DE112014002885T5

DE112014002885T5 - System und Verfahren zur unmittelbaren Leistungszerlegung und -schätzung

Info

Publication number: DE112014002885T5
Application number: DE112014002885.1T
Authority: DE
Inventors: Yi Yang; Liang Du; Dawei He
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2014-05-22
Publication date: 2016-03-24
Also published as: CN105393088A; US10290063B2; US20140371932A1; CA2910799C; WO2014204613A1; CA2910799A1; CN105393088B

Abstract

Ein System (2) disaggregiert und schätzt einen Leistungsverbrauch von elektrischen Lasten bzw. Verbrauchern (4, 6, 8), die durch einen einzelnen elektrischen Ausgang bzw. eine einzelne elektrische Steckdose (10) mit Leistung versorgt werden. Das System beinhaltet einen Prozessor (12), der eine Routine (14) hat; einen Stromsensor (16), der mit dem Prozessor zusammenarbeitet, um Abtastungen für einen Leitungs- bzw. Netzzyklus einer aggregierten Stromwellenform (18) für die elektrischen Lasten zu messen, die durch die einzelne elektrische Steckdose mit Leistung versorgt werden; und einen Spannungssensor (20), der mit dem Prozessor zusammenarbeitet, um Abtastungen für den einen Netzzyklus einer Spannungswellenform (22) für die elektrischen Lasten zu messen, die durch die einzelne elektrische Steckdose mit Leistung versorgt werden. Die Prozessorroutine transferiert bzw. überträgt die gemessenen Abtastungen für den einen Netzzyklus der aggregierten Stromwellenform und der Spannungswellenform auf eine aggregierte Spannungs-Strom-Trajektorie (24) für den einzelnen elektrischen Auslass, und liefert eine unmittelbare bzw. sofortige Zerlegung des Leistungsverbrauchs für eine Vielzahl unterschiedlicher Kategorien der elektrischen Lasten aus der aggregierten Spannungs-Strom-Trajektorie für den einen Netzzyklus.

