断路器面板

申请号 CN201380039057.6 申请日 2013-07-22 公开(公告)号 CN104704696A 公开(公告)日 2015-06-10
申请人 爱迪生环球电路公司; 发明人 杰弗里·L·弗兰克斯; 史蒂芬·E·威廉姆斯; 雷·科尔;
摘要 一种电 力 输送系统包括 断路器 面板。断路器面板包括多个断路器和与每个断路器相耦接的跳闸控制 电路 。跳闸控制逻辑接收由用户输入的用于断路器中的一个选择的断路器的跳闸 电流 值和来自断路器中的该选择的断路器的电流测量值。跳闸控制电路使断路器中的该选择的断路器响应于电流测量值超过跳闸电流值而跳闸。
权利要求

1.一种电输送系统,包括:
断路器面板,包括:
多个断路器;以及
跳闸控制电路,与每个所述断路器相耦接,所述跳闸控制电路配置为:
接收由用户输入的跳闸电流值,所述跳闸电流值用于所述多个断路器中选择的断路器;
从所述选择的断路器接收电流测量值;以及
基于所述电流测量值超过所述跳闸电流值,使所述选择的断路器跳闸。
2.根据权利要求1所述的系统,其中所述跳闸控制电路还能够操作以:
接收由用户输入的跳闸时间间隔值,所述跳闸时间间隔值用于所述选择的断路器;以及
基于所述电流测量值至少在所述跳闸时间间隔值内超过所述跳闸电流值,使所述选择的断路器跳闸。
3.根据权利要求1所述的系统,还包括:
服务器,配置为与所述断路器面板进行通信;
控制器,设置在所述断路器面板中,所述控制器配置为:
选择性地授权对通过由用户输入的认证信息而被识别的所述断路器面板的一部分的访问;以及
向所述服务器提供信息,该信息识别在输入所述认证信息之后访问所述断路器面板期间对所述断路器面板做出的改变;以及
基于从所述服务器接收的指令,使所述改变逆转。
4.根据权利要求1所述的系统,其中所述断路器面板还包括显示器设备,并且所述断路器面板能够操作以在所述显示设备上显示指示所述多个断路器之一的跳闸的原因的信息以及指示所述跳闸能否被重置的信息。
5.根据权利要求1所述的系统,其中所述跳闸控制电路能够进行操作以响应于跳闸电流值而使所述选择的断路器通过比所述断路器的致动部件的跳闸响应时间短的跳闸响应时间跳闸,其中所述跳闸电流值与所述选择的断路器的额定电流值基本相等。
6.一种在包括断路器面板的系统中输送电力的方法,所述断路器面板具有多个断路器以及与每个所述断路器相耦接的跳闸控制电路,所述方法包括:
向所述跳闸控制电路提供跳闸电流值,所述跳闸电流值用于控制所述多个断路器中选择的断路器;
将来自所述选择的断路器的电流测量值耦接至所述跳闸控制电路,其中当电流测量值超过电流跳闸值时,所述跳闸控制电路使所述选择的断路器跳闸。
7.根据权利要求6所述的方法,还包括:
向所述跳闸控制电路提供用于所述选择的断路器的跳闸时间间隔值,其中所述跳闸控制电路响应于所述电流测量值至少在所述跳闸时间间隔值内超过所述跳闸电流值而使所述选择的断路器跳闸。
8.根据权利要求6所述的方法,其中提供跳闸电流值的步骤包括向控制电路提供比所述选择的断路器的额定电流低的跳闸电流值。
9.一种断路器面板,包括:
多个断路器;以及
无线通信子系统,配置为在网状网络中操作,所述网状网络包括多个互通信断路器面板。
10.根据权利要求9所述的断路器面板,其中所述无线通信子系统作为蜂窝基站进行操作。
11.根据权利要求9所述的断路器面板,还包括无线局域网接入点。
12.根据权利要求10所述的断路器面板,其中所述蜂窝基站能够在选择的微小区和微微小区之一中进行操作。
13.根据权利要求10所述的断路器面板,其中所述无线通信子系统能够进行操作以在无线局域网的多个信道上提供通信。
14.根据权利要求13所述的断路器面板,其中所述多个信道的第一信道包括公共信道,所述多个信道的第二信道包括用于与公共事业公司进行通信的专用信道。
15.一种断路器面板,包括:
多个断路器;以及
跳闸控制电路,与所述多个断路器相耦接并且能够进行操作以:
响应于相应支路中检测到的状况,自动打开所述多个断路器中选择的断路器内的开关;以及
响应于确定所述检测到的状况不再发生,自动关闭所述选择的断路器内的所述开关。
16.根据权利要求15所述的断路器面板,其中所述跳闸控制电路能够进行操作以响应于检测到与所述相应支路中的电弧故障相关联的状况而自动打开所述选择的断路器内的所述开关。
17.根据权利要求16所述的断路器面板,其中所述跳闸控制电路能够进行操作以:
分析所述支路中电流的特征;以及
基于所述电流的特征确定电弧故障是否在所述支路中发生。
18.根据权利要求15所述的断路器面板,其中所述跳闸控制电路能够进行操作以响应于检测到与相应支路中的接地故障相关联的状况而自动打开所述选择的断路器内的所述开关。
19.根据权利要求15所述的断路器面板,其中所述跳闸控制电路能够进行操作以基于故障检测间隔设定所述开关打开的时间间隔。
20.根据权利要求15所述的断路器面板,其中所述跳闸控制电路能够进行操作以响应于所述检测到的状况为故障的统计概率超过预定概率阈值而要求手动重置所述选择的断路器。
21.一种利用断路器面板配电的方法,所述断路器面板包括多个断路器和与所述多个断路器相耦接的跳闸控制电路,所述方法包括:
检测支路中的状况;
响应于检测到的所述状况,利用所述跳闸控制电路自动打开所述多个断路器中相应断路器内的开关;以及
响应于确定所述支路中检测到的所述状况不再发生,通过所述跳闸控制电路自动关闭所述相应断路器内的所述开关。
