CN102193041A - 用于识别连接到电网的电气设备的方法、系统和传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于识别连接到电网的电气设备的方法、系统和传感器。该方法包括：利用连接到电网的插座的传感器来测量电网上的至少一个电气特性；将这至少一个电气特性与多个存储的候选电气特性比较，每个存储的候选电气特性对应于多个候选电气设备中的一个候选电气设备；以及基于与这至少一个电气特性最接近的存储的候选电气特性来识别该电气设备。

Description

用于识别连接到电网的电气设备的方法、系统和传感器
技术领域
本发明的实施例涉及用于识别连接到电网(mains grid)的电气设备的方法、系统和传感器。
背景技术
在任何住房中，许多电力消耗装置被连接到电网。通常，电力消耗装置的用户并不知道哪些设备被连接并消耗电力。
为了让人们在家中使用更少的能量/电，他们需要一个清楚地示出他们的每件电器的使用和能量费用的逐项登记账单。没有逐项登记的数据，消费者可以采取行动，通过以下方式来节能：或者在能量/电的定价在一天的时间中变化的地区中通过安装更节能的电器(空调、洗净器/烘干机、热水器、烤箱等)来改变它们的使用模式，或者仅仅在没有使用的时候关断负载。问题是，人们并不想在电气负载中的每个电器上安装电力传感器所需要的支出。
需要容易地检测和分析连接到电网的电器。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种易于使用的、用于识别连接到电网的电气设备的方法、系统和传感器。
本发明的目的通过根据本发明第一方面的用于识别电气设备的方法、根据本发明第二方面的用于识别连接到电网的电气设备的系统和根据本发明第三方面的用于识别连接到电网的电气设备的传感器来解决的。
考虑附图和随后的描述，本发明的更多细节将变得显而易见。
附图说明
包括附图来提供对实施例的进一步理解并且附图构成本说明书的一部分。附图图示出实施例，并且与说明书一起用来说明实施例的基本原理。由于参考以下详细描述可以更好地理解其它实施例和实施例意图的优点中的许多优点，因此将容易了解它们。附图中的元素不一定相互成比例。相同的标号表示对应相似的部件。
图1是图示出根据本发明一个实施例的方法的简化流程图，
图2是图示出根据本发明另一实施例的示意框图，
图3是图示出根据本发明另一实施例的传感器的示意框图，
图4是参考根据本发明的另一实施例测量能量消耗的细节的简化时间图，
图5是参考根据本发明的另一实施例测量CD播放器的噪声谱的细节的简化频率图，
图6是参考根据本发明的另一实施例测量由台灯产生的噪声的细节的简化时间图，
图7是参考根据本发明的另一实施例测量反射系数的细节的简化图，
图8A示出根据本发明另一实施例的示意电路图。
图8B是参考根据本发明的又一实施例测量输入阻抗的细节的简化时间图，
图9是图示出根据本发明另一实施例的方法的简化流程图，
图10是图示出根据本发明又一实施例的方法的简化流程图。
具体实施方式
以下，描述本发明的实施例。重要的是要注意，以下所有描述的实施例都可以以任意方式相结合，即，没有某些描述的实施例不能与其它实施例相结合的限制。此外，应当注意，贯穿附图，相同的标号表示相同或类似的元素。
应当理解，在不偏离本发明的范围的情况下可以利用其他实施例并进行结构或逻辑的改变。因此，以下详细描述不应以限制性意义来理解，并且本发明的范围由所附权利要求限定。
在图1中，图示出根据本发明一个实施例的方法的步骤。
在步骤S100中，利用连接到电网的插座的传感器来测量电网上的至少一个电气特性。插座也可以称为“出口(outlet)”或“AC电源插头(plug)”。
电气特性可以是以下电气特性之一：电功率、有效功率、无功功率、表观功率、电流、电压、任何一对插座之间的通道传递函数、频率互调、输入反射系数、噪声、线路周期频率、线路周期的电源电压、或识别码或任意其它适合的电气特性。
另外，通过测量电气特性，还可以导出机械特性或其它物理特性，例如，通过例如测量信号被返回的定时来测量距离。对结果(反射)的解释指明各点之间的距离。
