功率消耗的監測的製作方法

2023-05-30 06:07:06

專利名稱：功率消耗的監測的製作方法
功率消耗的監測本發明涉及用於監測電器的功率消耗的方法和裝置。更具體地，本發明涉及監測裝置的分布式布置和用於匯集來自監測裝置的測量結果的相關聯的主裝置。監測單獨的電器的功率消耗並將功率或能量測量結果傳輸到集中式監測站是已知的。這樣的系統可用在住宅或商業樓宇中，且允許用戶發現哪些裝置正在消耗功率；多少功率正在被消耗；以及何時被消耗。將測量結果傳送給電力供應商用於計量目的或其它分析也是可能的。用於專注於監測市場的大部分現有設備使用了測量裝置和中央(「主」)匯集器之間的無線通信。然而，也已經提出了使用電力線通信用於該目的。例如，家庭插電聯盟(HomePlug Powerline Alliance)已經提出，對於智能電網/智能能源應用，通信協議應被標準化。這將使用現有的電力線通信技術，使得該規範將是IEEE P1901標準的輪廓。這是 針對通過電力線網絡提供寬帶(高速)通信的世界範圍的標準。本發明人已認識到，無線解決方案將受到有限的通信範圍、幹擾和巨大的節點成本的影響。他們也已經認識到，基於現有的高速電力線數據通信技術的功率監測系統不必要是複雜的，因為將被傳輸的測量結果規模較小，且它們可相對不頻繁地(例如每秒一次)被傳輸。因此，本發明人已確定了對於更簡單和更經濟的基於電力線的系統的需要。因此，提供了一種裝置，其適合於從另一裝置接收擴頻定時基準信號；檢測接收到的基準信號的碼相位；以及使用關於檢測到的碼相位定義的定時將數據傳輸到另一裝置。本裝置的一個有利的用途是作為通過電力線通信的功率消耗監測網絡中的監測
>J-U ρ α裝直。根據第一發明構思的第一方面，提供了一種用於測量由電器消耗的功率的功率消耗監測裝置，所述裝置可連接到電源電路，且可操作來通過所述電路將測量結果傳輸到主裝置，其中所述裝置適合於從主裝置接收擴頻定時基準信號；檢測接收到的基準信號的碼相位；以及使用關於檢測到的碼相位定義的定時將測量結果傳輸到主裝置。當使用傳統的電力線技術用於該應用時，效率低的最顯著的來源之一是在設置主裝置、控制器裝置和(潛在地許多)監測節點之間的通信中所涉及的開銷。以通常在寬帶通信中所見的高數據速率，該開銷是必要的以支持複雜的應用；而且與總的數據帶寬相比也是可忽略的。在本系統中，擴頻定時基準信號用於使網絡中的所有監測裝置同步到主裝置的時鐘。然後，單獨的裝置可以用關於這個中央基準的指定的定時傳輸它們的測量結果。擴頻基準信號允許非常精確的定時恢復，而同時對電力線環境中遇到的幹擾類型具有魯棒性。在電力線通信中，衰減的問題(在RF通信中所見到的)通常是最小的。通道的變化往往僅僅由布線結構中的主要的變化導致，因此，一旦通信通道被建立，它通常將保持可靠。然而，電源通信遭受更大的幹擾源，所述幹擾源通常是寬帶的和短的持續時間的，由負載(脈衝噪聲)的切換所導致。已經表明電器，如爐具、咖啡機，是家庭環境中產生這種類型的幹擾的罪魁禍首中的一些。擴頻基準信號的使用使監測網絡能夠基本上不受這種類型的突發性的脈衝幹擾的影響。因此，具有一種在短期寬帶噪聲脈衝串的存在下保持魯棒性的通信協議是可取的。本文中，「擴頻」指的是至少由偽隨機擴展碼(或「片碼(chippingcode)」)序列調製的信號。這些信號已被用於其它技術領域如RF通信中的其它用途——例如，在如GPS衛星定位和第三代移動通信(例如CDMA)的應用中。在本應用中，片碼的相位可以被恢復並用作定時基準。因此，網絡中的所有設備共享相同的定時，並且當數據消息被發送時，沒有對·複雜的定時恢復的需要，也不需要在可能希望同時傳輸的裝置之間進行複雜的判斷。例如，一旦監測裝置已經恢復了定時基準信號，則它不需要請求許可來進行傳輸。除根據基準信號的定時來定時其傳輸之外，監測裝置可調整其內部時鐘或本機振蕩器的頻率，以更好地匹配擴頻基準信號的頻率。