JP2013518556A - 家電機器の自動検出 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、同時係属中の2010年1月26日に出願された米国特許出願第12/694,171号「ENERGY USAGE MONITORING WITH REMOTE DISPLAY AND 自動検出 OF APPLIANCE INCLUDING GRAPHICAL USER INTERFACE」の一部継続出願である。同出願は、米国特許法第119条(e)に基づいて2009年1月26日に出願された米国仮特許出願第61/206,072号「ENERGY USAGE MONITORING WITH REMOTE DISPLAY AND 自動検出 OF APPLIANCE INCLUDING GRAPHICAL USER INTERFACE」、米国特許法第119条(e)に基づいて2010年1月25日に出願された米国仮特許出願第61/298,127号「AUTOMATIC DETECTION OF APPLIANCES」、米国特許法第119条(e)に基づいて発明者Patrick A. Rada及びJohn H. Magnascoにより2011年1月24日に出願された米国仮特許出願第61/435,658号「自動検出 OF APPLIANCES」の恩典を主張するものであり、これら全ての出願は引用により本明細書に援用される。本願はまた、2010年1月26日に出願された米国特許非仮出願第12/694,153号「METHODS AND APPARATUS FOR POWER FACTOR CORRECTION AND REDUCTION OF DISTORTION IN AND NOISE IN A POWER SUPPLY DELIVERY NETWORK」の一部継続出願でもある。同出願は、米国特許法第119条(e)に基づいて2009年1月26日に出願された米国仮特許出願第61/206,051号「POWER FACTOR AND HARMONIC CORRECTION METHODS」、米国特許法第119条(e)に基づいて2010年1月25日に出願された米国仮特許出願第61/298,112号「POWER FACTOR AND HARMONIC CORRECTION METHODS」、米国特許法第119条(e)に基づいて発明者Patrick A. Rada及びJohn H. Magnascoによって2011年1月19日に出願された米国仮特許出願第61/434,250号、及び米国特許法第119条(e)に基づいて発明者Patrick A. Rada及びJohn H. Magnascoによって2011年1月25日に出願された米国仮特許出願第61/435,921号「POWER FACTOR AND HARMONIC CORRECTION METHODS」の恩典を主張するものであり、これら全ての出願の全内容は引用によりあらゆる目的に対して本明細書に援用される。
米国非仮特許出願(弁理士整理番号第RADA−00301号)である、発明者Patrick A. Rada及びJohn H. Magnascoによって2011年1月25日に出願された米国特許出願第xx/xxx,xxx号「METHODS AND APPARATUS FOR POWER FACTOR CORRECTION AND REDUCTION OF DISTORTION IN AND NOISE IN A POWER SUPPLY DELIVERY NETWORK」は、引用によりあらゆる目的に対して本明細書に援用される。
総電力の監視
先行技術で見られる最も簡単で、最も広範囲に亘って総使用電力を監視するシステムは、メイン配電網の分岐点の近くに配置された、需要家の電力供給点に取り付けられた電力計により、需要家の全使用電力を監視する電力事業者である。電力計は、全使用電力を累積し、この電力計は、固定期間、例えば1ヶ月に1回読み取られ、需要家には、この課金期間に需要家が使用した電気料金が請求される。事業者は、段階的な請求料率を有し、特定の使用閾値を越えた後、キロワット時(KWH)毎に、より高い請求料率を請求する。いくつかの料金表では、ピーク需要時間帯での使用に基づいて、KWH毎に、より高い請求料率を請求する。公共料金は、多くの場合、需要家に料金率毎にどのくらい電力が請求されるかを示す料金表に基づいて、全使用電力を詳細に示す。この情報では、需要家が節電の判断をするにあたって利用できる事実がほとんどない。
各電力出力での使用電力の監視
使用電力を監視する他の方法は、配電系統における各電源出力で使用を監視することである。いくつかの実例製品において、電気機器を、順番に、壁面コンセントプラグ差込口と接続される電源出力監視装置に接続する。電源出力監視装置は、全使用KWHと、このような使用コストと、現在の電圧、電流量、ワット、Hz、及びプラグ差込口での有効電圧及び電流とを表示する液晶ディスプレイを備えてもよい。実例製品には、P3インターナショナル製の「Kill A Watt(商標)」がある。この機器によって、ユーザは、液晶ディスプレイにより特定の壁付きコンセントにおける使用電力を監視することができるが、しかし、このようなデータは、検索及び解析のために格納されない。更に、Extech製の「エネルギロガ及び使用電力解析装置(Energy Logger and Power Usage Analyzer)」は、データロギング用のストレージを有し、ストレージにおいて使用電力データは、格納され、その後このエネルギロガのオンボードメモリによりパーソナルコンピュータに送信することができる。エネルギユーザが2つ以上のExtech製のロガを所有している場合、各ロガにより得られる電力使用情報は集計されない。使用電力データを解析する前の、使用電力データの収集には、各壁付きコンセント電力監視装置(wall outlet power monitor)のメモリカードを手動で検索することと、メモリカード読み取り機能を有するコンピュータを用いて各カードから情報を検索することが必要となる。更に、使用電力データの粒度は、プラグ差込口当たりの機器数と同程度である。例えば、各コンセントに機器が接続される複数のコンセントを有するテーブルタップを、壁付きコンセント電力監視装置に接続した場合には、各機器の使用電力は測定されない。加えて、各電力プラグ差込口監視装置が50.00ドル又はそれ以上かかり、このような機器は監視する電力プラグ差込口毎に必要であるため、電力を測定するコストが実用的ではないほど高くなってしまう。機器を監視する大きな初期ハードウェアコスト、各プラグ差込口監視装置のメモリカードを手動で検索して読み取る不便、及び使用電力低下による不確定な節電効果によって、各電力プラグ差込口で使用電力を監視しても、使用電力を減少する解決策としては現実的ではない。
各サーキットブレーカにおける使用の監視
集積された使用電力を監視する更に他の方法は、各サーキットブレーカでの使用を監視し、それによって各回路の使用電力を監視することである。このようなシステムは、デーン・ピーターソン、ジェイ・スティール、及びジョー・ウィルカーソンが参加登録したCHI2009学生デザインコンペティションの論文に記載されたWattBotという名称の、このシステムに関連したiPhone(商標)アプリケーションである。その論文「WattBot:A Residential Electricity Monitoring and Feedback System」において、上述のDIY KYOTO製のWattsonと類似したシステムであると著者は説明したが、WattBotは、住宅全体の使用電力を測定するのではなく、住宅の各回路の使用電力を測定する。エネルギ情報は、iPhone(商標)上で表示される。WattBotは、各回路での使用エネルギを検出及び監視するハードウェアが必要であり、また、WattBotは、電気機器が、住宅のサーキットブレーカの1つの回路を専用としていない限り、1つの電気機器に対する詳細な使用情報を提供しない。たとえ単一の回路が単一の機器専用であったとしても、WattBotは、電気機器の各状態毎に詳細な使用エネルギを提供しない。
電力需要家は、いつも住宅又はオフィスを定期的に歩いて、見かけ上オンであるが使用中ではない機器を書き留め、使用電力を減らすためにこれらの機器をオフにすることができる。この方法は、関連機器のコストを発生させることなくコストを節約できるとはいえ、機器が実際に電力を消費しているときに、オンのままが適切であると判断される機器、又は誤って見かけ上オフである機器を解析するためのデータを得ることができない。重要なことに、多くの最新の電子機器は、オンで機器が動かされていることを外観上認識できないが電力を消費するスタンバイ状態を有する。したがって、自分の機器を手動で監視している需要家は、スタンバイモードにおいて、オフであるように見えているが実際エネルギを消費している機器に関連する使用電力のコスト又は影響を知ることができなかった。
個々の機器のプログラムに基づいた制御
エネルギ消費を低下させる更に他の方法は、1つ以上の機器をプログラム上で制御して、不使用が予想されるときに機器を確実にオフすることである。例えば、電気機器をプログラム上で制御する装置は、特定の機器、例えば仕事部屋の頭上照明を午後11時と午前6時との間、仕事部屋でこれらの時間用いられないことが予期されるので、オフにすることを予定することができる。このようなシステムは、各コンセント又は電源装置、例えば各調光器又はスイッチのための制御回路と、電気機器ネットワークプログラミングを管理する中央制御装置とを必要とする。例えば、Smarthome(商標)から販売されているINSTEON(商標)Smartlabs設計の製品は、機器ネットワークプロトコル、例えばINSTEON(商標)又はX10プロトコル、又は両方を組み合わせたプロトコルを使用して中央制御装置に接続されたINSTEON(商標)ネットワーク制御可能機器、例えば調光器、スイッチ、サーモスタットコントロールを含み得る。このような装置は、電気機器の動作をプログラム的に制御できるという利点を有するが、ユーザに報告してユーザの使用電力をどのようにして減らすかを決定させるための、識別されたコスト節約情報を全く有することなく、ハードウェアと、その設置と、それに関連するコストとに対して実質的に関与しなければならない。
住宅及びオフィスの使用エネルギを減少させるための現在の解決策には、電気機器ネットワーク全体の総使用電力を1つの電力供給点で監視することと、1つ以上の壁付きコンセント電力供給点における使用電力を監視することと、プログラム制御によって個々の機器の状態を制御することと、1つ以上の電気機器がオンであるが使用中ではないことを手動で観察し、機器をオフにすることとが含まれる。特定の機器に関連した使用電力を測定するために、電力供給点における使用電力を監視しても、電気機器により消費される電力に関して十分な情報は得られない。コンセントにおける使用電力を監視する解決策では、解析用の使用電力情報を集計できないか、手動の手段によって、及び高い機器コストによってしか、このような情報が集計できない。たとえ使用情報の自動集計処理が利用可能だったとしても、現在の手段によると、機器の監視において相当な投資が必要である。従来技術では、住宅又は会社における個々の電気機器に関して詳細なエネルギ使用情報を低コストで効果的に提供する手段がなかった。更に従来技術では、エネルギユーザがエネルギ使用行動を有意義に変化させて使用エネルギ及びエネルギコストを減らすことができるように、エネルギユーザに提示するための個々の機器に関する詳細なエネルギ使用情報を集計する有効な手段がなかった。
例
第1の例においては、土地建物所有者が仕事に出ており、娘が学校から帰宅したところであるが、所有者が玄関ドアを完全に施錠するのを忘れていた。外は華氏100度であり、空調機は運転中であり、冷たい風が玄関ドアから外に出てエネルギが浪費されている。エネルギ監視装置は、空調機が運転中であることを検出する。ホームセキュリティシステムのドア検出器は、玄関ドアが半開きであることを検出し、エネルギ監視システムに報告する。ホームセキュリティシステムの動作検出器は、家の中に人がいることを検出し、エネルギ監視システムに報告する。エネルギ監視システムは、家に電話をかけて娘に玄関ドアを閉めてもらうというメッセージを生成し、土地建物所有者に送信する。