22.根据权利要求21所述的方法,其中检测支路中的状况的步骤包括检测所述支路中的电弧故障。
23.根据权利要求21所述的方法,其中检测支路中的状况的步骤包括检测所述支路中的接地故障。
24.根据权利要求22所述的方法,还包括:
分析所述支路中电流的特征;以及
基于所述电流的特征,确定检测到的所述状况是否为所述支路中的电弧故障。
25.根据权利要求21所述的方法,还包括基于故障检测间隔设定所述开关打开的时间间隔。
26.根据权利要求21所述的方法,响应于检测到的所述状况为故障的统计概率超过预定概率阈值,要求利用所述跳闸控制电路手动重置所述相应断路器。

说明书全文

断路器面板

[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2012年7月25日提交的第61/675,498号美国临时申请及于2012年12年10日提交的第61/735,172号美国临时申请的权益,上述两个美国临时申请出于所有目的通过引用并入本文。

技术领域

[0003] 本发明大体涉及断路器面板。

背景技术

[0004] 断路器面板广泛用于将电馈电分配到多个被保护的支路。面板可包括多个断路器,每个断路器保护不同的支路。断路器提供这样的自动切换机制,该自动切换机制通过中断电路的连续性来断开电流而对故障状况(例如,过载或短路)做出响应。电弧故障断路(AFCI)和接地故障断路(GFCI)分别是对电弧故障和接地故障的故障状况进行检测的较新的断路器技术。

发明内容

[0005] 本文公开了提供用于多个断路器的跳闸选项的动态控制的方法和系统。本文还公开了一种断路器面板配置,其便于用户与断路器面板之间和/或电力公共事业供应商与断路器面板之间的交互。本文还公开了一种断路器面板配置,该断路器面板配置使得多媒体/互联网传输经由断路器面板被接收。另外,所公开的断路器面板配置的至少一些实施方式提供用于用户与经由断路器面板供电的电器之间的通信的接口
[0006] 在至少一些实施方式中,断路器面板为八个支路保护产品提供过载保护。断路器面板可以是具有20Amp断路器的60安培(Amp)供电箱。下面的项目构成所公开的断路器面板的基础
[0007] 1)电气面板箱,提供60Amp、单相服务、120VAC/240VAC 50/60Hz;
[0008] 2)支路过流保护设备(断路器),具有远程跳闸能力;
[0009] 3)断路器,基于双金属/磁性跳闸致动提供独立的电路保护;
[0010] 4)传感器,集成在断路器中用于接地故障事件检测和/或电弧故障事件检测;
[0011] 5)断路器,额定值为120VAC/240VAC、50/60Hz、20Amp的单极设备;
[0012] 6)断路器,安装到设计为保持达八个断路器的塑料外壳(在本文中被称为“断路器套壳”)中;
[0013] 7)电气母线和分流测量传感器,集成到本文描述的可位于断路器套壳中的测量和控制板中;
[0014] 8)断路器,连接至线路侧电气母线而不暴露给用户;以及
[0015] 9)断路器,与位于测量和控制板上的远程感测和控制连接器配合。
[0016] 上面列出的项目可作为独立的系统被测试以提供基本的支路过载保护。除了组成母线系统和主电气连接的那些元件以外,该配置不依赖于使用本文描述的测量和控制板。各辅助特征可添加至断路器面板的支路过保护配置。这些辅助特征包括:
[0017] 1a)断路器套壳被改进以包括用于控制、测量、感测和用户接口选项的两个全组装电路板(测量和控制板、以及系统控制器板);
[0018] 1b)智能断路器功能被用于实施接地故障断路(GFCI)和电弧故障断路(AFCI)能力);
[0019] 2)测量和控制板以及系统控制器板被密封在断路器套壳内使得其变得防损坏;
[0020] 3)测量和控制板为总电力提供高质量电气公共事业度量功能,而且使支路测量/控制发挥作用;
[0021] 4)系统控制器板使用显示器(例如,TFT触摸屏)提供人机接口(HMI);
[0022] 5)显示器具有集成的触摸屏,其中触摸屏用于设置和观察使每个支路专用化的辅助特征;
[0023] 6)显示器提供状态、时间、电力测量信息以及用于测试辅助功能的装置;
[0024] 7)显示器显示电路事件、故障检测和故障特征(例如,过流、接地故障、电弧故障、线路尖峰、欠压、电力质量);
[0025] 8)使用HMI用于由安装人员进行设置以添加诸如支路特征(名称、用途等)、支路优先化和支路使能特征(GFCI、AFCI等)的功能。
[0026] 在至少一些实施方式中,所公开的断路器面板(例如,使用系统控制器板)提供从通信供应商到家庭的网关。这可通过硬连接、光纤、基站、或专有WAN实现。无论连接手段如何,协议通过通信连接处理远程登录和控制。通信网关的一种实施是使用由通信供应商供给的通信模。该通信模块例如经由USB 2.0连接与系统控制器板相连接。在至少一些实施方式中,通信模块由供应商设置以完成与小区塔协议兼容的射频(RF)接口。此设备提供至少3G和可能4G服务(如果可用)。该通信模块安装在房屋外部并且经由穿过房屋墙壁的USB 2.0电缆连接至系统控制器板。
