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包括负载识别数据处理器的电力公用事业电表的制作方法专利名称：包括负载识别数据处理器的电力公用事业电表的制作方法技术领域：本发明总体涉及一种用于在住宅或企业环境中利用电表监控电力负载的负载特性的方法和系统，并且该方法和系统用于识别负载的特定类型及其各自运行情况更具体地，本发明涉及一种监测电力负载的负载特性并将与每个负载相关的识别信息传递给系统操作人员或第三方用于检查、分析以及可能直接传递信息给该电力负载的操作员/所有者的方法和系统背景技术：在商业设施中电力公用事业需要监测其客户的电力消耗量的详细情况，以便分析所利用的能量的量并监测峰值负载水平以及这些峰值的时间由于对住宅或设施内每个单独电器的能量消耗的监测通常需要在设施内的每个电力负载上放置一个监测装置，因此通常情况下这种能量消耗的监测是针对整个住宅或企业设施然而，获知设施内每个单独负载的能耗将在监控能量消耗中为所有者和公用事业提供额外的信息为了监测设施内每个单独电力负载的能耗，人们开发了跟踪设施内电力负载的能耗，而无需单独监测每个负载的系统和方法实施这类监测的一种技术被称为非侵入式负载监测非侵入式负载监测器(NILM)是通过在房屋外进行测量来确定房屋中主要电力负载的运行时间表的设备。

非侵入式负载监测自20世纪80年代以来为人所知(参见Hart美国专利号4，858，141)非侵入式负载监测通常是一种流程，其用于对进入住宅的电压和电流变化进行分析，并从这些变化来推断住宅中使用的是什么电器及其各自的能耗NILM比较来自住宅的能耗信息，例如记录在电表上的信息，并将该能耗信息和不同类型电力负载的负载曲线相比较虽然非侵入式负载监测已为人所知多年，但是公用事业和其他有关各方一直无法更好地利用非侵入式负载监测所获得的信息发明内容本发明持续地对负载电流和线电压进行模拟/数字采样采样频率远大于60赫兹，但为了谐波分析和非侵入式负载监测(NILM)，较佳地为4.096kS/s对于PLC (可编程逻辑控制器)通信可包括额外约20kS/s的模拟/数字采样频率这些采样被存储在一个循环缓冲区，或类似地方当一个“事件”-Λ千瓦(AkW)、A千乏(AkVAR)、停电、欠压、过压或其他有关条件发生时，循环缓冲器中的内容与事件发生后适当数量的数据采样一起被复制到捕获寄存器此数据被存储到闪存，或者被后期处理以识别某些特性，如在下文详细描述的应用中的一些特性目前大多数电表对电压和电流(V & I)数据进行预处理，以提取千瓦时、千乏、线频率和类似信息。

这种信息通常用简要的格式提供给其他通信处理器，类似于公用电力帐单中提供的内容现有技术的通信处理器发送经过预处理后的数据给公用事业本发明可以执行相同的功能，但除此之外，它使用被提供给一个“玻璃板之下”的处理装置的原始采样数据来分析更高的频率或V & I数字化波形的暂态分量该处理装置包括至少一个FFT该处理装置还采用了神经网络或其它模式识别相关器来匹配预先存储的特征或V & I波形的其他判据一个可选的预处理装置可卸载该处理装置，其可通过运行一个FFT，抽选数字化采样，并且/或者通过相位变化(Λ Φ)或Λ千瓦来预先筛选事件负载类型模板或判据被存储在存储器中，负载模板可以通过通信设备来下载更新现有技术中的非侵入式负载监测，NILM，通常在公用电力电表的外部实施本发明的电表包含必要的NILM元件，其通过删除冗余元件降低了复杂性，由于电表已经提供了一个内嵌的电流传感器，并增加了如本文中论述的可能特性和功能，因此降低了工作量本发明可以利用现有技术中的NILM监测技术和系统现有技术的NILM方法可以被修改以在客户端或公用事业端的与“糟糕的表演者”/故障设备/或低效设备进行模式匹配/特征匹配。

