651に電気的に連結される位相インジケータ619と、を含む。位相検出器651は、磁場センサ641、642が通電導体に関連した所定位置に存在する場合を示すディスプレイを含み、第1の磁場センサ641における第1の信号の第1の信号位相角が第2の磁場センサ642における第2の信号の第2の信号位相角と180度異なるときを決定するために構成される。更に、2つまたはそれ以上の磁場センサは、直線に配列され、磁場センサに電気的に連結されるマルチプレクサと、マルチプレクサを制御するために構成されるプロセッサと、を含む。

概要

背景

構造物(例えば、家または商業ビル)は、構造物内電力電気デバイス(すなわち負荷)に供給する1つまたは複数の主電力導体を有し得る。ほとんどの構造物は、最大3つの主電力導体を備えた分相電力分配システムを使用する。主電力導体は、電気回路ブレーカパネルを通って構造物に入る。電気回路ブレーカーパネルは、構造物における電力の主配電地点である。電気回路ブレーカーパネルは、火災を引き起こし得る、または構造物内の電気デバイスに損傷を与え得る過電流からの保護も提供する。電気回路ブレーカーパネルは、3つの主電力導体の少なくとも一部に連結し得る、および重なり得る。

例えば、Square−D、Eaton、Cutler−Hammer、General Electric、Siemens、およびMurrayを含む電気回路ブレーカーパネルの異なるメーカーは、それぞれの電気回路ブレーカーパネルに対して異なる導体間隔および構成を選択している。さらに、各メーカーは、屋内設置屋外設置、異なる総アンペア数定格(その中では、100アンペア(A)および200Aの設備が最も一般的である)毎に多くの異なる構成の電気回路ブレーカーパネルを製造している。

概要

主電力導体に関連する磁場および他のパラメータを正確に決定することを可能にする装置、システムおよび方法を提供する。磁場検出デバイスは、2つまたはそれ以上の磁場センサ641、642と、磁場センサ641、642の出力に電気的に連結される位相検出器651と、位相検出器651に電気的に連結される位相インジケータ619と、を含む。位相検出器651は、磁場センサ641、642が通電導体に関連した所定位置に存在する場合を示すディスプレイを含み、第1の磁場センサ641における第1の信号の第1の信号位相角が第2の磁場センサ642における第2の信号の第2の信号位相角と180度異なるときを決定するために構成される。更に、2つまたはそれ以上の磁場センサは、直線に配列され、磁場センサに電気的に連結されるマルチプレクサと、マルチプレクサを制御するために構成されるプロセッサと、を含む。

目的

電気回路ブレーカーパネルは、火災を引き起こし得る、または構造物内の電気デバイスに損傷を与え得る過電流からの保護も提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

磁場検出デバイスにおいて、通電導体によって生成された磁場を検出するために構成される2つまたはそれ以上の磁場センサと、前記2つまたはそれ以上の磁場センサの出力に電気的に連結される位相検出器と、前記位相検出器に電気的に連結される位相インジケータと、を含み、前記位相検出器は、前記2つまたはそれ以上の磁場センサが前記通電導体に関連した所定位置に存在する場合を示すディスプレイを含み、前記位相検出器は、前記2つまたはそれ以上の磁場センサの内の第1の磁場センサにおける第1の信号の第1の信号位相角が前記2つまたはそれ以上の磁場センサの内の第2の磁場センサにおける第2の信号の第2の信号位相角と180度位相が異なるときを決定するために構成され、前記2つまたはそれ以上の磁場センサは、直線配列の磁場センサを含み、前記2つまたはそれ以上の磁場センサは、前記直線配列の磁場センサに電気的に連結される1つまたは複数のマルチプレクサ、および前記1つまたは複数のマルチプレクサに電気的に連結され、かつ前記1つまたは複数のマルチプレクサを制御するために構成されるプロセッサ、を含む、ことを特徴とする磁場検出デバイス。

請求項2

前記2つまたはそれ以上の磁場センサは、誘導ピックアップセンサホール効果センサ、および磁気抵抗センサの内の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1記載の磁場検出デバイス。

請求項3

前記2つまたはそれ以上の磁場センサに電気的に連結される1つまたは複数の増幅器をさらに含むことを特徴とする請求項1および2のいずれか一項記載の磁場検出デバイス。

請求項4

前記2つまたはそれ以上の磁場センサに電気的に連結される1つまたは複数のフィルタをさらに含むことを特徴とする請求項1,2,および3のいずれか一項記載の磁場検出デバイス。

請求項5

1つまたは複数の磁場測定値に関する情報を前記2つまたはそれ以上の磁場センサからリモート表示デバイスに送信するために構成された無線送信機をさらに含むことを特徴とする請求項1,2,3,および4のいずれか一項記載の磁場検出デバイス。

請求項6

前記2つまたはそれ以上の磁場センサの各々は、強磁性コアを含むことを特徴とする請求項1,2,3,4,および5のいずれか一項記載の磁場検出デバイス。

請求項7

前記2つまたはそれ以上の磁場センサの各々は、前記強磁性コアを包み込む検出コイルを含むことを特徴とする請求項6記載の磁場検出デバイス。

請求項8

磁場検出デバイスを提供する方法において、前記方法は、通電導体によって生成された磁場を検出するために構成される2つまたはそれ以上の磁場センサを提供する段階と、前記2つまたはそれ以上の磁場センサの出力に電気的に連結される位相検出器を提供する段階と、前記位相検出器に電気的に連結される位相インジケータを提供する段階と、を含み、前記位相検出器は、前記2つまたはそれ以上の磁場センサが前記通電導体に関連した所定位置に存在する場合を示すディスプレイを含み、前記位相検出器を提供する段階は、前記2つまたはそれ以上の磁場センサの内の第1の磁場センサにおける第1の信号の第1の信号位相角が前記2つまたはそれ以上の磁場センサの内の第2の磁場センサにおける第2の信号の第2の信号位相角と180度位相が異なるときを決定するために構成される前記位相検出器を提供する段階を含み、前記2つまたはそれ以上の磁場センサを提供する段階は、直線配列の磁場センサを含む前記2つまたはそれ以上の磁場センサを提供する段階を含み、前記2つまたはそれ以上の磁場センサを提供する段階は、前記直線配列の磁場センサに電気的に連結される1つまたは複数のマルチプレクサ、および前記1つまたは複数のマルチプレクサに電気的に連結され、かつ前記1つまたは複数のマルチプレクサを制御するために構成されるプロセッサを含む、前記2つまたは複数の磁場センサを提供する段階をさらに含む、ことを特徴とする方法。

請求項9

前記2つまたはそれ以上の磁場センサを提供する段階は、誘導ピックアップセンサ、ホール効果センサ、および磁気抵抗センサの内の少なくとも1つを含む前記2つまたはそれ以上の磁場センサを提供する段階を含むことを特徴とする請求項8記載の方法。

請求項10

前記2つまたはそれ以上の磁場センサに電気的に連結される1つまたは複数の増幅器を提供する段階をさらに含むことを特徴とする請求項8および9のいずれか一項記載の方法。

請求項11

前記2つまたはそれ以上の磁場センサに電気的に連結される1つまたは複数のフィルタを提供する段階をさらに含むことを特徴とする請求項8,9,および10のいずれか一項記載の方法。

請求項12

1つまたは複数の磁場測定値に関する情報を前記2つまたはそれ以上の磁場センサからリモート表示デバイスに送信するために構成された無線送信機を提供する段階をさらに含むことを特徴とする請求項8,9,10,および11のいずれか一項記載の方法。

請求項13

前記2つまたはそれ以上の磁場センサを提供する段階は、強磁性コアを含む前記2つまたはそれ以上の磁場センサを提供する段階を含むことを特徴とする請求項8,9,10,11,および12のいずれか一項記載の方法。

請求項14

前記2つまたはそれ以上の磁場センサを提供する段階は、前記強磁性コアを包み込む検出コイルを含む前記2つまたはそれ以上の磁場センサの各々をさらに含むことを特徴とする請求項13記載の方法。

技術分野

0001

関連出願の相互参照
本出願は、2010年7月2日に出願された米国仮特許出願第61/361,296号明細書および2010年9月3日に出願された米国仮特許出願第61/380,174号明細書の便益を主張するものである。本出願は、2009年9月25日に出願された米国特許出願第12/567,561号明細書の一部継続出願でもある。米国仮特許出願第61/361,296号明細書および同第61/380,174号明細書と、米国特許出願第12/567,561号明細書とは、本明細書において援用される。

0002

本発明は、概して、電力監視するための装置、デバイス、システム、および方法に関し、特に、構造物電気回路ブレーカパネルにおいて、1つまたは複数の主電力導体の電力を監視する装置、デバイス、システム、および方法に関する。

背景技術

0003

構造物(例えば、家または商業ビル)は、構造物内で電力を電気デバイス(すなわち負荷)に供給する1つまたは複数の主電力導体を有し得る。ほとんどの構造物は、最大3つの主電力導体を備えた分相電力分配システムを使用する。主電力導体は、電気回路ブレーカーパネルを通って構造物に入る。電気回路ブレーカーパネルは、構造物における電力の主配電地点である。電気回路ブレーカーパネルは、火災を引き起こし得る、または構造物内の電気デバイスに損傷を与え得る過電流からの保護も提供する。電気回路ブレーカーパネルは、3つの主電力導体の少なくとも一部に連結し得る、および重なり得る。

0004

例えば、Square−D、Eaton、Cutler−Hammer、General Electric、Siemens、およびMurrayを含む電気回路ブレーカーパネルの異なるメーカーは、それぞれの電気回路ブレーカーパネルに対して異なる導体間隔および構成を選択している。さらに、各メーカーは、屋内設置屋外設置、異なる総アンペア数定格(その中では、100アンペア(A)および200Aの設備が最も一般的である)毎に多くの異なる構成の電気回路ブレーカーパネルを製造している。

先行技術

0005

特開2007−107972号公報
特開2001−103622号公報
特開平10−153625号公報
特開平11−101831号公報
特開2008−196950号公報
特開2005−147755号公報

発明が解決しようとする課題

0006

多くの様々な種類の電気回路ブレーカーパネルにおける様々な導体レイアウトにより、電気回路ブレーカーパネルの金属表面において、様々な磁場プロファイルが生じる。さらに、内部導体(例えば、主電力導体)のレイアウトは、ブレーカーパネルを開けなければ目に見えず、内部導体レイアウトが電気回路ブレーカーパネルの表面において磁場プロファイルへと変換される様は、正確に解明およびモデル化を行うためには、電磁理論の詳細な知識を必要とする。従って、電気回路ブレーカーパネルの表面において、1つまたは複数の主電力導体の磁場を正確に測定することは困難である。電気回路ブレーカーパネルの表面において、1つまたは複数の主電力導体の磁場を正確に決定することができれば、構造物内の負荷によって使用されている電流および電力を決定することができる。

0007

従って、電気技師ではない者が、電気回路ブレーカーパネルの表面において、1つまたは複数の主電力導体に関連する磁場および他のパラメータを正確に決定することを可能にする装置、システム、および/または方法に対する必要性または利益の可能性が存在する。

