JP5722480B1 - 電力割当制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】家電機器ごとの価値をパラメータとして家電機器への電力供給を最適化する。【解決手段】複数の家電機器１１が接続されるコンセント部１２と、家電機器１１の電力データを計測する計測部１３と、家電機器１１をオンオフする開閉部１４と、複数の家電機器１１が無線で接続される通信部１５と、計測部１３から出力される電力データに基づいて開閉部１４を介して家電機器１１のオンオフを制御し、かつ、通信部１５を介して家電機器１１の電力データを計測すると共にその電力データに基づいて家電機器１１のオンオフを制御する制御部１６とで構成された電源タップ１７を備える。制御部１６は、全ての家電機器１１による電力データの総和を上限値以下にすると共に家電機器１１の価値が最大となるように最適な家電機器１１を選択し、選択された家電機器１１への電力供給を可能にするナップザックアルゴリズムに基づいて、家電機器１１の出力を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の負荷機器への電力供給を最適化して自動的に制御する電力割当制御システムに関する。

例えば、一般家庭では、冷蔵庫、照明器具、掃除機、扇風機やエアコン等からなる複数の負荷機器である家電機器が設置されている。このように、一般家庭で使用される家電機器が多種に亘ることから、分電盤のブレーカにより全ての家電機器の電力供給が一斉に遮断される前に、家電機器の種別に応じてその家電機器への電力供給状態を任意に制御できるようにすることが要望されていた。

この要望に鑑みて、本出願人は、家電機器の種別に応じてその家電機器への電力供給を任意に制御し得る電源タップを先に提案している（例えば、特許文献１参照）。

この電源タップは、複数個のコンセントを有し、それらコンセントに接続される家電機器に対して電力供給遮断機能を具備するもので、コンセントごとに設定された閾値に基づいて家電機器への電力供給を遮断する遮断部をコンセントごとに設け、その遮断部をコンセントごとに制御する処理部は、電力供給遮断に関するコンセントの優先順位を複数個のコンセントに対して個別に設定変更可能にしたものである。

特開２０１２−２０３９９１号公報

ところで、特許文献１に開示された電源タップでは、多種に亘る家電機器の種別に応じてその家電機器への電力供給状態を任意に制御することができ、それぞれのコンセントに接続された各家電機器の種別に合致した最適な電力供給制御を実現することができる。

しかしながら、前述の電源タップでは、電力供給遮断に関するコンセントの優先順位に基づいて、家電機器の電力データがコンセントごとに設定された閾値以上になった時点でその家電機器への電力供給が遮断されることになる。このような制御では、使用者が必要とする家電機器の電力供給が遮断されてしまうことがあり、また、省エネやピークカットを目的とした家電機器の電力マネジメントを実現することも困難であった。

一方、家電機器は、異なった種類の機能を持っており、その使用者は利便性や欲求のために家電機器を機能によって異なった時刻に使用する。また、家電機器は、その機能によって使用者に重要度を与えるものであり、その重要度は家電機器によって異なり、同じ家電機器でも使用者によって異なったり、同じ使用者でも使用時刻によって異なったりするものである。そして、この家電機器の重要度は大きい方がよいことは明らかである。

また、家電機器は、動作するために電力（例えば積算電力）を消費し、これら複数の家電機器の総電力は、省エネ等の観点から少ない方がよいことは明らかである。さらに、家電機器の電源には、一時に使用できる電力（例えば瞬時電力）に制限があり、それらの電力についても少ない方がよいことは明らかである。

以上のことから、使用者の生活パターンや環境情報を用いて家電機器ごとに重要度を決定し、その重要度をパラメータとして各家電機器への電力供給を最適化して自動的に制御することが要望されている。

そこで、本発明は前述の要望に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、家電機器の電力マネジメントの観点から、家電機器ごとに決定された重要度をパラメータとして家電機器への電力供給を最適化し得る電力割当制御システムを提供することにある。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明に係る電力割当制御システムは、複数の負荷機器が接続されるコンセント部と、負荷機器の電力データを計測する計測部と、負荷機器をオンオフする開閉部と、複数の負荷機器が無線で接続される通信部と、計測部から出力される電力データに基づいて開閉部を介して負荷機器のオンオフを制御し、かつ、通信部を介して負荷機器の電力データを計測すると共にその電力データに基づいて負荷機器のオンオフを制御する制御部とで構成された電源タップを備え、制御部は、コンセント部および通信部に接続された全ての負荷機器による電力データの総和を上限値以下にすると共に、使用者に対する負荷機器の価値をパラメータとして設定された固定値あるいは変動値の総和が最大値となるように全ての負荷機器から最適な負荷機器を選択し、選択された負荷機器への電力供給を可能にするアルゴリズムに基づいて、負荷機器のオンオフ制御に加えて、オンオフ以外で出力調整可能な負荷機器の出力制御を可能としたことを特徴とする。