[0027] 所公开的断路器面板支持的一些通信特征如下:1)提供高速流服务(WAN);2)经由系统控制器板将通信路由至家庭局域网(HAN)中的端点家电;3)提供用于VoiP、流视频、流语音和/或互联网连接的功能;4)提供来自/去往电力公共事业供应商的连接;5)添加公共事业供应商功能用于远程计量器读取、住宅的电力控制(通电或断电)、需求侧电力控制(基于优先级和用途控制支路)、供给分时度量信息、支持VAN和SCADA协议以保护电力公共事业供应商使用的格式和通信平台以及连接、支持可用于在任何方向发送信息的监督协议、支持用于各种目的的监督信息的使用,其中所述目的不会相互排斥(例如,用于登录、计量和/或控制);6)使用HMI用于由通信供应商和/或电力公共事业供应商进行设置;7)使用HMI用于通信设置(例如,路由、IP地址、GPS坐标、SIM设置、凭证、VPN、以及家庭局域网(HAN)的元件);8)使用HMI用于电力公共事业设置(例如,客户账户、凭证、VPN、SCADA设置);以及9)与房屋内的设备的端点无线连接是通过附接至系统控制器板的子板(WiFi和/或ZigBee通信板)实现。子板提供如下各种特征:1)包含在断路器套壳中的系统控制器板配置有一个或多个合适的子板以允许房屋内额外的端点无线通信;以及2)各种端点通信被支持,包括:VoiP(电话)、流语音(音乐)、流视频(TV)、互联网连接(膝上型计算机)、以及智能盒连接(膝上型计算机)。
[0028] 所公开的断路器面板的一些实施方式包括蜂窝基站。该蜂窝基站允许断路器面板充当蜂窝无线数据网络(例如,GSM、LTE、或其他蜂窝无线通信网络)的接入点。因此,断路器面板可提供用于蜂窝网络的微小区或微微小区的接入点。这种断路器面板可与其他蜂窝基站断路器面板互通信以形成网状网络。因此,断路器面板的实施方式可缓解对安装传统小区塔的需求。
[0029] 所公开的断路器面板的实施方式还可包括扰乱性跳闸预防逻辑。传统的断路器可响应于可能不代表实际的电弧或接地故障事件的状况而打开。例如,传统的电路故障断路器和接地故障断路器易受来自电磁脉冲的误跳闸影响。典型地,照明可能导致任意类型的电路元件扰乱性跳闸,从而需要人干涉以进行重置。所公开的断路器面板的实施方式包括开关(例如,闩继电器),所述开关可在检测到扰乱性故障事件时被打开和基于确定该故障事件已经过去而被关闭。因此,本发明的实施方式提供与打开断路器相关联的保护并且消除必须手动重置跳闸的断路器的不便性。如果故障事件的分析指示实际的故障可能正在发生(即,实际的电弧或接地故障),则实施方式使与检测到该故障的支路相关联的断路器跳闸并且要求该断路器被手动重置。附图说明
[0030] 为了更完整地理解本发明及其优点,下面结合附图参考下面的描述,在附图中:
[0031] 图1示出了根据本公开实施方式的代表性断路器系统;
[0032] 图2示出了根据本公开的另一实施方式的代表性断路器系统;
[0033] 图3示出了根据本公开实施方式的代表性断路器的框图;以及
[0034] 图4示出了根据本公开实施方式的控制断路器系统的方法。

具体实施方式

[0035] 通过参考在附图的图1至图4中描绘的所示的实施方式可最佳地理解本发明的原理及其优点,其中在附图中相似的标号指示相似的部分。某些术语在下面的描述和权利要求中用于指具体的系统部件。本领域技术人员将理解,在本领域工作的个人和公司可能以不同的名称指代具体部件。本文献不是旨在区分名称不同而功能相同的部件。在下面的讨论和权利要求中,术语“包括(including)”和“包括(comprising)”以开放的方式被使用,因此应该被解释为表示“包括但不限于…”。而且,术语“耦接(couple)”或“耦接(couples)”用于表示间接或直接的电连接。因此,如果第一设备耦接至第二设备,连接可以是直接的电连接、或者经由其他设备和连接的间接的电连接。
[0036] 图1示出了根据本公开实施方式的系统100。如图所示,系统100包括耦接至母线子系统104的多个断路器110A-110H。对于每个断路器110A-110H,还提供了电流传感器逻辑112A-112H。每个断路器110A-110H为从电源102接收电力的相应支路108A-108H提供故障保护。
[0037] 在图1中,每个断路器110A-110H耦接至跳闸控制逻辑124。在至少一些实施方式中,跳闸控制逻辑124被安装至测量和控制板120。测量和控制板120包括例如测量和故障检测接口122,通过测量和故障检测接口122从断路器110A-110H接收电力感测信号和故障感测信号。
[0038] 跳闸控制逻辑124进行操作以为断路器110A-110H中的每个提供默认的(例如,过载)跳闸选项、电弧故障断路(AFCI)跳闸选项、接地故障断路(GFCI)跳闸选项以及AFCI/GFCI跳闸选项。在至少一些实施方式中,用于每个断路器110A-110H的跳闸选项可由用户经由与跳闸控制逻辑124通信的用户接口(例如,触摸屏142)进行选择。用于每个断路器110A-110H的跳闸选项还可经由配置为与跳闸控制逻辑124通信的本地或远程计算设备来进行选择。