優選地，擴頻基準信號被同步符號周期性地調製，監測裝置適合於通過檢測同步符號確定粗略的定時。通常，片碼將在給定的傳輸幀中重複多次。這意味著代碼可以更短，這反過來使它更快地檢測。然而，在這種情況下，對碼相位的檢測提供了精細的定時，但留下了粗略定時的模糊，因為接收器不知道檢測到的是傳輸幀中的片碼的哪個重複片碼。這可以通過提供同步符號——例如作為每個傳輸幀中的第一個符號來解決。功率消耗監測裝置優選包括用於檢測碼相位的時域相關器。可取的是保持監測裝置的成本儘可能低，因為將需要單獨的裝置用於監測感興趣的每個電器或電器組(例如，共用延長的導線)。使用時域相關器檢測碼相位幫助簡化了該裝置，且因此降低了它的成本。監測裝置優選適合於將上遊信號傳輸到主裝置，上遊信號包括由數據消息調製的擴展碼，數據消息包括功率測量結果、上遊信號被傳輸的傳輸時間間隔和/或關於檢測到的基準信號的碼相位定義的擴展碼的傳輸碼相位。通過選擇唯一的時間間隔，監測裝置可實現時分多址(TDMA)系統。可替換地或另夕卜，該裝置可以以碼分多址(CDMA)方式操作，其中在該方式，不同裝置的傳輸由具有低互相關度的擴展碼調製。再次，為了最小化監測裝置的複雜性，優選的是它們都使用相同的單一的、預定義的擴展碼。因此，低互相關度通過在每個單獨的監測裝置使用具有不同相位的這種單一的、共享的擴展碼來實現。這是可能的，因為它們全部共享由主控制器/匯集器提供的相同的準確的全局定時基準。監測裝置優選還適合於在與從主裝置接收到的擴頻定時基準信號的頻帶不同的頻帶中傳輸上遊信號。這可以幫助避免「近-遠」問題，其中在通信鏈路的近端傳輸的強信號幹擾從遠端接收更微弱的信號。例如，由於近-遠問題，監測裝置可能難以檢測或保持與定時基準信號的同步，原因在於相比於由監測裝置本身所傳輸的上遊信號的功率，這種接收到的信號的相對低的信號電平。同樣地，在主/匯集器裝置處，定時基準信號的(近端)傳輸可幹擾對來自(遠端)遠程監測裝置的上遊信號的接收。通過對上遊和下遊通信使用不同的頻帶，來自相對端的擴頻信號不再相互幹擾。因此，該系統除了從上面描述的TDMA和/或CDMA技術中受益之外，還可從頻分復用(FDM)的使用中受益。監測裝置可選地具有配置模式和正常模式，在配置模式中，它適合於使用用於與主裝置協商(negotiation)而保留的第一、預定的時間間隔和/或碼相位傳輸上遊信號；以及從主裝置接收配置信息，所述配置信息分配第二、不同的時間間隔和/或碼相位，在正常模式中，它適合於使用所分配的、第二時間間隔和/或碼相位傳輸上遊信號。以這種方式，當每個監測節點第一次連接到電源網絡時，它將以固定的且預先安排的時隙和/或碼相位輪詢主(匯集器)裝置。主裝置將把其它時隙和/或碼相位間隙中的一個分配給新連接的裝置，並將把該配置信息傳回監測裝置。配置信息優選地可在擴頻定時基準信號上被傳輸調製。配置好後，監測裝置將使用其被唯一地分配的時隙和/或碼相位用於與主裝置通信。還提供了一種用於接收由一個或多個其它裝置傳輸的數據的裝置，該裝置適合於 生成擴頻定時基準信號並將擴頻定時基準信號傳輸到所述一個或多個其它裝置。這個裝置的一種有利的用途是作為通過電力線通信的功率消耗監測網絡中的主
匯集裝置。根據第一發明構思的第二方面，提供了一種主裝置，其用於通過電源電路接收由一個或多個功率消耗監測裝置傳輸的功率測量結果，主裝置適合於生成擴頻定時基準信號並通過電源電路將擴頻定時基準信號傳輸到一個或多個監測裝置。 因此，該主裝置適合於與上面所概述的監測裝置一起使用。主裝置還適合於以預定的定時從一個或多個監測裝置中的每個接收功率測量結果，所述預定的定時關於所傳輸的定時基準信號的碼相位來定義。主裝置優選適合於從一個或多個監測裝置中的每個接收上遊信號，上遊信號包括由數據消息調製的擴展碼，數據消息包括功率測量結果，主裝置還適合於通過它的上遊信號的接收定時和/或在該信號中的擴展碼的碼相位來識別每個單獨的監測裝置。