サンプルは、(i)時間間隔に拘わらず測定又は計算された1つ以上の電源パラメータの1つ以上のインスタンス、(ii)固定された時間間隔の中で測定又は計算された1つ以上の電源パラメータの1つ以上のインスタンス、又は(iii)測定又は計算された1つ以上の電源パラメータの1つ以上のインスタンスから計算されたRMS値であると定義される。連続したサンプルにおける変化を検出することは、(i)サンプル間隔が固定間隔でない場合において、第2のサンプル中の1つ以上の電源パラメータに対する第1のサンプル中の1つ以上の電源パラメータの変化を検出すること、(ii)サンプル間隔が固定間隔である場合において、第2のサンプル中の1つ以上の電源パラメータに対する第1のサンプル中の1つ以上の電源パラメータの変化を検出すること、(iii)第1のサンプルに対して変化が検出されるまでの全ての後続サンプルに対する第1のサンプル中の1つ以上の電源パラメータの変化を検出すること、(iv)第2のサンプルに対する第1のサンプル中の1つ以上の電源パラメータの変化を検出し、その後、次のサンプルを得る前に、第1のサンプルを第2のサンプルに等しくなるよう設定すること、及び(v)1つ以上の電源パラメータのうちの基本サンプルのRMS値を、各後続のサンプルと比較することであると定義される。電気機器の状態は、オフ、オン、スタンバイ、パワーダウン、パワーアップ、全出力のパーセント、又は名前付き状態シーケンスとしてもよい。電気機器の存在を識別することは、電源パラメータを監視し、1つ以上の電源パラメータの変化を検出することによって達成される。電気機器と電気機器の状態とに対応する負荷シグニチャは、上記テーブルIに示すような、1つ以上の電源パラメータを有する。負荷シグニチャ、電気機器の識別子、及び電気機器の状態は、メモリ内のプライベートデータベースに格納することができる。いくつかの実施形態において、電気機器及び状態を識別することは、メモリから負荷シグニチャを検索することを含む。負荷シグニチャは、一致している負荷シグニチャを与える確率が最も高いことが予め決定された複数の電気機器に対応する第1のグループの負荷シグニチャから検索することができる。グループは、電気機器のリストを当該グループに入力するユーザによって予め定義することができる。グループはまた、ユーザが出勤準備をしているかもしれない午前6:30〜午前7:30といった特定の時間帯にオンまたはオフされた負荷におけるパターンを認識するエネルギ監視装置によって決定することもできる。第2のグループも生成することができる。第2のグループは、検索される負荷シグニチャに一致する確率が低くてもよい。あるグループ中の各負荷シグニチャ及び機器は、当該グループに対応付けられた確率を有し得る。当該グループから負荷シグニチャが検索され、負荷シグニチャが検出されない場合、最も近い非一致シグニチャは、その確率を低くされ得る。低下の確率が特定の閾値を下回る場合、電気機器及び負荷シグニチャをより下位のグループに(例えば、第1のグループから第2のグループに)下げることができる。
エネルギ監視装置の好ましい実施形態は、電源システムに接続された積算電力計を備え、積算電力計は、電源パラメータの連続したサンプルを生成する。電源パラメータは、さらに、メモリを備えたコントローラによって処理することができる。測定値を用いて、現在のエネルギ使用情報を表示し、電源190に接続された電気機器の状態の負荷シグニチャを計算することができ、電気機器は、1つ以上の状態を有する。少なくとも、監視された電気機器は、電気機器が電気的負荷を有するオン状態を含む多くの状態を有することになり、そしてほとんどの場合には、電気機器が負荷として動作しないかあるいは負荷が低減されるオフ状態も有することになる。電気機器が見かけ上はオフのようであるがそのスタンバイ状態を維持するためにいくらかの電力を消費しているスタンバイ状態といった他の中間的な状態も考えられる。スタンバイにおいて、電気機器は、典型的には、機器がオフ状態から電源を投入された場合よりも早くオン状態を達成することができる。
エネルギ監視装置
図1Aは、電源190に、電源接続器140を介して接続されたエネルギ監視装置100の構成を示し、電源190は、公益事業者から住宅又は中小企業内のメータを介してメインボックスに供給されるグリッド電源であり得る。電源190は、多種多様な公知の電源タイプ、例えば110V単相、110V三相、440V三相、220V三相、380V三相などの電源を含み得る。電源190は、更に、DC電圧源、例えば太陽電池パネルを有する自己動力設備、直流発電機、又は非グリッド電源であってもよい。エネルギ監視装置100は、積算電力計110と、メモリ125を有するコントローラ120と、通信モジュール130と、負荷シグニチャテーブルのメモリ150(以下、負荷シグニチャメモリ150ともいう。)と、バッテリーバックアップを備えた時計/カレンダ160(以下、時計/カレンダモジュール160ともいう。)と、表示モジュール170と、対応I/Oコネクタ195を有するI/Oモジュール175と、入力モジュール180と、無線アンテナ134と、USBポート138(以下、通信ポート138ともいう。)とを備える。I/Oモジュール175及び対応コネクタ195により、エネルギ監視装置は、ガスメータ、水量メータ及びホームセキュリティシステムといった他の非電気機器を監視することができる。組込型システム設計の当業者にとって明らかなように、コントローラ120、メモリ125、負荷シグニチャテーブルメモリ150、通信モジュール130、積算電力計110は、チップ上に、これらの機能用の専用モジュールとリソースとを有する単一装置として構成されてもよいし、また、メモリとこのような機能を実行するプログラムとを有する単一装置として構成されてもよい。積算電力計110は、電源190の連続した測定値を生成する。このような測定値には、相電圧、相電流、中性電圧、中性電流、皮相電力、cos(phi)、有効エネルギ、無効エネルギ、周波数、周期、過電圧/不足電圧状態、送電網品質のパーセント表示、時間、日付、温度、湿度のうち、1つ以上が含まれ得る。コントローラ120は、更に、連続した電源測定値から負荷シグニチャを計算する命令がプログラムされたメモリ125を有する。コントローラ120は、プログラムされた素子であってもよく、このプログラムされた素子は、選択されて相互接続されたディスクリート部品、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路(ASIC)、プログラムされた書込可能なゲートアレイ(FPGA)、及び1つ以上の設定され相互接続された集積回路のうち、少なくとも1つを含み得る。コントローラ120は、時計/カレンダモジュール160と接続され、コントローラ120は、積算電力計測定値を日付又は時刻でスタンプすることができる。コントローラ120は、表示器と表示インタフェースとを有する表示モジュール170と接続され、電源使用情報を表示モジュール170上に表示することができる。入力モジュール180は、複数のキーパッドとキーパッドインタフェースとを有し、コントローラ120は、ユーザ入力に応じて種々の機能を実行することができる。表示モジュール170及び入力モジュール180は、タッチスクリーンモジュール176(図示せず)としてもよい。表示モジュール170のデフォルト表示モードでは、使用電力、あるいは特定の時間に亘る電力使用の傾向ラインのグラフの表示を含み得る。組込型システム設計の当業者にとって明らかなように、エネルギ監視装置100によって、測定され、計算され、解析されたあらゆるデータを、表示モジュール170により表示することができる。更に、コントローラ120は、通信モジュール130と接続される。通信モジュール130は、RS−232シリアル通信、RS−485シリアル通信、IEEE802.11無線、IEEE802.15無線、Zigbee(商標)無線、ブルートゥース(商標)無線、USB、IEEE802.3x、IEEE−1394、IEEE802.15.4、I2Cシリアル通信、Ida、又は、他の通信プロトコルのうちの、1つ以上のプロトコルを使用して通信することができる。更に、通信プロトコルは、プライバシーを保護するために、セキュアな(暗号化された)伝送プロトコルとしてもよい。図1Aに示すように、通信モジュール130は、いくつかの実施形態において、USBポート138と無線アンテナ134とに接続される。メモリ125および負荷シグニチャテーブルメモリ150は、いずれも、通信モジュール130内のインタフェースを介して、読出及び書込可能である。例えば、USBポート138を用いて、メモリ125に格納されたソフトウェアのアップグレードを行うことができる。積算電力計情報及び負荷シグニチャ情報は、無線アンテナ134を介して遠隔機器に送信することができる。更に、コントローラ120は、負荷シグニチャを計算して負荷シグニチャテーブルメモリ150に格納するようにプログラムすることができる。更に、コントローラ120は、負荷シグニチャテーブルメモリ150から負荷シグニチャを検索することができる。更に、負荷シグニチャテーブルメモリ150は、以下で更に説明するプライベートデータベースと、設定情報と、他の情報とを格納するメモリとしてもよい。
公衆データベース
公衆利用データベース
エネルギ監視装置100は、需用家の電源に接続された電気機器と、需用家の使用エネルギとに関する詳細な使用情報を生成することができる。このような詳細な使用情報を、広範囲にアクセス可能な公衆データベースサービス、例えばGoogle(商標)、MSN(商標)又はYahoo(商標)によりホスティングされる公衆データベースサーバによって、容易に受信して照合することができる。公衆利用データベースは、データベースレコードのストレージを有し、このデータベースレコードは、使用情報を生成するエネルギ監視装置100の固有識別子と、地理的情報又は地域的情報、例えば地区、郵便番号、又は市及び州におけるストリートと、例えば住宅、中小企業、工場といった構造物の種類と、エネルギ使用機器が設置された構造物のおおよその平方フィートと、例えば電子機器、家電機器、照明器具といった機器の分類の識別子、すなわち特定電気機器の識別子とからなる。問合せツールを用いて、図4に記載のデータベースレコードにアクセスすることができる。少なくとも、問合せツールによって、エネルギ監視装置100は、電気機器の負荷シグニチャ及び関連状態を検索することができる。情報のホスティングに関心のある他の関係者は、自社製品の負荷シグニチャデータベースをホスティングする製造業者と、負荷シグニチャのデータベースをホスティング試験研究所と、省エネルギに熱心な人としてもよい。公衆利用データベースに格納された情報は、エネルギ監視装置100が生成可能な設定と同程度に詳細に設定してもよく、ユーザが共有してもかまわない程度に制限してもよく、また、エネルギ監視装置の需用家による設定により制御してもよい。詳細情報は、製造業者と、モデルと、特定の電気機器の購入日付と、特定の機器の状態が変化した日時と、機器が設置された部屋と、機器を通常使用するユーザと、特定状態における総使用エネルギ及び持続時間と、使用コストと、使用される料金表とを含み得る。詳細情報は、一般的な家電機器情報、例えば1/4馬力電気ドリル(製造業者無し)、12,000BTUの空調機、又は4OW白熱ランプ球を更に含み得る。一般的な機器情報は、ユーザからアップロードするか、あるいは1つ以上の類似した機器の解析から計算又は評価することができる。需用家人口統計情報はまた、例えば、需用家が生活又は仕事をする郵便番号及び所在地と、その家庭又は会社の人数と、その家庭又は会社の平方フィート数で表された面積とを格納することができる。公衆利用データベースは、詳細情報を集計し、他のエネルギユーザの使用パターンを需用家に知らせる問合せツールを提供することができる。公衆利用データベースは、どのようにしてユーザがエネルギ消費を低減したかを提案するフォーラムを、更に有してもよく、このフォーラムによって、同様な状況のエネルギユーザに、エネルギ使用を低下させる既知の選択肢を知らせることができる。当業者にとって明らかなように、多種多様なエネルギユーザプロファイル情報を詳細な使用情報に追加することによって、エネルギ使用パターンを幅広く一般に認識させることができ、これによって、省エネルギツールを広範囲に配布することができる。エネルギ監視装置100と、その関連したプライベートデータベースとにより提供される詳細なエネルギ使用情報を入手することにより、公衆利用データベースを実現することができる。
公衆電気機器データベース