本発明では、電源タップの制御部により、アルゴリズムに基づいて、負荷機器のオンオフ制御に加えて、オンオフ以外で出力調整可能な負荷機器の出力制御を可能としたことで、使用者の生活パターンや環境情報を用いて負荷機器ごとに決定される重要度をパラメータとして負荷機器への電力供給を最適化して自動的に制御することができるので、省エネやピークカットを目的とした負荷機器の電力マネジメントを容易に実現することができる。

本発明におけるアルゴリズムは、コンセント部および通信部に接続された全ての負荷機器による突入電流の総和を上限値以下にすると共に、使用者に対する負荷機器の価値をパラメータとして設定された固定値あるいは変動値の総和が最大値となるように全ての負荷機器から最適な負荷機器を選択し、選択された負荷機器への電力供給を可能にする機能を持たせることも可能である。このような機能を持つアルゴリズムを利用すれば、複数の負荷機器に対する同時電源投入による突入電流の重なりを回避することができる。

本発明におけるアルゴリズムは、電源タップの制御部に実装されていることが望ましい。このように、アルゴリズムを電源タップの制御部に実装すれば、電源タップ単体で電力割当制御システムを構成することができる。その結果、負荷機器のオンオフ制御、およびオンオフ以外で出力調整可能な負荷機器の出力制御における処理時間を短縮することができ、応答性の向上が図れる。

本発明におけるアルゴリズムは、電源タップの通信部に無線で接続した外部コントローラに実装されていることが望ましい。このように、アルゴリズムを電源タップの通信部に無線で接続した外部コントローラに実装すれば、この外部コントローラに複数の電源タップが対応して設けられている場合に有効である。つまり、外部コントローラと複数個の電源タップとで電力割当制御システムを構成した場合、複数個の電源タップを外部コントローラで集中管理することができる。

本発明におけるアルゴリズムは、ナップザックアルゴリズムであることが望ましい。このように、アルゴリズムをナップザックアルゴリズムで構築すれば、負荷機器への電力供給の最適化を容易に実現することができる。

本発明によれば、電源タップの制御部により、アルゴリズムに基づいて、負荷機器のオンオフ制御に加えて、オンオフ以外で出力調整可能な負荷機器の出力制御を可能としたことで、使用者の生活パターンや環境情報を用いて負荷機器ごとに決定される重要度をパラメータとして負荷機器への電力供給を最適化して自動的に制御することができるので、使用者が負荷機器を使用する上で不便さを感じることなく、省エネやピークカットを目的とした負荷機器の電力マネジメントを容易に実現することができる。

本発明に係る電力割当制御システムの実施形態で、電源タップにナップザックアルゴリズムを実装した例を示す概略構成図である。 本発明に係る電力割当制御システムの他の実施形態で、外部コントローラにナップザックアルゴリズムを実装した例を示す概略構成図である。 電源タップ単体で電力割当制御システムを構成した場合の使用例を説明するための概略構成図である。 外部コントローラと複数個の電源タップとで電力割当制御システムを構成した場合の使用例を説明するための概略構成図である。

本発明に係る電力割当制御システムの実施形態を、図１〜図４を参照しながら以下に詳述する。

図１に示す実施形態における電力割当制御システムは、複数の負荷機器である家電機器１１のうち、例えば扇風機１１ａ、照明器具１１ｂ、掃除機１１ｃおよび冷蔵庫１１ｄが接続されるコンセント部１２と、扇風機１１ａ、照明器具１１ｂ、掃除機１１ｃおよび冷蔵庫１１ｄの電力データを計測する計測部１３と、扇風機１１ａ、照明器具１１ｂ、掃除機１１ｃおよび冷蔵庫１１ｄをオンオフする開閉部１４と、例えばエアコン１１ｅが無線で接続される通信部１５と、計測部１５から出力される電力データに基づいて開閉部１４を介して扇風機１１ａ、照明器具１１ｂ、掃除機１１ｃおよび冷蔵庫１１ｄのオンオフを制御し、かつ、通信部１５を介してエアコン１１ｅの電力データを計測すると共にその電力データに基づいてエアコン１１ｅのオンオフを制御する制御部１６とで構成された電源タップ１７を備えている。