監測裝置全部共用由主裝置提供的相同的定時基準。由於這個原因，對於主裝置，根據(指定的)時隙和/或傳輸的碼相位識別每個監測裝置是可能的。這避免了對於節點向主裝置識別其自身的需要——簡化了監測裝置本身和通信協議兩者。主裝置優選適合於在與上遊信號被接收的頻帶不同的頻帶中傳輸擴頻定時基準信號。這有助於減小上文結合監測裝置解釋的近-遠問題的影響。主裝置優選地包括用於檢測來自一個或多個監測裝置中的每個的上遊信號的碼相位的頻域相關器。如果每個監測裝置使用不同的碼相位傳輸，則主裝置需要能夠檢測多個碼相位。這可以藉助頻域相關來完成。根據第一發明構思的另一方面，提供了一種電力線通信網絡，其包括如上所描述的主裝置；和如上所描述的一個或多個功率消耗監測裝置。還提供了大致上如在本文中和/或參照附圖
所描述的功率消耗監測裝置、主裝置或電力線通信網絡。根據第二發明構思的一個方面，提供了一種功率消耗監測裝置，其用於測量由電器消耗的功率，所述裝置可連接到電源電路，且可操作來通過所述電路將測量結果傳輸到主裝置， 其中所述裝置適合於在一系列時間間隔的每一個中測量由電器消耗的能量，並保持所得到的能量測量結果的第一累加總和；周期性地將表示所述累加總和的第一量化值傳輸到主裝置；以及從所述累加總和中減去所傳輸的量化值。傳輸的值的量化誤差被隱含地計算在所述累加總和中，並傳遞(carryover)在後續周期中傳輸的值。因此，總的量化誤差不累加，因為前面的周期中的誤差將被後續的傳輸自動校正。量化優選是非均勻的，最優選浮點量化。非均勻量化是指對於值的某些範圍，量化相對地更準確。當能量消耗落入這些範圍時，先前的量化誤差將被更準確地校正。優選地，非均勻量化是量化誤差的大小直接與傳輸的值的大小有關。例如，這可以通過浮點量化來實現。浮點值與消耗的能量數量的累加總和的保持值的結合意味著較寬範圍的能量值可用少量的位來表示。因為量化誤差對於接近零的值將是最小的，所以當電器關閉時，由於量化到浮點格式而導致的任何殘餘誤差將被抵消。因此，例如，非常準確地確定由電器在它被接通的持續時間內消耗的總能量將是可能的。以獲得精確值的過程中的短暫延遲為代價，非常高的精度是可實現的。該裝置優選還適合於保持能量測量結果的第二累加總和；以及間歇地將第二累加總和的值傳輸到主裝置。傳輸的值不從第二累加總和中減去。因此，第二累加總和表示了能量測量結果的整個歷史的總和(例如，從監測裝置最近一次被激活、連接到功率監測網絡或復位時起)。在間歇的基礎上傳輸所有能量測量結果的整個總和允許主裝置校正誤差，如果第一量化值的一個或多個周期性傳輸未被正確地接收，則所述誤差可被引入。如果僅僅考慮了第一量化值且數據包丟失，則系統誤差可被引入，因為主裝置將永遠不會發現在丟失的數據包中編碼的所消耗的能量的值。完整的累加總和的重新傳輸為主裝置提供了檢測到這樣的誤差並從這樣的誤差中恢復的機會。因此，這樣的系統可以自動進行自校正。完整的累加總和的間歇性傳輸可以按相比於第一量化值較不頻繁的周期性間隔來執行；可由來自主裝置的請求觸發；和/或可根據檢測到的網絡狀況觸發。例如，如果監測裝置檢測到網絡上的差的信號質量，則它可增加傳輸第二累加總和的值的頻率。第二累加總和的值可被傳輸，代替第一累加總和的周期性傳輸中的一次。這意味著第一累加總和的周期性傳輸中的一次被抑制，且作為代替，第二累加總和被傳輸。主裝置應認識到代替值具有不同的含義。這種認識可由下列情況導致，監測裝置將第二累加總和正在被傳輸的信息發信號到主裝置；或者它可以是隱含的，因為主裝置先前已請求傳輸第二累加總和；或者由於已約定的傳輸定時。由於延遲，第一累加總和的隨後的周期性傳輸的值可相應地更大(因為在介於中間的額外周期中，額外的能量可能已經被消耗)。然而，主裝置將認識到這一點，且可將測量結果的一部分分配給前面的周期。