在步骤S102中，将该至少一个电气特性与多个存储的候选电气特性相比较，每个存储的候选电气特性对应于多个候选电气设备中的一个。候选电气设备可以包括任意可能的电器，例如，灯泡、冰箱、真空吸尘器、洗衣机、电视机、摄像机、DVD播放器、空调、电烤箱、咖啡机、烤面包机、个人计算机、热水器、电热水壶、调谐器、CD播放器、互联网交换机、机顶盒、卫星天线、充电器、电热器、地板电加热器、电话、双向通信设备(对讲机)或门铃、电动牙刷、剃须刀、电卷闸、花园洒水器、鱼缸水泵等，也可以是例如可以连接到住房的电网的电动汽车。
在步骤S104中，基于与步骤S100中所测得的至少一个电气特性最接近的存储的候选电气特性来识别电气设备。最接近的电气特性例如可以是电气特性的最接近的实际值或最相似的时间行为(behavior)。
利用所提出的方法，若干电气性能可以记录在电网处。许多性能的集合给出连接到电网的每个设备的特有指纹(fingerprint)。对指纹和/或个体属性的解释使得可以识别连接到电网的设备以及其连接到的位置。
对于以上所列出的电气特性，可以监测绝对值特性以及特性的改变(差分性质)。可以用一个或多个设备或传感器来监测所有电气特性。来自多个设备或传感器的信息可以被共享并被中央单元收集，中央单元从信息的集合中导出更多信息。
在图2中，图示出用于识别电气设备的系统200的示意图。系统200包括数据库202，数据库202包括多个存储的候选电气特性，每个存储的候选电气特性对应于多个候选电气设备之一。该系统还包括处理器204和传感器206，传感器206包括连接器208，连接器208被配置为将传感器206连接到电网230的插座210。传感器260还包括测量单元240，测量单元240被配置为测量电网230上的至少一个电气特性。传感器206还包括发送器242，发送器242被配置为将至少一个电气特性发送给处理器204。处理器204被配置为将至少一个电气特性与多个候选电气设备相比较，并且基于存储的候选电气特性来识别表现出所测量的电气特性的电气设备。在电网230处，连接了多个电气设备或电器，例如，电视机250、洗衣机252和空调254。当然，其它电器也可以连接到电网：像例如灯泡、冰箱、真空吸尘器、摄像机、DVD播放器、电烤箱、咖啡机、烤面包机、个人计算机、热水器、电热水壶、调谐器、CD播放器、互联网交换机、机顶盒等这样的其它电器，以及例如电动汽车。
在图3中，图示出用于识别电气设备的传感器300的示意框图。传感器300包括数据库302，数据库302包括多个存储的候选电气特性，每个存储的候选电气特性对应于多个候选电气设备之一。传感器还包括处理器304和连接器308，连接器308被配置为将传感器300连接到电网230的插座210。传感器300还包括测量单元340，测量单元340被配置为测量所述电网230上的至少一个电气特性。处理器304被配置为将这至少一个电气特性与多个候选电气设备相比较，并且基于存储的候选电气特性来识别表现出所测量的电气特性的电气设备。在电网230处，连接多个电气设备或电器，例如电视机250、洗衣机252和空调254。当然，其它设备也可以连接到电网：像例如灯泡、冰箱、真空吸尘器、摄像机、DVD播放器、电烤箱、咖啡机、烤面包机、个人计算机、热水器、电热水壶、调谐器、CD播放器、互联网交换机、机顶盒等这样的其它电器，以及例如电动汽车。
利用系统200或传感器300，多个电气特性中的一个或多个被测量并被记录在电网上。由于传感器300或传感器206包括相应的连接器208、308，所以传感器300、206可容易地连接到电网230，而不需要修改电网的基础架构。
借助电气特性，可以导出连接到电网230的每个电气设备的特有指纹。对指纹和/或各个电气特性的解释使得可以识别连接到电网230的电气设备以及电气设备被连接到电网230的位置。
以下，针对可以被检测或测量的可能的电气特性的给出以下示例。如已经说明的，可以检查绝对特性以及特性的区别扩展(development)。电气设备可能实现识别码ID单元320，并且应请求经由电力线(与RFID技术类似)发送识别码ID。电力线识别码单元320(例如RFID)可以是设备的电源线上的标贴。也可以将电力线识别码集成到电气设备的电源插头。发送识别码的设备可以是经由50/60Hz线路周期的电磁场供电的无源设备。电力线识别码可以包括电气设备的负载(功率)消耗。