電気機器の公衆データベースのレコードは、電気機器と、製造業者と、モデルと、部品番号と、生産国と、ソフトウェアバージョンと、ハードウェアバージョンと、機器公称電圧と、最大定格電流と、電気機器の動作状態のリストとに関する識別子を含み得る。個々のユーザが彼らのエネルギ監視装置を利用するとき、ユーザは、彼らの電気機器のプライベートデータベースをエクスポートして公衆電気機器データベースにデータを読み込むことができる。これに加えて、電気機器の公衆データベースは、データベース管理方法、例えば手動で機器データを入力するか、あるいは製造業者からのアップロードにより機器データを受信することによって、データを読み込むことができる。
電気機器状態の公衆データベースのレコードは、機器識別子と、状態識別子と、状態説明と、状態に関する負荷シグニチャとを含み得る。個々のユーザが彼らのエネルギ監視装置を利用するとき、ユーザは、彼らの機器状態のプライベートデータベースをエクスポートして公衆電気機器状態データベースにデータを読み込むことができる。これに加えて、電気機器状態の公衆データベースは、データベース管理方法、例えば、独立試験研究所が機器状態負荷シグニチャを公衆データベースに提供すること、あるいは電気機器における状態及び負荷シグニチャの少なくとも一方を製造業者がアップロードすることによって、データを読み込むことができる。
負荷シグニチャの公衆データベースのレコードは、上述の公衆電気機器データベースについて説明したように、電気機器の識別子情報を含み得る。負荷シグニチャの公衆データベースは、更に、一般的な機器と種類とを含み得る。各機器種類の各状態毎の負荷シグニチャを、以下の負荷シグニチャアルゴリズムに従って格納することができる。図5に示すように、負荷シグニチャに関係した更なる情報を、電気機器及び状態の負荷シグニチャとともに格納することができる。
エネルギ監視装置は、使用エネルギが監視される1つ以上の電気機器の電源の上流で電源に接続されている。電気機器及びその関連状態は、エネルギ監視装置100にアクセス可能なプライベートデータベースに格納される。少なくとも、プライベートデータベースは、更に、電源190に接続された電気機器とこれらの機器の状態とに関連した負荷シグニチャを有する。エネルギ監視装置100は、電気機器の使用情報を記録することができるように、プライベート負荷シグニチャデータベースを用いて、電気機器とその状態とを識別する。例えば、状態を「オン」に変更した「ランプ1」と関連する負荷シグニチャが、エネルギ監視装置100にアクセス可能なプライベート負荷シグニチャデータベースに格納される。負荷シグニチャを連続した電源測定値から計算するとき、負荷シグニチャをプライベート負荷シグニチャデータベースと比較して、負荷シグニチャに関連した電気機器と状態とを識別する。プライベートデータベースは、エネルギ監視装置100、あるいはこれに代わる計算機器、例えばパーソナルコンピュータのソフトウェアツールを用いて生成することができる。プライベートデータベースがエネルギ監視装置100以外の機器で生成された場合、プライベート負荷シグニチャデータベースを、通信接続、例えば、エネルギ監視装置100のイーサネット又はUSBポートにより、エネルギ監視装置100にダウンロードすることができる。
建物の部屋のテーブル又はリストによって、部屋毎及びその部屋に関連した属性毎に、使用エネルギを監視することができる。部屋についてのテーブル又はリストは、部屋と、その部屋のテキスト説明と、その部屋の平方フィートで表した面積と、部屋の種類(オフィス、寝室、書斎、会議室、大型クローゼット、ガレージ、台所など)との識別子を含み得る。
エネルギユーザテーブル
エネルギユーザのテーブル又はリストは、ユーザの識別子と、ユーザのテキスト説明と、人口統計学的情報、例えば年齢層、性別、職業、職務の役職名と、ユーザが特定の部屋を使用している時間の割合と、従業員が働く部門と、彼らの使用によって彼らの部門に請求される課金と、他のユーザ関連情報とを有することができる。ユーザ情報は、多くの場合、個人的であると考えられ全く公開又はエクスポートされないか、一般的にのみ公開されるかエクスポートされるか、あるいはパスワードによって保護されるか非公開にされるものであると考えられる。
エネルギ監視装置は、接続したネットワーク機器、例えばルータ又はハブ、サーバ、ネットワーククライアント、遠隔位置、例えば公衆データベースをホスティングする公益事業ウェブサイト、ユーザの建物に設置された機器のブランドの製造者のウェブサイト、ユーザ所有の遠隔通信機器、例えば携帯電話機、携帯情報端末(PDA)、モバイルコンピュータ、又は他の遠隔通信機器によって、組込型エネルギ監視装置を有する省エネルギ家電機器と通信することができる。プライベートアクセス可能ネットワーク機器データベースのレコードは、IPアドレス、ウェブページURL又は他のアクセス識別子といった固有識別子と、ネットワーク機器のテキスト説明と、リモートサイトへのアクセス許可及びリモートサイトによるアクセス許可のセットとを有する。当業者にとって明らかなように、エネルギ監視装置100による遠隔機器へのアクセス制御は、多種多様な既知の技術によって達成することができる。同様に、遠隔機器によるエネルギ監視装置100へのアクセス制御は、多種多様な既知の技術によって達成することができる。
電気機器のテーブル又はリストは、機器識別子、テキスト説明、購入日付、一般的な機器の分類(家電機器、電子機器、照明など)、土地建物上の電気機器が接続された電気回路を識別するサーキットブレーカ番号といった特定の回路番号及び、特定の機器のタイプ(ストーブ、電子レンジ、ステレオ、コンピュータ、冷蔵庫、洗濯機など)を有することができる。プライベートデータベースは、電気機器の製造業者と型番とを更に含むことができ、これによって、プライベートデータベースは、電気機器の公衆データベースにアクセスして、電気機器情報と電気機器状態と電気機器の各状態のデフォルト負荷シグニチャ情報とを検索することができる。
その他のテーブル、リスト、及び、関連
プライベートデータベースは、電気機器と状態とユーザと部屋とのテーブル又はリストを含むことができ、これらは、互いに、周知のリレーショナルデータベース技術を用いて関連付けることができ、部屋毎、ユーザ毎、機器毎、日付/時刻毎、機器及び状態毎に、詳細なエネルギ使用情報を報告することができ、このような他の関連した詳細は、プライベートデータベース及び公衆データベースによって有効とされる。例えば、ユーザは、エネルギ使用情報を部屋毎に取得し、相当なエネルギ量がユーザの13歳の息子のテレビゲーム機により消費されることを観察することができる。ユーザは、状態(オン/オフ)と日付と時刻とに基づいたゲーム機のエネルギ使用情報を閲覧し、更にゲーム機の使用時間を監視することができる。ユーザは、特定の状態、例えばスタンバイにおいて機器により消費されるエネルギ量を閲覧することができる。多くの最新機器は、視覚的にオフ状態と同様にみえるが電力を消費するスタンバイ状態を有する。ユーザは、プライベートデータベースに問合せして、スタンバイモードである機器を検出し、これらの機器を電源オフすることにより、識別可能なエネルギ量を節約することができる。
当業者にとって明らかなように、プライベートデータベースとその関連テーブルとリストと関連とを読み込むことは、従来のコンピュータ機器を用いて公衆データベースにアクセスし、そして初期化されたプライベートデータベースをエネルギ監視装置100にダウンロードすることにより、最も都合良く達成される。
上述のように、エネルギ監視装置は、複数の目的および対象者について相当量の情報を受信、収集及び交換する。あらゆる情報システムと同様、プライバシー及びセキュリティは、本明細書に記載されるエネルギ監視装置に関する重要な問題である。以下の例示的かつ非限定的な例は、エネルギ監視装置のプライバシーに関する特徴のいくつかを示すものである。
エネルギ監視装置とユーザとの間での情報交換
エネルギ監視装置上のインターフェース、エネルギ監視表示装置、コンピュータ又はユーザインターフェース、メモリ及びプロセッサを有する他の電子機器を用いて、ユーザは、上記のエネルギ監視装置上のプライベートデータベースにデータを読み込むことができる。プライベートデータベースは、土地建物の説明を含むことができ、これらには、土地建物所有者の名前、連絡先情報、土地建物所有者の電子メールアドレス又は携帯電話番号といった機器転送先情報、土地建物所有者又は他のユーザ用のログイン、土地建物上の部屋のテーブル、土地建物のエネルギユーザの表、及び土地建物上の電子機器のテーブル、それらの状態及び負荷シグニチャが含まれる。土地建物所有者は、上記各テーブル間に関係を形成することができ、例えば、部屋と土地建物所有者の娘である「スージー」との間に関係を形成することができる。スージーの部屋にある装置がオンであるオフであるかを当該機器の負荷シグニチャに基づいてエネルギ監視装置がいつでも判定することができるように、電子機器のテーブルを各部屋に更に関係づけることができる。上記情報は、土地建物所有者にとって私的なものであり、パスワードによるログイン、セキュアログイン、暗号化、又は当該技術分野において公知である他の手段によって保護することができる。
エネルギ監視装置と公衆データベースとの間での情報交換
エネルギ監視装置の一つの目的は、土地建物上に類似した電子機器を有する類似した土地建物についての使用エネルギの標準に関する知識を公衆が得ることができるよう、使用情報を共有することである。上述のように、使用情報の一部は、土地建物所有者の娘が在宅中であるか否かといった私的な情報である。各家庭の安全を維持するため、ある種の情報は匿名化することができる。エネルギ使用情報を公衆データベースに送信する際、土地建物を特定する情報においては、個々のエネルギユーザに関する詳細な情報を除外したり、土地建物の郵便番号を切り捨てるかあるいは市と州のみをリスト化したり、「住宅地、1920平方フィート、寝室数3、浴室数2」といったように土地建物の説明を一般的に記載したりすることができる。使用エネルギデータを公衆データベースに送信する際、土地建物をエネルギ監視装置のIPアドレス又は他の固有の識別子に明示的に特定するいかなる情報も除外することができる。
公衆データベースと製造業者との間での情報交換
上述のように、公衆データベース及び関連サービスは、Google(商標)やYahoo(商標)といった民間サービスプロバイダ又は他のインターネット・ウェブ・ホストによってホスティングが可能である。いくつかのサービスは、電子機器の製造業者とビジネス関係を築くことによって利益を得ることができる。ユーザは、自分の現在の老朽化した機器に類似した家電機器の割引に関する通知を受け取るサービスをオプトインすることができる。ユーザは、家電機器がEnergy Star(商標)によって格付けされているか否か、推定コスト節減額はいくらになるのか、及び電子機器に関連した負荷シグニチャを含む家電機器の特徴を考慮して購買決定を行えるようになりたいと思っている。各製造業者は、その家電機器に関する詳細情報を、公衆データベースへの格納のためのサービスに更に提供することができる。家電機器情報が広く普及することは製造業者にとって利益となるため、家電機器情報の送信においてプライバシーの問題は生じない。
公衆データベース上のオプトインサービスを介して受信される製造業者情報に加えて、製造業者は、このような情報をホスティングすることができ、ユーザは、製造業者の当該サービスをオプトインすることができる。したがって、Amana(商標)の家電機器を好むユーザは、当該サービスがAmana(商標)によってホスティングされており、ユーザはAmana(商標)の家電機器に関する情報のみを受信するということを除き、上述のものと同様のサービスをオプトインすることができる。この場合もやはり、製造業者の情報によってプライバシー問題は生じなくて済む。ユーザが家電機器又はサービスを直接製造業者から購入することを決定した場合、売買は、当該技術分野において公知であるセキュア購入取引によって行うことができる。
公益事業者とユーザとの間での情報交換
公益事業者及びユーザは、公益事業者とユーザのエネルギ監視装置との間で情報を交換することができる。公益事業者は、ユーザの定期エネルギ請求書のエネルギ監視装置への電子的発送、ユーザへの計画停電の通知、停電後の復旧についてのユーザへの通知、ユーザのエネルギコストを低減させるような料金表率表の変更についての勧告、ユーザのコストを低減し、ピークエネルギ使用期間において送電網を公益事業者が管理するのに役立つようなエネルギ使用のスケジューリングについての勧告を行なうことができる。ユーザはまた、公益事業者によって提供されるインセンティブプログラムの通知を受信することができる。情報の交換は最終的にはユーザと行われるため、情報交換は、ログイン、セキュアソケット、暗号化、または当該技術分野において公知である他のセキュアな手段によって行うことができる。