Description

QUERBEZUG ZU VERWANDTER ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und die Rechte der US-Patentanmeldung Seriennr. 13/920,602, die am 18. Juni 2013 eingereicht wurde, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Die Erfindung wurde mit Unterstützung der Regierung gemäß DE-EE0003911 getätigt, welche durch das Department of Energy National Energy Technology Laboratory zuerkannt wurde. Die Regierung hat gewisse Rechte an dieser Erfindung.
HINTERGRUND
Gebiet
Das offenbarte Konzept betrifft allgemein elektrische Lasten bzw. Verbraucher und insbesondere Verfahren zum Bestimmen des Leistungsverbrauchs davon. Das offenbarte Konzept betrifft auch Systeme zum Bestimmen des Leistungsverbrauchs elektrischer Lasten.
Hintergrundinformation
Von der Primärelektrizität, die von Geschäftsgebäuden verwendet wird, wird ungefähr 37% von einsteckbaren Lasten bzw. Verbrauchern bzw. PELs (PEL = plug-in loads) verbraucht, die auch als verschiedene elektrische Lasten bzw. MELs (MEL = miscellaneous electric loads) bekannt sind. Es wird erwartet, dass diese Verwendung um 78% zwischen 2008 und 2030 ansteigt. PELs sind als alle nicht elektrischen Lasten ohne direkten Netzanschluss in Gebäuden definiert und beinhalten eine Vielzahl von elektrischen Einrichtungen, wie beispielsweise Kühlschränke, Computer, Nahrungsmittelzubereitungsgeräte und Raumheizer/ventilatoren, ohne darauf eingeschränkt zu sein. Der Gesamtenergieverbrauch dieser ”einsteckbaren” Lasten bzw. Verbraucher wird oft übersehen.
Mehrere Studien weisen darauf hin, dass ein effektives Management von PELs potenziell Energieeinsparungen von Gebäuden um bis zu ungefähr 10% bis 30% ihres Verbrauchs verbessern könnte. Die Entwicklung von weitläufig anwendbaren Energiesparlösungen für PELs ist jedoch schwierig, hauptsächlich aufgrund der eingeschränkten Sichtbarkeit der Energienutzung von PELs in heutigen Gebäuden. Die Kenntnis des Energieverbrauchs nach Typen und Kategorien von PELs wird benötigt, um die obigen Schwierigkeiten zu überwinden. Daher ist es erwünscht, eine kosteneffektive und nicht eingreifende Gerätelastüberwachungs- und -identifikationstechnologie auf der Ebene der Last bzw. des Verbrauchers (auch bekannt als die ”Geräte- bzw. Verbraucher-Ebene”) zu entwickeln.
In Gebäuden kann elektrische Leistung an eine PEL direkt durch eine Wandsteckdose oder durch eine Mehrfachsteckdose geliefert werden, die in eine Wandsteckdose eingesteckt ist, um Leistung an mehrere Steckdosen der Mehrfachsteckdose zu verteilen. Dieses Szenario wird häufiger von Nutzern angewandt, um zu ermöglichen, dass die Wandsteckdose gleichzeitig Leistung an mehr als ein paar PELs liefert.
Eine Technologie, die in der Lage ist, einen Leistungsverbrauch von PELs nur durch Messen der aggregierten elektrischen Signale auf der Ebene der Wandsteckdose zu zerlegen/zu entkoppeln wird oft als eine kosteneffektive, nicht eingreifende Lastüberwachungs- und -identifikations- bzw. NILM-Lösung (NILM = nonintrusive load monitoring and identification) erwünscht. Ein frühes Beispiel einer NILM-Vorrichtung und eines NILM-Verfahrens ist im US-Patent Nr. 4,858,141 offenbart.
Viele Forscher weltweit haben in Richtung einer neuen Herstellung von Elektrizitätsmessungssystemen gearbeitet, die in der Lage sind, disaggregierte Daten über einen Verbrauch an dem individuellen Gerät bzw. Verbraucher oder auf Einrichtungsebene vorzusehen. Im Allgemeinen können die Merkmale und die Disaggregationsansätze, die verwendet werden, um unten auf der Ebene der Verbraucher oder der Ebene der Einrichtungen zu überwachen, in drei Gruppen kategorisiert werden: (1) Detektieren von deutlichen Veränderungen in sowohl dem aggregierten realen als auch dem reaktiven Leistungsverbrauch; (2) Stromverbrauchs- und Startcharakteristiken; und (3) Spannungssignaturen.
Obwohl NILM-Technologien seit den 1980ern entwickelt worden sind, wird angenommen, dass kein kommerziell verfügbares Disaggregationsverfahren leicht einsetzbar, hochgenau und kosteneffektiv ist. Die meisten der bekannten Verfahren erfordern entweder eine Überwachung über Stunden oder sogar länger, und einige andere Verfahren erfordern, dass zentrale Verarbeitungseinheiten bzw. CPUs (CPU = central processing unit) und Betriebssysteme Algorithmen künstlicher Intelligenz durchführen, die üblicherweise eine teure Plattform benötigen, die die Implementierung unterstützt.
Es gibt Verbesserungspotenzial bei Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs einer Vielzahl elektrischer Lasten.
Es gibt auch Verbesserungspotenzial bei Systemen zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs einer Vielzahl elektrischer Lasten.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese und andere Anforderungen werden von Ausführungsbeispielen des offenbarten Konzepts erfüllt, die eine Vielzahl von Abtastungen für einen Leitungs- bzw. Netzzyklus einer aggregierten Stromwellenform und einer Spannungswellenform für eine Vielzahl elektrischer Lasten messen, die durch eine einzelne elektrische Steckdose mit Leistung versorgt werden, die gemessenen Abtastungen für den einen Netzzyklus in eine aggregierte Spannungs-Strom-Trajektorie für die einzelne elektrische Steckdose übertragen und unmittelbare bzw. sofortige Zerlegung des Leistungsverbrauchs für eine Vielzahl unterschiedlicher Kategorien der elektrischen Lasten aus der aggregierten Spannungs-Strom-Trajektorie für den einen Netzzyklus vorsehen.
Gemäß einem Aspekt des offenbarten Konzepts weist ein Verfahren zum Disaggreggieren und Schätzen eines Leistungsverbrauchs einer Vielzahl von elektrischen Lasten, die durch einen einzelnen elektrischen Ausgang bzw. eine einzelne elektrische Steckdose mit Leistung versorgt werden Folgendes auf: Messen einer Vielzahl von Samples bzw. Abtastungen für einen Leitungs- bzw. Netzzyklus einer aggregierten Stromwellenform und einer Spannungswellenform für die Vielzahl von elektrischen Lasten, die durch die einzelne elektrische Steckdose mit Leistung versorgt werden; Übertragen, durch einen Prozessor, der gemessenen Abtastungen für den einen Netzzyklus in eine aggregierte Spannungs-Strom-Trajektorie für die einzelne elektrische Steckdose; und Vorsehen einer unmittelbaren Zerlegung des Leistungsverbrauchs für eine Vielzahl unterschiedlicher Kategorien der elektrischen Lasten bzw. Verbraucher aus der aggregierten Spannungs-Strom-Trajektorie für den einen Netzzyklus.
Als einen weiteren Aspekt des offenbarten Konzepts weist ein System zum Disaggregieren und Schätzen eines Leistungsverbrauchs einer Vielzahl von elektrischen Lasten bzw. Verbrauchern, die durch eine einzelne elektrische Steckdose mit Leistung versorgt werden Folgendes auf: einen Prozessor, der eine Routine beinhaltet; einen Stromsensor, der mit dem Prozessor zusammenarbeitet, um eine Messung einer Vielzahl von Abtastungen für einen Netzzyklus einer aggregierten Stromwellenform für die Vielzahl elektrischer Lasten zu messen, die durch die einzelne elektrische Steckdose mit Leistung versorgt werden; und einen Spannungssensor, der mit dem Prozessor zusammenarbeitet zum Messen einer Vielzahl von Abtastungen für den einen Netzzyklus einer Spannungswellenform für die Vielzahl elektrischer Lasten, die von der einzelnen elektrischen Steckdose mit Strom versorgt werden; wobei die Routine des Prozessors ausgelegt ist zum Übertragen der gemessenen Abtastungen für den einen Netzzyklus der aggregierten Stromwellenform und der Spannungswellenform auf eine aggregierte Spannungs-Strom-Trajektorie für die einzelne, elektrische Steckdose, und Vorsehen einer unmittelbaren Zerlegung des Leistungsverbrauchs für eine Vielzahl unterschiedlicher Kategorien der elektrischen Lasten aus der aggregierten Spannungs-Strom-Trajektorie für den einen Netzzyklus.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein volles Verständnis des offenbarten Konzepts kann aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele erhalten werden, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird, in denen:
1A und 1B graphische Darstellungen einer Spannungs-Strom-Trajektorie (V-I-Trajektorie) und von Spannungs- bzw. Stromwellenformen für eine resistive (R) Last sind.
2A und 2B graphische Darstellungen einer Spannungs-Strom-Trajektorie (V-I-Trajektorie) und von Spannungs- bzw. Stromwellenformen für eine reaktive (X) Last sind.
3A und 3B graphische Darstellungen einer Spannungs-Strom-Trajektorie (V-I-Trajektorie) und von Spannungs- bzw. Stromwellenformen für eine weitere reaktive (X) Last sind.
4A und 4B graphische Darstellungen einer Spannungs-Strom-Trajektorie (V-I-Trajektorie) und von Spannungs- bzw. Stromwellenformen für eine phasenwinkelgesteuerte (PAC = phase angle controlled) Last sind.
5A und 5B graphische Darstellungen einer Spannungs-Strom-Trajektorie (V-I-Trajektorie) und von Spannungs- bzw. Stromwellenformen für eine elektrische Last mit einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung (P) sind.
6A und 6B graphische Darstellungen einer Spannungs-Strom-Trajektorie (V-I-Trajektorie) und von Spannungs- bzw. Stromwellenformen für eine elektrische Last ohne Leistungsfaktorkorrekturschaltung (NP) sind.
7 ein Flussdiagramm einer unmittelbaren Leistungszerlegungs- und schätzungsroutine gemäß Ausführungsbeispielen des offenbarten Konzepts ist.
8A graphische Darstellungen von Spannungs- und Stromwellenformen und einer V-I-Trajektorie für eine LED-Lampe sind.
8B graphische Darstellungen von Spannungs- und Stromwellenformen und einer V-I-Trajektorie für eine Glühlampe sind.
8C graphische Darstellungen von Spannungs- und Stromwellenformen und einer V-I-Trajektorie für einen Raumventilator ist.
8D graphische Darstellungen von Spannungs- und Stromwellenformen und einer V-I-Trajektorie für eine Dimmer-Lampe sind.
9A und 9B graphische Darstellungen von aggregierten Strom- und Spannungswellenformen bzw. einer entsprechenden V-I-Trajektorie sind für eine kombinierte Last, die eine LED-Lampe und eine Glühlampe gemäß Ausführungsbeispielen des offenbarten Konzepts beinhaltet.
10A eine graphische Darstellung von zerlegten Stromwellenformen und des ursprünglichen aggregierten Stroms für die kombinierte Last der 9A und 9B ist.
10B eine graphische Darstellung von V-I-Trajektorien für die kombinierte Last und die zerlegten Stromwellenformen der 10A ist.
11A und 11B graphische Darstellungen von aggregierten Strom- und Spannungswellenformen bzw. einer entsprechenden V-I-Trajektorie für eine kombinierte Last sind, einschließlich einer LED-Lampe und einem Raumventilator gemäß Ausführungsbeispielen des offenbarten Konzepts.
12A eine graphische Darstellung von zerlegten Stromwellenformen und des ursprünglichen aggregierten Stroms für die kombinierte Last der 11A und 11B ist
12B eine graphische Darstellung von V-I-Trajektorien für die kombinierte Last und die zerlegten Stromwellenformen der 12A ist.
13A und 13B graphische Darstellungen aggregierter Strom- und Spannungswellenformen bzw. einer entsprechenden V-I-Trajektorie für eine kombinierte Last sind, die eine LED-Lampe, einen Raumventilator und eine Dimmer-Lampe gemäß Ausführungsbeispielen des offenbarten Konzepts beinhaltet.
14A eine graphische Darstellung von zerlegten Stromwellenformen und dem ursprünglichen aggregierten Strom für die kombinierte Last der 13A und 13B ist.
14B eine graphische Darstellung von V-I-Trajektorien für die kombinierte Last und die zerlegten Stromwellenformen der 14A ist.
15 und 16 Blockdiagramme von Systemen gemäß Ausführungsbeispielen des offenbarten Konzepts sind.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
So wie er hierin verwendet wird, soll der Ausdruck ”Anzahl” Eins oder eine ganze Zahl größer als Eins (d. h. eine Vielzahl) bedeuten.
So wie er hierin verwendet wird, soll der Ausdruck ”Prozessor” Folgendes bedeuten: eine programmierbare Analog- und/oder Digitaleinrichtung, die Daten speichern, abrufen und verarbeiten kann; einen Computer; einen Digitalsignalprozessor (DSP); einen Controller; eine Arbeitsstation; einen persönlichen Computer bzw. PC; einen Mikroprozessor; einen Mikrocontroller, einen Mikrocomputer; eine zentrale Verarbeitungseinheit bzw. CPU; einen Mainframe-Computer, einen Mini-Computer; einen Server; einen Netzwerkprozessor; oder jegliche geeignete Verarbeitungseinrichtung oder -vorrichtung.
Das offenbarte Konzept setzt einen Ansatz einer unmittelbaren bzw. sofortigen Zerlegung durch ein graphisches Verfahren ein, um den Leistungsverbrauch mehrerer PELs durch nur Messen von deren aggregierten Strom- und Spannungswellenformen an einem einzelnen elektrischen Ausgang (z. B. einer Wandsteckdose, ohne darauf eingeschränkt zu sein) zu schätzen. Dies hat zum Ziel, die unmittelbare Zerlegung eines Energieverbrauchs von Netzzyklus zu Netzzyklus mit einer relativ niedrigen Abtastrate zu erreichen (z. B. in der Größenordnung einer Anzahl von kHz). Dies ermöglicht eine kostengünstige NILM-Lösung, die leicht in einer eingebetteten Umgebung (z. B. in einer Mehrfachsteckdose, die von einem elektrischen Ausgang bzw. einer elektrischen Steckdose mit Strom versorgt wird; in einer elektrischen Steckdose, die eine Mehrfachsteckdose mit Leistung versorgt, ohne darauf eingeschränkt zu sein) implementiert werden kann.
Die US-Patentanmeldung Seriennr. 13/912,819, die am 7. Juni 2013 eingereicht wurde mit dem Titel ”Method And System Employing Graphical Eletrical Load Categorization To Identify One Of A Plurality Of Different Electric Load Types” offenbart ein Verfahren und ein System, das graphische elektrische Lastkategorisierung einsetzt, um unterschiedliche elektrische Lasten zu identifizieren und zu klassifizieren. Dies extrahiert eine Vielzahl unterschiedlicher Merkmale aus einem abgebildeten Zellengitter als eine graphische Signatur einer entsprechenden einen einer Vielzahl unterschiedlicher elektrischer Lasten, leitet eine Kategorie der entsprechenden einen der unterschiedlichen elektrischen Lasten aus einer hierarchischen Lastmerkmalsdatenbank her und identifiziert einen einer Vielzahl unterschiedlicher elektrischer Lasttypen für die entsprechende eine der unterschiedlichen elektrischen Lasten. Dieser Ansatz, der in der Anmeldung 13/912,819 offenbart ist, basiert auf der Annahme, dass die Spannungs- und Stromwellenformmessung verfügbar ist für die individuelle PEL oder in Verbindung mit dieser.
Das hierin offenbarte Konzept erweitert den Lastkategorisierungs- und Merkmalsextraktionsansatz, der in der Anmeldung 13/912,819 offenbart ist, um die Disaggregation des Leistungsverbrauchs durch individuelle elektrische Lasten zu ermöglichen, die in einen einzelnen elektrischen Ausgang bzw. eine einzelne elektrische Steckdose eingesteckt bzw. daran angeschlossen sind. Das offenbarte Konzept nimmt an, dass nur aggregierte Strom- und Spannungsmessungen an einer einzelnen elektrischen Steckdose (z. B. an einer Wandsteckdose; am Einlasseingang einer Mehrfachsteckdose, ohne darauf eingeschränkt zu sein) verfügbar sind, die mehrere nachgelagerte PELs mit Leistung versorgt. Kein bekannter früherer Ansatz zerlegt und schätzt den unmittelbaren Leistungsverbbrauch von PELs aus aggregierten Strom- und Spannungsmessungen.
Wenn nur ein Netzzyklus der Spannungs- und Stromwellenformen einer elektrischen Last direkt in eine Spannungs-Strom-Trajektorie (V-I-Trajektorie) (ohne Normalisierung) transformiert wird, besitzen unterschiedliche Kategorien von PELs recht unterschiedliche Formen und Charakteristiken der V-I-Trajektorien. 1A, 2A und 3A, 4A, 5A bzw. 6A zeigen Beispiele von V-I-Trajektorien für fünf unterschiedliche Lasttypkategorien: R (resitive Last), zwei Beispiele von X (reaktive Last), PAC (phasenwinkelgesteuerte Last), P (elektronische Last mit einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung), und NP (elektronische Last ohne eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung). Die X-Achse der V-I-Trajektorie stellt den Spannungswert (Volt) dar und die Y-Achse stellt den Stromwert (Ampere) dar.
1B–6B zeigt den normalisierten Wert der Spannungswellenform (gezeigt als unterbrochene bzw. dünne Linie) und den tatsächlichen Wert (Ampere) der Stromwellenform (gezeigt als durchgezogene bzw. dicke Linie) für jeweilige 1A–6A. Der normalisierte Wert der Spannungswellenform wird zur Erleichterung einer Veranschaulichung eingesetzt und verbessert die Verständlichkeit der 1B–6B.
Als eine wichtige Beobachtung der unmittelbaren Leistungsverbrauchsschätzung kann, für jede Lastkategorie, die reale Leistung einer Last bzw. eines Verbrauches aus mehreren Schlüsselcharakteristiken geschätzt werden, die aus den V-I-Trajektorien extrahiert werden. Diese Charakteristiken werden auch als die ”definierenden Merkmale” bezeichnet, die dabei helfen können, den Leistungsverbrauch der PEL, die beobachtet wird, zu schätzen.
Für eine elektrische Last in Kategorie R wird die reale Leistung (P) (nicht zu verwechseln mit der Lastkategorie P), welche gleich dem Produkt der RMS-Spannung (V_rms) und des RMS-Stroms (I_rms) ist, aus Gleichung 1 geschätzt. P = V_rms·I_rms ≈ V 2 / peak·Slop_diag/2 (Gl. 1) wobei:

V_peak: der Maximalwert des einen Netzzyklus der Spannungswellenform ist;
Slop_diag: die Steigung der Diagonallinie der V-I-Trajektorie ist, wie sie in 1A (nur für Lasten in Kategorie R) gezeigt ist und berechnet werden kann als Slop_diag = I_k/V_k;
(V_k, I_k): jeglichen Punkt entlang der V-I-Trajektorie darstellt (d. h. jegliche paarweisen Werte von Spannungs- und Stromabtastungen innerhalb des einen Netzzyklus der Wellenform); k = 1, 2, ...N; und
N: die Anzahl von Abtastungen pro Netzzyklus ist.

Für eine elektrische Last in Kategorie X (Fall-1 aus 2A–2B) wird die reale Leistung durch Gleichung 2 geschätzt. P = V_rms·I_rms·cos(θ) ≈ V_peak·I_peak·cos(θ)/2 (Gl. 2) wobei:

V_peak: der Maximalwert des einen Netzzyklus der Spannungswellenform ist;
I_peak: der Maximalwert des einen Netzzyklus der Stromwellenform ist;
θ: der Phasenwinkel zwischen den Spannungs- und Stromwellenformen ist, wie in 2B gezeigt ist und (für den Fall-1 in Kategorie X) der Phasenwinkel graphisch geschätzt werden kann aus:
acos: der Arkuskosinus ist; und
V_I=0: der positive Spannungswert ist, wenn Strom I Null ist, und tatsächlich der X-Achsenwert des ”Stromnulldurchgangs”-Punktes entlang der V-I-Trajektorie ist, wie in 2A gezeigt ist.