課題を解決するための手段

0008

一部の実施形態は、消費電力測定デバイスを使用する方法に関し得る。消費電力測定デバイスは、構造物の電力インフラの1つまたは複数の主給電導体の少なくとも一部に重なる回路ブレーカーボックスの表面に機械的に連結可能である。この方法は、消費電力測定デバイスの1つまたは複数のセンサを用いて、1つまたは複数の主給電導体からの1つまたは複数の第1の磁場示度数を決定するステップと、1つまたは複数の第1の磁場示度数の決定後に、第1の較正負荷を電力インフラに電気的に連結させるステップと、第1の較正負荷を電力インフラに電気的に連結した状態で、消費電力測定デバイスにおける1つまたは複数のセンサを用いて、1つまたは複数の主給電導体からの1つまたは複数の第2の磁場示度数を決定するステップと、少なくとも部分的に1つまたは複数の第1の磁場示度数および1つまたは複数の第2の磁場示度数を用いて、消費電力測定デバイスを較正するステップと、消費電力測定デバイスの較正後に、消費電力測定デバイスにおける1つまたは複数のセンサを用いて、1つまたは複数の主給電導体からの1つまたは複数の第3の磁場示度数を決定するステップと、少なくとも1つまたは複数の第3の磁場示度数および1つまたは複数の較正係数を用いて、構造物の電力インフラが使用する電力を決定するステップとを含み得る。消費電力測定デバイスの較正は、少なくとも部分的に1つまたは複数の第1の磁場示度数および1つまたは複数の第2の磁場示度数を用いた、消費電力測定デバイスの1つまたは複数の第1の較正係数の決定を含み得る。

0009

他の実施形態は、磁場センサデバイスを較正する方法に関し得る。磁場センサデバイスは、回路ブレーカーボックスの第1の表面に連結される。回路ブレーカーボックスは、建物の電力インフラに重なる。電力インフラは、第1の位相分岐および第2の位相分岐を有する。磁場センサデバイスは、2つ以上の磁場センサを含み得る。この方法は、磁場センサデバイスの2つ以上の磁場センサにおいて、第1の磁場の第1の振幅および第1の位相角を決定するステップと、第1の負荷が電力インフラの第1の位相分岐に連結されるとの連絡を受信するステップと、第1の負荷が第1の位相分岐に連結されている間に、磁場センサデバイスの2つ以上の磁場センサにおいて、第2の磁場の第2の振幅および第2の位相角を決定するステップと、第2の負荷が電力インフラの第2の位相分岐に連結されるとの連絡を受信するステップと、第2の負荷が第1の位相分岐に連結されている間に、磁場センサデバイスの2つ以上の磁場センサにおいて、第3の磁場の第3の振幅および第3の位相角を決定するステップと、少なくとも部分的に、2つ以上の磁場センサにおける第1の磁場の第1の振幅および第1の位相角と、2つ以上の磁場センサにおける第2の磁場の第2の振幅および第2の位相角と、2つ以上の磁場センサにおける第3の磁場の第3の振幅および第3の位相角とを用いて、磁場センサデバイスの1つまたは複数の較正係数を決定するステップとを含み得る。

0010

さらなる実施形態は、建物の電力インフラにおける電力使用状況を監視するシステムに関し得る。建物は、建物の電力インフラの回路ブレーカーボックスおよび給電導体を含む。このシステムは、(a)回路ブレーカーボックスの第1の表面に連結されるように構成された消費電力測定デバイス。回路ブレーカーボックスは、電力インフラの給電導体の少なくとも一部に重なり、1つまたは複数の磁場センサを有する消費電力測定デバイスと、(b)電力インフラと電気的に連結されるように構成された第1の較正デバイスであって、1つまたは複数の第1の較正負荷を含む第1の較正モジュールと、(c)第1のプロセッサ起動するように構成され、かつ、消費電力測定デバイスの1つまたは複数の磁場センサから得られたデータを用いて、消費電力測定デバイスを少なくとも部分的に較正するように構成された較正モジュールとを含み得る。1つまたは複数の第1の較正負荷の少なくとも1つが電力インフラに電気的に連結された状態かつ消費電力測定デバイスが回路ブレーカーボックスの第1の表面に連結された状態で、消費電力測定デバイスは、データの少なくとも一部を得るように構成され得る。

0011

またさらなる実施形態では、磁場検出デバイスは、(a)通電導体において磁場を検出するように構成された少なくとも2つの磁場センサと、(b)少なくとも2つの磁場センサの出力と電気的に連結された位相検出器と、(c)位相検出器と電気的に連結された位相インジケータとを含み得る。位相インジケータは、少なくとも2つの磁場センサが通電導体に関連した所定位置に存在する場合を示すディスプレイを含み得る。

0012

実施形態のさらなる説明を容易にするために、以下の図面を提供する。

図面の簡単な説明

0013

第1の実施形態による、電気ブレーカーパネルに連結された電力監視システム例の図を示す。
第1の実施形態による、図1の電力監視システムのブロック図を示す。
第1の実施形態による、導体3−3に沿った図1の回路ブレーカーパネルの断面図である。
導体によって発生した磁場導体の一例を示す。
第1の実施形態による、図1の回路ブレーカーの主電力導体によって発生した磁場導体の一例を示す。
第1の実施形態による、図2の検出デバイスの一例を示す。
第1の実施形態による、図1の回路ブレーカーの主電力導体上への図2の検出デバイスの配置例を示す。
一実施形態による、電流センサ電圧対時間のグラフ例を示す。
第2の実施形態による、検出デバイスの一例を示す。
第2の実施形態による、図1の回路ブレーカーの主電力導体上の図9の検出デバイスの一例を示す。
第1の実施形態による、図1の較正デバイスの一例を示す。
一実施形態による、図11レベル変換器から図11コントローラに対する可能な入り低電圧信号のグラフ例を示す。
一実施形態による、位相基準を作り上げるために用いられる方形波低電圧信号と、図12の低電圧信号との関係を示すグラフ例を示す。
第3の実施形態による、スイッチド負荷の一例を示す。
第4の実施形態による、スイッチド負荷の一例を示す。
第5の実施形態による、スイッチド負荷の一例を示す。
第6の実施形態による、スイッチド負荷の一例を示す。
一実施形態による、電気監視システムの較正方法フローチャートを示す。
一実施形態による、較正係数を決定する作業のフローチャートを示す。
一実施形態による、主電力導体の予測電流を決定する方法のフローチャートを示す。
一実施形態による、検出デバイス例における主電力導体に対する2つの電流センサの第1の位置の一例を示す。
図21の電流センサの測定電流に対する予測電流の比較グラフを示す。
一実施形態による、検出デバイス例における主電力導体に対する2つの電流センサの第2の位置の一例を示す。
図23の電流センサの測定電流に対する予測電流の比較グラフを示す。

0014

図示を単純かつ明瞭にするために、図面は、一般的な構造様式を示し、周知の特徴および技術の説明および詳細は、不必要に本発明を分かりにくくすることを避けるために省略される場合がある。さらに、図面の要素は、必ずしも一定の縮尺で描かれてはいない。例えば、図面中の要素の幾つかの寸法は、本発明の実施形態の理解を高めるために、他の要素と比較して誇張されている場合がある。異なる図面中の同一の参照符号は同じ要素を示す。

実施例

0015

明細書内および特許請求の範囲内の「第1」、「第2」、「第3」、「第4」等の用語は、使用されている場合、類似した要素らを区別するために用いられるものであり、必ずしも特定の逐次的または経時的順序を表すためのものではない。このようにして使用される用語は、本明細書に記載の実施形態が、例えば本明細書に図示あるいは記載された以外の順序で動作可能であるような適切な状況下では、互換性があることに留意されたい。さらに、「含む(include)」および「有する(have)」という用語や、それらの変形語は、要素リスト包むプロセス、方法、システム、物品、デバイス、または装置が、必ずしもそれらの要素に限定されず、明確にリストアップされていない、またはそのようなプロセス、方法、システム、物品、デバイス、または装置に固有のものではない他の要素を含み得るような非排他的包含網羅する意図を持つ。

0016

明細書内および特許請求の範囲内の「左」、「右」、「前方(front)」、「後方(back)」、「最上部(top)」、「底部(bottom)」、「上に(over)」、および「下に(under)」等の用語は、使用されている場合、説明目的で用いられたものであり、必ずしも永久的な相対位置を表すためのものではない。このように使用される用語は、本明細書に記載の本発明の実施形態が、例えば本明細書に図示あるいは記載された以外の他の配向で動作可能であるような適切な状況下では、互換性があることに留意されたい。

0017

「連結する(couple)」、「連結された(coupled)」、「連結する(couples)」、および「連結(coupling)」等の用語は、広く解釈され、2つ以上の要素または信号を電気的、機械的、および/または他の方法で接続することを意味するものとする。2つ以上の電気要素は、電気的に連結されるが、機械的または他の方法では連結されない場合があり、2つ以上の機械要素は、機械的に連結されるが、電気的または他の方法では連結されない場合があり、2つ以上の電気要素は、機械的に連結されるが、電気的または他の方法では連結されない場合がある。連結は、任意の時間長さ、例えば、永久的または半永久的、あるいは一瞬のみでもよい。

0018

電気的連結」等は、広く解釈され、電力信号データ信号、および/または他の種類または組み合わせの電気信号である、あらゆる電気信号に関与する連結を含むものとする。「機械的連結」等は、広く解釈され、全ての種類の機械的連結を含むものとする。

0019

「連結された」等の語の近くに、「除去可能に(removably)」および「除去可能な(removable)」等の語が存在しなくても、問題の連結等が除去可能であること、または除去可能ではないことを意味しない。

0020

図1は、第1の実施形態による、回路ブレーカーパネル190に連結された例示的な電力監視システム100の図を示す。図2は、第1の実施形態による電力監視システム100のブロック図を示す。図3は、第1の実施形態による導体3−3に沿った回路ブレーカーパネル190の断面図を示す。

0021

電力監視システム100は、構造物(すなわち建物)の電力使用状況を監視するためのシステムと考えることもできる。電力監視システム100は、構造物内の1つまたは複数の電気デバイス(すなわち負荷)によって使用される予測電流を決定するためのデバイスおよびシステムと考えることもできる。電力監視システム100は、例示的なものに過ぎず、本明細書に示される実施形態に限定されるものではない。電力監視システム100は、本明細書に具体的に描写または記載されていない多くの様々な実施形態または実施例において用いることができる。

0022

一部の実施例では、電力監視システム100は、(a)少なくとも1つの検出デバイス110(すなわち、消費電力測定デバイス)、(b)少なくとも1つの演算ユニット120、および(c)少なくとも1つの較正デバイス180を含み得る。

0023

一部の実施例では、システム100は、異なるメーカーのブレーカーパネル上、および同じメーカーの異なる種類のブレーカーパネル上で用いることができる。さらに、一部の実施例では、システム100は、訓練を受けていない者(すなわち、電気技師ではない者)が、ブレーカーパネルボックスを開き、内部の非絶縁電力導体露出させることなく、簡単に設置することができる。

0024

やはり図1に示されるように、従来のブレーカーボックスまたは回路ブレーカーパネル190は、(a)2つ以上の個別の回路ブレーカー191、(b)2つ、または主回路ブレーカー192、(c)外面を備えたパネル196、および(d)回路ブレーカー191および192へのアクセスを提供する扉197を含み得る。主電力導体193、194、および195の少なくとも一部は、回路ブレーカーパネル190の内部に配置することができる。「回路ブレーカーパネル」は、旧式の電気システムを備えた建物では今なお一般的なヒューズボックスを意味し、それを含み得る。構造物の電力インフラは、少なくとも回路ブレーカーパネル190と、主電力導体193、194、および195とを含み得る。一部の実施例では、回路ブレーカーパネルは、電気を構造物に供給するために用いられるあらゆる種類の配電パネルを意味することもできる。