[0039] 如图所示,测量和控制板120还包括公共事业级计量逻辑126,公共事业级计量逻辑126确定用于系统100的电力消耗信息并且组织、格式化电力消耗信息以及选择性地将电力消耗信息发送至公共事业计量收集站(未示出)。测量和控制板120还包括供电接口128,供电接口128输出用于系统100的不同部件的不同电压电平。例如,跳闸控制逻辑124和公共事业级计量逻辑126可通过使用不同的电压电平进行操作。供电接口128还可向与测量和控制板通信的系统控制器板140的部件提供电力。在至少一些实施方式中,测量和控制板120和系统控制器板140经由RS-232接口通信。此外,多个测量和控制板120根据需要可以是菊花链130式(例如,经由RS-485接口)以支持附加的断路器。以这种方式,可根据需要通过复制用于附加的断路器的测量和控制板120操作(跳闸控制环路功能)扩展系统100中的断路器的总数目。即使测量和控制板120的数目增加,仅一个系统控制器板140需要用于系统100。
[0040] 如图所示,系统控制器板140包括触摸屏142(例如,TFT触摸屏或其他触摸屏技术)。触摸屏142将信息显示给用户,还能使用户能够与系统100的控制特征交互和/或请求与系统100相关的信息。例如,系统100可显示指示断路器跳闸的原因(例如,过流、接地故障、电弧故障、接收跳闸命令等)的跳闸信息。还可显示指示跳闸的断路器是否可被重置的信息。例如,如果系统100确定跳闸的断路器的尝试重置将是无效的(例如,跳闸原因未被校正,开路时间间隔未期满等),则系统100可显示跳闸的断路器当前不能被重置的指示。如之前所提到的,用户/管理者应该能够为系统100的每个断路器设定(并且动态更新)默认的跳闸选项、电弧故障断路(AFCI)跳闸选项、接地故障断路(GFCI)跳闸选项以及AFCI/GFCI跳闸选项。系统控制器板140还包括能够对用于照亮触摸屏142的背光强度进行调整的脉宽调制(PWM)背光显示电路158。
[0041] 系统控制器板140还包括数个通信接口,其包括:支持与测量和控制板120通信的RS-232接口144;具有媒体独立接口(MiI)或简化媒体独立接口(RMII)的10/100E-MAC端口146;具有记忆棒兼容性的USB 2.0主机端口148;用于任选地与WiFi子板通信的USB2.0主机端口150;安全数字(SD)卡多媒体卡(MIMC)接口152;用于广域网(WAN)连接的USB 2.0主机端口160;用于系统100的控制软件/固件的设置和安装的USB 2.0设备端口162;与RS-232兼容的用于调试系统100的控制软件/固件的通用异步接收器/发送器(USARD)端口164;以及用于测试和调试操作的J-TAG端口166。系统控制器板140还包括供电接口156以调整用于系统控制器板140的不同部件的供电电压电平。此外,系统控制器板140包括电池支持的实时时钟(RTC)154以对系统控制器板140的各种硬件部件计时。
[0042] 测量和控制板120以及系统控制器板140的部件仅是示例并且并非旨在将本公开的实施方式限制于具体的通信接口或控制方案。通常,每个测量和控制板120为达预定数目的断路器(例如,8个断路器)提供跳闸控制环路。跳闸控制环路用断路器来实施,其中断路器能够感测可用于触发断路器跳闸的所有故障状况。为了定制用于能够检测多个故障状况的断路器的触发状况,由断路器检测到的故障感测信号和电力感测信号被传输到分别为每个断路器管理具体跳闸状况的跳闸控制环路。以这种方式,可根据需要定制和更新为不同支路(例如,支路108A-108H)提供故障保护的多个断路器(例如,110A-110H)中的每个的触发状况。
[0043] 同时,系统控制器板140提供增强断路器系统或面板的作用的用户接口选项和通信特征。例如,系统控制器板140的用户接口特征用于向系统100的用户/管理者提供电力消耗信息、电器管理和断路器管理。同时,系统控制器板140的通信特征使得能够进行测试、调试、与电器进行端点通信、与电气插座进行通信和/或接收用于家庭局域网(HAN)的多媒体服务(例如,因特网、VOIP、电视、流无线电/音频等)。
[0044] 在一些实施方式中,测量和控制板120的跳闸控制环路部件可与单个控制板上的系统控制器板140的用户接口特征和/或通信特征相结合。通常,本文中描述的跳闸控制环路部件、用户接口特征和通信接口可以不同的方式分布在多个控制板上而不改变系统100的操作。此外,本文中描述的用户接口特征和系统控制器板140不排除通过使用单独的计算机系统或便携式控制设备来管理系统100的特征的可能性,其中该单独的计算机系统或便携式控制设备配置为与系统100的控制逻辑通信。换句话说,系统100的用户/管理者可通过使用预先集成的用户接口(例如,触摸屏142)、单独的用户接口(例如,运行合适软件的计算设备)或两者全部来管理系统100的特征。
[0045] 在至少一些实施方式中,系统100的特征的管理可被划分成用户管理的特征和管理者管理的特征。换句话说,可存在系统100的仅最终用户(例如,房主)应能够访问的特征。例如,用户可为HMI选择颜色格选项,启用/禁用非关键事件(广告)的音频通知、设定关于支路和整个系统的电力消耗的反馈标准。此外,可存在系统100的仅系统安装者(例如,电气承包商)应能够访问的其他特征。例如,系统安装者可命名支路、设定支路的优先级和/或设定每个支路的跳闸选项(跳闸电流等级、跳闸时间间隔、GFI、AFI等)。此外,可存系统100的在仅通信供应商应能够访问的其他特征。例如,通信供应商设置时区信息、GPS坐标、网络时间协议、VPN选项、通信供应商的认证凭证,启用/禁用系统的特征(火灾/报警/紧急响应选项)。此外,可存在系统100的仅电力公共事业供应商应能够访问的其他特征。例如,电力公共事业供应商可设置账户、SCADA访问信息、用于稍后访问的凭证(用户名/密码)、用于通信的路由信息(例如,VPN选项)。