此外，通过将处理装置连接到通信设备，以及其他信号检测和信号发射装置，可以开发出许多具有能量效率的有关配电网健康的应用本发明的另一个特点是将已分区的、访问受保护的编程空间提供给第三方开发者，从而刺激市场提供基于软件的创新本发明的另一个特点是提供信息给一个中央数据处理器该处理器可将大量数据存储在数据库中(例如，单个客户在为期一年的季节性事件中的行为，以预测住宅存储的热量，和/或当峰值事件或风暴发生时，它可以节省100万用户的活动)通过将远程设备中处理装置的能力与中央后端处理相结合，能够消除数据异常、更好地预测以及在电表的玻璃板之下计算来自于单独事件与NILM的不完善的匹配的误差诸如卡尔曼滤波、专家系统、或神经网络的方法可以应用到后端数据本发明的另一个特征是提供信号传感器和受软件和DSP固件控制的信号发生器在这种方式下，可以开发固件以便允许灵活的功能变化并且升级成为新方法，创建安全程序和新的通信标准本发明的另一个功能是创建一个通用的WAN LAN (外域网局域网)接口该接口由一个降频转换器部分和鉴频或鉴相器组成通过一个模拟数字转换器将相位或频率数字化，并将其传送到一个数字信号处理器或类似设备用于进一步处理成比特位，然后融入协议。

发送器部分包括一个可编程频率合成器，能够产生几乎任何类型的FSK调制(相位连续调制)此外，还可以使用混频器来直接引入相位调制，或者可以使用混频器将DSP或类似设备中，在一个较低频率或基带频率上产生的信号进行升频转换通过使用这些方法，WAN LAN可以在很宽的频率范围内模拟多个协议这些包括7/13/29/61 进制 FSK、2/4/8/16 进制 FSK、BPSK、0QPSK、或宽带 FSK 调制、或 0FDM这些比特调制可以被进一步加工，以满足MAC/PHY协议要求或诸如802.15.4g之类的标准，或诸如UDP、TCP或HTTP之类的IP协议栈本发明的另一个特点是支持第三方开发人员进行创新，并支持多种模拟应用程序，其包括以下内容:.HVAC (供热通风与空气调节)故障*iDR 负瓦.房屋节能管理.非正常运行设备探测器.主要配电.办公设备状态.变压器健康.配电健康.负载类型标识符.PHEV负载周期 计费，使用时间 “生长灯”检测 “能量盗窃检测”定位被盗的电表.能量顾问软件套装.“吸血鬼或幻影”待机模式成本分析.检测有故障的，过载的断路器.变电站控制器/继电器逻辑.白炽灯负载累加器(荧光效益).削减高峰期间禁止的负载类型本发明的各种其它特征，目的和优点从以下描述和附图中是显而易见的。

附图示出了目前设想的实施本发明的一种模式在附图中:图1是本发明电表的示意性说明；图2是该电表的一个实施例的物理结构说明；图3是构成本发明电表一部分的处理装置的方框图；图4是本发明电表运行部件的方框图；图5是本发明的包括各种运行部件的电表的方框图；图6是电表电源的一个实施例的不意性说明；图7示出的是可通过本发明电表实施的各种例程和应用；图8是可以利用本发明电表实施的一种方法的流程图；图9示出使用电表感测一条断开的电力线；图10示出与本发明电表一同使用的一种安全措施的流程图；图11是多个电表和数据聚合器之间通信以便确定负载类型的示意性说明具体实施例方式图1是根据本发明构造的增强型电力公用事业电表10的总体示意图电表10可以用在住宅或企业环境中，以监测电表10服务的住宅或企业消耗的电量电表10通常被放置路连接12和负载连接14之间该电表包括一个电流传感器16，其感测来自线路连接的负载消耗的电流如图1所示，电流传感器16可以是两种不同类型电流传感器中的一种电流传感器16通过一个放大器18将感测到的电流馈送到一个模拟数字转换器20除了测量电流之外，电压信号通过另一个放大器22被发送到第二个模拟数字转换器24。