0025

主電力導体193、194、および195は、主回路ブレーカー192に電気的に連結され、構造物内の電気デバイス(すなわち負荷)に電力を供給する。これらの通電した電力導体に人が不注意に接触することを防ぐために、パネル196は、主電力導体193、194、および195および関連の回路構成要素の少なくとも一部に重なる。通常、パネル196は、鋼または別の金属からなる。

0026

扉197は、回路ブレーカー191および192を覆い、美観的理由により通常閉じられているが、回路ブレーカーパネル190内の回路ブレーカー191および192のレバーへのアクセスを許容するために開くことができる。図3に示されるように、扉197が閉じられると、パネル領域398は、パネル領域深さ399を有し得る。パネル領域深さ399は、扉197が回路ブレーカーレバー189にぶつかることなく閉じることができるように、通常、13ミリメートル(mm)〜20mmである。パネル領域深さ399の深さは、パネル領域398に取り付けられる検出デバイス110の許容厚さを制限する。すなわち、様々な実施例において、検出デバイス110は、検出デバイス110が動作中にブレーカーパネルの扉を閉じた状態を維持できるように、パネル領域深さ399内に適合し得る。多くの実施例では、検出デバイス110は、20mm未満の深さを有する。同一または異なる実施例において、検出デバイス110は、13mm未満の深さを有していてもよい。

0027

住居用および小規模商業用電気設備は、通常、240ボルトの分相設備である。これは、180度位相の異なる2つの120Vの交流(AC)ソース導体(例えば、電力導体193および194)を、電力導体193または194の一方から電流を戻すために使用することのできる中性導体(例えば電力導体195)と共に提供するユーティリティを指す。電力導体193、194、および195は、異なる負荷用分岐回路へと分割される前にユーティリティからの入り電力を運ぶ給電線」または「主」電力導体である。電力導体193、194、および195によって発生した磁場を検出することにより、システム100は、構造物内の全ての負荷が電力導体193、194、および/または195と並列に連結されているので、ユーティリティからの全ての負荷によって引き出された電流総計を検出することができる。

0028

米国では、240Vの分相ユーティリティ設備の供給を受ける建物内では、多くの異なる種類の電気負荷を見つけられる。電気負荷は、2つのカテゴリーの負荷に分けることができる:(a)120Vの負荷および(b)240Vの負荷。

0029

120Vの負荷は、主に、低ワット数負荷、すなわち、標準的な3極の120Vで15Aまたは120Vで20Aのコンセントに差し込まれた負荷、および約2kW(キロワット)未満の電力を引き出す小型電気器具を含み得る。これらの負荷は、電力導体193および195のペア(「第1の位相分岐」または配線回路の「193−195の部分」)または電力導体194および195のペア(「第2の位相分岐」または配線回路の「194−195の部分」)間の個々の回路において配線される。構造物の配線を行う際に、電気技師は、各部分において負荷およびコンセントの予想ワット数バランスとろうと試みるが、異なる総ワット数が各ペアから通常引き出されることから、193−195の部分および194−195の部分の電流が不均衡となり易いので、これは正確なプロセスではない。120Vの負荷がオンにされると、その電流は、ユーティリティから主および回路レベルの回路ブレーカーを介して電力導体193または194を通って負荷へと流れ、その後、電力導体195へと流れ戻り、ユーティリティへと流れ戻る。

0030

240Vの負荷は、通常、消費が2kW(キロワット)を超える大型電気器具(例えば、電気乾燥機、ストーブエアコンコンプレッサ電気ベースボードヒータ)である。この場合、負荷電流は、電力導体193および194間を流れ、電力導体195においては負荷電流が流れない。電力導体193および194上の電圧間の180度の位相関係により、総電圧は240Vである。

0031

再度図1および図2を参照して、演算ユニット120は、(a)通信モジュール221、(b)処理モジュール222、(c)電気コネクタ128を備えた電源223、(d)ユーザ通信デバイス134、(e)コントローラ225、(f)メモリ226、(g)較正負荷モジュール227、(h)較正計算モジュール229、(i)制御機構132、および(j)電圧センサ228を含み得る。

0032

演算ユニット120は、通信モジュール221を介して、較正デバイス180および/または検出デバイス110から出力信号を受信し、構造物の電力使用状況に関連する1つまたは複数のパラメータ(例えば、構造物によって使用される電力および主電力導体193、194、および195の電流)を決定するために出力信号を処理するように構成可能である。一部の実施形態では、演算ユニット120は、パーソナルコンピュータ(PC)でもよい。

0033

コントローラ225は、Texas Instruments,Inc.製造のMSP430マイクロコントローラ等のマイクロコントローラでもよい。別の実施形態では、コントローラ225は、Texas Instruments,Inc.製造のTMS320VC5505デジタル信号プロセッサまたはAnalog Devices,Inc.製造のBlackfinデジタル信号プロセッサ等のデジタル信号プロセッサである。

0034

処理モジュール222は、検出デバイス110からの電流測定値を用いて、構造物の電力使用状況に関連する1つまたは複数のパラメータ(例えば、主電力導体193、194、および195の電流および電力)を決定するように構成されてもよい。以下に説明するように、較正計算モジュール229は、検出デバイス110からの電流測定値を用いて、電力監視システム100を較正する(例えば、検出デバイス110用の較正係数を計算する)ように構成されてもよい。

0035

一部の実施例では、処理モジュール222および較正計算モジュール229は、メモリ226内に保存されてもよく、コントローラ225で起動されるように構成されてもよい。演算ユニット120の起動中は、メモリ226に保存されたプログラム命令(例えば、処理モジュール222および/または較正計算モジュール229)がコントローラ225によって実行される。メモリ226に保存されたプログラム命令の一部は、以下に記載するような方法1800および2000(それぞれ図18および図20)の実施に適し得る。

0036

較正負荷モジュール227は、1つまたは複数の較正負荷を含み得る。以下に説明するように、1つまたは複数の較正負荷は、例えば構造物の電力インフラの第1の位相分岐に一時的に電気的に連結されることにより、電力監視システム100の較正を助けることができる。

0037

一部の実施例では、ユーザ通信デバイス134および制御機構132は、演算ユニット120の他の部分から分離可能であってもよく、演算ユニット120の他の部分と無線通信できる。

0038

電圧センサ228を用いることにより、電力インフラ全体にわたる電圧の振幅および位相角を決定することができる。全体にわたる電流の位相角は、電流センサ211によって測定された位相角から、電圧センサ228を用いて測定された電圧の位相角を差し引いたものに等しい。すなわち、電流の位相角は、電圧の零点交差に関連して計算することができる。

0039

一部の実施例では、検出デバイス110は、電流センサ211によって得られた電流測定値を演算ユニット120に伝達可能であることにより、電流の位相角を計算することができる。他の実施例では、演算デバイス120は、電圧センサ228による電圧測定値を検出デバイス110に伝達可能であることにより、電流の位相角を計算することができる。他の実施例では、電圧センサ228は、較正デバイス180内に配置されてもよい。

0040

電源223は、通信モジュール221、処理モジュール222、ユーザ通信デバイス134、コントローラ225、メモリ226、較正負荷モジュール227、および/または制御機構132に電力を供給することができる。一部の実施例では、電源223は、電力インフラの壁電気コンセントに連結可能な電気コネクタ128に連結可能である。

0041

ユーザ通信デバイス134は、ユーザに対して情報を表示するように構成可能である。ある実施例では、ユーザ通信デバイス134は、モニタタッチスクリーン、および/または1つまたは複数のLED(発光ダイオード)でもよい。

0042

制御機構132は、少なくとも部分的に演算ユニット120または少なくともユーザ通信デバイス134を制御するように構成された1つまたは複数のボタンを含み得る。ある実施例では、制御機構132は、電源スイッチ(すなわちオン/オフスイッチ)および/またはユーザ通信デバイス134上の表示物を制御するように構成されたディスプレイスイッチを含み得る。

0043

さらに図1および図2を参照して、検出デバイス110は、(a)2つ以上、または磁場センサまたは電流センサ211、(b)コントローラ213、(c)ユーザ通信モジュール214、(d)通信モジュール215、(e)電源216、および(f)連結機構219を含み得る。コントローラ213を用いて、電流センサ211、ユーザ通信モジュール214、通信モジュール215、および電源216を制御することができる。

0044

電流センサ211は、誘導ピックアップホール効果センサ磁気抵抗センサ、または回路ブレーカーパネル190内の導体によって発生した時変磁場に応答するように構成されたその他の種類のセンサを含み得る。

0045

様々な実施例では、検出デバイス110は、連結機構219を用いてパネル196の表面に連結されるように構成可能である。一部の実施例では、連結機構219は、接着剤、Velcro(登録商標)材料、磁石、または別のアタッチメント機構を含み得る。

0046

通信モジュール215は、電流センサ211およびコントローラ213に電気的に連結可能である。一部の実施例では、通信モジュール215は、電流センサ211を用いて測定された電圧または他のパラメータを演算ユニット120の通信モジュール211に伝達する。多くの実施例では、通信モジュール215および通信モジュール221は、無線送受信機でもよい。一部の実施例では、電気信号は、WI−FI(ワイヤレスフィデリティ)、IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)802.11ワイヤレスプロトコルまたはBluetooth(登録商標)3.0+HS(High Speed)ワイヤレスプロトコルを用いて伝送することができる。さらなる実施例では、これらの信号は、Zigbee(登録商標)(IEEE802.15.4ワイヤレスプロトコル)、Z−Wave、または独自のワイヤレス規格を介して伝送可能である。他の実施例では、通信モジュール215および通信モジュール221は、セルラー方式または有線接続を用いて電気信号を通信することができる。

0047

ユーザ通信モジュール214は、ユーザに対して情報を表示するように構成可能である。一実施例では、ユーザ通信モジュール214は、LCD(液晶ディスプレイ)および/または1つまたは複数のLED(発光ダイオード)でもよい。

0048

コントローラ213は、電流センサ211、通信モジュール215、ユーザ通信モジュール214、および/または電源216を制御するように構成可能である。

0049

較正デバイス180は、(a)通信モジュール281、(b)電気コネクタ282、(c)較正負荷モジュール283、(d)ユーザ通信デバイス184、(e)コントローラ285、および(f)電源289を含み得る。一部の実施例では、通信モジュール281は、通信モジュール215および/または221と類似または同じでもよい。電気コネクタ282は、一部の実施例では、電源プラグでもよい。ユーザ通信デバイス184は、ユーザに対して情報を表示するように構成可能である。ある実施例では、ユーザ通信デバイス184は、1つまたは複数のLEDでもよい。

0050

アンペールの法則によれば、図4に示されるように、通電導体によって、磁場が発生する。すなわち、ある導体によって発生した磁場は、X、Y、およびZ軸の各々の成分へと分解可能な三次元ベクトル場である。交流電流のシステムでは、これらの磁場は、大きさが時間で変動するが、座標基底に対して同じベクトル角を維持する。従って、例えばX軸に関して言えば、AC電流が例えば60Hzのライン周波数で方向を反転させるので、場は、いずれの瞬間においても、+X方向または−X方向を指し得る。X方向の磁場成分は、ある特定の瞬間における電流フローの方向に応じて、+Xまたは−Xのいずれかを指し得るものとする。