[0046] 系统100可通过要求输入认证码、呈现或附接认证密钥设备、或其他认证手段来验证访问系统100的特征的授权。例如,认证密钥设备可连接至系统100的USB端口。系统100可从密钥设备读取信息,例如加密的安全信息,其中密钥设备识别密钥设备的用户被授权执行的管理操作。例如,持证电工可连接第一密钥设备以获得对系统100的电气控制特征的访问,而通信公司代表可将第二密钥设备连接至系统100以访问系统100的通信特征。
如果设备、认证码未能提供合适的安全凭证,则系统100可禁止特征变化。可提供对至少一些最终用户可配置特征的访问而不需要使用认证手段。
[0047] 系统100可记录和存储指示关于每个密钥设备、认证码、或其他认证手段执行的操作的信息。系统100还可将存储的信息传递至与认证手段和经由认证手段访问的特征相关联的系统(例如,中央控制系统)。例如,对于对访问电气特征进行授权的密钥设备,系统100可将所存储的识别密钥设备的信息和指示经由密钥设备的授权执行的操作的信息传递至与电力公共事业公司相关联或由其维护的控制系统。如果控制系统确定所执行的操作未被授权,则控制系统可逆向操作或使系统100逆向操作,从而使系统100返回操作前状态(即,经由认证手段执行的操作可被解开)。在一些实施方式中,系统100可在检测认证手段之后且在允许访问与认证手段相关联的特征之前,通过认证手段与控制系统联系以确定授权、许可等。
[0048] 在至少一些实施方式中,电力公共事业供应商能够远程访问系统100,以收集电力消耗信息和/或选择性地使系统100的断路器跳闸。在至少一些实施方式中,如果电力公共事业供应商使断路器跳闸,则跳闸控制逻辑124使断路器继续跳闸(手动重置断路器开关是无效的)直到电力公共事业供应商向跳闸控制逻辑124发信号表示允许使用跳闸的断路器。以这种方式,电力公共事业供应商可防止误使用系统100,或甚至误使用各个断路器及其相应支路。
[0049] 图2示出了根据本公开的另一实施方式的系统200。图2的系统200类似于图1的系统100,但是示出了附加的通信特征。在图2中,系统200包括WAN通信模块204,并且天线206耦接至USB 2.0主机端口160以进行广域网(WAN)连接。以这种方式,WAN通信模块204和天线206使得能够与WAN供应商208通信。
[0050] 在一些实施方式中,WAN通信模块204包括这样的逻辑(例如,电路和指令),其允许WAN通信模块204作为用于微小区、微微小区的蜂窝基站进行操作。例如,微小区的范围可小于两千米,而微微小区的范围可约为200米或更小,以及毫微微小区可约为10米。WAN通信模块204可根据例如全球移动通信系统(GSM)、长期演进(LTE)、或其他无线通信标准来实施蜂窝基站。因此,WAN通信模块204可允许包括系统200的断路器面板作为微小区塔(cell tower)进行操作。在位置上分布在不同断路器面板中的系统200的示例可无线通信并形成提供广域无线网的网状网络。因此,实施方式可在大的地理区域上扩展无线通信的可用性而不需要安装传统的小区塔。
[0051] 系统200还示出了将具有天线160的WiFi无线子板158添加到系统控制器板140。WiFi无线子板158使得能够进行用于家庭局域网(HAN)服务的通信。系统200还示出了添加具有天线164的ZigBee无线子板162,以使得能够与兼容的电器和插座进行通信。
[0052] 系统200的一些实施方式可经由多个WLAN信道提供通信。例如,与断路器面板的最终用户相关的通信(如,电话服务、娱乐服务等)可经由第一WLAN信道(即,公共信道)提供,与公共事业公司访问断路器面板相关的通信可经由第二WLAN信道(即,专用信道)提供。每个信道可与耦接至断路器面板的用户识别模块(SIM卡)相关联。与公共信道相关联的SIM卡可由最终用户从提供相关联的最终用户通信的任何源获得。与专用信道相关联的SIM卡可对公共事业公司是唯一并且不可公开地得到。专用信道SIM配置为仅与公共事业公司中央控制系统的服务器通信。提供专用信道的电信实体识别专用信道SIM卡并将专用信道上的所有通信路由至公共事业公司服务器。专用信道上的通信可经由断路器面板与公共事业公司服务器之间的虚拟专用网络(VPN)进行。如果专用信道SIM卡从断路器面板移除,则系统控制板140可禁用断路器面板操作(例如,打开断路器110以禁用电力输送)。专用信道SIM卡可能不可用于为除了断路器面板以外的设备提供通信,因为专用信道SIM卡提供仅与公共事业公司服务器的通信,并且用于经由专用信道进行通信的VPN编码、协议和安全凭证仅为断路器面板和公共事业公司服务器所知。
[0053] 断路器面板与公共事业公司服务器之间经由专用信道的因特网协议(IP)通信可由断路器面板和公共事业公司服务器中的任一个发起。尽管断路器面板的专用信道IP地址可被动态改变,但公共事业公司服务器可与为专用信道服务的电信实体连接,以在任意具体时间确定哪个IP地址与专用信道SIM卡相关联。公共事业公司服务器可通过使用获得的IP地址发起与断路器面板的通信。可替代地,如果公共事业公司服务器希望与断路器面板通信,但是在发起通信之前不能获得断路器面板的专用信道IP地址,则服务器经由侧信道(例如,经由文本消息)与断路器面板通信以请求断路器面板发起与服务器的IP协议通信。