例如，主裝置可將隨後傳輸的值的一半分配給當前的間隔，且將所述值的一半分配給先前的間隔(它的值被第二累加總和替換)。在接收到第二累加總和時，主裝置可以回溯地檢測和校正先前所接收的第一累加總和的值中的誤差。優選地，當傳輸功率測量結果時，每個監測裝置使用誤差校正碼。不同的發明構思的不同方面可以結合來實現本發明的特別有利的實施方式。現將參照附圖，藉助實例來描述本發明，其中 圖I示出了連接在電力線網絡中的主裝置和多個監測裝置；圖2是根據本發明的一種實施方式的主裝置的框圖；圖3是根據本發明的一種實施方式的功率消耗監測裝置的框圖；圖4示出了根據一種實施方式的監測裝置從主裝置接收數據的狀態轉換；圖5示出了根據一種實施方式的數據幀的格式化和傳輸；表I示出了在監測節點處執行的計算以便將功率測量結果發送到主匯集器的一個例子；表2給出了由監測裝置傳輸的符號和在主匯集器處接收的相應的符號的序列的一個例子；表3概述了監測節點從主匯集器接收數據的狀態轉換，如圖4的狀態圖所示；以及表4示出了根據一種實施方式的表3的算法如何用狀態編碼實現。應注意，這些圖形是示意性的且未按比例繪製。在附圖中，為了清楚和方便起見，這些圖形的某些部分的相對尺寸和比例已在大小上被放大或縮小。具有大量的低成本的『可配置的』節點是可取的，所述節點可監測電源供電的靠電操作的設備的功率消耗並使用電源通信方法將所消耗的功率傳遞到集中式的匯集器。在本描述中，術語「節點」是指傳輸功率消耗的測量結果的功率消耗監測裝置，且術語「匯集器」是指接收這些測量結果的主裝置。主要目標是以在匯集器上的複雜性為可能的代價使附接到電器的節點的成本和複雜性最小化，使得裝置節點可廉價地甚至沒有成本地提供給終端用戶。根據本發明的一種實施方式，網絡結構需要單一的裝置，其作為從裝置節點接收的信息的匯集器。這可以通過網際網路耦合到應用伺服器，所述應用伺服器通過基於網絡的應用為用戶提供等級服務應用和帳單。通過使用電力線通信，與RF幹擾以及匯集器的操作範圍相關聯的問題被消除，使得用戶可以不具備專業知識而簡單地通過插入所述裝置並將匯集器連接到他們的家庭網絡來安裝所述設備。該結構需要大量節點，所述節點能夠使用有限的通道帶寬，例如Cenelec波段A、B或C中的一個與匯集器通信。本發明的本實施方式使用Cenelec波段B。可取的是具有一種通信協議，其在存在短期寬帶噪聲脈衝串的情況下仍然是魯棒的。所選擇的結構通過使用擴頻技術解決了這個問題，藉此大量節點可以以很慢的數據速率同時傳輸，使得典型的噪聲持續時間大大短於符號持續時間。因此，可能的是約束這些幹擾脈衝串，使得它們通常幹擾單一的符號並因此可以使用誤差校正碼來克服。
為了本目的，傳統的基於數據包的網絡是低效的，因為它們需要大量開銷以允許接收器同步到發射器；以及需要明顯的包間間隙以避免節點之間的幹擾，因為節點定時經
常具有顯著的誤差。發生在數據包中的不可校正的多位誤差的概率與數據包長度成比例。因此，使數據包長度最小化增加了通信的完整性。然而，當需要判斷時，這是不實際的，因為判斷需要不能由FEC編碼保護的附加位。因此，消除判斷增加了通信的整體完整性。另外，當使用RF網絡時，通常需要使用相對穩定的基準振蕩器以既滿足關於雜散發射的規定又避免由於殘餘載波導致的明顯偏移，殘餘載波使信號解調變得困難。因此，通常有附加到每個數據包的相當大的前同步碼(pre-amble)，以允許RF接收器在嘗試解調該信號之前相位鎖定到到來的信號。這些效果的影響是，對於每個傳輸的幀有顯著的開銷，當所述幀如用於文件傳送和流媒體應用的數據通信常見的幀一樣大時，這不是一個問題。這反映了該事實，即這些技 術通常被設計用於在相對少量的節點之間的大脈衝串中的大量數據的通信。遺憾地，當需要傳輸來自非常多的節點的大量的短數據包時，開銷成為一個明顯的限制——正如在本申