この実施形態では、電源タップ１７単体で電力割当制御システムを構成している。以下、一つの電源タップ１７について詳述するが、一般家庭で複数個の電源タップ１７を使用する場合、それぞれの電源タップ１７についても同様である。

この電源タップ１７のコンセント部１２は、家電機器１１の数に対応させた数、例えば、扇風機１１ａ、照明器具１１ｂ、掃除機１１ｃおよび冷蔵庫１１ｄ用の４つのコンセント１２ａ〜１２ｄを有する。各コンセント１２ａ〜１２ｄに、扇風機１１ａ、照明器具１１ｂ、掃除機１１ｃおよび冷蔵庫１１ｄが電気的に接続される。計測部１３は、コンセント部１２の各コンセント１２ａ〜１２ｄに接続された計測機構１３ａ〜１３ｄを具備する。各計測機構１３ａ〜１３ｄは、電力センサにより家電機器１１の電流、電圧および消費電力からなる電力データを計測する。開閉部１４は、計測部１３の各計測機構１３ａ〜１３ｄに接続された開閉機構１４ａ〜１４ｄを具備する。各開閉機構１４ａ〜１４ｄは、リレーによる接点開閉動作でもって家電機器１１への電力供給およびその遮断、つまり、家電機器１１のオンオフを切り替える。

以上で説明したコンセント１２ａ〜１２ｄ、計測機構１３ａ〜１３ｄおよび開閉機構１４ａ〜１４ｄからなる家電機器１１ごとの直列回路が電源タップ１１の電源コードに並列接続されている。通信部１５は、例えば、Ｗｉ−Ｆｉによりエアコン１１ｅと無線で通信可能であり、エアコン１１ｅからの電力データの受信やエアコン１１ｅへの制御命令の送信などをＴＣＰ／ＩＰ通信で実行する。

ここで、前述した家電機器１１には、電源タップ１７のコンセント１２ａ〜１２ｄに接続された扇風機１１ａ、照明器具１１ｂ、掃除機１１ｃおよび冷蔵庫１１ｄのようにオンオフ制御のみのもの以外に、電源タップ１７の通信部１５を介して接続されたエアコン１１ｅのようにオンオフ制御だけでなく、リモコン操作により強弱を連続的あるいは段階的に調整する出力制御が可能なものがある。

また、コンセント１２ａ〜１２ｄに接続された家電機器１１であっても、照明器具１１ｂには、リモコン操作により明暗を連続的あるいは段階的に調整する出力制御が可能なものもある。このような照明器具１１ｂは、エアコン１１ｅと同様、通信部１５を介して照明器具１１ｂからの電力データおよび照明器具１１ｂへの制御命令のやり取りが実行される。

以上のように、オンオフ制御のみが実行される家電機器１１や、オンオフ制御だけでなく、出力調整可能な出力制御が実行される家電機器１１があり、一般家庭に設置される家電機器１１は多種多様に亘っている。

電源タップ１７の制御部１６は、ＣＰＵで構成され、コンセント部１２および通信部１５に接続された全ての家電機器１１、つまり、扇風機１１ａ、照明器具１１ｂ、掃除機１１ｃ、冷蔵庫１１ｄおよびエアコン１１ｅによる電力データの総和を上限値以下にすると共に、使用者に対する家電機器１１の価値が最大となるように全ての家電機器１１から最適な家電機器１１を選択し、選択された家電機器１１への電力供給を可能にするアルゴリズム、例えばナップザックアルゴリズムに基づいて、家電機器１１のオンオフ制御に加えて、オンオフ以外で出力調整可能な家電機器１１の出力制御を可能とする。

このナップザックアルゴリズムは、使用者の生活パターンや環境情報を用いて家電機器１１ごとに決定される重要度（価値）をパラメータとして家電機器１１への電力供給を最適化して自動的に制御する機能を具備するものである。つまり、使用者が必要となる家電機器１１に電力を適正に割り当てることにより、家電機器１１への電力供給を最適化するものである。

この実施形態では、ナップザックアルゴリズムを電源タップ１７の制御部１６に実装している。つまり、ナップザックアルゴリズムを構築したプログラムを制御部１６（ＣＰＵ）に組み込んでいる。このように、ナップザックアルゴリズムを電源タップ１７の制御部１６に実装することにより、電源タップ１７単体で電力割当制御システムを構成することができる。その結果、家電機器１１のオンオフ制御、およびオンオフ以外で出力調整可能な家電機器１１の出力制御における処理時間を短縮することができ、応答性の向上が図れる。