Für eine elektrische Last in der Kategorie (Fall-2 aus 3A–3B) wird die reale Leistung aus Gleichung 3 geschätzt. P = V_rms·I_rms·cos(θ) ≈ V_peak·I_peak·cos(θ)/2 (Gl. 3) wobei:

V_peak: der Maximalwert des einen Zyklus der Spannungswellenform ist;
I_peak: der Maximalwert des einen Zyklus der Stromwellenform ist;
θ: der Phasenwinkel zwischen den Spannungs- und Stromwellenformen ist, wie in 3B gezeigt ist und (für den Fall-2 in Kategorie X) der Phasenwinkel graphisch geschätzt werden kann aus:
und
V_Ipeak: der positive Spannungswert ist, wenn der Strom I auf seinem Spitzenwert I_peak ist, und tatsächlich der X-Achsenwert des ”Stromspitzen”-Punktes entlang der V-I-Trajektorie ist, wie in 3A gezeigt ist.

Um den Leistungsverbrauch für Kategorie-X-Lasten zu schätzen wird, wenn der geschätzte Phasenwinkel weniger als 30 Grad ist, angenommen, dass der Wert (θ_{case_1} bzw. θ_{Fall_1}), der aus der Kategorie X (Fall-1) hergeleitet ist, genauer ist und wird als die Phasenwinkelschätzung angenommen. Auf der anderen Seite wird, wenn der geschätzte Phasenwinkel größer als 30 Grad ist, der Wert (θ_{case_2} bzw. θ_{Fall_2}), der aus Kategorie X (Fall-2) hergeleitet ist, als genauer betrachtet und ein gewichteter mittlerer Wert der Ergebnisse aus Fall-1 und Fall-2 wird für die Phasenwinkelschätzung angenommen, wie durch Gleichung 4 gezeigt ist. θ ≈ (θ_{case_1} + 2·θ_{case_2})/3 (Gl. 4)
Für eine elektrische Last in Kategorie PAC wird die reale Leistung aus Gleichung 5 geschätzt. P = V_rms·I_rms·(cos(α) + 1)/2 ≈ V_peak·I_peak·(cos(α) + 1)/4; (Gl. 5) wobei:

V_peak: der Maximalwert des einen Netzzyklus der Spannungswellenform ist;
I_peak: der Maximalwert des einen Netzzyklus der Stromwellenform ist;
α: der Phasensteuerwinkel (der auch als der Zündwinkel bekannt ist) ist, wie in 4B gezeigt, der graphisch geschätzt werden kann über die V-I-Trajektorie aus:

V_{point_1} bzw. V_{Punkt_1} und V_{point_2} bzw. V_{Punkt_2} sind die Spannungswerte (d. h. die X-Achsen-Werte) von ”Point_1” bzw. ”Punkt_1” und ”Point_2” bzw. ”Punkt_2”, die am unteren Ende und dem oberen Ende entlang einer vertikalen Linie L1 in der V-I-Trajektorie liegen, wie in 4A gezeigt ist;
der Wert von I_peak kann geschätzt werden aus: I_peak ≈ ΔI_point1–2/sin(α); und ΔI_point1–2 = I_{point_2} – I_{point_1} (d. h. die Differenz der Y-Achsenwerte zwischen ”Point_1” und ”Point_2”).
Für eine elektrische Last in Kategorie P ist die Schätzung der realen Leistung ähnlich der Kategorie X (Fall-1) und wird aus Gleichung 6 geschätzt. P = V_rms·I_rms·cos(θ) ≈ V_peak·I_peak·cos(θ)/2 (Gl. 6) wobei

V_peak: der Maximalwert des einen Netzzyklus der Spannungswellenform ist;
I_peak: der Maximalwert des einen Netzzyklus der Stromwellenform ist;
θ: der Phasenwinkel zwischen den Spannungs- und Stromwellenformen ist, wie in 5B gezeigt ist und (für Kategorie P) dieser Phasenwinkel graphisch geschätzt werden kann aus:
und
V_I=0: ein positiver Spannungswert ist, wenn der Strom I gleich Null ist, und tatsächlich der X-Achsenwert des ”Stromnulldurchgangs”-Punktes entlang der V-I-Trajektorie ist, wie in 5A gezeigt ist.

Der Unterschied zwischen den Kategorie-P-Lasten und den zwei Kategorie-X-Lasten ist, dass für die Kategorie-P-Lasten die Stromwellenform die Spannungswellenform anführt bzw. bestimmt, was zu einem negativen Wert des Phasenwinkels θ führt, im Gegensatz zu einem positiven Wert des Phasenwinkels θ für die Kategorie-X-Lasten.
Für eine elektrische Last in Kategorie NP ist die analytische Schätzung der realen Leistung häufig eine Herausforderung. Dies liegt hauptsächlich an der Unsicherheit der Auswahl elektronischer Komponenten für die Schaltungsgleichstromspannungsversorgung (oft herstellungsabhängig), so dass es schwierig ist, die Stromwellenform durch eine analytische Gleichung zu formulieren. Für diese Leistungszerlegungsanwendung wird die Leistungsverbrauchsschätzung für NP-Lasten als der letzte Schritt des Leistungszerlegungsprozesses übrig gelassen, wie unten in Verbindung mit 7 und mit den Tabellen 1–3 und den entsprechenden Figuren diskutiert wird. Dies kann als der verbleibender Leistungsverbrauch betrachtet werden, nachdem alle anderen Lasten entkoppelt und geschätzt worden sind.
Um weiter zu bestimmen, ob der übrige Leistungsverbrauch zu Kategorie NP gehört oder zu einer Lastkategorie, die nicht richtig definiert werden kann, kann das Ausmaß der Stromdiskontinuität bzw. -unstetigkeit als ein definierendes Merkmal für Kategorie-NP-Lasten verwendet werden. Als eines der ausgeprägtesten Merkmale für Kategorie-NP-Lasten ist der Strom von NP-PELs oft in hohem Maß unstetig, wobei der Laststrom auf Null oder einem sehr geringen Stromwert (z. B. weniger als 10% von I_peak, ohne darauf eingeschränkt zu sein) für eine lange Dauer innerhalb eines Zyklus (z. B. mehr als 50% einer Zyklusdauer, ohne darauf eingeschränkt zu sein) verbleibt. Diese Dauer wird als Dauer nicht stetigen Stroms bezeichnet. Das Ausmaß der Stromunstetigkeit kann über die folgenden zwei Bedingungen evaluiert werden: I_{Vk<30%·Vpeak} < 10%·I_peak (V_{point_1} + V_{point_2})/2 > 50%·V_peak wobei:

Point_1 bzw. Punkt_1 und Point_2 bzw. Punkt_2: Start- bzw. Endpunkte der Dauer nicht stetigen Stroms sind, wie in 6A und 6B gezeigt ist; und
I_{Vk<30%·Vpeak}: sich auf die durchschnittliche Stromgröße einer Datenabtastung (von Datenabtastungen) bezieht, wenn der entsprechende Spannungswert (die entsprechenden Spannungswerte) geringer ist (sind) als 30% von V_peak.