0051

磁力線は、アンペールの法則の「右手の法則」に従い、人の右手親指を導体の電流フローの方向に合わせると、磁力線は、導体に垂直かつ人の指の方向に、その導体を包み込む

0052

一部の実施形態は、主に、回路ブレーカーパネルの面に垂直に配向する(「Z」軸に沿う)磁場成分に関し、その理由は、これらが、回路ブレーカーパネル190の金属カバーの外側で磁場センサ(すなわち検出デバイス110)によって簡単に検出可能な磁場成分であるからである。

0053

図5に示されるように、電力導体193および194は、180度の位相差があるので、いずれの時点においても、磁力線ループの方向は逆方向である。

0054

従って、キルヒホッフの電流の法則によれば、ある給電導体(すなわち電力導体193、194、および/または195)を通る総電流は、その導体から引き出される全ての負荷電流の合計である。従って、各導体(すなわち電力導体193、194、または195)によって発生した磁場の大きさは、その導体に接続された全ての分岐回路上で引き出された電流の合計に正比例する。ある導体からの磁力線の方向は、分岐の電流に応じて変化しない。

0055

システム100は、3つの起こり得る負荷ケース:(a)193−195部分間の120Vの負荷、(b)194−195部分間の120Vの負荷、および(c)193−194部分間の240Vの負荷に対処するために、少なくとも電力導体193および194によって発生した磁場を検出するように構成可能である。ほとんどの場合、電力導体195を通して引き出されるいずれの電流も、電力導体193または194のいずれかをソースとするので、電力導体195(すなわち中性導体)によって発生した磁場を検出する必要がない。

0056

図6は、第1の実施形態による電流センサ211の一例を示す。これらの実施例では、電流センサは、(a)1つまたは複数のセンサ641および642、(b)1つまたは複数の増幅器647および648、(c)1つまたは複数のフィルタ649および650、(d)1つまたは複数の位相検出器651、(e)少なくとも1つの差動増幅器652、および(f)少なくとも1つのデジタイザ653を含み得る。

0057

一部の実施例では、システム100は、ユーザ通信モジュール214を用いて適切な配置を示すことによって、検出デバイス110の適切な配置に関してユーザを援助するように構成可能である。一部の実施例では、システム100は、導体(すなわち、電力導体193または194)の両側に配置されたセンサ641および642間で約180度の位相差を検出することによって適切な配置を決定することができる。同一または異なる実施例において、ユーザ通信モジュール214は、検出デバイス110と同じ場所に配置されてもよく、あるいは、ユーザ通信モジュール214は、使用され、ワイヤレスネットワーク上で検出デバイス100とリモートで連結されてもよい。

0058

センサ641は、(a)強磁性コア643、および(b)強磁性コア643を包み込む検出コイル644を含み得る。センサ642は、(a)強磁性コア645、および(b)強磁性コア645を包み込む検出コイル646を含み得る。様々な実施例では、センサ641および642は、直径2.5ミリメートル(mm)〜12.7mmでもよい。他の実施例では、電流センサ211は、センサ641のみを含み、センサ642、増幅器647、フィルタ649、位相検出器651、および/または差動増幅器652は含みない。この代替実施形態では、フィルタ649または650は、デジタイザ653に連結される。さらなる実施形態では、電流センサ211は、4個、6個、8個、または10個のセンサを含む。

0059

強磁性コア643および645の目的は、検出コイル644および646からの磁場を集中させることにより、検出コイル644および646の出力端において、より大きなセンサ出力電圧を生み出すことである。検出コイル644および646の出力における電圧は、ファラデーの法則によって得られる。すなわち、電圧は、印加されるAC磁場、コイルおよびワイヤ物理的寸法、コイルにおけるワイヤの巻き数、およびコア透磁率によって決まる。他の実施例では、センサ641および642は、それぞれ強磁性コア643および645を含みない。

0060

図7に示されるように、電流センサ211が回路ブレーカーパネル190に連結されると、センサ641および642の一方を、導体(すなわち電力導体193または194)の片側に配置することができる。この実施形態では、センサ641の誘起電圧は、センサ642と180度位相が異なり、その理由は、磁場が底部からセンサ642に進入する一方で、磁場が最上部からセンサ641に進入するからである。

0061

センサ641および642の電圧間の位相関係のプロット図8に示す。図8を参照し、AC電流が導体(すなわち電力導体193または194)を流れると、電圧V(センサ)が検出コイル644および646において誘起される。この電圧V(センサ)は、導体(すなわち電力導体193または194)によって運ばれる電流I(センサ)に比例する、すなわち、V(センサ)=k*I(センサ)である。比例定数kは、一時的に較正負荷(すなわち較正負荷モジュール283または227(図2))を導体(すなわち電力導体193または194)によって供給を受ける回路に接続し、センサ641および642(図6)において誘起された電圧を測定することにより、導体を流れる既知の電流を描画することによって見つけることができる。あるケースでは、比例定数の多点較正を確立するために、2つ以上の既知電流を描画し得る。

0062

再び図6を参照すると、2つのセンサ(すなわちセンサ641および642)のこの構成を利用して、付近の他の導体を含む他のソースからの干渉拒絶しつつ、所定の通電導体に対して正しく配置されたことをユーザに自動的に伝達する検出デバイス110を得ることができる。この能力は、対象となる特定の導体付近に多くの導体が存在する回路ブレーカーパネルに見られる電気的に雑音の多い環境において有用である。

0063

具体的には、ある実施形態では、センサ641および642それぞれの出力は、それぞれ増幅器648および647を用いて増幅可能であり、その後、それぞれフィルタ650および649を用いたフィルタリングが可能である。フィルタ650および649の出力は、ユーザ通信モジュール214(例えば、1つまたは複数のLED)において位相インジケータ619に連結された位相検出器651に提示されてもよい。ユーザ通信モジュール214は、センサ641および642が所定の通電導体に対して正しく配置されたことをユーザに示すように構成される。ユーザは、主電力導体を見つけられる領域範囲でセンサを移動させ、センサ641および642の信号間の位相差が約180度であることを位相インジケータが示すと移動を停止するように指示され得る。例えば、センサ641および642からの信号の位相が約180度異なると、検出デバイス110の最上部で、緑色LEDが点灯し得る。

0064

増幅器648および647と、フィルタ650および649とは、一部の実施例では任意である。増幅器648および647と、フィルタ650および649との目的は、望ましくない周波数の雑音は拒絶しながら信号レベルを上げることであり、従って、雑音の多い環境で、センサ641および642の信号の信号対雑音比を高めることである。増幅器648および647は、Texas Instruments,Inc.製造のTL082タイプ等の演算増幅器でもよい。フィルタ650および649は、演算増幅器と共に実行される集中素子受動フィルタまたは能動フィルタでもよい。一般的に、フィルタ650および649は、帯域外の雑音を拒絶しながらACライン周波数(例えば、米国およびカナダでは60Hz、またはヨーロッパおよび日本では50Hz)を通過させるように構成されたバンドパスフィルタである。

0065

位相検出器651は、アナログ位相検出器回路またはデジタル位相検出器のどちらでもよい。デジタル位相検出器の実行は、組み合わせ論理を用いて、プログラマブル論理を用いて、またはコントローラのソフトウェアにおいて行うことができる。ある実施形態では、Texas Instruments,Inc.製造の4046または74HC4046タイプの位相ロックループ統合コントローラに含まれる位相検出器等の統合位相検出器回路を用いることができる。別の実施形態では、位相検出器651の実行は、アナログデジタル変換器を用いてセンサ信号デジタル化し、その後、センサ641および642から受け取ったサンプルのベクトル逆正接関数を適合させることにより行われる。さらなる実施形態では、フィルタリングおよび位相検出器機能は、他の周波数の雑音を拒絶しながらACライン周波数のみにおける信号の大きさおよび位相角を求める複雑な高速フーリエ変換FFTアルゴリズム等のピリオドグラムに基づく最尤推定量を用いることによって組み合わせられる。

0066

位相インジケータ619は、センサ641および642の入力信号間の所望の位相関係に達したことをユーザに示す任意のデバイスとすることができる。一部の実施形態では、位相インジケータは、1つまたは複数のLEDでもよい。他の実施形態では、位相インジケータ619は、液晶ディスプレイ(LCD)等のグラフィカルまたは数値ディスプレイ、あるいは、センサ641および642の電圧の位相がほぼ180度異なることをユーザに示すオーディオトーンでもよい。

0067

正しい位相関係が確立されると、差動増幅器652を用いて、センサ641および642からの信号を組み合わせて、主電力導体の電流に比例した電圧または電流信号を生み出すことができる。この信号は、コントローラ213が行う計算の入力として用いることができる。同一または異なる実施例では、通信モジュール215を用いて、(a)センサの位相関係が示すセンサ641および642の適切な配置、並びに(b)センサ641および642からの差動検出信号を含むデータを演算ユニットに伝達することができる。

0068

次に別の実施形態に移り、図9は、第2の実施形態による検出デバイス910の一例を示す。図10は、第2の実施形態による、電力導体193および194上の検出デバイス910の一例を示す。この実施例では、Nが2〜10の数字である、センサ9411、9412、・・・、941Nの直線配列を使用できる。他の実施例では、Nは、4、6、8、20、50、または100等の他の数字でもよい。センサのこの直線配列の目的の1つは、ユーザが正しい配置に検出デバイス910を手で配置させる必要がないように、コントローラ213がセンサ9411、9412、・・・、941Nの内の1つまたは複数のペアを自動的に選択できるようにすることである。一部の実施形態では、検出デバイス910は、図1のシステム100における検出デバイス110の代わりに使用することができる。

0069

図9および図10を参照すると、この実施例では、検出デバイス910は、(a)センサ9411、9412、・・・、941N、(b)増幅器647および648、(c)フィルタ649および650、(d)位相検出器651、(e)差動増幅器652、(f)デジタイザ653、および(g)少なくとも1つのマルチプレクサ955および956を含み得る。

0070

図10に示されるように、センサ9411、9412、・・・、941Nの直線配列は、主電力導体193および/または194の電流に比例する信号を生じさせるために、磁場センサとして使用される少なくとも1つのセンサをセンサ9411、9412、・・・、941Nから選択するマルチプレクサ955および956に連結される。

0071

別の実施形態では、電力導体193および194の2つ以上の導体が同時に検出デバイス910によって検出される。この実施形態では、センサ9411、9412、・・・、941Nから2つの異なる通電電力導体193および194に隣接した2つの別個のセンサが選択されるように、コントローラ213は、マルチプレクサ955および956を制御する。この実施形態では、コントローラ213は、センサ信号の振幅または位相角に基づいてセンサを選択するようにマルチプレクサを制御する。一部の実施形態では、センサ9411、9412、・・・、941Nからの複数のセンサは、コントローラ213の制御下で多重化されることにより、各々が別の通電導体に対して選択的磁場連結を有する別個のセンサを選択する。

0072

再び図1を参照して、システム100は、一部の実施例では、電力導体193および194において正確な電流測定を達成するために較正を用いることができる。較正の潜在的必要性は、例えば検出デバイス110または910(図9)が訓練を受けていないユーザによって設置される場合の不十分に制御された設置形状によるものであり得る。