在图1所示的实施例中，模拟数字转换器使用某个采样速率对电压和电流进行采样在所示的实施例中，采样速率大于60赫兹来自两个转换器20、24的数字信号被馈送到预处理装置26该预处理装置可用于提取千瓦时，千乏，线频率和其他类似信息这种预处理已经用在目前的许多电表中，并且来自预处理器26的信息通常被发送到公用事业用于计费目的根据本发明，来自预处理装置26中的信息被馈送到电表10内的处理器28处理器28利用预处理装置26提供的原始采样数据，以分析沿通信线路30得到的数字化电压和电流波形的更高频率或暂态分量如将在下面更详细描述的，处理装置28可以实施各种不同的功能，并且被用来提供与本发明一致的附加优点和分析作为一个说明性的例子，处理装置28可以将电压和电流的波形与存储在存储装置32内的各种不同模板或判据相比较，以识别负载类型在本发明的范围内操作时，存储装置32可以在处理器28的内部或外部存储装置32内的模板和阈值可以使用通信设备34上传到电表通信设备34可以按需从电表10获得各种不同信息，或将各种不同信息上传到电表10处理装置28被进一步连接到传感和发射装置36，其允许处理装置28感测各种不同物理参数并且从电表发射信号。

在图1所示的实施例中，通信设备34连接到一个中央数据处理器38中央数据处理器38可以将大量数据存入数据库(例如单个顾客在为期一年的季节性事件中的行为，当峰值事件(如风暴)发生时，也可以用来保存数以百万计的客户行为)通过将电表内处理装置28的能力与中央后端的处理相结合，可以消除数据异常、更好的预测、以及在电表中计算来自于单独事件的不完善的非侵入式负载监测匹配的误差一些诸如卡尔曼滤波、专家系统、或神经网络的方法可以通过中央数据处理器38应用到后端数据上在图1所示的实施例中，电表内的处理装置28被设计成面向第三方开发者，可用于创建能够应用到电表10上的基于软件的创新开放格式的使用允许第三方开发者创建应用程序，其可以简单地存储到处理器28，并且被电表10使用本发明的硬件和软件平台包括开放式的API/设备驱动程序/接口和一个开放的操作系统该平台允许智能电表/智能电网应用，第三方开发者可以为其创建新软件、固件、DSP和后端数据库和分析程序和应用程序作为一个说明性的例子，下文说明可以通过处理装置28开发和操作的工具包类型:4096点FFT，每秒2个，跨度为1.0秒且具有0.5秒的重叠(NILM和诊断)允许捕捉29次谐波。

34次是此模型能检测到的最高次数)强烈建议使用Von Hann数据锥形窗口只有偶数频率窗口被保留供NILM使用(2赫兹到2046赫兹)4.096kS/s 的 16 位到 24 位 I & V 缓冲器需要使用更高采样率的抽取滤波器约20kS/s 的 24 位 I & V (PLC)如果利用相同的ADC作为4096点FFT，采样率应为4.096kS/s的整数倍，以优化抽取滤波器的性能替代PLC在35-90kHz的范围内使用线电压的PLC可以支持多个标准，包括IEC61334、ERDFG3和Iberdrola PRME这种较高频率范围被限制到变压器的次级侧，这使得它能理想的对相邻电表进行定位较高的频率也限制了对NILM和其他诊断的干扰捕获缓冲区I & V，+/-20秒(NILM和电源失效的诊断)千瓦时，千乏，线频率(从计量μ C和/或4096点的FFT输出得到)电压电弧/电晕识别(从4096点FFT输出得到)变压器，绝缘子，管脚负载和线路侧PLC相邻电表发现PLC累计相邻电表千瓦时精确到Ims的GPS时间戳相位检测(ABC)电流超前/滞后变压器饱和FFT (从4096点FFT输出得到)负载特征库非正常运行设备特征库电枢电弧轴承故障启动器帽失效接触不良家用插头PLC仿真器堆栈阶梯形PLC仿真器堆栈ΙΕΕΕ802.15.4gZigBeeSEP2.06LoPanFLexNETIEEE802.1b (无线网络)CI2.19 表CI2.18 光纤端口IP 协议栈:UDP，TCP, HTTP椭圆安全性网格路由逻辑+表格+发现好友模式HAN (家用网络)负载状态表电力线上的设备号码/状态(C & I电表检测所有3个相位)图2示出本发明电表10的机械组。