請中一樣。本發明的通信結構可利用家中安裝的布線來提供低成本的小數據包傳送或短的數據報類型的傳送，在短的數據包類型的傳送中，通信是足夠可靠的，以至於不需要確認序列。通過避免複雜的判斷方案和鎖相接收器，鎖相接收器需要在每一幀的開始的訓練序列(前同步碼)，這個協議有效利用了可用的帶寬，因為這些過程的開銷可以控制到該點的通信，在該點，它們成為可實現的吞吐量和/或可實現的節點數量的限制性因素。為了實現這個目的，本發明的實施方式使用了主定時基準，其必須是在所有節點的有界的不確定性之內，因為這確定了幀之間的空閒時段。空閒時段必須儘可能短，以使效率最大化，但是必須足夠長以防止來自其它通道的幀之間的衝突。這可以使用擴展碼來實現。使用從主設備傳輸的擴展碼，我們可以容易地實現遠遠小於傳統的住宅建築中的I微秒的定時不確定性。這種不確定性的最大部分是由於信號穿過電源線花費的時間。通常，電源線中的信號傳播將是約O. 6C或200米/微妙。使用相關度的一個缺點是，當裝置被接通時對於搜索的需求它必須搜索擴展碼的所有可能的相位，以便檢測它，然後通常將使用多個相關器指針跟蹤擴展碼相位。如果我們連續地傳輸擴展碼，那麼我們可以容易地跟蹤任意長度的代碼。然而，為了使在啟動階段搜索代碼的時間、複雜性和成本最小化，我們要求所述代碼相比於正被標記的數據幀的持續時間是相對短的。通常，以6KHz傳輸的約128碼片持續時間的代碼將每20ms左右重複一次，而數據幀可能需要幾百ms來完成；因此，該代碼被重複並使用附加的幀定時標記信號來調製，所述附加的幀定時標記信號用於解決幀定時模糊。此外，使用用於定時的主裝置傳輸擴展碼不僅是高度魯棒的，而且將信息提供給了可用於調整低成本的振蕩器的節點，以便保持傳輸來自該節點的數據的非常準確的頻率。這使接收器(主匯集器裝置)處的相關丟失最小化，且從而改善了接收的信噪比(SNR)。當使用調製的擴展碼時，對於接收器最初確定載波的相位以及因此調製信號的相位是不可能的，然而，如稍後將被描述的，這可以容易地被克服。然後，擴展碼的這種調製以廣播的方式提供了匯集器和所有附接的節點之間的通信的一種方法，並且一種協議被定義用於調製信號，其允許實現數據傳輸和幀定時同步兩者。一旦監測節點準確地知道系統定時，它需要知道何時傳輸。根據本實施方式，這個決定基於一些先前協議的定時約束來做出。從用戶的角度來看，在應該是「即插即用」的低成本應用中，在製造時手動地對每個節點唯一地編程或提供用於配置的開關是不可能的。所以，需要一種自配置機制，其允許節點發現用於其傳輸的合適的一組參數(如時隙)。當使用擴展碼時，這導致了額外的挑戰，因為傳統上，共用相同頻率的通道將使用 不同的擴展碼以避免幹擾。根據本實施方式，當節點第一次被連接時，它將進入發現和配置模式。配置好後，它接著將進入一般通信模式，藉此判斷隱含於系統幀定時標記和在配置過程期間保存的信息。這具有幾個優點。首先，它最小化了成本和複雜性；以及其次，它允許匯集器在啟動時有選擇地配置節點，使得在每個時隙期間，可以實現最佳的SNR。為了保持最佳的通信完整性以及使可被連接的節點的數量最大化，本實施方式將使用時隙判斷訪問介質與CDMA訪問技術相結合，使得在任何時刻，系統中的節點的一個子集使用擴頻技術同時傳輸數據。這減輕了系統中的突發噪聲。整體的吞吐量是電源電路中的布線環境的一個函數，且匯集器將通過把節點配置成共享每個時隙的集合且配置整體的幀重複率以確保所有節點獲得對通信通道的平等訪問機會來管理可用的帶寬。用於分配這些資源的算法可以考慮在每個時隙中實現的SNR :默認的最小數目的時隙最初被配置，然後根據具有最佳的SNR的時隙，節點被順序地添加。因為SNR接近一閾值，在該閾值，進一步分配節點將降低信號完整性，所以匯集器將僅通過增加所使用的時隙的數量來添加更多的容量。因此，正在將它們的測量結果報告給匯集器的節點應該足夠靈活以支持可變的幀速率，並參考它們的傳輸時隙作為來自幀定時標記的時隙數量。