0073

図11は、第1の実施形態による較正デバイス180の一例を示す。較正デバイス180は、単一の較正負荷を単一の引込み導体(すなわち電力導体193または194)へと切り換えることにより、1つの引込み導体、単一の較正負荷、および中性または戻り導体(すなわち電力導体195)間で回路を完成させるように構成された単一回路較正デバイスとして図11に示されている。切り換え信号を用いることにより、図18の較正方法1800によって使用される較正負荷を用いて回路を一時的に完成させる。

0074

一部の実施例では、較正負荷モジュール283は、(a)スイッチド負荷1105、(b)変圧器1171、(c)フィルタ1172、(d)レベル変換器1173、および(e)スクエアリングデバイス1174を含み得る。スイッチド負荷1105は、(a)スイッチ1187および(b)較正負荷1188を含み得る。コントローラ285は、(a)アナログ・デジタル変換器1177、(b)デジタル入力1176、および(c)温度センサ1186を含み得る。

0075

図11の実施形態では、較正負荷モジュール283は、検出デバイス110によって測定中の単一の通電導体(分岐回路への給電線)の測定値を較正するように設計可能である。この実施形態では、単一の較正負荷1188は、コントローラ285の切り換え信号の制御下で、線路導体(例えば、主電力導体193および194)と中性導体(例えば、主電力導体195)との切り換えをスイッチ1187によって行う。米国では、スイッチド負荷1105は、120Vのコンセントと共に使用可能である。他の国では、スイッチド負荷1105は、240Vおよび他の電圧コンセントと共に使用可能である。

0076

較正負荷1188および図14図17の他の較正負荷は、レジスタとして描かれているが、較正負荷1188および図14図17の他の較正負荷は、抵抗成分の有無にかかわらず、インダクタまたはコンデンサ等の無効負荷を含むどのような負荷でもよいことを理解されたい。加えて、較正負荷は、可変抵抗を持つ負荷でもよい。さらに、スイッチ1187および図14図17の他のスイッチは機械的リレースイッチとして描かれているが、スイッチは、他の形態のスイッチングデバイスでもよいことを理解されたい。例えば、スイッチは、固体リレー等の半導体スイッチ、トライアックFET電界効果トランジスタ)、SCRシリコン制御整流器)、BJT(バイポーラ接合トランジスタ)、またはIGBT絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等のトランジスタ、または他の制御可能なスイッチングデバイスでもよい。

0077

図11に示されるように、通信モジュール281は、コントローラ285に連結されることにより、較正デバイス180から演算ユニット120への較正済みの電流測定値の転送が可能となる。一部の実施例では、通信モジュール281は、受信機および送信機を含み得る。通信モジュール281は、任意の周波数で任意のデータリンクプロトコルを用いて動作する、どのような形態の有線または無線通信デバイスも含み得る。ある実施形態では、通信モジュール281は、Texas Instruments,Inc.から入手可能な部品番号CC2500の2.4GH送受信機を含む。別の実施形態では、通信モジュール281は、Texas Instruments,Inc.から入手可能な部品番号CC2010の900MHz送受信機を含む。一部の実施形態では、通信モジュール281は、以下の通信プロトコル:WiFi(IEEE802.11)、Zigbee(登録商標)(IEEE802.15.4)、ZWave、またはSimpliciTIプロトコルの何れを用いても通信可能である。別の実施形態では、独自のデータ通信プロトコルが用いられる。さらなる実施形態では、通信モジュール215と、通信モジュール281および/または221との通信リンクは、監視導体によって達成される。この実施形態では、通信リンクは、較正デバイスが連結される分岐回路の少なくとも1つの導体に伝達信号投入することによって形成される電力線通信PLC)からなる。

0078

図11に示される実施例では、電源289は、電源289を含み得る。電源289は、絶縁型変圧器およびDC電源を含み得る。電源289は、米国およびカナダでは120Vあるいはヨーロッパでは220V等のAC電源線間電圧からの入り線間電圧を、電力コントローラ213および較正デバイス180の他の要素への3.3Vまたは5VDC等の低DC電圧へと変換する。

0079

コントローラ285は、入りAC電源線間電圧に比例する、より低電圧のAC信号へとレベル変換器1173によって変換される入りAC電源線間電圧のサンプルを受信することができる。一部の実施形態では、入りAC電源線間電圧は120VACであるが、より低電圧のAC信号は、0〜3.3Vの範囲内である。一部の実施形態では、レベル変換器1173を用いて、+Vおよび−Vが交互となる両極性信号から0VおよびVDD間の単極性信号またはアナログ・デジタル変換器1177の有効電圧範囲内の別の単極性信号範囲へと低電圧信号を転換させる。アナログ・デジタル変換器1177は、図12に示されるように、入り低電圧信号をサンプリングすることができる。同一または異なる実施形態では、フィルタ1172は、低電圧信号の周波数範囲をACライン周波数に限定することができる。

0080

多くの実施例では、アナログ・デジタル変換器1177は、コントローラ285に組み込むことが可能である、あるいは、コントローラ213とは別個のものであるが、コントローラ285に連結されていてもよい。サンプリングされたAC線間電圧によって、コントローラ213が入りAC線間電圧を測定することが可能となり、AC線間電圧に比例したサンプリングされた低電圧信号が与えられると、較正負荷1188によって引き出された電流を計算することによって、より正確にシステム100の較正が行われる。さらに、サンプリングされた低電圧信号を用いて、AC線間電圧に同期した位相基準を作り上げてもよい。

0081

一部の実施形態では、コントローラ285は、位相基準を作り上げるために方形波低電圧信号を用いる。これらの実施形態では、スクエアリングデバイス1174は、方形波低電圧信号を生成する。方形波低電圧信号は、低電圧AC信号と同じ周期および零交差イミングを持つ方形波でもよい。方形波信号と低電圧信号とのこの関係は、図13に示されている。ある実施形態では、スクエアリングデバイス1174は、シュミットトリガ比較器、またはインバータまたはトランジスタレベルシフタ等のデジタル論理ゲートを含み得る。方形波振幅は、コントローラ285と互換性のある論理レベルが選択される。方形波信号は、入りAC線間電圧の振幅に関する情報は含まないが、方形波信号の正および負に向かうエッジが入りAC線間電圧の零交差と同期するので、位相情報は含んでいる。

0082

一部の実施形態では、低電圧信号またはその方形波同等物の一方から得られた位相基準を用いて、検出デバイス110によって報告された較正済みの電流測定値と、入り電源線間電圧との相対位相角を測定する。電圧および電流間のこの相対位相角測定値を用いて、検出デバイス110によって測定される電力導体に接続された無効負荷の力率を正確に把握する。力率は、電圧および電流波形間の位相角のコサインである。この力率は、サンプリングされた低電圧信号から直接的に計算可能であり、あるいは、方形波低電圧信号の場合には、方形波信号のエッジ遷移に適切な周波数の正弦曲線を適合させることによって間接的に計算してもよい。

0083

力率は、導体を流れる皮相電力と比較した導体を流れる実電力の比である。一部の実施形態では、ユーティリティ提供の電力計の示度数の概算を向上させるためには、システム100のユーザに対する電力導体193、194、および195を流れる実電力の報告が優先される。これらの実施形態では、低電圧信号によって提供される位相情報は、予測電力を正確に計算するためには重要である。

0084

較正負荷1188は、スイッチ1187を用いてスイッチがオンになると電流を浪費するので、較正負荷1188は加熱を受ける。較正負荷1188自体に対して、または較正デバイス180のハウジング内の他の構成要素に対して、または較正デバイス180に近接する人や物に対して熱的損傷を引き起こすことにより、この加熱は、較正負荷1188の安全な動作を脅かす可能性がある。

0085

一部の実施形態では、コントローラ285は、二金属サーモスタットサーミスタ、または半導体温度センサ等の温度センサ1186を含む。一部の実施形態では、温度センサ1186は、較正負荷1188または較正デバイス180のハウジングが熱すぎると、切り換え信号を中断して、較正負荷1188をオフにする。

0086

さらなる実施形態では、コントローラ285は、較正負荷1188または較正デバイス180のハウジングが較正プロセスの開始時には熱すぎないことを確実にするために、較正負荷1188をオンにする前に、温度センサ1186の温度示度数をチェックする。またさらなる実施形態では、コントローラ285は、較正負荷1188の典型的な動作期間後に、較正負荷1188が熱くなりすぎる可能性が高いか否かを決定するために、外挿を行ってもよい。この実施形態では、コントローラ285は、較正負荷1188または較正デバイス180のハウジングが熱くなりすぎることなくプロセスが完了できるまで、較正プロセスを延期するよう機能する。

0087

一部の実施形態では、コントローラがスイッチ1187への切り換え信号を制御するための2つの異なる制御機構が存在する。これらの2つの方法は、較正電流測定値を得るために較正プロセスを実行する2つの異なるプロセッサ位置に対応する。

0088

第1の方法では、コントローラ285は、較正負荷モジュール283と同じ場所に配置され、それを制御する。コントローラ285は、検出デバイス110(通信モジュール281を介して)およびコントローラ213からセンサ示度数を得ることもできる。コントローラ285は、較正プロセス(図18を参照して以下に説明)を行い、較正電流測定値を得る。これらの実施例では、較正計算モジュール229は、演算ユニット120ではなく、較正デバイス180内に配置することができる。

0089

コントローラ285が較正プロセスを実行する第1の方法では、通信モジュール281は、検出デバイス110および/または演算ユニット120から入り信号の測定値を受信する。コントローラ285は、図20の方法2000を用いて較正電流測定値を計算することができる。較正電流測定値を計算した後に、較正デバイス180は、表示や他の使用目的で、較正電流測定値を演算ユニット120へと伝達してもよい。

0090

第2の方法では、コントローラ225(図2)またはコントローラ213(図2)等のリモートプロセッサは、スイッチのオンおよびオフを較正負荷1188に命令し、このコントローラ(コントローラ225またはコントローラ213)は、図18の較正方法1800を実施し、図20の方法2000に記載のように、較正電流測定値を獲得する。

0091

第2の方法が較正を管理する際にコントローラ225と共に使用される場合、コントローラ225は、通信リンクを介してコントローラ285からメッセージを受信する。一部の実施形態では、コントローラ225は、較正負荷を指定の期間オンにするメッセージを送信する。一部の実施形態では、この期間は、1つまたは複数の所定の期間から選択される。他の実施形態では、ターンオフメッセージがコントローラ285によって受信されるまで、あるいは、タイムアウトタイマの終了、または較正負荷1188またはそのハウジングが熱すぎることを示す温度センサ1186の起動まで、較正負荷1188はオンにされる。

0092

さらなる実施形態では、コントローラ285は、ある特定の期間、較正負荷をオンにする決定を単独で行う。一部の実施例では、コントローラ285は、ある特定の期間、較正負荷1188のスイッチをオンおよびオフにする一方で、同時に、前もって、または後に、較正負荷1188のスイッチがオンにされたことを示す通知をコントローラ225に送信する。この実施形態では、コントローラ213は、コントローラ285から受信したメッセージ間の既知の時間オフセットを用いることにより、通信リンクを介してコントローラ285から受信したメッセージによって示された較正負荷1188のオン/オフ時間に較正プロシージャのフローを同期させる。さらなる実施例では、コントローラ285は、コントローラ213および/または225(図2)に公知の順序で、較正負荷1188のスイッチをオンおよびオフにする。

0093

図11は、較正デバイス180内のスイッチド負荷1105の一例を示す。スイッチド負荷の他の可能な構成を図14図17に示す。

0094

具体的には、図14は、第3の実施形態によるスイッチド負荷1405の一例を示す。スイッチド負荷1405は、(a)スイッチ1187および1442、および(b)較正負荷1188および1441を含み得る。この実施形態では、スイッチド負荷1405は、図2および図11の較正デバイス180内のスイッチド負荷1105に取って代わる