エネルギ監視の粒度の向上
土地建物が多数の電気回路を有しており、識別すべき電力負荷及び状態が数十個存在し、当該回路にノイズがあるかあるいは回路の力率が低い場合、電力負荷を区別することは困難となり得る。以下の例示的な実施形態においては、多数のエネルギ監視装置を用いてエネルギ監視の粒度を向上させることができる。
エネルギ監視装置は、非電気データを監視するための汎用デジタル−アナログ入力を備え得る。いくつかの実施形態では、エネルギ監視装置は、土地建物上の水量メータ及びガスメータに接続される。エネルギ監視装置は、エネルギ使用情報に加えて、エネルギ監視装置のアプリケーション、エネルギ監視表示装置、又はユーザインターフェース、プロセッサ及びメモリを備える他の電子機器を介して土地建物所有者がアクセス可能な水使用情報及びガス使用情報を収集することができる。エネルギ監視装置はまた、自家エネルギ発生器といった電気機器に接続して、これらの機器の制御および監視を行うことができる。この自家発電エネルギシステムとしては、電池を用いた蓄電器、コンデンサを用いた蓄電器、水力発電システム、水貯蔵器、空気、蒸気や他のガスといった加圧ガスの貯蔵器、太陽電池パネルシステム、地熱システム、風力システム、及び天然ガス・蒸気タービン駆動型コージェネレーションシステムといったコージェネレーションシステムがある。他の非電気情報としては、家庭用気象センサユニットによって報告される温度及び気圧、温水ヒーターの水の温度、土地建物のn階の平均温度、日向及び/又は日陰の土地建物の外気温度、土地建物上の冷水の温度、蒸気温度、温水又はガス圧、水流、ガス流、油流、温水流、太陽熱で温められた水の温度、冷蔵用加圧流体、土地建物上の適当なセンサが配置された場所毎の人、動物、移動物体の存在の検出、室内照明を検知するための光検出、時間帯、土地建物上の適当なセンサが配置された場所での騒音レベル、並びに土地建物上のドア及び窓の状態が挙げられる。詳細なエネルギ監視と併せて上記の検出を用いることにより、ユーザは、使用エネルギ状態及び土地建物の状態を明確に把握することができる。一例として、ユーザは、外気温度が華氏100度を超える日に、土地建物に人がいること、窓が開いていること、及び空調機がオンであることを検出することができる。開いた窓からの冷気が排出されているということは、エネルギ及びお金の浪費を意味する。ユーザは、土地建物にいる人物に適切なメッセージを送信して、窓を閉めてもらうか、あるいは、窓が自動開閉機構を備える場合は窓をリモートに閉めることができる。当業者にとって明らかなように、エネルギの浪費を検出及び低減するためのエネルギ監視と他のセンサのこのような組み合わせは数多く存在する。エネルギ監視装置は、ホームセキュリティシステムにインターフェースすることができる。エネルギ監視装置及びホームセキュリティシステムは、省エネルギ家電機器プロトコル又は必要に応じて他のプロトコルによって通信を行うことができる。
消費源を判定し、様々なエネルギパラメータを統合するために、上記方法は、様々な処理を時刻同期で相関することができる。例えば、100ガロンの水を温めるための暖房機の消費量を測定するには、システムは、正確な結果を得るために、好ましくは、いくつかの処理を同時に監視することができる。いくつかのエネルギパラメータの詳細な監視及び同期制御を行わなければ、相関を行うことは不可能であるか困難となり得る。これにより、総エネルギ消費の概要をエンドユーザに提供し、いくつかの電気パラメータ及び非電気パラメータを分析及び組み合わせることによって家電機器の検出を向上させ、水、ガス及び温水の監視並びにこれらが電力消費とどう関係しているのかについての次の段階を提供し、ガス、水及び電力といったいくつかのエネルギ源を使用する家電機器を統合することができる。
エネルギ監視装置100は、電力事業者とエネルギユーザとの間で便利な電子通信用インタフェースを提供する。電力事業者の需用家課金レコードの一部として、電力事業者は、需要家のエネルギ監視装置100のIPアドレス又は他の識別子、例えばユーザのホームネットワークの電子メールアドレス又はウェブURLを格納して、ユーザの住宅又は会社の通信ネットワークと、需要家のモバイル機器、例えば携帯電話機、携帯情報端末、ポケットPC、又は他のモバイルコンピュータ機器と通信することができる。ユーザが彼のエネルギ監視装置100をそれに基づいて設定する場合、電力事業者は、需要家のエネルギ使用情報を受信することができ、そして、電力事業者は、需要家の課金に関連したメッセージと、使用エネルギに関連した情報とを送信することができる。このような情報は、新しい料金表と、エネルギ使用に関連したインセンティブ及び提案の通知と、需用家課金状態、例えば請求書の支払い期限がいつであるか又は過ぎているかの通知と、エネルギ使用を減らす方法、例えばHVAC(暖房、換気、空調)、洗濯機、及び乾燥機のような一定の高使用量機器の使用のタイムスケジュールについて需要家へのアドバイスとを含む。電力事業者は、ユーザの使用エネルギをユーザの地区での他人の使用エネルギと比較する方法について、更にユーザに通知することができる。当業者にとって明らかなように、上述の情報は、エネルギユーザに送信することができ、また、エネルギユーザによって問合せが可能である。通信及び情報インフラによって、エネルギ監視装置100と電力事業者370との間で双方向通信を行うことができる。負荷シグニチャアルゴリズム
特許請求の範囲内で用いられる負荷シグニチャは、エネルギ監視装置100の下流で電源に接続された電気機器の状態の変化に応じて、測定又は計算された電源の複数のパラメータである。エネルギ監視装置100は、電源190からの電源パラメータを測定し、測定したパラメータから更なる電源パラメータを計算する。電源パラメータ、例えば有効電力の変化は、電源190に接続された電気機器の状態変化を示すことができる。
三線単相構成(位相線、反位相線、中性線)の好ましい実施例において、シグニチャは、4つのデータサブセットであり、これらのパラメータを以下に示す。
負荷シグニチャの第2の実施例では、皮相電力と有効電力と無効電力とある期間に亘るエネルギとを、測定及び計算する。ここでもまた、これらの値から、例えば力率のパーセント、cos(phi)、及び他のパラメータといった更なる電源パラメータを算出することができる。電源電圧VNOMINALが既知であるとして、更に、皮相RMS電流と有効RMS電流と無効RMS電流とを、非常に高精度で計算することができる。
第3の実施例では、有効電流と皮相電流と無効電流とのRMS値を、更に測定及び計算することができる。更に、この方法は、有効電圧と皮相電圧と無効電圧とのRMS値を、更に測定及び計算することができる。
負荷シグニチャの他の実施例では、有効電力の波形を測定及び計算する。このようなデータのテーブルにより、FFT、平均化、フィルタリング、及び相関の計算を行うことによって、負荷シグニチャを計算し、識別することができる。
他の実施例においては、全高調波歪みの測定及び計算、又は有効電力の全高調波歪みの次数を限った、例えば「n次」の近似と、高調波成分のない基本波の有効電力の歪みと、周波数と、周期と、過電圧又は不足電圧状態と、サグと、イベントの周期数と、ネットワークの品質と、例えば時間、日付、温度、及び湿度といった他の非電気データとを加えることができる。
更に別の実施例では、瞬時サンプル、例えば瞬時電流、瞬時電圧、突入電流、又は整定時間を、更に、測定して集計を計算することができる。突入電流は、必ずしも整定時間に等しいというわけではない。例えば、電気モータが動き出すとき、モータが150rpmの速度になるまで、突入電流は、3秒間ピーク値が15Aであり得る。この例では、整定時間は、7.3秒であり得る。これはつまり、モータが7.3秒後に静止電流の90%に達すること意味する。整定時間と突入電流とを、例えば下記のように、負荷シグニチャに加えることができる。
(1)整定時間:ts@ 90% IQUIESCENT<IPEAK<110%IQUIESCENT
(2)突入電流:IINRUSH_MAX @t1 and I<130%IQUIESCENT@t2
基本波の有効電力PPHは、現在の負荷シグニチャと以前の負荷シグニチャとの間の基本波の有効電力の差分である。基本波の無効電力QPは、現在の負荷シグニチャと以前の負荷シグニチャとの基本波の無効電力の差分である。総有効電力PTPは、現在の負荷シグニチャと以前の負荷シグニチャとの総有効電力の差分である。総無効電力QTPHは、現在の負荷シグニチャと以前の負荷シグニチャとの総無効電力の差分である。位相線の総有効電力スペクトルASは、テーブルの各値についての、現在の負荷シグニチャと以前の負荷シグニチャとのdB単位の差分である。上記パラメータのRMS値は、以下のテーブルVIIIに示すように計算することができる。位相線及び反位相線の合計値の計算を除いて、位相線及び反位相線の下付き文字は省略される。位相線及び反位相線の両方に対し、それぞれの値について同じアルゴリズムを使用することができる。
別の実施形態において、負荷シグニチャを2倍にすることができる(すなわち、オンに切り替えられる負荷について1つ、オフに切り替えられる負荷に対して1つ)。変化が正である場合、第1の負荷シグニチャを使用し、そうでない場合、第2の負荷シグニチャを使用する。これは、サンプリングレートに対する負荷の過渡が正の変化と負の変化とで異なるように思われる場合に有用であり得る。
更なる実施形態において、電圧、電流、有効電力、又は無効電力の波形の有効ビット数、行列計算及び/又はアナログデジタル処理、例えばFFT、自己相関、相互相関、デジタルフィルタリング、ウィンドウ処理、メトリック/誤差最小化を含む、、更なる測定値及び計算値を加えることができる。例えば電流波形と電圧波形と有効電力波形と無効電力波形とのn次高調波までの高調波成分を含む、スペクトル成分を解析することができる。更に、スペクトル成分を、参照スペクトルに対する測定されたスペクトル成分の相関と、スペクトルの大きさの差分と、FFTにおける各点の位相、実数、及び虚数の値と、周波数スペクトルと、スペクトルの特徴の時間上の変化とにより解析することができる。負荷シグニチャは、多くの高調波を含むスペクトルの広帯域特徴を更に有してもよい。負荷シグニチャは、1つ又はいくつかの高調波の選択的な詳細、例えば特定高調波の低周波数位相ノイズを更に有してもよい。例えば、2つの負荷は、同じ類似電力消費と類似全高調波歪みとを有し得るが、2つの負荷の区別に用いることができる異なるスペクトル成分を有し得る。
上述の負荷シグニチャアルゴリズムは、異なる機器及び各機器の異なる状態を区別することができる。監視されるダイナミックレンジは、非常に大きくすることができる。例えば、装置は、低電力負荷、例えばオンにされる5W常用灯と、非常に高電力負荷、例えば大量の洗濯物の脱水サイクルを開始する洗濯機又は寒い冬の週末の後の月曜日に暖房サイクルを開始する大きな建物の大きさに合わせたHVACユニットとを区別することができる。また、大型機器は、多数の状態からなる複雑な動作特性をしばしば有する。また、最新の機器は、これらの機器の動作状態を設定する組込型コントローラによってしばしば制御される。したがって、エネルギ監視装置を、このような家電機器に組み込んで、電気機器のコントローラに組込型エネルギ監視機器をインターフェースすることによって、電気機器のコントローラが組込型エネルギ監視機器にいつ新たな状態に移行しているかを知らせることができるようにすることが好ましい。いくつかの実施形態において、組込型エネルギ監視装置は、組込型エネルギ監視装置が電気機器の1つ以上の制御コマンドをアサートすることができるように、当該電気機器のコントローラにインターフェースすることができる。エネルギ監視装置を家電機器に完全に埋め込む代わりに、本明細書に記載されるエネルギ監視装置と互換性を持つ通信プロトコルを有する家電機器のコントローラは、エネルギ監視装置に対してインタフェースすることができ、また、工場出荷時に格納された負荷シグニチャを、家電機器からエネルギ監視装置に、家電機器の状態によって送信することができる。いくつかの実施形態において、家電機器のコントローラにインターフェースされたエネルギ監視装置は、下記のように、実際の負荷シグニチャ情報を家電機器に送信して、家電機器に格納されている工場出荷時に格納された負荷シグニチャテーブルを更新することができる。