為了從節點到匯集器的傳輸，本實施方式使用CDMA，其允許許多節點同時傳輸。使用這種方法，數據位持續時間(以及因此幀持續時間)被延長。然而，因為有較多的同時傳輸的節點，所以總的數據吞吐量被保持。這種技術具有幾個益處第一，在存在噪聲的情況下它是非常可靠的；以及第二，由於位持續時間被顯著增加，所以比較起來監視期間變得可忽略不計。因此，解調信號並且不使用任何位同步過程恢復數據流成為可能。在匯集器處，接收到的信號包含來自所有傳輸節點的載波，其必須被解調。然而，每個節點將具有相對於主時鐘的變化的載波相位，而且這還將是漂移的。為了避免匯集器同步到每個節點的需要，這將需要多個相關器和訓練序列，本實施方式使用了簡單的數據的二進位相移鍵控(BPSK)編碼。這種編碼僅提供具有180度相移的兩種符號狀態，這意味著接收到的數據可被簡單地解碼，而無需使用任何訓練序列，且僅具有初始碼相位的模糊。在開始接收幀時，匯集器首先必須搜索每個節點的擴展碼。為使複雜性最小化，所有節點將使用相同的擴展碼同時傳輸，對於每個傳輸節點，所述擴展碼將被相移使得來自每個節點的能量將呈現在匯集器中的頻域相關器的輸出處的不同的非重疊的碼相位窗口內。使用頻域相關器使搜索過程更高效，因為所有碼相位被同時地相關。因為使用了一種共享的擴頻碼，所以對於多個擴頻碼，執行頻域相關是不必要的。對於本實施方式，128個碼片的碼序列已被選擇,其在所有未對齊的相移處具有最低的互相關。因此，節點之間的幹擾被最小化。當在匯集器處解調數據時，必要的是確定傳輸信號的相位。這可通過利用擴展碼的BPSK調製來進行，其已被發現使用簡單的不歸零(NRZ)編碼方案和BPSK調製非常奏效。該方法類似於在用於跟蹤衛星信號的GPS接收器的背景下所使用的方法。假設同時傳輸大量的節點以及另外時域復用節點，匯集器跟蹤它們中的每個是不可能的，因為這將涉及改變相關器的定時。然而，即使具有顯著的載波偏移(殘餘載波)，使擴展碼相互關聯並通過查看複雜相關器的輸出獲得載波相位測量結果是可能的。通過監測複雜相關器的輸出的相位旋轉速率，這閉合了跟蹤迴路。通過使用BPSK調製和簡單地測量相關峰值的碼相位，跟蹤絕對的信號相位是不必要的。相反，匯集器可以僅僅確定每個相干相關的相對的載波相位，對於調製中的每一個變化，有180度的相移。除了 BPSK調製，每個節點將使用數據的不歸零倒置(NZRi)編碼，使得對於傳輸的每個I有180度相移；且對於傳輸的每個O有O度相移。因此，檢測相位變化中的任何誤差將導致接收到的消息的僅僅2位被損壞。然後，這使前向糾錯(FEC)技術能夠減輕這個問題。不使用NRZ或NRZi編碼，為了克服初始的相位模糊，將必要的是知道傳輸的第一個數據位。也就是說，每一幀將必須以一個已知的位極性開頭以提供基準。這當然使系統在這個起始位的檢測上非常容易失敗。假設節點和匯集器的相對載波頻率足夠接近，以上所概述的協議可以可靠地工作；但是，不確定性的主要來源是每個節點中的內部時鐘不準確。假設節點的時鐘是相對準 確的，我們將看到由於時鐘的不一致，每個數據符號的較小的相位旋轉。這應該被充分地限制，使得由於時鐘導致的相位旋轉在一個符號周期期間是不顯著的。在本實施方式的結構中，每個節點具有取自接收到的擴展碼的準確的時間基準，並且如果使用了非常低成本的時鐘，則可以使用這個基準來校正時鐘誤差。這留下了保持碼相位的問題，這將通過在每個數據幀的開始重新對準來解決。因此，該系統在一個幀周期期間容許明顯的時鐘漂移。相關器中的剩餘的相位不確定性可歸因於噪聲功率，其將受控於在相同的頻帶傳輸功率的其它CDMA通道(對應於其它節點)。這限制了可以同時傳輸的通道的數量，因為來自位於匯集器附近的節點的強信號可導致來自遠節點的信號的SNR低於可接受的水平。通常，可接受的信號水平是這樣的，在該水平，噪聲的影響導致相關器輸出相位測量結果中的模糊明顯小於+/-90度。這通過控制傳輸功率來實現，以使在匯集器處觀察到的相對信號功率對於每個節點而言近似相等。這可以通過匯集器發送指示哪些節點應增加或減少它們的傳輸功率的簡單的廣播消息來實現。通過使用NRZi編碼，系統對第一數據位的相位的誤檢測的靈敏性被消除。然而，這導致一個缺點不能正確地檢測一個符號的相位將導致多位誤差，因為它將插入或去除對隨後的符號的額外轉換。然而，作為副益處，不能正確地檢測2個符號將絕不會導致2個相鄰的位被不正確地接收。