图4示出对于不同的电器，即热水器、吹风机、水床和冰箱，随时间测量的能量消耗。另外，还图示出整个房屋的能量消耗。每个电器随时间的功率消耗具有确定的特性。例如，热水器在早上06:00到09:00消耗能量。如果测量单元240、340在整个房屋的能量消耗中检测到热水器的特征峰，则处理器240、340可以确定热水器被接通。
图5示出测得的CD播放器的噪声谱。如果传感器206、300检测到该噪声谱，则处理器240、340可以确定CD播放器被接通。
图6示出如果作为台灯的卤素灯被接通，对照时间测得的电压。电压示出一个峰，然后在若干毫秒的持续时间中，可注意到中等量的噪声，然后测得另一个峰，接着是下降的噪声电平。如果该定时电气特性被测得，则可以推断出卤素灯被接通。第一个峰是由接通脉冲引起的，中等量噪声是由于启动单元生成的，并且第二个峰是由于导通这个灯引起的。当灯变热时，由灯引起的噪声减小。这样的噪声表现在私人楼房中几乎是特有的。其可以被记录在电网230的任意出口或插座处。用这些峰和噪声电平之间的各个转变的定时的特性，甚至可以识别制造商和灯的类型(功率消耗、型号)。
另外，还可以测量两个出口之间的传递函数(时域或频域)。在两个出口之间，可以记录多达12个传递函数。与多输入多输出电力线通信(MIMO-PLC)类似，信号可以在相位(P)线和中性(N)线之间、相位(P)线和保护地(PE)之间以及中性(N)线和保护地(PE)之间被对称地馈送。也可以馈送共模(CM)信号。信号的接收可以与馈送可能性或馈送端口相同地执行，另外也可以经由共模(CM)信号执行。可以测量信号的实部和虚部。可以在接收侧从电力线通信系统的突发模式训练符号中测量传递函数。传递函数也可以通过模拟网络分析仪的频率或功率扫描获得。另外，传递函数可以记录在一对出口处或多个出口之间。该测量产生所有传递函数的电网视图。
此外，还可以测量被馈送到电网230中信号的频率互调作为电气特性，频率互调由电网230的网络内的非线性行为创建或由连接的电气设备创建。
图7示出测得的设备的散射反射参数S11。消耗高功率的任意设备从DC到50Hz直到宽频范围具有低阻抗。低功率设备具有较高的输入阻抗。依赖于用于该设备的电气组件，输入阻抗将具有电容性或电感性特性。
可以测量输入反射系数的实部或虚部。反射系数可以依赖于馈送信号电平，并且馈送可以根据上述3种可能性(即，相位-中性P-N，相位-保护地P-PE，中性-保护地N-PE)来执行，反射的信号可以经由4个通道(相位-中性P-N，相位-保护地P-PE，中性-保护地N-PE和共模CM)来接收。这将导致12个反射参数的监测，并且测量将由单个传感器来执行，而不涉及其它通信参与方。
有些设备随电网230上的线路周期周期地改变它们的输入阻抗。图8a示出用于测量输入阻抗的已知测量机构。图8b示出频率f＝23MHz处的散射参数或时间扫频测量的结果。移动电话充电器被用在阻抗调制设备。可见，通道变化与50Hz线路周期同步，这是因为周期是20ms。设备的阻抗每个线路周期时段改变两次。随着移动电话的电池被充满电，一条迹线810被记录。当电话的电池处于充电模式从而导致较高的负载，另一迹线800被记录。可以以这两条迹线的占空比来识别Ua处消耗的负载(参考图8a)。
借助用作传感器206、300的电力线通信调制解调器，还可以执行对电气特性的更多测量。例如，可以测量4个通道(P-N，P-PE，N-PE，CM)的噪声的幅度。通过使用连接到电力线通信调制解调器的天线可以测量辐射。对噪声和所要识别的电气设备和测量点(例如传感器300、206连接的插座210)之间的传递函数进行卷积。
另外，可以执行关于50/60Hz线路周期的测量。例如，可以确定定时变化，例如，零交叉的抖动、对各种出口的位置的依赖性或频率互调。
此外，当已知负载被连接到电网并且电源电压的变化被测得时，50/60Hz的电源电压可以用来测量其幅度或电网输入阻抗的变化。