このセクションでは、電力ネットワークにおける変化を正確に検出するためのいくつかの方法について説明する。トリガリングは、それ自体が1つの分野であり、信号及びコンテキストによっては、いくつかの方法のうちのある1つの方法が別の方法よりも適している場合がある。例えばオシロスコープを例に挙げると、トリガリングには多くの選択肢があり、取得する信号がAC信号、DC信号、HF号、低周波信号又は高周波信号、ノイズを含む信号か含まない信号か、繰返し信号か単発信号であるかによって、あるいは信号の大部分がデジタルであるかアナログであるか、異常が多いかあるいはまれか等によって、必ずしも同じ選択肢が用いられるわけではない。
家電機器の自動検出方法に適用可能なトリガのいくつかのクラスを定義することができる。すなわち、単純トリガ、スマートトリガ、論理トリガ、相関によるトリガ、デジタルフィルタによるトリガ、スペクトル分析によるトリガである。
1)単純トリガ:連続したサンプルSの変化を探索する。変化が所与の閾値を超える場合、方法はトリガTを生成する。T=(ΔS>ΔSTHSD)。
2)平均化による単純トリガ: 連続した平均サンプルSの変化を探索する。単純な平均化方法は、各サンプルを当該サンプルのm個の近傍値を用いて平均化することである。変化が所与の閾値を超える場合、方法はトリガTを生成する。T=(ΔSAVR_M>ΔSTHSD)。
3)論理トリガ:変化前のp個の連続したサンプルは、互いに近くかつ状態「0」に近い値を有しなければならないといった論理条件を、変化に付加する。変化の後、q個のサンプルは、類似しかつ状態「1」に近い値を有していなければならない。t=nにおいて変化があったと仮定すると以下のようになる。
4)遅延を伴う論理トリガ:上記「論理トリガ」と同様であるが、変化状態による家電機器の整定時間を考慮するため、f+g個のサンプル分の遅延を変化の前後に加える。上記論理条件に遅延を加える。例えば、遅延fを伴う変化後のp個の連続したサンプルは、互いに近くかつ状態「0」に近い値を有しなければならない。変化の後、遅延gを有するq個のサンプルは、類似しかつ状態「1」に近い値を有していなければならない。t=nにおいて変化があったと仮定すると、以下のようになる。
5)最大相関/整合フィルタ:m個のサンプルの整合フィルタ参照信号を定義する。ステップ応答といった1つ以上の参照時間応答を生成することができる。このトリガは、整合フィルタと入力信号との間の最大相関を探索する。相関がcorr_thrdより大きくなると、トリガを生成する。必要に応じて、start_trigトリガ及びend_trigトリガを生成し、相関がcorr_startを上回り始めた時点、及び、良い相関の後に相関係数がcorr_end未満に低下した時点を示すことができる。いずれの値も、確認された相関トリガにより検査しなければならず、そうでない場合は、無効となる。最良の性能を実現するためには、トリガ信号は、例えば−1から+1の間で正規化及びシフトしなければならない。相関応答には、若干のアーチファクトが含まれる場合がある。
6)誤差の最小化:上記相関方法「最大相関/整合フィルタ」と同様であるが、より簡単かつ有効である。ステップ応答といった1つ以上の参照時間応答を生成することができる。このトリガは、参照応答と入力信号との間の最小相関を探索する。相関誤差がerr_thrd未満になった場合に、トリガを生成する。任意には、start_trigトリガ及びend_trigトリガを生成し、良い相関の後に相関誤差がerr_startを下回り始めた時点、及び、相関誤差がerr_endを上回った時点を示すことができる。いずれの値も、確認された誤差トリガにより検査しなければならず、そうでない場合は、無効となる。最良の性能を実現するためには、トリガ信号は、0から+1の間で正規化しなければならない。
7)デジタルフィルタリング:この方法では、皮相電力Sをデジタルフィルタによってフィルタリングし、フィルタリング後の変化の振幅が所与の閾値を越えた場合にトリガを生成する。帯域通過フィルタを用いて、高周波数(ノイズ)を低減し、DC値を減少させることができる。フィルタリングされた信号は入力信号とフィルタの応答との畳み込みであるため、任意のstart_trigトリガ及びend_trigトリガを生成し、変化の振幅がfilt_startよりも高くなり始めた時点、及び、変化の後に、フィルタリングされた信号がfilt_endを下回った時点を示すことができる。いずれの値も、確認されたフィルタトリガにより検査しなければならず、そうでない場合は、無効となる。
8)スペクトル分析:
i. 参照テンプレート:S信号の多数のn個のサンプルをFFTに供給する。スペクトル参照閾値テンプレートを用いて、スペクトル成分が当該テンプレートを越えた否かを判定する。yesの場合、トリガを生成する。スライディングモードにおいて、次のFFTを、k個のサンプル(kは、1からmであり得る)によって同じ信号スライド上で処理する。ブロック毎の処理において、n個の新たなサンプルのブロックをFFTに提供し、処理する。特にブロック毎の手法においては、ウィンドウ処理を更に行って、アーチファクトを低減してもよい。
ii. 参照メトリック:別のスペクトル分析方法では、メトリックを用いて、変化のエネルギが閾値よりも高くかつノイズシグニチャと異なっているかについての判定、状態変化がないかについての判定、又は他の判定を行う。
iii. 参照スペクトルシグニチャ:この方法は、上記参照テンプレート方法と同様であるが、任意の周波数のテンプレートを上回るものを確認する代わりに、この方法では、家電機器シグニチャと混合することなく、参照スペクトルシグニチャとの最大相関を探索する。
9) 多重トリガ:上記のようないくつかのトリガを実施しても構わない。その場合、複雑性が高くなる場合があり、トリガ結果が矛盾している場合は更なる分析を行う必要がある。一般的な基準は、全てのトリガ方法を包含することである。なぜなら、これにより、偽トリガがあった場合の誤差が良好となるからである。
10) 多重パラメータトリガ:この方法では、上記のトリガ方法を集合的に、各トリガ可能なパラメータに対して1つ以上用いる。例えば、一実施例において、この方法は、有効電力、無効電力及びノイズレベルを用いて、電力ネットワークに変化を生じさせることができる。ここでもまた、上記の包含方法を使用し、生成されたトリガを有効とされない限り、複雑性が高くなる場合があり、トリガ結果が矛盾している場合は更なる分析を行う必要がある。
i.トリガ信号は、トリガ方法を当該信号に適用する前に、フィルタリングして、ノイズを低減させることができる。
ii.別の方法では、適応ノイズ低減が適用される。
iii.ホールドオフ: 観察ウィンドウあるいは参照相関メトリックの長さは重要である。長すぎると、多数のサンプルに遅延を与え、新たな電力ネットワーク変化がホールドオフ(見落とされる)場合がある。短すぎると、トリガの感度限界が低下し、ノイズの存在下において生成される偽トリガの数が多くなりすぎる場合がある。
iv.最大遅延、サンプリングレート、タップのデジタルフィルタ数、FFTフィルタにおける遅延、及び相関:これらのパラメータは重要であり、相互依存である場合がある。設計仕様に応じて利点及び問題点を評価する必要がある。
v. 処理能力及び固定小数点計算又は浮動小数点計算もまた考慮すべき重要事項であり、仕様に応じて、プロセッサ、DSP、メモリ及び処理部の種類を決定することができる。
ゆっくりと変化する負荷;老朽化した家電機器
家電機器が老朽化するにつれて、1つ以上の状態の負荷シグニチャが変化し得る。例えば、モータの軸受が老朽化するにつれて、食洗器、冷蔵庫、洗濯機、乾燥機、又はHVACファンにおける当該モータの突入電流は、当該家電機器が新しかったときの負荷シグニチャと比べて変化する。全負荷での電流、突入電流、有効電力及び無効電力は、全て、家電機器が老朽化するにつれて時間と共にゆっくりと変化し得る。エネルギ監視装置は、その負荷シグニチャプライベートデータベースにおいて直前に検出された電子機器負荷シグニチャを追跡する。エネルギ監視装置は、電子機器及び状態の1つ以上の古い負荷シグニチャのコピーをローカルに格納することができる。この古いあるいは元の負荷シグニチャはまた、負荷シグニチャの公衆データベースに格納することができる。エネルギ監視装置、エネルギ監視表示装置、又はユーザインターフェース、メモリ及びプロセッサを有する別の電子機器上で実行されるアプリケーションは、電子機器及び状態の最も新しい負荷シグニチャを電子機器及び状態の古い負荷シグニチャと比較して、電子機器の老朽化を判定することができる。突入電流の変化、静止状態に達するまでの時間、過電流比、及び静止状態確立時間の特定のサブインクリメント(sub-increments)における出力比を測定して、電子機器の老朽化を判定することができる。特定の不良の負荷シグニチャの変化との相関を用いて、家電機器の老朽化した部品を特定することができる。
モータが始動しているとき、モータの始動に伴う突入電流は、モータが定常状態に達するまで時間と共に変化する。突入電流を検出するために、モータが定常状態に達するまで、連続電流測定値を一定の間隔で取得することができる。負荷シグニチャは、上記テーブルII、SB1aに示すように、静止状態時の10%〜90%の突入電流のフィールドを含み得る。あるいは、またはさらに、テーブルIII、サブセットSB1bに示すように、静止状態確立時間の10%、30%、60%及び90%が経過した後に、多数の出力比を測定することができる。
洗濯機、食洗器、乾燥機及び暖房・換気・空調ユニットといった一部の家電機器は、複合負荷を含む多くの異なる状態及び負荷の組み合わせを有する。複合負荷のシグニチャの検出は、電子機器の現在の状態に関してユーザがエネルギ監視装置にフィードバックを提供すること、人工知能を用いたパターン照合、および上記の省エネルギ家電機器プロトコルによる機器間通信によって促進される。例えば、食洗器は、壊れやすい食器のための予熱サイクル、すすぎサイクル及び洗浄サイクル、食器の持ち上げ、並びに加熱乾燥サイクルを有し得る。いくつかの実施形態において、タイムマーカにより、すすぎサイクルの開始といった家電機器機能の開始を示すことができる。開始の表示は、エネルギ監視装置の入力インターフェース、エネルギ監視表示装置、又はユーザインターフェース、プロセッサ、及びストレージを有する電子機器にてユーザによって入力することができる。更に、エネルギ監視装置が本明細書に記載の省エネルギ家電機器プロトコルに対応している場合、家電機器は、家電機器機能の開始についてエネルギ監視装置に通知することができる。予洗、洗浄、すすぎ及び乾燥といったサイクルパターンの初期セットが分かると、人工知能を用いて、本明細書のサイクルパターンのセクションに記載されるように次の家電機器機能を予測することができる。家電機器機能は、更にサイクルパターンを設定する確認のためにユーザに表示することができる。例えば、エネルギ監視装置は、「食洗器の始動が検出されました。どのプログラムを使用されましたか?」というメッセージを表示することができる。ユーザは、食洗器が、洗浄の最後の加熱乾燥サイクルで大きな負荷で始動したことを確認することができる。サイクルパターンにおける各家電機器機能は、家電機器機能のサイクルパターンのサブシグニチャであると理解される負荷シグニチャを有し、各機能はそれぞれのタイムマーカを有している。本明細書にも記載されているように、多数の負荷シグニチャを含む複雑な動作パターンを有する家電機器は、各自の組込型エネルギ監視装置を更に有することができ、これにより、当該家電機器は省エネルギ家電機器となる。省エネルギ家電機器は、自身の状態を把握しており、自身の負荷シグニチャを測定し、負荷シグニチャ、状態及び使用情報をエネルギ監視装置に転送することができる。
多数の動作レベルを有する負荷
多数の動作出力レベルを有する負荷を特徴付ける特定の実施例は、動作レベルが動作出力範囲の最小から最大に変化する時のそのシグニチャのパラメータ同士の相関を分析することである。
1. 電力ネットワークにおける変化を検出する
2. 新たなシグニチャを計算し、新たな負荷の接続を識別する
3. プライベートデータベースを探索してシグニチャ識別子を考えられる候補と共に見つけ出す
4. 確率のレベルが高いものが見つからない場合、最小−最大範囲が測定された新たなシグニチャに含まれる連続的に変化する負荷を用いて第2のパスを実行する
5. それぞれについて、測定された新たなシグニチャのレベルにおいてシグニチャを補間する
6. シグニチャを識別しようと試みる。発見確率が高い場合、処理を停止し、新たなシグニチャをデータベースからの当該シグニチャであると特定する。
7. 確率レベルが高い識別子が見つからない場合、公衆データベースの探索を行う。