Wenn beide der obigen zwei Bedingungen erfüllt sind, wird der übrige Leistungsverbrauch in die NP-Kategorie kategorisiert. Anderenfalls wird er in eine Lastkategorie kategorisiert, die nicht ordnungsgemäß definiert werden kann, die als Kategorie Unbekannt bezeichnet wird.
Unmittelbarer Leistungszerlegungs- und -schätzungsprozess
Wenn mehrere PELs gleichzeitig durch einen elektrischen Ausgang bzw. eine elektrische Steckdose mit Leistung versorgt werden, können die obigen ”definierenden Merkmale” immer noch als aggregierte Wellenformen (d. h. die aggregierten V-I-Trajektorien) angewandt werden. Die definierenden Merkmale für jede der obigen Lastkategorien können zum Rekonstruieren der Wellenformen der individuellen Lasten, die von Interesse sind, verwendet werden. Diese definierenden Merkmale für unterschiedliche Lastkategorien können üblicherweise nicht aggregiert werden oder haben eine sehr begrenzte Überlappung und spielen wichtige Rollen beim Entkoppeln des Leistungsverbrauchs von den unterschiedlichen Lastkategorien.
7 zeigt den Prozess der unmittelbaren Leistungszerlegung und -schätzung. Dieser Prozess nimmt einen Leitungs- bzw. Netzzyklus von Spannungs- und Stromwellenformen an der einzelnen elektrischen Steckdose und überträgt den einen Netzzyklus dieser Wellenformen auf eine aggregierte V-I-Trajektorie. Der Prozess bestimmt dann auf hierarchische Weise, ob die definierenden Merkmale für die Kategorien R, PAC, X und P verfügbar sind. Wenn dem so ist, wird der entsprechende Leistungsverbrauch geschätzt. Wenn dem nicht so ist, dann wird die nächste Lastkategorie untersucht.
Zum Beispiel wird, für Lastkategorie R, wenn die definierenden Merkmale für Kategorie R verfügbar sind, dann die Kategorie-R-Wellenform unter Verwendung der definierenden Merkmale zerlegt, wie oben in Verbindung mit Gleichung 1 beschrieben wurde. Dann wird der Leistungsverbrauch für eine Kategorie-R-Last (für Kategorie-R-Lasten) geschätzt und der Leistungsverbrauch für die verbleibende(n) Last(en) wird geschätzt (z. B. aus dem Gesamtleistungsverbrauch basierend auf dem einen Netzzyklus von Spannungs- und Stromwellenformen abzüglich dem geschätzten Leistungsverbrauch für die Kategorie-R-Last(en)). Wenn es keine weiteren Lasten zu zerlegen gibt (z. B. ist der Leistungsverbrauch für die verbleibenden Lasten ungefähr Null), dann tritt die Routine aus.
Anderenfalls, wenn es weitere Lasten gibt, die zu zerlegen sind (z. B. ist der Leistungsverbrauch für die verbleibende(n) Last(en) größer als ein vorbestimmter Wert), dann zerlegt die Routine die Wellenform der nächsten Kategorie (z. B. PAC) unter Verwendung der definierenden Merkmale, wie oben diskutiert, in Verbindung mit Gleichung 5, auf ähnliche Weise, wie für die Kategorie-R-Lasten diskutiert worden ist. Der PAC-Kategorie folgt dann die X-Kategorie, der dann die P-Kategorie folgt.
Nach der P-Kategorie wird dann, wenn es keine ”definierenden Merkmale” für diese Kategorie geben würde, oder wenn eine weitere Last (weitere Lasten) zu zerlegen wären, dann der Leistungsverbrauch für die verbleibende(n) Last(en) geschätzt werden. Wenn die ”definierenden Merkmale” für Kategorie NP (d. h. die elektronische(n) Last(en) ohne eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung) verfügbar sind, wird der verbleibende Leistungsverbrauch für eine Kategorie-NP-Last (für Kategorie-NP-Lasten) geschätzt. Anderenfalls wird der verbleibende Leistungsverbrauch für Last(en) einer unbekannten Kategorie geschätzt.
Validierung des Prozesses
Das Folgende diskutiert verschiedene beispielhafte Tests, die mit unterschiedlichen Kombinationen von Lastverbrauchern bzw. Lastgeräten durchgeführt wurden, um die Performance bzw. Leistungsfähigkeit des offenbarten Leistungszerlegungs- und -schätzprozesses zu validieren. Diese Tests beinhalten Kombinationen von vier beispielhaften Typen von PELs: (1) eine LED-Lampe (eine elektronische NP-Last) (z. B. tatsächlicher Leistungsverbrauch = 18,0 W, ohne darauf eingeschränkt zu sein); (2) eine Glühlampe (eine resistive R-Last) (z. B. tatsächlicher Leistungsverbrauch = 95,0 W, ohne darauf eingeschränkt zu sein); (3) ein Raumventilator (eine reaktive R-Last) (z. B. tatsächlicher Leistungsverbrauch = 22,5 W, ohne darauf eingeschränkt zu sein); und (4) eine Dimmer-Lampe (eine PAC-Last) (z. B. tatsächlicher Leistungsverbrauch 17,5 W, ohne darauf eingeschränkt zu sein). 8A–8D zeigen die Strom- und Spannungswellenformen durch die individuellen jeweiligen Lastanwendungen ebenso wie die entsprechenden V-I-Trajektorien.
Tests aggregierter Wellenformen mit einer LED-Lampe und einer Glühlampe
In diesen Tests werden aggregierte Strom- und Spannungswellenformen an einem elektrischen Ausgang bzw. einer elektrischen Steckdose gemessen, wenn die LED-Lampe (elektronische NP-Last) und die Glühlampe (resistive R-Last) gleichzeitig durch diese Steckdose mit Leistung versorgt werden. 9A zeigt die aggregierten Strom- und Spannungswellenformen 18, 22 und 9B zeigt die entsprechende V-I-Trajektorie 24. In diesem Beispiel ist der tatsächliche Gesamtleistungsverbrauch 113 W.
In 7 wird die Kategorie-R-Last zuerst berücksichtigt. Mit Bezug auf die definierenden Merkmale für Lasten in Kategorie R ist die Steigung bzw. Neigung des Diagonalliniensegments, das in 9B gezeigt ist, gleich Slop_diag = 0,36/52 = 0,0069. Der Leistungsverbrauch für die Glühlampe (incandescent) wird dann geschätzt durch: P_incandescent ≈ V 2 / peak·Slop_diag/2 = 165²·0.0069/2 = 94.24 W
Die zerlegte Stromwellenform kann auch rekonstruiert werden durch: I_incandescent(k) ≈ V(k)·Slop_diag
10A zeigt die ursprüngliche aggregierte Stromwellenform und die zwei zerlegten Stromwellenformen individuell für die Glühlampe und die LED-Lampe. 10B zeigt die ursprüngliche aggregierte V-I-Trajektorie und die zwei zerlegten V-I-Trajektorien. Die verbleibende Stromwellenform und die V-I-Trajektorie (d. h. Subtrahieren der zerlegten Glühlampenstromwellenform und der V-I-Trajektorie von dem aggregierten Strom und der V-I-Trajektorie) stellen das eindeutige bzw. ausgeprägte definierende Merkmal für eine Kategorie-NP-Last (für Kategorie-NP-Lasten) dar, wobei die folgenden zwei Bedingungen erfüllt werden: I_{Vk<30%·Vpeak} ≈ 0.005 A < 10%·I_peak = 0.05 A und (V_{point_1} + V_{point_2})/2 = (85 V + 165 V)/2 = 125 V > 50%·V_peak = 165 V/2 = 82.5 V.
Daher kann der verbleibende Leistungsverbrauch als Kategorie-NP-Last(en) kategorisiert werden. Es kann durch Vergleichen dieser zerlegten Wellenformen der
10A und 10B mit den tatsächlichen Wellenformen, wie sie in 1B, 6B bzw. 1A, 6A gezeigt sind, gesehen werden, dass es eine vielversprechende Übereinstimmung gibt.
Tabelle 1 fasst die zerlegte Leistungsverbrauchsschätzung für die Glühlampe und die LED-Lampe von 10A und 10B zusammen, ebenso wie deren tatsächlichen individuellen Leistungsverbrauch. Die geschätzten Leistungsverbrauche stimmen mit ihren tatsächlichen Werten (gesamter, tatsächlicher Leistungsverbrauch = 113 W) mit einer Genauigkeit von mehr als 95% überein. Tabelle 1