0095

この実施形態では、スイッチド負荷1405は、検出デバイス110によって測定中の単一の通電導体(「線路」と表示された分岐回路への給電線)の測定値を較正するように設計可能である。この実施形態では、コントローラ285は、較正負荷1188および1441間を切り換えることにより、較正プロセスにおいて使用される2つの異なる組の測定値を提供することができる。他の実施例では、スイッチド負荷1405は、3つ以上の較正負荷の3つ以上のスイッチを含み得る。

0096

図15は、第4の実施形態によるスイッチド負荷1505の一例を示す。スイッチド負荷1505は、(a)スイッチ1587および1542、および(b)較正負荷1588および1541を含み得る。この実施形態では、スイッチド負荷1505は、図2および図11の較正デバイス180内のスイッチド負荷1105に取って代わる。

0097

この実施形態では、スイッチド負荷1505は、検出デバイス110によって測定中の2つの通電導体(「線路1」および「線路2」と表示された分岐回路への給電線)の測定値を較正するように設計可能である。この実施形態では、2つの別個の較正負荷1588および1541は、コントローラ285からの切り換え信号の制御下で、個々の線路導体と中性導体との切り換えを行うことができる。コントローラ285は、以下のように較正負荷を電気的に連結させるために、切り換え信号を制御することができる。

0098

0099

図16は、第5の実施形態によるスイッチド負荷1605の一例を示す。スイッチド負荷1605は、(a)スイッチ1687、1642、および1643、および(b)較正負荷1588および1541を含み得る。この実施形態では、スイッチド負荷1605は、図2および図11の較正デバイス180におけるスイッチド負荷1105に取って代わる。

0100

この実施形態では、スイッチド負荷1605は、検出デバイス110によって測定中の2つ以上の通電導体(「線路1」および「線路2」と表示した分岐回路への給電線)の測定値を較正するように構成することもできる。この実施形態では、2つの別個の較正負荷1588および1541がスイッチを入れられることにより、較正負荷1588および1541は、個々に中性戻り線接続可能となる、あるいは分相電力システムにおいて一般的であるように、ペアで線路1と線路2のペアに接続可能となる。コントローラ285は、切り換え信号を制御することにより、以下のように較正負荷を電気的に連結することができる。

0101

0102

図17は、第6の実施形態によるスイッチド負荷1705の一例を示す。スイッチド負荷1705は、(a)スイッチ1787、1742、および1743と、(b)較正負荷1788とを含み得る。この実施形態では、スイッチド負荷1705は、図2および図11の較正デバイス180におけるスイッチド負荷1105に取って代わる。

0103

この実施形態では、スイッチド負荷1705は、検出デバイス110によって測定中の2つ以上の通電導体(「線路1」および「線路2」と表示された分岐回路への給電線)の測定値を較正するように構成することもできる。この実施形態では、単一の較正負荷1788のスイッチを入れることにより、分相電力システムにおいて一般的であるように、2つの導体プラス中性線の較正が可能となる。スイッチ1787および1743は、単極双投SPDT)スイッチでもよい。スイッチ1787および1743を較正負荷1788と共に使用することにより、様々な組み合わせの分岐回路導体を連結することができる。スイッチド負荷1705は、単一の較正負荷が用いられることにより、スイッチド負荷1605(図16)と比較して、実施費用を安くすることができる。コントローラ285は、切り換え信号を制御することにより、以下のように較正負荷を電気的に連結することができる。

0104

0105

多くの実施例では、電気インフラの両方の位相線を較正する必要がある。従って、図11および図14図17の較正デバイスの1つは、第1の位相分岐および第2のフレーズ分岐にプラグを差し込まれる必要がある。図2に示した実施例では、較正デバイス180は、第1の較正デバイスであり、演算ユニット120は、第2の較正デバイスを含む。他の実施例では、単一の較正デバイス(例えば、スイッチド負荷1505、1605、または1705の1つを備えた較正デバイス)は、第1および第2の位相分岐の両方に連結される240Vコンセントに連結可能である。

0106

図11および図14図17の較正デバイスの1つが第1の位相分岐および第2のフレーズ分岐の各々にプラグを差し込まれる実施形態では、較正デバイスは、互いにと、検出デバイスと、演算ユニットと通信できる必要がある。幾つかの異なる通信方法が実施可能である。例えば、全ての較正デバイスが、データを受信および送信することができる。他の実施例では、1つの較正デバイス(例えば、図1の較正デバイス180)が、データを送信可能であり、第2の較正デバイス(例えば、図2の演算ユニット120)がデータを受信可能である。

0107

一部の実施形態では、2つの較正デバイスが無線通信できる。例えば、図2の通信モジュール281および通信モジュール221は、無線機を含み得る。較正デバイスは、観測された60Hz周期の位相角を他のキャリブレータに報告することにより、異なる電気的位相分岐上にそれらが存在するか否かを決定するように構成されている。一部の実施例では、電流または電圧で零交差がいつ生じたかを、1つの較正デバイスが、無線で他の較正デバイスに報告することができる。両方の較正デバイスが同じ電気的位相分岐上に設置される場合には、メッセージ中に、受信した無線メッセージ重複部分が生じる。観測された零交差と受信メッセージとのオフセットが存在する場合には、較正デバイスは、異なる電気的位相分岐上に設置されている。

0108

同一または異なる実施例では、較正デバイス180(図1)上のユーザ通信デバイス184は、単一の赤色/緑色LEDを含み得る。緑色LEDは、2つの較正デバイスが2つの異なる位相上に正しく設置されていることを示してもよい。例えば、ユーザは、最初に、図1の較正デバイス180(すなわち、送信側較正デバイス)を任意の電気コンセントに差し込む。次に、ユーザは、図1の演算ユニット120(すなわち、受信側較正デバイス)を別の電気コンセントに差し込む。ユーザ通信デバイス184のLEDは、赤色に点灯することにより、両方が同じ位相上に存在することを示してもよく、あるいは、それらが異なる位相分岐上に存在する場合には、緑色に点灯してもよい。ユーザは、ユーザ通信デバイス184の緑色インジケータが表示されるまで、第2のキャリブレータを別のコンセントに移動させることができる。

0109

他の実施形態では、無線通信は、検出デバイス110、較正デバイス180、および演算ユニット120のそれぞれの間にも存在し得る。この実施形態では、検出デバイス110は、ブレーカーパネルにおいて2つの電気的位相を検出可能である。較正デバイス180がその電気的負荷を周期的に繰り返すと、較正デバイス180は、検出デバイス110に通知し、検出デバイス110は、どの位相較正デバイス180を連結するかを決定することができる。演算ユニット120は、その負荷サイクルをいつ開始するかを検出デバイス110に報告することもできる。検出デバイス110は、どの位相角にこれらの変化が生じているかを観測することにより、キャリブレータが2つの異なる位相に設置されていることを推測する。

0110

さらに別の実施例では、非無線通信方法を用いて、較正デバイス180と演算ユニット120との通信を行うことができる。これらの実施例では、通信モジュール221および/または281は、信号インジェクタおよび/または信号受信機を含み得る。この実施例では、較正デバイス180および演算ユニット120は、電力インフラ上で信号を送ることができる。例えば、単純な1kHz(キロヘルツ)トーンを用いることができる。同一または異なる実施例では、信号は、電力インフラの1つまたは複数の導体に投入された振幅変調電圧からなる。別の実施形態では、信号は、電力インフラから引き出された振幅変調電流からなる。さらなる実施形態では、信号は、周波数変調電圧または電流からなる。ある実施形態では、演算ユニット120は、信号の送信機として指定可能であり、較正デバイス180は、受信機として設計可能である。較正デバイス180が電気コンセントに差し込まれると、ユーザ通信デバイス184は、第1のデバイスによって送信されている信号の存在を検出できなければ、緑色LEDを点灯してもよい。較正デバイス180および演算ユニット120が別々の位相分岐に連結される場合には、較正デバイス180および演算ユニット120は、他方によって電力インフラに配置された信号を検出することができない。

0111

較正デバイス180が信号を検出すると、2つの較正デバイスが同じ位相にあることを、赤色ライトが示してもよい。この時点で、ユーザは、較正デバイス180または演算ユニット120の一方を別の電気コンセントに移動させるように指示を受けることができる。さらに別の実施形態では、信号インジェクタおよび/または受信機を含む通信モジュール221および281の代わりに、通信モジュール221および281は、較正デバイス180および演算ユニット120が電力インフラ上で通信可能となるように、電力線通信(PLC)モジュールを含んでもよい。

0112

別の実施形態に移り、図18は、ある実施形態による電気監視システムの較正方法1800の一実施形態のフローチャートを示す。方法1800は、単なる例示であり、本明細書に提示される実施形態に限定されるものではない。方法1800は、本明細書に具体的に描写または記載されていない多くの様々な実施形態または実施例において用いることができる。一部の実施形態では、方法1800の作業、プロシージャ、および/またはプロセスは、提示された順序で行うことができる。他の実施形態では、方法1800の作業、プロシージャ、および/またはプロセスは、その他の適切な順序で行うことができる。さらに他の実施形態では、方法1800の作業、プロシージャ、および/またはプロセスの1つまたは複数を、組み合わせる、または省略することができる。

0113

方法1800は、一般的な検出デバイスの較正方法を記述していると見なすことができる。この方法は、図20の方法2000における構造物の電力インフラにおいて予測電流の計算に使用可能な1つまたは複数の較正係数の決定を伴い得る。以下に説明する方法を用いることにより、以下の点:(a)主電力導体193および194から識別可能な信号がほとんど測定されないほど、電流センサ211(図2)が、主電力導体193および194(図1)から離れて配置されている場合、および(b)全ての電流センサ211(図2)が中性電力導体195(図1)の非常に近くに配置され、電力導体193および194からは離れて配置される場合を除き、パネル196(図1)上の検出デバイス110(図1)の位置とは無関係に、較正係数を正確に計算することができる。

0114

図18の方法1800は、1つまたは複数の第1の基準測定値の獲得および保存の作業1860を含む。一部の実施例では、検出デバイス110(図2)を使用して、電流センサ211(図2)を用いて第1の基準測定値を得ることができる。これらの第1の基準測定値は、電力を引き出している電気デバイスによる、電力導体193または194(図1)の少なくとも1つを流れる公称電流を含み得る。さらに、各センサ(例えば、センサ641および642(図6)またはセンサ9411、9412、・・・941N(図9))において、振幅および位相の測定を行うことができる。各振幅示度数Lは、Lold−Nの名称で保存され、各位相示度数Qは、Qold−Nの名称で保存され、Nは、センサの数である。一部の実施例では、第1の基準測定は、第1の位相分岐および第2の位相分岐の両方に対して行われる。

0115

一部の実施例では、作業1860は、電圧の振幅および位相角の決定も含む。電圧の位相角の使用は、電流の位相角の計算に役立てることができる。一部の実施例では、図2の電圧センサ228を用いて、電圧の位相角を決定することができる。

0116

続いて、図18の方法1800は、第1の既知の較正負荷を第1の位相分岐に一時的に連結する作業1861を含む。一部の実施例では、較正デバイス180(図1および図11)は、それぞれ図11図14図15図16、および図17のスイッチド負荷1105、1405、1505、1605、または1705において較正負荷の1つを連結可能である。