單個的位誤差可通過漢明碼使用前向誤差校正算法來校正。本實施方式使用11B/15B編碼，其中11個位的每個組被15個位替換，使得任何單個的位誤差可被檢測和校正。這些碼不能校正多位誤差，且有時將不能檢測到它們。為了克服這個問題，塊插入用來擴展幾個數據塊之間的多位誤差，使得每個塊接收單一的可糾正的位誤差。以上所概述的信令系統將導致合理地可靠的通信協議。然而，將仍然有損壞的數據包所導致的誤差。由於主要的應用是用於功率監測，所以實現>95 %的數據包傳送速率被認為是可接受的，因為這將導致在整體的功率監測上優於5%的準確度，這是一個被視為對於監測其中功率正被消耗的地方的目的而言足夠準確的數字。注意，這遠遠小於在最傳統的數據通信應用中可接受的值。為了適應寬範圍的功率消耗值，且為了準確地指示功率而不發送不必要的高精度數據(其將加長所述消息)，功率使用浮點格式來傳遞。·
例如，假設我們需要考慮在I到3000焦耳/秒的範圍中的值，如果要使用具有I焦耳的精度的無符號的定點格式，那麼最大值3000將需要13個數據位來表示它。(假設消耗的能量永遠不會是負的，因此無符號的值是足夠的)。作為替代，在本實施方式中，使用了 15位的浮點值，其中11個位分配給尾數且4個位被分配給指數，這給出了 [O到2047]*2 Λ [O到15]焦耳的範圍。隨著測量結果被獲得，節點累加消耗的總功率(能量)的總和。在每一幀中，值使用上述的浮點格式傳輸。由於這種格式的有限的精度，只有小於或等於2047焦耳的值可被保證準確地編碼。從2048焦耳到4095焦耳，傳輸的值以2焦耳的步長被量化。從4096到8191焦耳，步長大小為4焦耳，依此類推。因此，浮點的、量化的、傳輸的值通常將不完全等於累加總和的當前值。為了考慮這個量化誤差以及避免在接收器(匯集器)處建立累加誤差，傳輸的量化值被從存儲的累加總和中減去。在隨後的時間間隔中消耗的能量繼續添加到所述總和；所以，在下一次累加總和被量化且值被傳輸時，它將不僅包含新消耗的能量而且包含來自先前傳輸的殘餘量化誤差。因此，隨後的量化的傳輸值將校正先前的值中引入的量化誤差。因此，整體的精度沒有損失，但在傳遞精確的功率使用上有短暫的延遲。在一天中的某些時間，大部分電器將被關閉。當功率消耗降到零時，存儲的累加總和中的殘餘量化誤差可被完全消除，因為要被傳輸的剩餘的量最終將下降到低於2048焦耳的可被精確地表示的一個值。注意，量化總是四捨五入為可以以15位的浮點格式表示的最接近的數字。表I示出了執行的計算和傳輸的值的一個例子，其以消耗2551焦耳/秒並按I秒的時間間隔傳輸(對應於I秒的傳輸幀)的電器為例。在這種情況下，為簡單起見，使用了較小的5、3位的浮點值。設備運行了 9秒。功率標示在瓦特列中，且消耗的總能量累加在焦耳列中。累加的能量值總和每秒累加一次。消息表示在所述時間間隔期間被發送的量化值，這是小於累加的總和的最大值，其可使用8位來表示，其中3位為指數、5位為無符號尾數。在這個例子中，消息每兩秒被發
送一次。例如，在時間2處，總和是2551，其表示直到那一瞬間所消耗的焦耳數。可以以這種格式表示的最接近的較小數字是2528 (79*2 Λ 5)，其被編碼為尾數=79，指數=5。因此，值2528被傳輸並從總和的累加值中減去，而且下一能量讀數被累加剩餘的23焦耳(2551+2551-2528) =2574 焦耳。表I