[0054] 图3示出了根据本公开实施方式的断路器302的框图。断路器302可等同于断路器110A-H且可如断路器110A-H那样被实施。断路器302包括机械部件304,机械部件304选择性地断开支路306的连续性。机械部件304包括开关(例如,闩锁继电器、继电器、半导体开关、或其他合适的电力开关设备)。在至少一些实施方式中,机械部件304在不需要电线的情况下耦接至线路母线和中性母线(即,与机械部件306中的至少一些相对应的导体之间以及与线路母线和中性母线的直接接触是可能的)。机械部件304由螺线管314激活,其中可通过使用电气控制信号来触发螺线管314。一旦通过激励螺线管314而使机械部件304“跳闸”(断开支路306的连续性),机械部件304必须被手动重置以恢复支路306的连续性。在一些实施方式中,可通过跳闸控制逻辑124自动打开和关闭开关。也就是说,跳闸控制逻辑124可自动恢复支路的连续性而不需要手动重置。
[0055] 在至少一些实施方式中,断路器302包括与支路306相符的GFCI/AFCI传感器322和电力传感器324。GFCI/AFCI传感器322配置为经由高信噪比(SNR)、低阻抗电路318向GFCI/电力逻辑320提供故障感测信号。高SNR、低阻抗电路318提高断路器302的故障检测的性能。同时,电力传感器324直接向GFCI/电力逻辑320提供电力感测信号。通过来自电力传感器324的电力感测信号和来自GFCI/AFCI传感器322的故障感测信号,GFCI/电力逻辑320能够识别包括过载故障、AFCI故障和GFCI故障的故障。如果GFCI/电力逻辑320识别到故障,则由GFCI/电力逻辑320输出相应的故障信号。代替直接基于由GFCI/电力逻辑320输出的故障信号激励螺线管,断路器320使由GFCI/电力逻辑320输出的任意故障信号转移至控制感测接口316,控制感测接口316将由GFCI/电力逻辑320输出的故障信号运送至跳闸控制环路(例如,测量和控制板120上的跳闸控制逻辑124)。位于断路器
302之外的跳闸控制逻辑124根据被选择用于所选择的断路器302的跳闸选项(例如,默认的(例如,过载)跳闸选项、AFCI跳闸选项、GFCI跳闸选项和AFCI/GFCI跳闸选项)确定是否使断路器302跳闸。用于断路器302的跳闸选项可根据需要(断路器302的故障检测能力之外且与其分离)通过配置跳闸控制逻辑124来进行调整。换句话说,断路器302能够为所有可用的跳闸选项检测故障状况,但是跳闸控制环路(位于断路器302外部)确定是否忽略检测到的故障或响应于检测到的故障使机械部件304跳闸。
[0056] 例如,跳闸控制逻辑124(位于断路器302外部)可设定为通过使用默认的跳闸选项使断路器302进行操作。在默认的跳闸选项的情况下,由GFCI逻辑302检测到的所有故障状况(过载、AFCI、GFCI)将被转移至跳闸控制逻辑124。作为响应,跳闸控制逻辑124使螺线管312被激励用于过载检测而不用于AFCI检测或GFCI检测。在AFCI跳闸选项情况下,由GFCI逻辑320检测到的所有故障状况被转移至跳闸控制逻辑124。作为响应,跳闸控制逻辑124使螺线管312被激励用于过载检测或AFCI检测而不用于GFCI检测。在GFCI触发选项的情况下,由GFCI逻辑320检测的所有故障状况被转移至跳闸控制逻辑124。作为响应,跳闸控制逻辑124使螺线管312被激励用于过载检测或GFCI检测而非AFCI检测。在AFCI/GFCI跳闸选项的情况下,由GFCI逻辑320检测到的所有故障状况被转移至跳闸控制逻辑124。作为响应,跳闸控制逻辑124使螺线管312被激励用于过载检测、AFCI检测或GFCI检测。
[0057] 在一些潜在故障情形下,跳闸控制逻辑124可自动打开和关闭包括在机械部件304中的开关,其中机械部件304控制支路中的电流流动而非打开开关和要求手动重置(即,使断路器跳闸)。这种操作的优点是如果检测到潜在故障的短暂指示,则当故障过去时开关可被打开和关闭而不需要手动重置断路器。因此,本发明的实施方式避免了在短暂扰乱性故障发生时必须手动重置断路器302的不便性。
[0058] 跳闸控制逻辑124可为本质上短暂的潜在电弧故障事件监视每个支路中流动的电流。跳闸控制逻辑124可分析支路中流动的电流的特征以识别潜在电弧故障状况。例如,跳闸控制逻辑可比较支路电流特征与预定的电弧故障电流特征。基于比较,跳闸控制逻辑124可确定事件为电弧故障的统计概率。如果检测到潜在电弧故障,则跳闸控制逻辑124可导致包括在机械部件304中的开关被打开(不是跳闸,而是短暂地禁用支路)。在事件过去之后,跳闸控制逻辑124可自动地关闭开关。跳闸控制逻辑124的实施方式可应用基于历史/时间的滑动窗口统计匹配算法。如果电弧故障事件以较高的间隔率重复发生,则跳闸控制逻辑124可延长开关打开的时间。如果基于历史/时间存在高统计概率的真实电路故障状况,则跳闸控制逻辑124可使断路器跳闸(即,打开开关并且要求手动重置)。因此,本发明的实施方式提供了可选择性地被启用和禁用的电弧故障扰乱性跳闸预防。