0117

次に、図18の方法1800は、第1の位相分岐上で1つまたは複数の第1の較正測定値を獲得および保存する作業1862を含む。一部の実施例では、検出デバイス110(図2)を用いて、電流センサ211(図2)から第1の較正測定値を得ることができる。一部の実施例では、それぞれ図11図14図15図16、および図17のスイッチド負荷1105、1405、1505、1605、または1705からの既知の較正負荷が第1のフレーズ分岐(例えば、図15図17の線路1)に連結された状態で、第1の較正測定が行われる。この第1の既知の較正負荷は、既知の電流Lcal−1を引き出す。これらの第1の較正測定値には、電力を引き出す電気器具および第1の既知の較正負荷による電力導体193または194(図1)の少なくとも1つを流れる公称電流が含まれ得る。

0118

例えば、各センサ(例えば、センサ641および642(図6)またはセンサ9411、9412、・・・941N(図9))において、振幅および位相角の測定が行われる。各振幅示度数Lは、Lnew−N−1等の名称で保存され、各位相角示度数Qは、Qnew−N−1等の名称で保存され、Nは、センサの数である。

0119

一部の実施例では、作業1862は、電圧の振幅および位相角の決定も含む。電圧の位相角の使用は、電流の位相角の計算に役立てることができる。一部の実施例では、図2の電圧センサ228を用いて、電圧の位相角を決定することができる。

0120

図18の方法1800は、第1の既知の較正負荷を切り離し、第2の既知の較正負荷を第2の位相分岐に一時的に連結する作業1863を継続する。一部の実施例では、較正デバイス180(図1および図11)は、それぞれ図14図15、および図16のスイッチド負荷1405、1505、または1605において較正負荷の1つを連結可能である。一部の実施例では、第2の既知の較正負荷は、第2の位相分岐(例えば、図15図17の線路2)に連結される。

0121

続いて、図18の方法1800は、第2の位相分岐上で第2の較正測定値を獲得および保存する作業1864を含む。一部の実施例では、検出デバイス110(図2)を用いて、電流センサ211(図2)から第2の較正測定値を得ることができる。これらの第2の較正測定値には、電力を引き出す電気器具および第2の既知の較正負荷による電力導体193または194(図1)の少なくとも1つを流れる公称電流が含まれ得る。一部の実施例では、既知の較正負荷が第2のフレーズ分岐(例えば、図15図17の線路2)に連結された状態で、第2の較正測定が行われる。この第2の既知の較正負荷は、既知の電流Lcal−2を引き出す。

0122

例えば、各センサ(例えば、センサ641および642(図6)またはセンサ9411、9412、・・・941N(図9))において、振幅および位相角の測定が行われる。各振幅示度数Lは、Lnew−N−2の名称で保存され、各位相角示度数Qは、Qnew−N−2等の名称で保存され、Nは、センサの数である。

0123

一部の実施例では、作業1864は、電圧の振幅および位相角の決定も含む。電圧の位相角の使用は、電流の位相角の計算に役立てることができる。一部の実施例では、図2の電圧センサ228を用いて、電圧の位相角を決定することができる。

0124

次に、図18の方法1800は、電力導体193、194、および/または195(図1)から既知の較正負荷(すなわち第2の較正負荷)を切り離す作業1865を含む。

0125

図18の方法1800は、1つまたは複数の第2の基準測定値の獲得および保存の作業1866を継続する。一部の実施例では、検出デバイス110(図2)を使用して、電流センサ211(図2)から第2の基準測定値を得ることができる。この第2の基準測定値は、電力を引き出している電気器具による、電力導体193または194(図1)の少なくとも1つを流れる公称電流を含み得る。この第2の基準示度数の目的は、作業1861において観測された基準負荷が較正プロセス中に変化しなかったことを確かめることである。所定量の範囲内で、作業1866における測定値が1861からの測定値と等しければ、作業1866からの測定値は、廃棄可能である。作業1866における測定値が所定量外であれば、1861からの測定値は、廃棄可能である。他の実施例では、作業1866を省略することができる。

0126

一部の実施例では、作業1866は、電圧の振幅および位相角の決定も含む。電圧の位相角の使用は、電流の位相角の計算に役立てることができる。一部の実施例では、図2の電圧センサ228を用いて、電圧の位相角を決定することができる。

0127

続いて、図18の方法1800は、較正係数を決定する作業1867を含む。一部の実施例では、作業1867は、1つまたは複数のセンサ較正方程式を基準測定値および各較正測定値に当てはめることにより、検出デバイス110(図1)の較正係数を解き、検出デバイス110によって検出される少なくとも1つの導体において較正電流測定値が得られる。一部の実施例では、較正計算モジュール229(図2)は、以下のように較正係数を決定することができる。

0128

図19は、第1の実施形態による、較正係数を決定する作業1867の実施形態例のフローチャートを示す。一部の実施例では、作業1867は、較正係数QM、K1、K2、Y1、およびY2、の計算を広く含み得る。他の実施例では、他の較正係数を決定することができる。

0129

図19を参照し、作業1867は、第1の位相分岐に関する可能な較正係数を決定するプロシージャ1971を含む。一部の実施例では、各センサ1〜N(Nは、電流センサにおけるセンサの数)ごとに、プロシージャ1971は、Lold−N、Qold−N、Lcal−1、Lnew−N−1、およびQnew−N−1を用いた、XN−1およびQM−N−1の計算を含んでもよく、
XN−1=[√{Lold−N2+Lnew−N−12−2*Lold−N*Lnew−N−1*Cos(Qold−N−Qnew−N−1)}]/Lcal−1
および
QM−N−1=Qnew−N−1−Sin−1[(Lold−N*Sin(Qold−N−Qnew−N−1))/(XN−1*Lcal−1)]である。

0130

さらに、一部の実施例では、QM−N−1>180°であれば、
QM−N−1=QM−N−1−180°
および
XN−1=XN−1*(−1)である。

0131

図19の作業1867は、第2の位相分岐に関する可能な較正係数を決定するプロシージャ1972を継続する。一部の実施例では、各センサ1〜Nに関して、プロシージャ1972は、Lold−N、Qold−N、Lcal−2、Lnew−N−2、およびQnew−N−2を用いた、XN−2およびQM−N−2の計算を含んでもよく、
XN−2=[√{Lold−N2+Lnew−N−22−2*Lold−N*Lnew−N−2*Cos(Qold−N−Qnew−N−2)}]/Lcal−2
および
QM−N−2=Qnew−N−2−Sin−1[(Lold−N*Sin(Qold−N−Qnew−N−2))/(XN−2*Lcal−2)]である。

0132

さらに、一部の実施例では、QM−N−2>180°であれば、
QM−N−2=QM−N−2−180°
および
XN−2=XN−2*(−1)である。

0133

続いて、図19の作業1867は、測定値の有効性をチェックするプロシージャ1973を含む。プロシージャ1973では、センサ1〜Nの各々に関して、所定の許容範囲(例えば、0.1%、1%、5%、10%、または20%)内で、QM−N−1=QM−N−2であれば、そのセンサの測定値は維持される。所定の許容範囲内でQM−N−1≠QM−N−2であれば、そのセンサの位相角は廃棄される。

0134

次に、図19の作業1867は、プロシージャ1973で廃棄されなかったセンサのQM−N−1に関する統計モードQmodeを決定するプロシージャ1974を含む。一部の実施例では、統計モードは、プロシージャ1973で廃棄されなかったセンサに関して所定許容範囲内で最も頻繁に生じる位相角である。

0135

図19の作業1867は、較正係数の第1の部分を決定するプロシージャ1975を継続する。一部の実施例では、プロシージャ1975は、残りのセンサから、最も高い値XN−1を有するセンサを選択し、XN−1=K1およびXN−2=K2およびQM−N−1=QM−Kを割り当てることを含む。この選択されたセンサは、これよりセンサKと称する。センサKは、作業1867の残りの部分に関して利用可能なセンサの候補リストから廃棄可能である。

0136

続いて、図19の作業1867は、較正係数の第2の部分を決定するプロシージャ1976を含む。一部の実施例では、プロシージャ1976は、残りのセンサから、最も高い値XN−2を有するセンサを選択し、XN−2=Y1およびXN−2=Y2およびQM−N−2=QM−Yを割り当てることを含む。この選択されたセンサは、これよりセンサYと称する。

0137

次に、図19の作業1867は、較正係数の第3の部分を決定するプロシージャ1977を含む。一部の実施例では、QMは、
QM=[QM−Y+QM−K]/2で計算される。

0138

上記の較正係数の決定に使用される公式の例は、例示にすぎない。他の実施例では、他の公式(例えば、一次、非線形、二次、および/または反復方程式)を用いて、同一または異なる較正係数を計算することができる。

0139

例えば、検出デバイスは、ただ1つのセンサを用いて較正(および予測電流の決定)を行うことができる。この実施例では、センサは、主電力導体193および194(図1)からの磁場がセンサにおいて対称的である位置に配置される。すなわち、主電力導体193および194(図1)からの磁場は、センサにおいて対称的である。さらに、この実施例では、センサZは、中性戻り導体を表す主電力導体195(図1)からの磁場が小さく、無視できる位置にある。

0140

磁場が対称的であるこの時点のセンサを、センサZと呼ぶこととする。この実施例では、センサZにおいて測定された電流は、
LZ=KZ*Lpredictedに等しい。
式中、LZは、センサZによって測定された電流であり、KZは、定数であり、Lpredictedは、第1の位相分岐および第2の位相分岐における一体化した予測電流である。

0141

この実施例では、作業1860または1866でセンサZにおいて得られた基準電流測定値は、LZ−baselineとして保存されてもよい。センサZにおいて得られた第1の較正測定値は、LZ−calに保存されてもよく、第1の既知の較正負荷の電流は、ΔPでもよい。この実施例では、KZは、
KZ=(LZ−cal−LZ−baseline)/ΔPで計算可能である。

0142

他の実施例では、3つ以上の較正測定値を必要とする他の較正方程式を使用することができる。これらの実施例では、必要数の較正点を得るために、異なる較正負荷を用いて、必要な回数だけ作業1861〜1866(図18)を繰り返してもよい。

0143

プロシージャ1977の完了後に、較正係数を計算する作業1867が完了する。

0144

再び図18を参照し、図18の方法1800は、較正係数を保存する作業1868を継続する。一部の実施例では、較正係数は、図1および図2の演算ユニット120のメモリ226に保存可能である。同一または異なる実施例では、較正係数は、図1の検出デバイス110および/または較正デバイス180のメモリに保存可能である。さらに他の実施形態では、較正係数は、保存および使用のためにリモートサーバに送信可能である。作業1868後に、方法1800が完了する。

0145

図20は、電力導体の予測電流を決定する方法2000の一実施形態のフローチャートを示す。方法2000は、例示に過ぎず、本明細書に提示された実施形態に限定されるものではない。方法2000は、本明細書に具体的に描写または記載されていない多くの様々な実施形態または実施例において用いることができる。一部の実施形態では、方法2000の作業、プロシージャ、および/またはプロセスは、提示された順序で行うことができる。他の実施形態では、方法2000の作業、プロシージャ、および/またはプロセスは、その他の適切な順序で行うことができる。さらに他の実施形態では、方法2000の作業、プロシージャ、および/またはプロセスの1つまたは複数を、組み合わせる、または省略することができる。