省エネルギ家電機器
上述の図1Cに示すように、上記で説明したエネルギ監視装置100を、電気機器に組み込むために一部変更して、それによって、省エネルギ家電機器を作成することができる。組込型エネルギ監視装置105は、大量のエネルギを消費する、及び/又は、多数の状態からなる複雑な動作パターンを有する電気機器であって、それぞれがそれ自体の電気機器の負荷シグニチャを有し、特に初期コストが高い電気機器に組み込むのに特に適している。組込型エネルギ監視装置105の追加による更なる追加コストは、家電機器のコストに容易に吸収され、組込型エネルギ監視装置105の効果的な使用によって達成される省エネルギによって負担される。組込型エネルギ監視装置105は、機器の状態の負荷シグニチャの経時変化を用いて、家電機器内の1つ以上の電気部品の局部摩耗を検出することができるという点で特に役立つ。このような場合には、省エネルギ家電機器は、家電機器の来るべきメンテナンス問題、又は家電機器をいつ取り替えるべきかをユーザに通知することができる。組込型エネルギ監視装置105は、省エネルギ家電機器の動作状態毎の工場出荷時負荷シグニチャ及び工場出荷時試験結果負荷シグニチャ、省エネルギ家電機器が動作する状態と製造業者及びモデル情報と公称動作電圧と最大動作電流とからなるリスト、及びエネルギ監視装置100と通信するためのエネルギ認識電化製品プロトコルを有するプライベートデータベースを備えていてもよい。エネルギ監視装置100の電源がオンになったとき、接続されたあらゆる省エネルギ家電機器に、このような機器が存在し通信ネットワークに接続されているかを問合せるメッセージを一斉送信することができる。組込型エネルギ監視装置105は、組込型エネルギ監視装置105が組み込まれた機器の電源190を監視し、省エネルギ家電機器の動作状態毎に、実際の負荷シグニチャを生成する。更に、組込型エネルギ監視装置105は、組込型エネルギ監視装置105が、状態が変化する電気機器の現在の状態の負荷シグニチャを既に計算しているので、エネルギ監視装置100がその負荷シグニチャを計算する必要がないことを、エネルギ監視装置100に知らせることができる。組込型エネルギ監視装置105は、状態毎に、計算された負荷シグニチャを、工場出荷時のデフォルト負荷シグニチャ又は試験研究所により計算された負荷シグニチャに対して比較して、電気機器の動作効率を測定することができる。このような情報は、ユーザにアドバイスする任意のメッセージとともに、組込型エネルギ監視装置105からエネルギ監視装置100へ送信することができる。例えば、コンプレッサが老朽化した冷蔵庫では、組込型エネルギ監視装置105は、コンプレッサをオンオフしながら負荷シグニチャの変化を検出し、その負荷シグニチャの変化をエネルギ監視装置100によって報告することができる。家電機器の機能がコントローラによって実現される省エネルギ家電機器は、この省エネルギ家電機器コントローラを組込型エネルギ監視装置105にインターフェースして、組込型エネルギ監視装置105に、この省エネルギ家電機器が、省エネルギ家電機器の動作状態において、状態が変化していることを知らせることができる。例えば、洗濯機の省エネルギ家電機器コントローラは、組込型エネルギ監視装置105のコントローラに、洗濯機が、「大容量の洗濯物のすすぎサイクル」の状態に移行していることを知らせることができる。これに応じて、組込型エネルギ監視装置105は、負荷シグニチャを適切に計算することができる。組込型エネルギ監視装置105を省エネルギ家電機器コントローラにインターフェースすることにより、電気機器の識別及び状態が省エネルギ家電機器コントローラによって組込型エネルギ監視装置105に与えられるので、電気機器、状態及び当該状態の負荷シグニチャを測定するための計算及び誤り確率が大きく低減する。また、ユーザが機器及び状態を確認する必要がないので、省エネルギ家電機器のアーキテクチャによってエネルギ監視システムの精度及び自動化が向上し、また、組込型エネルギ監視装置105は、既知の機器及び状態に適した負荷シグニチャアルゴリズムを選択し、負荷を近似することができる。後述する省エネルギ家電機器プロトコルを使用して、組込型エネルギ監視装置105は、電気機器、状態、及び組込型エネルギ監視装置105によって計算される関連負荷シグニチャをエネルギ監視装置100に知らせることができる。当業者にとって明らかなように、電気機器の製造業者は、どのようにして、彼らの電気機器の構成部品が老朽化し、サービス又は交換を必要とするかを理解する一番良い立場にいる。したがって、組込型エネルギ監視装置105は、製造業者自身の家電機器に関する専門知識に基づいた部品の修理及び交換についての省エネルギに関するヒント及びアドバイスをユーザに与えるために、組込型エネルギ監視装置105の重要な機能に追加される実質的にカスタム設計された論理回路を有してもよい。更に、組込型エネルギ監視装置は、例えば、家庭エンターテイメント装置、コンピュータ、又は他の最新の電子機器に見られるような電源のサブシステムに組み込むことができる。
家電機器の遠隔制御
単方向通信のみを行う機器は、家電機器の負荷及び状態の検出を補助することができる。本明細書に記載の省エネルギ家電機器プロトコルの受信及び処理に対応している機器は、エネルギ監視装置によって、既知の状態となるよう命令を与えることができる。エネルギ監視装置は、当該機器に対する命令においてアドレス指定された状態及び機器の負荷を検出することができる。また、機器に対する遠隔コマンドは、複数の電子機器に電気的に接続され、エネルギ監視装置に通信可能に接続された制御パネルによって実現することができる。ユーザは、電子機器の状態についてのコマンドを手動入力するか、あるいは、赤外線遠隔制御又はプログラムされたスマートフォンといった、制御パネルに通信可能に接続された遠隔制御装置を用いることによって、制御パネルに接続された電子機器を制御することができる。あるいは、エネルギ監視装置、エネルギ監視表示装置又はエネルギ監視装置に通信可能に接続された、ユーザインターフェース、プロセッサ及びメモリを有する他の電子機器上で動作するアプリケーションは、単方向通信機能を有する電子機器に対し、ある一定の状態となるようにコマンドを送信することができる。次いで、エネルギ監視装置は、コマンド対象の機器及び状態の負荷シグニチャを計算し、当該負荷シグニチャをプライベートデータベースに格納する。
エネルギ監視装置は、土地建物上の各電気機器に関する詳細エネルギ使用情報を読み出し、格納する。エネルギ監視情報は、機器が使用する使用エネルギに関するユーザに対する機器別の勧告を生成するために、エネルギ監視装置によって集計することができる。機器別の勧告には、特定の修理サービスを勧告すること、機器の交換を勧告すること、及び新たな替わりの機器に関連する予想エネルギ節減額を示すことにより機器の交換にかかる機会費用をユーザに知らせることが含まれ得る。上述の通り、プライベートデータベースにおいて、ユーザは、電気機器の製造業者、モデル、部品番号及び購入年を入力することができる。同じく上述の通り、公衆データベースにおいて、エネルギ監視装置は、電気機器の負荷シグニチャを公衆データベースから検索することができ、また、これにより、電気機器の製造業者情報及びモデル情報並びに当該機器に関連する特徴にするアクセスすることができる。冷蔵庫の特徴としては、例えば、冷蔵庫の立方フィート容量、自動除霜サイクル、製氷器又は給水器といった他の特徴を含むか否か、サイド・バイ・サイド(side-by-side)モデルかあるいはオーバー・アンダー(over-under)モデルか、機器がEnergy Star(商標)の格付けを有しているか否か、機器の予想エネルギ消費率が含まれ得る。機器の識別情報を用いて、エネルギ監視装置は、電気機器の公衆データベースに問合せを行い、類似した特徴を有し、エネルギ使用が少ない新しいモデルがあるかどうかを判断することができる。エネルギ監視装置は、新しい機器または複数の新しい機器に基づいて予想エネルギコストを比較する報告書を作成し、ユーザに対して勧告を行うことができる。この報告書は、本明細書に記載の通信手段のいずれかを用いてユーザに送信される。上述の通り、公衆データベースは、公益事業者、電気機器の製造業者、電気機器の販売会社又はウェブ・ホスティング・サービスのうち1つ以上によって管理することができる。ユーザに対する勧告は、家電機器の販売会社又は製造業者への埋め込みリンクを含み得る。公益事業者は、土地建物所有者に対する家電機器の取り換えに関するインセンティブ提案を、直接又は土地建物上のエネルギ監視装置を介して送信することができる。
省エネルギ家電機器は、(1)組込型エネルギ監視装置105の機能を用いて、省エネルギ家電機器自体の電気的状態を監視するができ、(2)エネルギ監視装置100は、これらの情報の両方が省エネルギ家電機器にとって既知であり、組込型エネルギ監視装置105に送信し、次いで、エネルギ監視装置100に中継するだけでよいため、スマート機器の識別、あるいはスマート機器が動作している状態を判定する必要がないため、エネルギ監視機能を強化することができる。上述したように、組込型エネルギ監視装置105は、エネルギ監視装置100に、状態及び機器の識別子に加えて、負荷シグニチャを送ることもでき、それによって、ユーザが機器及び状態の識別を確認するステップを省くことができる。また、エネルギ監視装置100により省エネルギ家電機器を制御できるように、省エネルギ家電機器の製造業者は、組込型エネルギ監視装置105に、動作状態の制御を結び付けることができる。例えば、組込型エネルギ監視装置105に結び付けられた制御を行う省エネルギ家電機器のオーブンは、ユーザに、このオーブンが2時間以上オンのままであることを知らせることができる。メッセージを、省エネルギ家電機器又は組込型エネルギ監視装置105のどちらかにより生成し、エネルギ監視装置100に送って、テキストメッセージによりユーザの携帯電話機に送ることができる。ユーザは、「オーブンオフ」というメッセージを作成してエネルギ監視装置100にテキストメッセージで返信することができ、エネルギ監視装置100は、このコマンドを組込型エネルギ監視装置105及び省エネルギ家電機器に転送して、オーブンをオフにすることができる。
これらのフィールドは、固有識別子、例えばIPアドレス、又は情報源と宛先デバイスとからなる他の固有識別子を含み得る。省エネルギ家電機器と省エネルギ家電機器内の組込型エネルギ監視装置105とエネルギ監視装置100とは、それぞれ固有アドレスを有することで、コマンドに対応することができる。共通識別子、例えば「ALL」を用いることによって、全ての接続した機器に対するグローバルコマンドをアドレス指定することができる。
コマンド(Command)
以下は、上述した機能を実現するのに用いることができる小さなコマンドセットである。当業者にとって明らかなように、本明細書に開示された機能から逸脱することなく、多くのコマンドを追加し、いくつかのコマンドを削除してもよい。
パラメータ(Parameters)
パラメータは、コマンド別とすることができ、これらには下記に示す複数のパラメータが含まれる。いくつかのコマンドは、パラメータを有することなく、これらの機能を実行することができる。
コマンド(Commands):
機器説明を返す(Return Device Description)
このコマンドは、宛先デバイスから説明情報を返す。説明情報は、テキスト説明、IPアドレス他の固有識別子、製造業者、モデル、公称電圧、最大アンペア数、又は他の機器情報を含み得る。
このコマンドは、負荷シグニチャを機器及び状態に関連付けるため、SAの状態のリストを返す。これら状態のリストを返すことにより、EMD及び/又はEEMD.xは、監視、ユーザに対する提示、及びユーザによる検証によって、これらのリストを発見することなく知ることができる。
このコマンドは、機器の状態についての機器の負荷シグニチャを返す。パラメータは、負荷シグニチャがリクエストされる状態と、負荷シグニチャを取得するためのソースとを含む。ソースは、各状態についての工場出荷時の汎用的なデフォルト負荷シグニチャ、試験研究所の計算結果に基づいた負荷シグニチャ、又は省エネルギ家電機器内の組込型エネルギ監視装置105により取得される実際の負荷シグニチャとすることができる。
このコマンドは、SAをEEMD.xが組み込まれた電気機器のコントローラにインターフェースしたときに、SAによってEEMD.xに公開されたコマンド、説明、及びパラメータのリストを返す。
ソフトウェアレビジョンを返す(Return Software Revision)