Last bzw. Verbraucher Tatsächlicher individueller Leistungsverbrauch (W) Geschätzter individueller Leistungsverbrauch (W)

LED-Lampe 18,0 18,71

Glühlampe 95,0 94,11
Test aggregierter Wellenformen mit einer LED-Lampe und einem Raumventilator
In diesem Test werden aggregierte Strom- und Spannungswellenformen an einem Ausgang bzw. einer Steckdose gemessen, wenn die LED-Lampe (elektronische NP-Last) und der Raumventilator (reaktive X-Last) gleichzeitig durch diese Steckdose mit Leistung versorgt werden. 11A zeigt die aggregierten Strom- und Spannungswellenformen, und 11B zeigt die aggregierte V-I-Trajektorie. Der tatsächliche Gesamtleistungsverbrauch ist 40,5 W.
Aus 7 wird die Kategorie-X-Last zuerst berücksichtigt. Mit Bezug auf die definierenden Merkmale für Lasten in Kategorie X, wie oben in Verbindung mit Gleichung 2 beschrieben wurde, wird der Phasenwinkel für Fall-1 geschätzt durch: θ = π / 2 – acos( 91.7 / 166) = 0.59 rad.
Auch ist der Phasenwinkel geschätzt für Fall-2 bzw. Case-2, wie oben diskutiert wurde, in Verbindung mit Gleichung 3 gegeben durch: θ = acos( 40 / 166) = 1.33 rad.
Da der Phasenwinkel größer als 30 Grad oder π / 6 ist, wird der gewichtete Mittelwert aus den Ergebnissen von Fall-1 und Fall-2 für die Phasenwinkelschätzung unter Verwendung von Gleichung 4 angenommen, der gegeben ist durch θ = (0.59 + 2·1.33)/3 = 1.1 rad.
Der Leistungsverbrauch für den Raumventilator (space fan) wird dann geschätzt durch: P_{space_fan} ≈ V_peak·I_peak·cos(θ)/2 = 166·0.61·cos(1.1)/2 = 22.8 W.
Die zerlegte Stromwellenform kann auch rekonstruiert werden durch: I_incandescent(k) ≈ I_peak·sin(2π·k/N – θ).
12A zeigt individuell die ursprüngliche, aggregierte Stromwellenform und die zwei zerlegten Stromwellenformen für den Raumventilator und die LED-Lampe. 12B zeigt die ursprüngliche, aggregierte Strom-V-I-Trajektorie ebenso wie die zwei zerlegten V-I-Trajektorien. Die verbleibende Stromwellenform und V-I-Trajektorie (d. h. Subtrahieren der zerlegten Glühlampenstromwellenform und V-I-Trajektorie von dem aggregierten Strom und der V-I-Trajektorie) stellen die eindeutigen definierenden Merkmale für eine Kategorie-NP-Last (für Kategorie-NP-Lasten) dar, wobei die folgenden zwei Bedingungen erfüllt sind: I_{Vk<30%·Vpeak} ≈ 0.05 A < 10%·I_peak = 0.1·0.6 A = 0.06 A, und (V_{point_1} + V_{point_2})/2 = (50 V + 165 V)/2 = 107 V > 50%·V_peak = 165 V/2 = 82.5 V.
Daher kann der verbleibende Leistungsverbrauch als Kategorie-NP-Last(en) kategorisiert werden. Durch Vergleichen dieser zerlegten Wellenformen und V-I-Trajektorien in 12A und 12B mit den tatsächlichen Wellenformen und V-I-Trajektorien, wie sie in 3B, 6B bzw. 3A, 6A gezeigt sind, ist ersichtlich, dass es eine vielversprechende Übereinstimmung gibt.
Tabelle 2 fasst die zerlegte Leistungsverbrauchsschätzung für die LED-Lampe und den Raumventilator der 12A und 12B zusammen, ebenso wie ihren tatsächlichen individuellen Leistungsverbrauch. Die geschätzten Leistungsverbrauche stimmen mit ihren tatsächlichen Werten (tatsächlicher Wert = 40,5 W) mit einer Genauigkeit von mehr als 95% überein. Tabelle 2

Last bzw. Verbraucher Tatsächlicher individueller Leistungsverbrauch (W) Geschätzter individueller Leistungsverbrauch (W)

LED-Lampe 18,0 17,7

Raumventilator 22,5 22,8
Test aggregierten Stroms mit einem Raumventilator, einer LED-Lampe und einer Dimmer-Lampe
In diesem Test werden aggregierte Strom- und Spannungswellenformen an einem elektrischen Ausgang bzw. einer elektrischen Steckdose gemessen, wenn die LED-Lampe (elektronische NP-Last), der Raumventilator (reaktive X-Last) und die Dimmer-Lampe (phasenwinkelgesteuerte PAC-Last) gleichzeitig durch diese Steckdose mit Leistung versorgt werden. 13A zeigt die aggregierten Strom- und Spannungswellenformen und 13B zeigt die aggregierte V-I-Trajektorie. Der tatsächliche Leistungsverbrauch ist 58,0 W.
Gemäß 7 wird die Kategorie-PAC-Last zuerst berücksichtigt. Mit Bezug auf die definierenden Merkmale für Lasten in Kategorie PAC kann, wie oben diskutiert wurde, in Verbindung mit Gleichung 5 der Zündwinkel geschätzt werden als: α = π / 2 – acos( 167 / 169) = 1.42 rad.
Gemäß 7 wird die Kategorie-X-Last als nächstes berücksichtigt. Der aktuelle Spitzenwert kann geschätzt werden als: I_peak ≈ (0.72 – 0.36)/sin(1.42) = 0.37 A.
Der Leistungsverbrauch für die Dimmer-Lampe wird dann geschätzt durch: P ≈ 169·0.37·(cos(1.42) + 1)/4 = 17.8 W
Die zerlegte Stromwellenform für die Dimmer-Lampe (PAC-Last) kann auch basierend auf dem Stromspitzenwert und dem Zündwinkel rekonstruiert werden.
14A zeigt die ursprüngliche aggregierte Stromwellenform und die zerlegten Stromwellenformen für die Dimmer-Lampe und die verbleibenden beiden Lasten (d. h. den Raumventilator und die LED-Lampe). 14B zeigt die ursprüngliche aggregierte Strom-V-I-Trajektorie ebenso wie die zwei zerlegten V-I-Trajektorien (d. h. für die Dimmer-Lampe und die verbleibenden beiden Lasten). Durch Vergleichen dieser zerlegten Wellenformen und V-I-Trajektorien aus den 14A und 14B mit den tatsächlichen Wellenformen und V-I-Trajektorien, wie sie in 3B, 4B, 6B bzw. 3A, 4A, 6A gezeigt sind, ist ersichtlich, dass es eine vielversprechende Übereinstimmung gibt.
Für die weitere Zerlegung ist der Prozess ähnlich dem, was oben beschrieben wurde, wobei der vorherige Test für den Raumventilator und die LED-Lampe durchgeführt wurde. Die Details werden nicht wiederholt, sondern es werden nur die zerlegten Leistungsverbrauchsergebnisse dargestellt.