0146

方法2000は、電力導体に使用される予測電力(および/または電流)を決定する一般的な方法を記載する。この方法は、幾つかの所定の較正係数(図18の方法18を参照)を用いた、構造物の電力インフラにおける予測電流の決定を伴う。以下に説明する方法を用いて、以下の点:(a)識別可能な信号がほとんど測定されないほど、電流センサ211(図2)が、主電力導体193および194(図1)から離れて配置されている場合、および(b)全ての電流センサ211(図2)が中性電力導体195(図1)の非常に近くに配置され、電力導体193および194からは離れて配置される場合を除き、パネル196(図1)上の検出デバイス110(図1)の位置とは無関係に、予測電流を正確に計算することができる。一部の実施例では、方法2000は、電力インフラの各分岐(例えば、第1および第2の位相分岐)上における予測電流L1−predictedおよびL2−predicted(電力を供給する電気ユーティリティによって報告されるような)の計算を広く含み得る。

0147

一部の実施例では、図18の方法1800および方法2000を組み合わせることにより、消費電力測定デバイスを用いる方法を生み出すことができる。代替的に、方法2000と組み合わせられた図18の方法1800は、電力導体の予測電流(および/または電力)の決定方法と見なすことができる。これらの実施形態では、方法1800は、較正係数を決定するために一度行うことが可能で、方法2000は、様々な時点の構造物の負荷によって使用される予測電流(および/または電力)を決定するために、繰り返し以前となることが可能である。

0148

図20を参照し、方法2000は、第1の電流センサを用いて第1の組の測定を行う作業2061を含む。様々な実施形態において、電流センサ211(図2)の1つを用いて、第1の組の測定を行うことができる。一部の実施例では、作業2061は、センサKにおける振幅および位相角の測定を含んでもよい。振幅の示度数は、LKの名称で保存されてもよく、位相角示度数は、QKの名称で保存されてもよい。

0149

一部の実施例では、作業2061は、電圧の振幅および位相角の決定も含む。電圧の位相角の使用は、電流の位相角の計算に役立てることができる。一部の実施例では、図2の電圧センサ228を用いて、電圧の位相角を決定することができる。

0150

続いて、図20の方法2000は、第2の電流センサを用いて第2の組の測定を行う作業2062を含む。様々な実施形態において、電流センサ211(図2)の1つを用いて、第1の組の測定を行うことができる。一部の実施例では、作業2063は、センサYにおける電流の振幅および位相角の測定を含んでもよい。振幅の示度数は、LYの名称で保存されてもよく、位相角示度数は、QYの名称で保存されてもよい。

0151

一部の実施例では、作業2062は、電圧の振幅および位相角の決定も含む。上記のように、電流の位相角は、センサによって測定された位相角から電圧の位相角を引いたものに等しい。一部の実施例では、図2の電圧センサ228を用いて、電圧の位相角を決定することができる。

0152

次に、図20の方法2000は、第1の位相分岐で使用される予測電力を決定する作業2063を含む。一部の実施例では、作業2063は、較正係数QM、K1、K2、Y1、およびY2を用いた、第1の位相分岐の振幅L1および第1フレーズ分岐の位相角Q1の決定を含んでもよく、
L1=[√{(LK/K2)2+(LY/Y2)2−2*(LK/K2)*(LY/Y2)*Cos(QK−QY)}]/[(K1/K2)−(Y1/Y2)]
および
Q1=Tan−1[{(LK/K2)*Sin(QK−QM)−(LY/Y2)*Sin(QY−QM)}/{(LK/K2)*Cos(QK−QM)−(LY/Y2)*Cos(QY−QM)}]である。

0153

一部の実施例では、第1の位相分岐における予測電力P1−predictedは、電気ユーティリティによって報告されるような第1のフレーズ分岐の電力でもよい。一部の実施形態では、第1の位相分岐における予測電流L1−predictedは、
P1−predicted=V*L1*Cos(Q1)である。
式中、Vは、作業2062で測定された電圧である。

0154

図20の方法2000は、第2の位相分岐で使用される予測電力を決定する作業2064を継続する。一部の実施例では、作業2064は、較正係数QM、K1、K2、Y1、およびY2を用いた、第2の位相分岐の振幅L2および第2のフレーズ分岐の位相角Q2の決定を含んでもよく、
L2=[√{(LK/K1)2+(LY/Y1)2−2*(LK/K1)*(LY/Y1)*Cos(QK−QY)}]/[(K2/K1)−(Y2/Y1)]
および
Q2=Tan−1[{(LK/K1)*Sin(QK−QM)−(LY/Y1)*Sin(QY−QM)}/{(LK/K1)*Cos(QK−QM)−(LY/Y1)*Cos(QY−QM)}]である。

0155

一部の実施例では、第2の位相分岐における予測電力P2−predictedは、電気ユーティリティによって報告されるような第2のフレーズ分岐の電力でもよい。一部の実施形態では、第2の位相分岐における予測電流P2−predictedは、
P2−predicted=V*L2*Cos(Q2)である。
式中、Vは、作業2062で測定された電圧である。

0156

検出デバイスが、ただ1つのセンサZを用いる第2の実施例では、予測電力Ppredictedの決定は、比較的単純である。この実施例では、センサZは、主電力導体193および194(図1)からの磁場がセンサZにおいて対称的である位置に配置され、センサZは、主電力導体195(図1)からの磁場が小さく、無視できる位置にある。この実施例では、センサZにおいて測定される電力は、
Ppredicted=V*LZ/KZで計算することができる。
式中、Vは、作業2062で測定された電圧であり、LZは、作業2061でセンサZによって測定された電流であり、KZは、定数(図18の作業1867において既に決定済み)である。

0157

図20の方法2000は、第1および第2の位相分岐の予測電流を使用および/または報告する作業2065を継続する。総予測電力Ppredictedは、第1のフレーズ分岐の予測電力および第2のフレーズ分岐の予測電力の合計:
Ppredicted=P2−predicted+P1−predictedである。

0158

一部の実施例では、構造物内の負荷によって使用される電力(すなわち、Ppredicted)は、演算ユニット120(図1および図2)のユーザ通信デバイス134上でユーザに対して表示可能である。他の実施例では、使用された電力(および/または予測電流)は、電力を供給する電気ユーティリティに伝達可能である、あるいは、他の事業体に報告可能である。

0159

さらに他の実施形態では、予測電流は、観測された電流および電圧間の階段状変化および位相角に基づいて、負荷を個別単位に分ける際に使用することができる。演算ユニット120は、階段状変化(電流の増加または減少)を決定し、構造物内の1つまたは複数の電気デバイスにそれを割り当てることにより、その使用を示すことができる。さらなる分割は、各位相分岐上の電流データから120Vおよび240Vの電気器具の存在を観測することによって達成可能である。電流の階段状変化の総計に加えて、個々の位相分岐上の階段状変化は、さらに、異なる負荷または電気器具(すなわち、建物内の異なる場所に設置された同様の負荷)の存在を特定する。デバイスの内部リアクタンスによって観測される位相角の変化により、誘導負荷(すなわち、ファンモータ電子レンジコンプレッサ)の特定が可能となる。予測リアクタンスは必要とされないが、むしろ、先験的にデバイスと関連する限り、観測された生の位相角で十分である。一部の実施例では、電力インフラの電流消費量一時的変化は、住居の電気器具を特徴付け得るデバイスの起動特性性質であり得る。この技術は、既知の起動特徴のライブラリに対してテンプレート照合を用いることにより、未知の負荷を分類することに関与する。この特徴空間は、デバイスの重複するカテゴリーの影響をはるかに受けにくく、類似した負荷特性を持つ多くのデバイスを分けることができる。例えば、類似した実および無効電力消費を持つ2つのモータは、非常に異なる起動特性を示し得るので、個別単位に分けることができる。この手法は、大電流負荷を消費する、または少なくとも起動時に大電流を消費する電気デバイスに適し得る。これらの作業を用いて、電力インフラの負荷を個別単位に分けることができる。

0160

作業2065後に、方法2000が完了する。

0161

図21は、一実施形態による、主電力導体193、194、および195(図1)に対する2つの電流センサの第1の位置の一例を示す。図21に示される2つの電流センサの位置は、図18の較正方法1800および図20の電流決定方法2000のテストに用いられたものである。主電力導体193、194、および195(図1)に連結された負荷のスイッチを、ランダムにオンおよびオフにした。負荷のスイッチをランダムにオンおよびオフにしながら、電流モニタを用いて、実際の電流の監視を行った。2つの電流センサを用いて測定を行った後に、図18および図20の方法1800および2000を用いて、予測電流の計算も行った。図22は、測定電流に対する、図18および図20の方法による予測電流の比較グラフを示す。図22に示されるように、予測電流は、測定電流を綿密に反映する。

0162

図23は、一実施形態による、主電力導体193、194、および195(図1)に対する2つの電流センサの第2の位置の一例を示す。図23に示される2つの電流センサの位置もまた、図18の較正方法1800および図20の電流決定方法2000のテストに用いられたものである。主電力導体193、194、および195(図1)に連結された負荷のスイッチを、ランダムにオンおよびオフにした。負荷のスイッチをランダムにオンおよびオフにしながら、電流モニタを用いて、実際の電流の監視を行った。2つの電流センサを用いて測定を行った後に、方法1800および2000を用いて、予測電流の計算も行った。図24は、測定電流に対する、図18および図20の方法による予測電流の比較グラフを示す。図24に示されるように、予測電流は、測定電流を綿密に反映する。

0163

具体的な実施形態に関連して、本発明の説明を行ったが、本発明の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更を行い得ることは当業者には理解されるであろう。従って、本発明の実施形態の開示は、本発明の範囲の例示を意図したものであり、限定を意図したものではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲が求める範囲にのみ限定されるものとする。例えば、図18の作業1860、1861、1862、1863、1864、1865、1866、1867、および1868、図17のプロシージャ1971、1972、1973、1974、1975、1976、および1977、および図20の作業2061、2062、2063、2064、および2065は、多くの異なる作業やプロシージャから構成可能であり、多くの異なるモジュールを用いて、多くの異なる順序で行うことが可能であり、図1のいずれの要素も変更可能であり、これらの実施形態の幾つかの上記の説明は、全ての可能な実施形態の完全な記載を必ずしも表していないことが当業者には容易に明らかとなるであろう。

0164

ある特定の請求項において請求される全ての要素は、その特定の請求項において請求される実施形態に必須のものである。その結果、1つまたは複数の請求要素の差し替えは、修正ではなく再構築を成す。さらに、利益、他の利点、および課題の解決法の記載を特定の実施形態に関して行った。しかしながら、利益、利点、課題の解決法、および利益、利点、または解決法を生じさせる、あるいは、より顕著にし得るいずれの1つまたは複数の要素も、そのような利益、利点、解決法、または要素が請求項に記載されない限り、何れか1つまたは全ての請求項の重要、必要、または必須の特徴または要素として見なされるものではない。

0165

さらに、本明細書に開示の実施形態および限定は、実施形態および/または限定が、(1)特許請求の範囲において明白に請求されていない場合、および(2)均等論の下、特許請求の範囲における明白な要素および/または限定の均等物、あるいは潜在的な均等物である場合には、解放の原則の下、公衆に解放されない。

0166

100電力監視システム
110検出デバイス
120演算ユニット
180較正デバイス
213,225,285コントローラ
619位相インジケータ
651位相検出器
955,956 マルチプレクサ

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