このコマンドは、宛先デバイスの現在のソフトウェアレビジョンレベルを返す。ソフトウェアレビジョンレベルから、ソフトウェアのアップグレードが適切であるか否かを判定し、インストールされたソフトウェアによってサポートする機能を判定するため、コマンドを用いて、機器のソフトウェアレビジョンレベルを問合せることができる。
このような非常に強力なコマンドによって、エネルギ監視装置100は、以下で説明するように、停電の後に制御された回復を実行し、日時と電流と予想された負荷とに基づいてエネルギコスト及び消費を削減するため使用エネルギを管理し、うっかりオンのままになっている機器の遠隔操作を生じさせることができる。
現在の状態を返す(Return Current State)
このコマンドを「省エネルギ家電機器のコマンドを実行する」のコマンドとともに用いることによって、以上の説明した機能を実行することを支援することができる。
ソフトウェアレビジョンを設定する(Set Software Revision)
このコマンドは、宛先デバイスにソフトウェアのアップグレードをダウンロードする。
機器の問合せ(Query for Devices)
このコマンドによって、エネルギ監視装置100又は組込型エネルギ監視装置105は、他のエネルギ監視装置、組込型又は他のエネルギ監視装置、ネットワークに接続されたエネルギ監視装置があるか否かを問合せて、このような機器のアドレスを入手することができる。上述の1つ以上のコマンドによって、エネルギ監視装置、組込型エネルギ監視装置、又は他のエネルギ監視装置は、接続されたエネルギ監視装置の能力を判定することができる。
停電後の制御された回復
停電の後、電気機器の回復を制御して、それらの電気機器の前の状態、又は他の決定された状態にすることが望ましい。復旧を制御しないと、直前に「オフ」以外の状態であった全ての機器は、これらの機器内部の制御電子機器が別途プログラムされていない限り、電力が復旧するとすぐに電力を引き込み始めてしまう。上述のように、特に、複雑な動作状態を有する電気機器とエネルギ使用が高い電気機器とについては、過大な電流を引き込まず、再び接続された電気機器を安全な動作状態に安全に戻す方法で、停電の後の回復を制御することが望ましい。例えば、停電している間にガレージで電動ノコギリがオンであった場合、電源が回復した後に電動ノコギリを再始動させないで、電動ノコギリを再始動させるためにユーザによる手動の行為を求めることができる。冷蔵庫は、食物を腐敗から保護するために、優先権を与えることができる。電力が真夏日に長時間止まる場合、電力が止まったときの状況における洗濯サイクルを再開することなく、洗濯サイクル中の衣服を洗い直すことで、起こりうるカビの問題を回避することができる。エネルギ監視装置100は、機器をオフ状態に保持することができ、各省エネルギ家電機器が、省エネルギ家電機器の組込型エネルギ監視装置105を介して、エネルギ監視装置100により再始動を命令されるまで、全ての省エネルギ家電機器をオフの状態にしておくことによって再始動を制御することができる。この順番は、エネルギ監視装置100により、ユーザが作成した順番により、製造業者の提案、又はこれらの組合せに従って、前もって決定しておくことができる。省エネルギ家電機器は、それらのコントローラと接続し、組込型エネルギ監視装置に対するコマンドを制御することで、このような回復ロジックを実行することができる。
上述したように、エネルギ監視装置100は、監視する使用エネルギを日付又は時刻でスタンプし、更に、それぞれが任意の状態を有する1つ以上の機器による使用を関係付けることができる。上述したように、エネルギ監視装置100は、エネルギ監視装置100によって監視された使用エネルギのコストを知らせる基準を形づくる料金表にアクセスする権限を有している。したがって、エネルギ監視装置、又はデータロギング能力、例えばパーソナルコンピュータ310を有する遠隔装置は、使用エネルギのパターンを変えて、エネルギ使用パターンを変えることによってコスト削減があるか否かを判定することができる。例えば、データを解析して、エネルギユーザがピーク使用時間で彼らの衣服を通常洗濯して乾燥させることで、高い料金率を引き起こしているか否かを判定することができる。低い料金率と対応した種々の時間を、下記のアドバイスに対するコスト削減の推定値とともに、ユーザに提案することができる。また、使用パターンを用いて、過去の使用、又は1つ以上の料金率表に基づいた将来のエネルギコストを予測することができる。予想は、時間、日、週、月、四半期、年、季節毎にすることができる。
使用パターン
サイクルパターンと呼ばれる使用エネルギパターンを用いて、電子機器が、ある確率で土地建物上で使用されている時刻を過去の使用エネルギデータに基づいて予測することができる。エネルギ監視装置上、エネルギ監視表示装置上、又はストレージ及びプロセッサを有する別の電子機器上で動作するアプリケーションは、過去の使用エネルギデータを分析して、増分期間毎の使用クラスを、機器が当該増分期間中に利用される関連した確率と共に生成することができる。期間は、15分間、1時間、1日、1週間、1ヶ月、四半期、1つの季節、又は1年であってもよい。使用クラスを用いて、負荷シグニチャ検出アルゴリズムにある一定の時間間隔でオンになる確率が高い電子機器のリストを提供することにより、当該アルゴリズムを補助することができる。第1のクラスの電気機器は、当該クラスの電子機器が特定の期間にオンとなる確率が高い、土地建物上の小さい負荷サブセットであり得る。第2のクラスの電子機器は、第1のクラスの上位セットであり得るが、特定の期間中に当該クラスの電子機器がオンになる確率は低い。第3のクラスは、電子機器のプライベートデータベースの電子機器の残りの大部分を含み得る。第4のクラスは、プライベートデータベース全体を含み得る。第5のクラスは、公衆データベースの一部分を含み得、第6のクラスは、電子機器の公衆データベース全体を含み得る。
使用パターン情報は、負荷シグニチャ情報とともに用いることによって、家電機器の設定、例えば冷蔵庫の設定を最適化することができる。ユーザは、家電機器を選択して最適化し、調整パラメータと、そのユニットと、最小値及び最大値と、パラメータの刻み幅と、試験時間と、試験周期と、試験周期の刻み幅とを入力する。例えば、「冷蔵庫、温度25F°、35F°、1F°、3時間、30分間」を入力する。試験期間に亘って、積算電力計110は、各増分設定値毎の、予測時間、例えば月又は年の予測コストとともにユーザに表示するため、各設定におけるエネルギ消費量を測定する。ユーザは、エネルギ節減に基づく最適値に応じて、自分の冷蔵庫の温度を設定することができる。冷蔵庫を新たなよりエネルギ効率の高い設定値に設定した後、ユーザは、新たな温度によって食品が特定の期間新鮮に保たれることも自分で確認する。
予測
上述のように、サイクルパターンと呼ばれる使用エネルギパターンを用いて、電子機器が、ある確率で土地建物上で使用されている時刻を過去の使用エネルギデータに基づいて予測することができる。エネルギ監視装置上、エネルギ監視表示装置上、又はストレージ及びプロセッサを有する別の電子機器上で動作するアプリケーションは、過去の使用エネルギデータを分析して、増分期間毎の使用クラスを、機器が当該増分期間中に利用される関連した確率と共に生成することができる。期間は、15分間、1時間、1日、1週間、1ヶ月、四半期、1つの季節、又は1年であってもよい。サイクルパターンはまた、将来の使用エネルギの予測値を生成するために用いることもできる。予測値は、グラフやパイチャートの形式であってもよい。予測値は、平日と週末との間の使用比較、週毎、月毎、季節毎、及び年毎の予測するパターンに用いることができる。
ACアプリケーション及び自家電力
上述のエネルギ監視装置及び特徴はまた、非送電網型自家動力ACアプリケーションにおいても用いることができる。非送電網型自家電力AC電源は、ガス動力発電機、ガス動力ポータブル発電機、電池又はタービン動力発電機、DC−AC変換用の電気インバータを用いた太陽電池パネル、風力発電、地熱発電、及び生体電気発電による発電を含み得る。対象の土地建物は、住宅、小屋、農家、穀物槽、貯水槽、防火管理所(fire control post)、消防署、国立公園内の建物、遊園地内の建物、商業ビル、キャンピングカー、又は他の構造物であり得る。
上述のエネルギ監視装置100は、直流発電環境、例えばハイブリッドカー、又はユーザが所有している自家動力電力系統、例えば発電機、ソーラパネル、風力発電機において用いることができる。エネルギ監視装置は、DC自家発電システムによって発生する電力を監視することができる。エネルギ監視装置は、自家発電電力の送電網への供給を最適化するために、自家発電電力に関連した使用エネルギの予定をいつ立て直すべきかをユーザにアドバイスすることによって、日時料金表に基づいた省エネルギを最大限に伸ばすことができる。直流用途の場合、直流機器の負荷シグニチャの計算に必然的に適用されない特定の測定、例えば、cos(phi)、相電圧、相電流、相電力、無効電力、皮相電力、力率、及びこれらのパラメータの相関または高速フーリエ変換分析を省略してもよい。全高調波歪み及び周波数は、通常、DC信号に適用されないが、信号は、周波数又は全高調波歪みについて分析が可能なノイズ成分を含み得る。エネルギ監視装置100は、DC負荷シグニチャを、直流用途のために修正された上述のアルゴリズムに従って測定し計算することができる。
多くの家庭及び企業が、そのエネルギコストを削減し、クリーンなエネルギを生産するために太陽光発電システムを設置するようになっている。太陽光発電システムは、 太陽電池パネルのアレイを備える。このアレイは、単一の太陽電池パネル、直列接続された太陽電池パネルのストリング、又は並列接続された太陽電池パネルの直列ストリングの集合であり得る。エネルギ監視装置は、個々の太陽電池パネル、パネルの直列ストリング、又は並列接続された太陽電池パネルの直列ストリングの集合を監視することができる。一実施形態において、各太陽電池パネルは、DC電流と、センサ情報をエネルギ監視装置に送信することができる電圧センサとを備える。いくつかの実施形態において、センサ情報は、無線周波数識別(RFID)タグによって送信される。この情報は、アレイの特定の太陽電池パネルの性能特性を測定するために、他のエネルギ監視情報と共に、タイムスタンプが付与され、記録される。例えば、太陽電池パネルのアレイの1枚の太陽電池パネルのエネルギ生産量が他の太陽電池パネルのアレイの生産量よりも低い場合、その太陽電池パネルは、欠陥を有するか、掃除を必要としているか、あるいはパネル上に葉、埃や雪といった堆積物が存在している可能性がある。エネルギ監視システムを介して適切なメッセージをユーザに送り、特定のパネルからのエネルギ配給量が全パネルの平均配給量よりも例えば20%低いこと、及びユーザがそのパネルの太陽に対する向きを確認し、パネルを掃除し、パネルが影又は堆積物によってたびたび遮られていいないかどうかを確認する必要があることを警告することができる。太陽光発電システムからの総出力が時間と共に減少している場合、太陽電池パネルのアレイ全体を掃除する必要があるかもしれないので、ユーザに適切なメッセージを送ってもよい。適切なメッセージは例えば、「警告:このシステムでは、1ヶ月前に比べて1日当たりのエネルギ生産量が15%低下していますが、システムの平均から大幅に外れたパネルはありません。全てのパネルの掃除を行って下さい。問題が続く場合は、太陽光発電システムの設置業者に連絡してシステムを検査して下さい。」というものでもよい。アレイの各太陽電池パネルからの情報を更に集計し、太陽光発電システムから戻される総電流及び総電圧と比較して、太陽光発電システム全体の効率を判定することができる。エネルギ監視システムは、太陽光発電システムのコントローラ又はインバータが不良である可能性があることをユーザに通知することができる。
特許請求の範囲に示すエネルギ監視装置及び識別方法は、住宅又は中小企業の機器のネットワークにおける各機器の各状態毎の非常に詳細なエネルギ使用情報を生成している。エネルギ監視情報は、多種多様な目的の複数レベルで集計することができる。グラフィックディスプレイ機能を有する遠隔表示装置、例えばスマートフォン(iPhone(商標)、Droid(商標)、Blackberry(商標)他)、携帯電話、携帯情報端末、又はポータブルコンピュータ上で動作するグラフィカルユーザインタフェースを有する1つ以上のアプリケーションは、詳細なエネルギ監視情報を用いた問合わせツール、表示ツール、及び最適化ツールを提供することができる。ポータブル機器上のアプリケーションを用いて、土地建物所有者は、エネルギ監視装置によって生成されたデータにアクセスして、土地建物の使用エネルギの状態をリアルタイムでチェックし、土地建物内の電気機器を遠隔制御し、エネルギ監視装置によって収集されたあらゆるデータに問合せを行うことができる。更に、このアプリケーションにより、土地建物所有者は、エネルギ監視装置のセキュリティ機能の設定及びチェックをリモートに行うことができる。