Tabelle 3 fasst die zerlegte Leistungsverbrauchsschätzung für diese drei Lasten der 14A und 14B zusammen, ebenso wie ihren tatsächlichen individuellen Leistungsverbrauch. Die geschätzten Leistungsverbräuche stimmen mit ihren tatsächlichen Werten (gesamte tatsächliche Leistung = 58 W) mit einer Genauigkeit von mehr als 95% überein. Tabelle 3

Last	Tatsächlicher individueller Leistungsverbrauch (W)	Geschätzter individueller Leistungsverbrauch Schritt-1 (W)	Geschätzter individueller Leistungsverbrauch Schritt-2 (W)
Dimmer-Lampe (PAC)	17,5	17,8	17,8
LED-Lampe (NP)	18,0	40,2	17,7
Raumventilator (X)	22,5	40,2	22,5

Mit Bezug auf 15 ist ein System 2 zum Disaggregieren und Schätzen eines Leistungsverbrauchs einer Vielzahl elektrischer Lasten 4, 6, 8 (d. h. PELs, ohne darauf eingeschränkt zu sein), die durch eine einzelne elektrische Steckdose 10 mit Leistung versorgt werden, gezeigt. Obwohl drei Beispiele elektrischer Lasten gezeigt werden, ist das offenbarte Konzept auf jegliche geeignete Vielzahl elektrischer Lasten anwendbar. Das System 2 beinhaltet einen Prozessor (P) 12 mit einer Routine 14. Ein Stromsensor 15 arbeitet mit dem Prozessor 12 zusammen, um eine Vielzahl von Abtastungen für einen Netzzyklus einer aggregierten Stromwellenform 18 (z. B. wie in 9A gezeigt ist, ohne darauf eingeschränkt zu sein) für die elektrischen Lasten 4, 6, 8 zu messen. Ein Spannungssensor bzw. VS (VS = voltage sensor) 20 arbeitet auch mit dem Prozessor 12 zusammen, um eine Vielzahl von Abtastungen für den einen Netzzyklus einer Spannungswellenform 22 (wie in 9A gezeigt ist, ohne darauf eingeschränkt zu sein) für die elektrischen Lasten 4, 6, 8 zu messen.
Gemäß den Lehren des offenbarten Konzepts ist die Prozessorroutine 14 ausgelegt, um die gemessenen Abtastungen für den einen Netzzyklus der aggregierten Stromwellenform 18 und der Spannungswellenform 22 in eine aggregierte Spannungs-Strom-Trajektorie 24 (z. B. wie in 9B gezeigt ist, ohne darauf eingeschränkt zu sein) für die einzelne elektrische Steckdose 10 zu übertragen und eine unmittelbare bzw. sofortige Zerlegung eines Leistungsverbrauchs für eine Vielzahl unterschiedlicher Kategorien von elektrischen Lasten 4, 6, 8 aus der aggregierten Spannungs-Strom-Trajektorie 24 für den einen Netzzyklus vorzusehen.
In dem Beispiel der 15 ist der Prozessor 12 in eine Mehrfachsteckdose 26 eingebettet, die von der elektrischen Steckdose 10 mit Leistung versorgt wird.
Alternativ ist, wie in 16 gezeigt ist, der Prozessor in die elektrische Steckdose 10' eingebettet.
Während spezifische Ausführungsbeispiele des offenbarten Konzepts im Detail beschrieben worden sind, wird dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Modifikationen und Alternativen zu jenen Details in Hinblick auf die gesamten Lehren der Offenbarung entwickelt werden könnten. Dementsprechend sollen die bestimmten Anordnungen, die offenbart sind, nur veranschaulichend sein und sollen den Umfang des offenbarten Konzepts nicht einschränken, welchem die volle Breite der angehängten Ansprüche und jeglicher und aller äquivalenten Ausführungen davon gewährt werden soll.