權利要求
1.一種功率消耗監測裝置，其用於測量由電器消耗的功率，所述裝置可連接到電源電路，且可操作來通過所述電路將測量結果傳輸到主裝置， 其中所述裝置適合於從所述主裝置接收擴頻定時基準信號；檢測所接收到的基準信號的碼相位；以及使用關於所檢測到的碼相位定義的定時將所述測量結果傳輸到所述主裝置。
2.根據權利要求I所述的功率消耗監測裝置，其中所述擴頻基準信號由同步符號周期性地調製，所述監測裝置適合於通過檢測所述同步符號確定定時。
3.根據權利要求I或權利要求2所述的功率消耗監測裝置，包括用於檢測所述碼相位的時域相關器。
4.根據任一前述權利要求所述的功率消耗監測裝置，其中所述監測裝置適合於將上遊信號傳輸到所述主裝置，所述上遊信號包括由數據消息調製的擴展碼，所述數據消息包括所述功率測量結果，所述上遊信號被傳輸的傳輸時間間隔，和/或關於所述基準信號的所述檢測到的碼相位定義的所述擴展碼的傳輸碼相位。
5.根據權利要求4所述的功率消耗監測裝置，其中所述監測裝置具有配置模式，在所述配置模式下，它適合於使用為了與所述主裝置協商而保留的第一、預定的時間間隔和/或碼相位傳輸所述上遊信號；和從所述主裝置接收分配第二、不同的時間間隔和/或碼相位的配置信息，以及正常模式，在所述正常模式下，它適合於使用所分配的、第二時間間隔和/或碼相位傳輸所述上遊信號。
6.根據權利要求4或權利要求5所述的功率消耗監測裝置，其中所述裝置適合於在與從所述主裝置接收到的所述擴頻定時基準信號的頻帶不同的頻帶中傳輸所述上遊信號。
7.根據任一前述權利要求所述的功率消耗監測裝置，其中所述裝置還適合於測量由所述電器在一系列的時間間隔中的每一個中消耗的能量，並保持所得到的能量測量結果的第一累加總和；將表示所述累加總和的第一量化值周期性地傳輸到所述主裝置；以及從所述累加總和中減去所傳輸的量化值。
8.如權利要求7所述的功率消耗監測裝置，其中用於生成所述第一量化值的量化是非均勻的，最優選浮點量化。
9.一種主裝置，其用於通過電源電路接收由一個或多個功率消耗監測裝置傳輸的功率測量結果，所述主裝置適合於生成擴頻定時基準信號並通過所述電源電路將所述擴頻定時基準信號傳輸到所述一個或多個監測裝置，所述裝置還適合於使用關於所傳輸的定時基準信號的碼相位定義的預定的定時從所述一個或多個監測裝置中的每一個接收所述功率測量結果。
10.根據權利要求9所述的主裝置，其中所述裝置適合於從所述一個或多個監測裝置中的每一個接收上遊信號，所述上遊信號包括由數據消息調製的擴展碼，所述數據消息包括所述功率測量結果，所述主裝置還適合於通過其上遊信號的接收定時和/或所述信號中的所述擴展碼的碼相位來識別每個單獨的監測裝置。
11.根據權利要求10所述的主裝置，其中所述裝置適合於在與所述上遊信號被接收的頻帶不同的頻帶中傳輸所述擴頻定時基準信號。
12.根據權利要求9至11中任一項所述的主裝置，包括用於檢測來自所述一個或多個監測裝置中的每一個的所述上遊信號的碼相位的頻域相關器。
13.一種電力線通信網絡，包括如權利要求9至12中任一項所述的主裝置；以及如權利要求I至8中任一項所述的一個或多個功率消耗監測裝置。
全文摘要
一種功率消耗監測裝置，其用於測量由電器消耗的功率。該裝置可連接到電源電路，且可操作來通過所述電路將測量結果傳輸到主裝置。還提出了一種主裝置，其用於通過電源電路接收由一個或多個功率消耗監測裝置傳輸的功率測量結果。另外提出了一種電力線通信網絡，其包括主裝置；以及一個或多個功率消耗監測裝置。
文檔編號H04Q9/00GK102934461SQ201180028127
公開日2013年2月13日 申請日期2011年6月27日 優先權日2010年6月25日
發明者菲利普·揚格, 安德魯·詹姆斯·希頓 申請人:恩莫杜斯有限公司