对于上述所有电气特性，可以监测依赖于频率或者时间的变化，例如在50/60Hz周期内、或运行时间的分钟或小时。
例如，如果相位线(P)和中性线(N)之间的阻抗在从DC(直流)到若干MHz的频率范围中变得非常低，则具有低输入阻抗的设备被连接。如果还确定该设备消耗大量功率，则可以推断出有可能是加热设备已连接到电网230或被接通。
基于通过测量家庭网格的上述电气特性收集的信息，使用分类器确定在任意给定时间中那些电器在使用。因此，所希望的系统输出是活动(active)设备的列表，以及相应设备被激活时的时间间隔、每个设备的累积能耗。这样的系统输出可以用来降低家庭的总的功耗，提高能效，并且作为小型电网的一部分，这是通过将匿名信息返回中央电网控制单元实现的。
为了从原始的测量数据中计算出所谓的“电器活动列表(AAL)”，使用了机器学习技术。例如，普通灯泡(卤素灯)对于电阻系数没有感性或容性组件，而真空吸尘器具有相应的感性或容性组件。冰箱具有特性时间模式，因为电机被周期地接通和关断。洗衣机具有不同的时间模式，其中水先被加热，然后电机被激活，等等。为了能够将这些设备相互区分，应用了离线学习，其中在受控条件下(即，已知洗衣机正在工作等)监测一组不同设备。设备的特性签名被获得并被存储到数据库中。在运行时期间，测得的信号被与数据库中所存储的模式相比较，并且设备可以被识别出。
另外，可以使用设备在家中的定位。例如，如果在房子中遍布若干测量点，则利于从各个测量点组合测量。可以对与所关心的电气设备非常接近的测量数据给与更大的权重，即，在信噪比小的情况中。
在图9中，图示出描述根据另一实施例的方法的示意流程图。
在步骤S902中，通过从测得的电气特性中减去候选电气特性来确定剩余电气特性。
在步骤S904中，将剩余电气特性与多个存储的候选电气特性相比较。
在步骤S906中，基于与剩余电气特性最接近的存储的候选电气特性来识别另一电气设备。
一旦电气设备被识别为是活动的，则从测量中减去其估计的活动模式。这样，可以针对在一个设备活动时可能发生的附加事件来进一步分析剩余信号。例如，在洗碗机正在运行的同时，真空吸尘器可能被使用。
实际上，向用户询问某些信息可能是恰当的。给设备指派合适的名称需要这样的用户反馈；例如，将一个电阻器识别为“阁楼中的灯泡”，而将另一个电阻器识别为“烤箱”。
由于每个家庭都不相同，并且活动设备的情形可能是任意地复杂的，因此，不可能预测测得的信号的准确模式。因此，可以使用像支持向量机这样的统计分类器来进行实际的分类。像活动/不活动的模式这样的时间特征必须被包括在支持向量机的输入中。另外，每个部署的系统应当在其运行的同时学习(更新)其模型。尤其是在非常少的几个设备活动时进行这种学习。例如，在晚上，容易得出本地冰箱的模式，因为没有太多的其他干扰数据。在繁忙时，可以从测量出的数据中过滤出“干净”的信号，或者可替换地，可以构建联合模型，该联合模型给出在一段时间中哪些设备活动的模型。以设备的假设活动模式能最佳地解释观测导的测量模式的方式构造这种模型。
在图10中，针对根据本发明另一实施例的方法图示出示意流程图。
在步骤S1002中，新的电气设备被接通或被连接到电网230。
在步骤S1004中，电气特性的变化被测量出。
在步骤S1006中，测得的电气特性的变化被存储为与新的电气设备对应的候选电气特性。
图10中所示的方法适于用来向学习过程增加新的设备，因为工厂训练过程不能覆盖用户家中所有可能的电器。可以通过让用户接通设备一分钟然后关断它并向系统命名它来应用该学习过程。在这样的学习阶段之后，该设备可以被系统识别。
所有测得的信息还可以用来识别用户(居住者)行为。依赖于用户的习惯的改变，系统可以创建另外的动作，例如，在用户早上关断闹钟后，咖啡机会被系统接通，或者在用户早上没有起床时紧急呼叫铃可能被触发。该行为可以被系统识别，这是因为在闹钟响了之后的预定时间没有电器被使用。
该系统还可以用来识别家中或房间中的若干扬声器设备。可能存在具有若干扬声器的HIFI立体声设备，在桌上放着移动电话，沙发上放着PSP(便携式游戏机)，厨房里可能有无线电设备，过道中有门铃扬声器系统，在儿童房中有另一HIFI立体声设备，等等。所有扬声器设备的组合可以用于涉及许多声源的一个环绕声电器。