Claims

Ein Verfahren zum Disaggregieren und Schätzen eines Leistungsverbrauchs einer Vielzahl von elektrischen Lasten bzw. Verbraucher (4, 6, 8), die durch einen einzelnen elektrischen Ausgang bzw. eine einzelne elektrische Steckdose (10) mit Leistung versorgt werden, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Messen (16, 20) einer Vielzahl von Samples bzw. Abtastungen für einen Leitungs- bzw. Netzzyklus einer aggregierten Stromwellenform (18) und einer Spannungswellenform (22) für die Vielzahl von elektrischen Lasten, die durch die einzelne elektrische Steckdose mit Leistung versorgt werden; Übertragen, durch einen Prozessor (12), der gemessenen Abtastungen für den einen Netzzyklus in eine aggregierte Spannungs-Strom-Trajektorie (24) für die einzelne elektrische Steckdose; und Vorsehen einer augenblicklichen bzw. unmittelbaren Zerlegung eines Leistungsverbrauchs für eine Vielzahl unterschiedlicher Kategorien der elektrischen Lasten bzw. Verbraucher aus der aggregierten Spannungs-Strom-Trajektorie für den einen Netzzyklus.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiter Folgendes aufweist: Einsetzen, als unterschiedliche Kategorien der elektrischen Lasten, von resistiven Lasten, phasenwinkelgesteuerten Lasten, reaktiven Lasten und elektronischen Lasten mit einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung; hierarchisches Bestimmen, ob definierende Merkmale für die resistiven Lasten, die phasenwinkelgesteuerten Lasten, die reaktiven Lasten und die elektronischen Lasten mit der Leistungsfaktorkorrekturschaltung in der aggregierten Spannungs-Strom-Trajektorie verfügbar sind, und Schätzen eines Leistungsverbrauchs einer Anzahl elektrischer Lasten, die durch die einzelne elektrische Steckdose mit Leistung versorgt werden, für jede der unterschiedlichen Kategorien.
Verfahren nach Anspruch 2, das weiter Folgendes aufweist: Beginnen der hierarchischen Bestimmung mit den resistiven Lasten, Bestimmen, dass die definierenden Merkmale für eine Anzahl der resistiven Lasten in der aggregierten Spannungs-Strom-Trajektorie verfügbar sind und ansprechend darauf Zerlegen einer Stromwellenform und einer Spannungs-Strom-Trajektorie für die Anzahl von den resistiven Lasten unter Verwendung der letzten definierenden Merkmale; und Schätzen des Leistungsverbrauchs für die Anzahl der resistiven Lasten und Schätzen des Leistungsverbrauchs für eine Anzahl von verbleibenden Lasten, die durch die einzelne elektrische Steckdose mit Leistung versorgt werden, für die phasenwinkelgesteuerten Lasten, die reaktiven Lasten und die elektronischen Lasten mit der Leistungsfaktorkorrekturschaltung.
Verfahren nach Anspruch 3, das weiter Folgendes aufweist: Einsetzen der unterschiedlichen Kategorien der elektrischen Lasten, die weiter elektronische Lasten ohne eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung beinhalten; hierarchisches Bestimmen des Leistungsverbrauchs der Anzahl verbleibender Lasten beginnend mit den phasenwinkelgesteuerten Lasten, gefolgt von den reaktiven Lasten, und gefolgt von den elektronischen Lasten mit der Leistungsfaktorkorrekturschaltung; und schließlich Schätzen des Leistungsverbrauchs einer Anzahl der elektronischen Lasten ohne die Leistungsfaktorkorrekturschaltung basierend auf einem Ausmaß einer Stromdiskontinuität bzw. -unstetigkeit in der aggregierten Spannungs-Strom-Trajektorie.
Verfahren nach Anspruch 3, das weiter Folgendes aufweist: Einsetzen der unterschiedlichen Kategorien der elektrischen Lasten, die weiter elektronische Lasten ohne eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung und unbekannte elektrische Lasten beinhalten; hierarchisches Bestimmen des Leistungsverbrauchs der Anzahl von verbleibenden Lasten, beginnend mit den phasenwinkelgesteuerten Lasten, gefolgt von den reaktiven Lasten und gefolgt von den elektronischen Lasten mit der Leistungsfaktorkorrekturschaltung; und schließlich Schätzen des Leistungsverbrauchs einer Anzahl der unbekannten elektrischen Lasten basierend auf einem Ausmaß einer Stromdiskontinuität bzw. -unstetigkeit in der aggregierten Spannungs-Strom-Trajektorie.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiter Folgendes aufweist: Abtasten der aggregierten Strom- und Spannungswellenformen mit einer Rate von ungefähr einer Anzahl von Kilohertz pro jeder Abtastung der aggregierten Strom- und Spannungswellenformen.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiter Folgendes aufweist: Schätzen des Leistungsverbrauchs einer Anzahl resistiver Lasten, die durch eine einzelne elektrische Steckdose mit Leistung versorgt werden aus: V_peak ² × Slop_diag/2; wobei V_peak als ein Maximalwert der abgetasteten Spannungswellenform eingesetzt wird; wobei Slop_diag als eine Steigung einer Diagonallinie der aggregierten Spannungs-Strom-Trajektorie eingesetzt wird, die berechnet wird durch Slop_diag = I_k/V_k; wobei (V_k, I_k) als jeglicher Punkt entlang der aggregierten Spannungs-Strom-Trajektorie eingesetzt wird; wobei k = 1, 2, ... N eingesetzt wird; und wobei N als eine Anzahl von Abtastungen für jede der aggregierten Strom- und Spannungswellenformen pro besagtem einen Lastzyklus eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiter Folgendes aufweist: Schätzen des Leistungsverbrauchs einer Anzahl reaktiver Lasten aus: V_peak·I_peak·cos(θ)/2; und wobei V_peak als ein Maximalwert der abgetasteten Spannungswellenform eingesetzt wird; wobei I_peak als ein Maximalwert der abgetasteten aggregierten Stromwellenform eingesetzt wird; wobei θ als ein Phasenwinkel zwischen den Spannungs- und aggregierten Stromwellenformen eingesetzt wird; Schätzen von θ graphisch aus:
und wobei V_I=0 als ein positiver Spannungswert eingesetzt wird, wenn ein entsprechender Stromwert Null ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiter Folgendes aufweist: Schätzen des Leistungsverbrauchs einer Anzahl reaktiver Lasten aus: V_peak·I_peak·cos(θ)/2; wobei V_peak als ein Maximalwert der abgetasteten Spannungswellenform eingesetzt wird; wobei I_peak als ein Maximalwert der abgetasteten aggregierten Stromwellenform eingesetzt wird; wobei θ als ein Phasenwinkel zwischen den Spannungs- und aggregierten Stromwellenformen eingesetzt wird; Schätzen von θ graphisch aus:
und wobei V_Ipeak als ein positiver Spannungswert eingesetzt wird, wenn ein entsprechender Stromwert maximal ist.
Verfahren nach Anspruch 9, das weiter Folgendes aufweist: Schätzen, dass θ weniger als 30 Grad ist; graphisches Schätzen von θ aus:
und wobei V_I=0 als ein positiver Spannungswert eingesetzt wird, wenn ein entsprechender Stromwert Null ist.
Verfahren nach Anspruch 9, das weiter Folgendes aufweist: Schätzen, dass θ größer als 30 Grad ist; und Bestimmen eines gewichteten Durchschnittswertes von θ aus:
und wobei V_I=0 als ein positiver Spannungswert eingesetzt wird, wenn ein entsprechender Stromwert Null ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiter Folgendes aufweist: Schätzen des Leistungsverbrauchs einer Anzahl von phasenwinkelgesteuerten Lasten aus: V_peak·I_peak·(cos(α) + 1)/4; wobei V_peak als ein Maximalwert der abgetasteten Spannungswellenform eingesetzt wird; wobei I_peak als ein Maximalwert der abgetasteten aggregierten Stromwellenform eingesetzt wird; wobei α als ein Phasensteuerwinkel eingesetzt wird, der graphisch geschätzt wird unter Verwendung der aggregierten Spannungs-Strom-Trajektorie aus:
wobei V_{point_1} und V_{point_2} als Spannungswerte von zwei Punkten eingesetzt werden, die an einem unteren Ende und einem oberen Ende entlang einer vertikalen Linie in der aggregierten Spannungs-Strom-Trajektorie vorliegen; wobei I_peak geschätzt wird aus: ΔI_point1–2/sin(α); und wobei ΔI_point1–2 = ΔI_{point_2} – ΔI_{point_1} als die Differenz von Stromwerten von zwei Punkten eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiter Folgendes aufweist: Schätzen des Leistungsverbrauchs einer Anzahl elektrischer Lasten mit einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung aus V_peak·I_peak·cos(θ)/2; wobei V_peak als ein Maximalwert der abgetasteten Wellenform eingesetzt wird; wobei I_peak als ein Maximalwert der abgetasteten, aggregierten Wellenform eingesetzt wird; wobei θ als ein Phasenwinkel zwischen den Spannungs- und aggregierten Stromwellenformen eingesetzt wird; graphisches Schätzen von θ aus:
und wobei V_I=0 als ein positiver Spannungswert eingesetzt wird, wenn ein entsprechender Stromwert Null ist.
Verfahren nach Anspruch 4, das weiter Folgendes aufweist: Veranlassen der finalen Schätzung des Leistungsverbrauchs der Anzahl der elektronischen Lasten ohne die Leistungsfaktorkorrekturschaltung, wenn die zwei folgenden Bedingungen erfüllt sind: I_{Vk<30%·Vpeak} < 10%·I_peak, und (V_{point_1} + V_{point_2})/2 > 50%·V_peak; wobei Point_1 und Point_2 als Start- bzw. Endpunkte einer Dauer eines nicht kontinuierlichen Stroms der aggregierten Spannungs-Strom-Trajektorie eingesetzt werden; wobei I_peak als ein maximaler Wert der abgetasteten, aggregierten Stromwellenform eingesetzt wird; wobei V_peak als ein maximaler Wert der abgetasteten Spannungswellenform eingesetzt wird; und wobei I_{Vk<30%·Vpeak} als eine durchschnittliche Stromgrößenordnung einer Anzahl von Abtastungen von Stromwerten der abgetasteten aggregierten Stromwellenform eingesetzt wird, wenn eine entsprechende Anzahl von Abtastungen von Spannungswerten der abgetasteten Spannungswellenform weniger als 30% von V_peak ist.
Ein System (2) zum Disagreggieren und Schätzen eines Leistungsverbrauchs einer Vielzahl von elektrischen Lasten bzw. Verbrauchern (4, 6, 8), die durch einen einzelnen elektrischen Ausgang bzw. eine einzelne elektrische Steckdose (10) mit Leistung versorgt werden, wobei das System Folgendes aufweist: einen Prozessor (12), der eine Routine (14) beinhaltet; einen Stromsensor (16), der mit dem Prozessor zusammenarbeitet zum Messen einer Vielzahl von Abtastungen für einen Leitungs- bzw. Netzzyklus einer aggregierten Stromwellenform (18) für die Vielzahl elektrischer Lasten, die durch die einzelne elektrische Steckdose mit Leistung versorgt werden; und einen Spannungssensor (20), der mit dem Prozessor zusammenarbeitet zum Messen einer Vielzahl von Abtastungen für den einen Netzzyklus einer Spannungswellenform (22) für die Vielzahl elektrischer Lasten, die von der einzelnen elektrischen Steckdose mit Strom versorgt werden; wobei die Routine des Prozessors ausgelegt ist zum Übertragen der gemessenen Abtastungen für den einen Netzzyklus der aggregierten Stromwellenform und der Spannungswellenform auf eine aggregierte Spannungs-Strom-Trajektorie (24) für die einzelne, elektrische Steckdose; und Vorsehen einer augenblicklichen bzw. unmittelbaren Zerlegung des Leistungsverbrauchs für eine Vielzahl unterschiedlicher Kategorien der elektrischen Lasten aus der aggregierten Spannungs-Strom-Trajektorie für den einen Netzzyklus.