好ましい実施形態において、エネルギ監視装置は、4G all IP(インターネットプロトコル)ネットワークの基地局に接続されたインターネットを介して、土地建物所有者にアラート及びメッセージを送信することができる。当該技術分野において公知であるように、メッセージは、3G、WiMax、WiFi、TCP/IP及び他のネットワークプロトコルといった他のネットワークタイプによって転送することができる。エネルギ監視装置によって取得されたデータは、土地建物内の遠隔表示機器に直接送信するか、あるいはユーザのポータブル電子機器に送信することができる。好ましい実施形態において、エネルギ監視データが格納のためにサーバに送信される。このようなサーバは、ユーザの土地建物上のプライベートデータベース、公益事業者におけるセキュアなデータベース、又はホスティングサービスによってホスティングされた公衆データベースであり得る。ユーザは、自身のプライベートデータベースから自身のデータに問合せを行うアプリケーションをスマートフォンといった自身の遠隔機器上で実行することができる。ユーザはまた、ホスティングされた公衆データベースに問合せを行い、自身の使用エネルギを、公衆データベースにデータが格納されている類似のユーザの使用エネルギと比較することができる。
ユーザは、自身のiPhone(商標)を用いて規則及びアラートをプログラミングする。この規則には、「現在の時刻が午後3:00から午後5:00の間であり、土地建物所有者の娘の部屋の動作検出器が始動し、テレビゲームがオンであるかあるいはテレビがオンで有る場合、保護者向けアラートメッセージを土地建物所有者のiPhone(商標)に送信する」と記載されている。
以前の影響(The Prius Effect)
どのくらいのエネルギを使用しているか、いつエネルギを使用しているか、エネルギに対していくら支払っているか、及びエネルギを使用する目的をユーザが認識すると、使用エネルギが減少する(以前の影響)。特許請求の範囲に示すエネルギ監視装置は、グラフィカルユーザインタフェース機器(GUIともいう。)に表示するエネルギ使用情報を集計することができるように、エネルギ使用情報を時間でスタンプすることができる。住宅又は中小企業の累積使用エネルギを、GUIのアプリケーションにおいてズームしているデータのレベルによる年、季節、月、週、日、時間、分又は秒毎に、エネルギユーザに提示することができる。更に、使用エネルギを電気機器に表示するために集計し、上述のあらゆる期間に分割することができる。更に、エネルギ使用情報を、機器の様々な状態、特定の機器のエネルギ使用情報を更にズームすることによって分割することができる。
送電網特性の向上
負荷シグニチャの計算過程において、いくつかの実施形態によるエネルギ監視装置の通常動作の一部として、力率のパーセントとノイズと1つ以上のスペクトル成分における歪みとを含んだ送電網の特性はパラメータを計算した。エネルギ使用情報は、米国特許法第119条(e)に基づいて2009年1月26日に出願された米国仮特許出願第61/206501号、発明の名称「POWER FACTOR AND HARMONIC CORRECTION METHODS」及び米国特許法第119条(e)に基づいて2010年1月25日に出願された米国仮特許出願第61/298,112号、発明の名称「POWER FACTOR AND HARMONIC CORRECTION METHODS」に開示された力率補正システム及び方法と組み合わせて用いることができ、これらの出願は引用により本明細書に援用される。
家電機器修理アドバイザ
家庭電化製品の老朽化につれて、1つ以上の状態の負荷シグニチャを変えることができる。例えば、モータの軸受が老朽化するにつれて、食洗器、冷蔵庫、洗濯機、乾燥機、又はHVACファンにおける当該モータの突入電流は、当該家電機器が新しかったときの負荷シグニチャと比べて変化する。全負荷での電流、突入電流、有効電力及び無効電力は、全て、家電機器が老朽化するにつれて時間と共にゆっくりと変化し得る。エネルギ監視装置は、その負荷シグニチャプライベートデータベースにおいて最後に検出された電子機器負荷シグニチャを追跡する。エネルギ監視装置は、電子機器及び状態の1つ以上の古い負荷シグニチャのコピーをローカルに格納することができる。この古いあるいは元の負荷シグニチャはまた、負荷シグニチャの公衆データベースに格納することができる。エネルギ監視装置、エネルギ監視表示装置、又はユーザインターフェース、メモリ及びプロセッサを有する別の電子機器上で実行されるアプリケーションは、電子機器及び状態の最も新しい負荷シグニチャを電子機器及び状態の古い負荷シグニチャと比較して、電子機器の老朽化を判定することができる。入電流の変化、静止状態に達するまでの時間、過電流比、及び静止状態確立時間の特定のサブインクリメント(sub-increments)の後の出力比を測定して、電子機器の老朽化を判定することができる。特定の不具合と負荷シグニチャの変化を相関させることによって、家電機器の中で老朽化した構成部品を識別することができる。
周期的パターンの発見
多くの場合、エネルギユーザは、パターン化された習慣で、彼らのエネルギ消費機器を使用する。エネルギ監視装置は、過去のエネルギ使用情報とともにタイムスタンプされた負荷シグニチャ情報を用いて、機器及びこれらの機器の状態を学習することを支援することができる。例えば、月曜日から金曜日に、エネルギユーザは、電気給湯器、シェーバ、1つ以上の白熱電球、及びコーヒメーカの全てを、狭い時間帯の範囲内で使用することが多い。このようなパターン化された使用と負荷シグニチャとの相関をとることにより、負荷を効率よく識別する確率を向上することができる。それの代わりに、あるいはそれに加えて、このような相関は、負荷シグニチャの更に高い信頼性を得るために、第2のレベルの負荷シグニチャの計算に用いることができる。
Claims (15)
- 電気機器によって消費されるエネルギを監視するためのエネルギ監視装置において、
a.電源に接続されたコントローラと、
b.監視する電気機器の上流の点で取得される複数の第1の電源パラメータ及び後の複数の第2の電源パラメータを測定するための手段と、
c.前記エネルギ監視装置に接続された入出力モジュールと、
d.前記複数の第1の電源パラメータと複数の第2の電源パラメータとの間で検出された変化から、前記電源に接続された前記電気機器の存在及び該電気機器の状態を識別する命令がプログラムされたメモリを備え、前記エネルギ監視装置が、該エネルギ監視装置に接続された入出力モジュールを監視するように更にプログラムされていることを特徴とするエネルギ監視装置。 - 前記電気機器及び状態を識別するステップは、前記電源の連続したサンプルの変化から前記電気機器の負荷シグニチャを計算することを含むことを特徴とする、請求項1に記載のエネルギ監視装置。
- 前記電気機器及び状態に対応する前記負荷シグニチャは、相電圧、相電流、中性電圧、中性電流、皮相電力、cos(phi)、有効電力、無効電力、周波数、周期、過電圧/不足電圧状態、力率のパーセント、RMS電流、瞬時電流、RMS電圧、瞬時電圧、電流高調波の全高調波歪みのパーセント、電圧高調波の全高調波歪みのパーセント、前記電流の波形のスペクトル成分(content)、前記電圧の波形のスペクトル成分、前記有効電力の波形のスペクトル成分、前記無効電力の波形のスペクトル成分、前記電気機器のネットワーク品質のパーセント、時間、日付、温度、及び湿気のうちの1つ以上を含むことを特徴とする、請求項2に記載のエネルギ監視装置。
- 前記計算された負荷シグニチャは、前記電気機器とその状態とに関連付けられ、メモリに格納されることを特徴とする、請求項2に記載のエネルギ監視装置。
- 前記更なる入力は流量計に接続され、該流量計は計量中の物についての使用情報を提供することを特徴とする、請求項1に記載のエネルギ監視装置。
- 前記更なる入力はホームセキュリティシステムに接続され、該ホームセキュリティシステムは前記エネルギ監視装置に状態情報を送信することを特徴とする、請求項1に記載のエネルギ監視装置。
- 前記更なる入力は温度センサに接続され、該温度センサは前記エネルギ監視装置に温度情報を送信することを特徴とする、請求項1に記載のエネルギ監視装置。
- 前記更なる入力は気象センサシステムに接続され、該気象センサシステムは前記エネルギ監視装置に気象情報を送信することを特徴とする、請求項1に記載のエネルギ監視装置。
- 電源に接続された電気機器によって使用されるエネルギを測定するための方法において、
a.複数の第1の電源パラメータを受信するステップと、
b.複数の第2の電源パラメータを受信するステップと、
c.少なくとも1つの電源パラメータの変化を、前記複数の第1及び第2の電源パラメータ間の差分として検出するステップと、
d.前記複数の第1及び第2の電源パラメータに基づいて、「n」個の値を含む、有効電力(P)、総有効電力(PT)、無効電力(Q)、総無効電力(QT)、RMS電圧(U)及び総有効電力スペクトル(APS)を含む電気機器の負荷シグニチャを計算するステップと、
e.一致する負荷シグニチャを生じる確率が最も高いと予め決定された複数の電気機器に対応する第1のグループの負荷シグニチャを含む、前記電気機器の負荷シグニチャをメモリから検索するステップであって、前記メモリに格納された負荷シグニチャが電気機器識別子に関連付けられ、前記電気機器の状態が該負荷シグニチャに関連付けられるステップと、
f.前記電気機器によって使用されたエネルギを、前記複数の第1及び第2の電源パラメータ間の差分として計算するステップと、
g.前記使用されたエネルギを前記電気機器に関連付けるステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記第1のグループは、該グループを定義する電気機器のリストをユーザが前記エネルギ監視装置に格納することによって決定されることを特徴とする、請求項9に記載の方法。
- 前記第1のグループの各負荷シグニチャに、該負荷シグニチャが検索中の負荷シグニチャと一致する確率を関連付けるステップを更に含むことを特徴とする、請求項10に記載の方法。
- 検索中の負荷シグニチャに最もほぼ一致する非一致負荷シグニチャに関連付けられた確率を下げるステップを更に含むことを特徴とする、請求項11に記載の方法。
- 前記確率が特定の閾値を下回った場合、負荷シグニチャ及び電気機器が第2のグループに再分類されることを特徴とする、請求項12に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの電源パラメータの変化を検出するステップの後であって、前記電気機器及び状態の負荷シグニチャを計算するステップの前に、更なる電源パラメータを受信するステップを更に含むことを特徴とする、請求項9に記載の識別方法。
- 前記総無効電力における高調波及びノイズQT_THDを、前記総無効電力QT及び前記無効電力Q間の差分として計算するステップと、
前記総有効電力における高調波及びノイズPT_THDを、前記総有効電力PT及び前記有効電力P間の差分として計算するステップと、
前記負荷シグニチャにおいてQTにQT_THDを代入するステップと、
前記負荷シグニチャにおいてPTにPT_THDを代入するステップと
を更に含むことを特徴とする、請求項9に記載の方法。
Applications Claiming Priority (19)
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US12/694,171 US8447541B2 (en) | 2009-01-26 | 2010-01-26 | Energy usage monitoring with remote display and automatic detection of appliance including graphical user interface |
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