尽管这里已经图示和描述了具体实施例，但是，本领域普通技术人员将明白，在不偏离所描述的实施例的范围的情况下，各种可替换和/或等同实现方式可以替换所示出和所描述的具体实施例。该描述意图覆盖这里所讨论的具体实施例的任意改编或变化。因此，希望本发明仅由权利要求及其等同物限制。

Claims (13)

1.一种用于识别电气设备的方法，所述电气设备被连接到电网，所述方法包括：
利用连接到所述电网的插座的传感器来测量所述电网上的至少一个电气特性；
将所述至少一个电气特性与多个存储的候选电气特性比较，每个存储的候选电气特性对应于多个候选电气设备中的一个候选电气设备；以及
基于与所述至少一个电气特性最接近的存储的候选电气特性来识别所述电气设备。
2.根据权利要求1所述的用于识别电气设备的方法，还包括：
接通新的电气设备或者将所述新的电气设备连接到所述电网；
测量所述至少一个电气特性的变化；以及
存储所述至少一个电气特性的变化，作为与所述新的电气设备相对应的候选电气特性。
3.根据权利要求1所述的用于识别电气设备的方法，其中所述电气特性是针对预定时间间隔测量的，并且所述存储的候选电气特性包括所述电气特性的时间依赖性。
4.根据权利要求1所述的用于识别电气设备的方法，还包括：
通过从所述至少一个电气特性减去所述候选电气特性来确定剩余电气特性；
将所述剩余电气特性与所述多个存储的候选电气特性相比较；以及
基于与所述剩余电气特性最接近的存储的候选电气特性来识别另一电气设备。
5.根据权利要求1所述的用于识别电气设备的方法，其中所述电气特性是以下特性中的一个：电功率、有效功率、无功功率、表观功率、电流、电压、任何插座对之间的通道传递函数、频率互调、输入反射系数、噪声、线路周期频率、线路周期的电源电压、识别码。
6.根据权利要求5所述的用于识别电气设备的方法，其中至少两个不同的电气特性被使用。
7.一种用于识别连接到电网的电气设备的系统，所述系统包括：
数据库，所述数据库包括多个存储的候选电气特性，每个存储的候选电气特性对应于多个候选电气设备中的一个候选电气设备；
处理器；以及
传感器，所述传感器包括
连接器，所述连接器被配置为将所述传感器连接到所述电网的插座，以及
测量单元，所述测量单元被配置为测量所述电网上的至少一个电气特性，
其中，所述处理器被配置为将所述至少一个电气特性与所述多个候选电气特性相比较，并且基于与所述至少一个电气特性最接近的存储的候选电气特性来识别所述电气设备。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述测量单元还被配置为通过一个或多个馈送端口在所述电网上馈送信号，或者馈送共模信号，其中所述一个或多个馈送端口是从相位线和中性线之间的对称馈送、相位线和保护地线之间的对称馈送、中性线和保护地之间的对称馈送中选出的。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述测量单元还被配置为基于共模信号接收来自所述电网的信号。
10.根据权利要求7所述的系统，还包括：
识别码单元，所述识别码单元被配置为通过所述电网将识别码发送给所述传感器。
11.一种用于识别连接到电网的电气设备的传感器，所述传感器包括：
连接器，所述连接器被配置为将所述传感器连接到所述电网的插座；
测量单元，所述测量单元被配置为测量所述电网上的至少一个电气特性；以及
处理器，所述处理器被配置为将所述至少一个电气特性与多个候选电气特性相比较，并且基于与所述至少一个电气特性最接近的存储的候选电气特性来识别所述电气设备。
12.根据权利要求11所述的传感器，其中所述测量单元还被配置为通过一个或多个馈送端口在所述电网上馈送信号或者馈送共模信号，其中所述一个或多个馈送端口是从相位线和中性线之间的对称馈送、相位线和保护地线之间的对称馈送、中性线和保护地之间的对称馈送中选出的。
13.根据权利要求11所述的传感器，其中，所述测量单元还被配置为基于共模信号接收来自所述电网的信号。
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