[0059] 类似地,跳闸控制逻辑124可为本质上短暂的潜在接地故障事件(即,扰乱性接地故障)监视接地电流。如果检测到潜在接地故障事件,则跳闸控制逻辑124可导致包括在机械部件304中的开关打开。在事件过去之后,跳闸控制逻辑124可关闭开关。跳闸控制逻辑124的实施方式可应用基于历史/时间的滑动窗口统计匹配算法。如果接地故障事件以较高的间隔率重复发生,则跳闸控制逻辑124可延长开关打开的时间。如果基于历史/时间存在高统计概率的真实接地故障,则跳闸控制逻辑124可使断路器跳闸(即,打开开关并且要求手动重置)。因此,本发明的实施方式提供了可选择性地被启用和禁用的接地故障扰乱性跳闸预防。
[0060] 因为跳闸控制逻辑124可代替断路器自身或与断路器自身结合确定断路器是否和/或何时跳闸以打开与断路器相关联的支路,断路器跳闸的电流等级可由跳闸控制逻辑124改变。因此,断路器302可将流过支路的电流限制为小于或等于指定用于断路器302的最大电流等级的任意等级。例如,如果断路器302指定以最大跳闸电流等级(例如20Amp、
200Amp或其他安培)使用,则跳闸控制逻辑124可使断路器302以小于或等于指定的最大跳闸电流等级Amp(例如,5、10、15Amp等)的任何电流等级跳闸。因此,需要具有较少不同额定电流的断路器存在于断路器面板中,这可降低总成本。断路器302跳闸的电流等级可由被授权人员(例如,被授权的服务人员(例如,持证电工))提供给跳闸控制逻辑124。断路器302的跳闸电流等级可由被授权人员经由与断路器面板相关联的输入设备(如,触摸屏142)、或经由通过有线或无线网络通信地耦接至断路器面板的用户接口设备输入。
[0061] 除了提供可变的跳闸电流等级之外,跳闸控制逻辑124可控制断路器302何时跳闸。跳闸控制逻辑124监视流过断路器302的电流。当流过断路器的电流在预定的跳闸时间间隔超过分配给断路器的跳闸电流等级时,跳闸控制逻辑124可使断路器302跳闸并且打开与断路器302相关联的支路。跳闸间隔时间可由被授权人员(例如,被授权的服务人员(例如,持证电工)、电力公司人员等)提供给跳闸控制逻辑124。断路器302的跳闸间隔时间可由被授权人员经由与断路器面板相关联的输入设备(如,触摸屏)、或经由通过有线或无线网络通信地耦接至断路器的用户接口设备输入。
[0062] 跳闸控制逻辑124和断路器302之间的交互的示例包括:
[0063] 1)跳闸控制逻辑124配置为不使断路器302跳闸,以及因此,由断路器302的致动部件(磁性部件、双金属部件等)控制当断路器302的额定电流被超过时断路器302的跳闸;
[0064] 2)跳闸控制逻辑124配置为使断路器302以比断路器302的额定电流小的电流跳闸;
[0065] 3)跳闸控制逻辑124配置为使断路器302通过比由包括在断路器302中的致动部件(双金属部件、磁性部件等)所提供的响应更快的响应以断路器302的额定电流跳闸;
[0066] 4)跳闸控制逻辑124配置为在断路器302中的致动部件能响应之前通过打开断路器302中的开关(例如,闩锁继电器)和禁用流过断路器302的电流防止扰乱性跳闸。当扰乱性状况已被校正时,跳闸控制逻辑124可关闭开关,并且重新使电流流过断路器302。
[0067] 如图所示,断路器302还包括耦接至控制感测接口316的自测电路312。自测电路312使得测试信号能够经由控制感测接口被发送至跳闸控制逻辑124,以测试断路器302和跳闸控制逻辑124的整体功能。自测电路312通过按压按钮或断路器302的外表面上可触及的接触件被操作。断路器302的外表面还包括用于线路母线和中性母线的触点(例如,滑动连接器和/或螺钉连接器)。
[0068] 总之,系统100描述了一种用于断路器面板的控制系统。控制系统被划分使得故障检测逻辑设置在每个断路器内以及跳闸控制逻辑设置在每个断路器外部。在至少一些实施方式中,每个断路器内的故障检测逻辑能够检测过载状况、AFCI状况和GFCI状况。同时,每个断路器外部的跳闸控制逻辑能够响应于检测到的故障提供默认的跳闸选项(仅过载)、AFCI跳闸选项(仅过载和AFCI)、GFCI跳闸选项(仅过载和GFCI)和AFCI/GFCI跳闸选项(过载、AFCI和GFCI)。
[0069] 用于断路器面板的控制系统还可包括与跳闸控制逻辑通信的用户接口。用户接口使用户能够观察断路器面板的电力消耗信息和/或调整多个断路器中的每个从而以默认的跳闸选项、AFCI跳闸选项、GFCI跳闸选项和AFCI/GFCI跳闸选项进行操作。用于断路器面板的控制系统还可包括耦接至多个断路器的公共事业计量接口。公共事业计量逻辑选择性地将断路器面板的电力消耗信息发送至公共事业公司并且可使公共事业公司选择性地禁用断路器中的每个。用于断路器面板的控制系统还可包括为家庭局域网(HAN)提供多媒体特征的网络接口和/或使电器/插座与断路器面板之间能够进行通信的端点通信接口。
[0070] 断路器面板箱内的断路器的数目可根据断路器面板箱所针对的家庭/企业的大小和/或政府法规改变。根据至少一些实施方式,断路器面板箱模型可具有4个、6个、8个、12个、16个、20个、40个或更多断路器。随着断路器的数目包括,跳闸控制环路电路的量也增加。换句话说,本文描述的跳闸控制环路电路可实现与预定数目的断路器(例如8个)兼容的控制芯片。如果断路器的数目大于预定数目,则控制芯片的数目增加。根据需要,对于接收至断路器面板箱的通信或从断路器面板箱发送的通信,多个控制芯片可以是菊花链式的。
[0071] 断路器面板箱的实施方式可关于断路器的数目、断路器的定位(例如,竖直或平)、显示器和/或LEO的使用、显示器的尺寸和位置、软件配置、横杆位置/形状、计量器的使用、计量器的位置、用于无线通信的天线的使用、无线频率和协议、以及与用于测量、登陆和远程控制断路器的公共事业公司设备进行通信的能力而改变。在一些实施方式中,断路器面板箱的各个特征可由客户进行选择,但不是必须的。此外,AFCI和/或GFCI的选择对每个断路器而言是可选的。
[0072] 在一些实施方式中,断路器面板箱的控制电路能够支持本文中描述的所有特征。然而,不是所有的特征需要由每个客户选择,因此断路器面板箱的实施可改变。此外,客户可随后决定更新电路面板箱(例如,添加显示器、更新软件、添加无线通信等)而不需要更换整个断路器面板箱。
[0073] 在一些实施方式中,TV、以太网和/或电缆能够连接至断路器面板箱而不考虑公共设施公司。例如,可用断路器面板箱实施插头/端口及相关协议,以实现此添加的功能。此外,用于TV、以太网和/或电缆的通信可经由电力线或无线硬件/协议完成。在家庭/企业中,可实施合适的适配器/调制解调器,以根据需要转换信号。
[0074] 根据至少一些实施方式中,断路器面板箱实施方式配置为提供下列中的一个或多个:
[0075] 1)使断路器在不需要电线的情况下插入带电(线)和中性母线的设计;
[0076] 2)触摸屏;
[0077] 3)可编程性,使得电压和安全要求(例如,GFCI/AFCI)可从断路器面板箱中的用户接口被编程到每个断路器中;
[0078] 4)减轻来自带电电线的震动;
[0079] 5)使最终用户能够实时监视每个电器的电力消耗;
[0080] 6)在所有接有电线的通路上编程GFCI和AFCI的能力;
[0081] 7)电器消耗的在断路器面板箱处或远程的可编程性;
[0082] 8)在重启期间消除电力尖峰的自动软启动特征。
[0083] 根据至少一些实施方式,每个断路器配置为提供下列中的一个或多个:
[0084] 1)消除单独的计量和相关的维护成本;
[0085] 2)远程监视/读取电力消耗;
[0086] 3)远程关闭和打开;
[0087] 4)警告公共事业公司关于家庭级别的电力盗窃和/或响应于盗窃事件自动关闭;
[0088] 5)使公共事业公司能在每个断路器级别控制家庭级别的消耗;
[0089] 6)利用电力线宽带(BPL)网络、网状网络、或其他有线或无线网络的功能性;
[0090] 7)如果公共事业公司安装了多于一个通信接口或计量器(根据公共事业公司是否更新),则消除对不同计量器的需求
[0091] 8)在BPL网络已安装之后充当进入向公共事业公司提供额外收入源的家庭或办公室的开源网关;以及
[0092] 9)消除了劳动密集型手动计量器的读取及相关联的成本。
[0093] 根据至少一些实施方式,作为断路器/计量器网关利润中心进行操作的断路器面板箱配置为提供下列中的一个或多个:
[0094] 1)进出家庭或办公室的开源网关;
[0095] 2)适于任何通信软件的开放架构;
[0096] 3)软件,其允许通信客户(例如,因特网供应商或电话供应商)直接连接至断路器面板箱或使电力公共事业公司向最终用户提供服务;
[0097] 4)一旦箱被连接则消除内部家庭或办公室电线或电缆布线;
[0098] 5)使最终用户将TV或计算机插入标准的家庭或办公室插座并且接收由供应商传送的通信;
[0099] 6)通过使用BPL能力以及断路器面板箱与第三方商业公司的连接特征使公共事业公司能够获利;
[0100] 7)允许第三方在不需要在家庭或办公室内部电线布线的情况下访问家庭(系统允许来自家庭或办公室内的标准电气布线的通信传送);以及
[0101] 8)支持来自第三方的远程更新,并且该远程更新利用在公共事业公司与任何第三方应用之间在家庭或办公室级别提供墙的信道保护的情况下是完全安全的。
[0102] 图4示出了根据本公开实施方式的方法400。方法400包括配置用于多个断路器的控制环路,其中控制环路使得能够选择默认的保护选项、AFCI保护选项、GFCI保护选项和AFCI/GFCI保护选项(框402)。方法400还包括使用根据之前配置的控制环路来控制多个断路器(框404)。
[0103] 在至少一些实施方式中,方法400另外可包括接收用户输入以将多个断路器中的每个设定为以默认的跳闸选项、AFCI跳闸选项、GFCI跳闸选项和AFCI/GFCI跳闸选项中的一个进行操作。另外或可替代地,方法400可包括从多个公共事业供应商接收通信以远程监视和控制多个断路器。另外或可替代地,方法400可包括经由断路器面板管理家庭局域网(HAN)通信特征。另外或可替代地,方法400可包括经由断路器面板管理用户与电器之间的通信。另外或可替代地,方法400可包括经由断路器面板接收多媒体传输。
[0104] 尽管已经参考具体的实施方式描述了本发明,但是这些描述不应以限制性含义进行解释。所公开的实施方式的各种修改、以及本发明的可替代性实施方式在参考本发明的描述之后对本领域技术人员而言变得明显。本领域技术人员应该理解,所公开的构思和具体实施方式可被容易地用作修改或设计用于实现本发明的相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应该认识到,这些等同构造不背离所附权利要求书中阐述的本发明的精神和范围。
[0105] 因此可以预期到权利要求书涵盖落入本发明真实范围内的任何这些修改或实施方式。
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