なお、図２に示すように、ナップザックアルゴリズムは、電源タップ１７の制御部１６に実装せずに、外部コントローラ１８（パソコン）に実装することも可能である。この場合、外部コントローラ１８は、Ｗｉ−Ｆｉにより電源タップ１７の通信部１５と無線で通信可能であり、外部コントローラ１８と電源タップ１７の制御部１６とのデータおよび制御命令のやり取りはＴＣＰ／ＩＰ通信で実行される。

このナップザックアルゴリズムを利用した電力供給の最適化を図３に示す具体例で以下に詳述する。なお、以下の説明では、扇風機１１ａ、照明器具１１ｂ、掃除機１１ｃ、冷蔵庫１１ｄおよびエアコン１１ｅを例示するが、他の家電機器１１にも適用可能である。また、各家電機器１１の価値および消費電力についても、その数値は一つの例示である。図３に示す具体例において、扇風機１１ａ、照明器具１１ｂ、掃除機１１ｃ、冷蔵庫１１ｄおよびエアコン１１ｅからなる各家電機器１１の価値および消費電力は下表のとおりである。

家電機器１１の価値については、使用者の生活パターンや環境情報を用いて家電機器１１ごとに決定される重要度であり、パラメータとして制御部１６に記憶させることにより設定される。この価値は、固定値として設定する以外に、使用者の生活パターンや環境情報（時間や季節など）に応じて異なることから、変動値として設定することも可能である。この価値を手動で設定する以外に自動で設定する場合には、制御部１６に組み込まれたタイマーや、家電機器１１に設けれた温度センサ等の各種センサを利用すればよい。

一方、家電機器１１のうち、扇風機１１ａ、照明器具１１ｂ、掃除機１１ｃ、冷蔵庫１１ｄの消費電力は、電源タップ１７の計測部１３の各計測機構１３ａ〜１３ｄにより測定された電力データであり、その電力データを制御部１６に記憶させることにより設定される。また、エアコン１１ｅの消費電力は、電源タップ１７の通信部１５で受信した電力データであり、その電力データを制御部１６に記憶させることにより設定される。

電源タップ１７では、扇風機１１ａ、照明器具１１ｂ、掃除機１１ｃ、冷蔵庫１１ｄおよびエアコン１１ｅによる電力データである消費電力の総和を上限値以下にすると共に、制御部１６に組み込まれたナップザックアルゴリズムに基づいて、使用者に対する家電機器１１の価値が最大となるように全ての家電機器１１から最適な家電機器１１を選択し、選択された家電機器１１への電力供給を可能にする。家電機器１１のうち、扇風機１１ａ、照明器具１１ｂ、掃除機１１ｃ、冷蔵庫１１ｄのオンオフは、制御部１６からの制御命令により開閉部１４の開閉機構で実行され、エアコン１１ｅのオンオフは、制御部１６からの制御命令により通信部１５を介して実行される。

例えば、家電機器１１の消費電力の総和の上限値を２００Ｗとした場合、ナップザックアルゴリズムにより、消費電力の上限値の範囲内で、家電機器１１の価値が最大となるように、消費電力が１５０Ｗで価値が８０の冷蔵庫１１ｄと、消費電力が６０で価値が６０の扇風機１１ａを選択する。その結果、冷蔵庫１１ｄと扇風機１１ａをオンすると共にエアコン１１ｅと掃除機１１ｃと照明器具１１ｂをオフすることにより、冷蔵庫１１ｄと扇風機１１ａのみに電力を供給する。このように、冷蔵庫１１ｄと扇風機１１ａを選択すれば、家電機器１１の消費電力の総和が１９０Ｗで上限値以下であり、家電機器１１の価値の総和が１４０で最大値となる。

例えば、家電機器１１の消費電力の総和の上限値を４００Ｗとした場合、ナップザックアルゴリズムにより、消費電力の上限値の範囲内で、家電機器１１の価値が最大となるように、消費電力が２００Ｗで価値が９０のエアコン１１ｅと、消費電力が１５０Ｗで価値が８０の冷蔵庫１１ｄと、消費電力が４０で価値が６０の扇風機１１ａを選択する。その結果、エアコン１１ｅと冷蔵庫１１ｄと扇風機１１ａをオンする共に掃除機１１ｃと照明器具１１ｂをオフすることにより、エアコン１１ｅと冷蔵庫１１ｄと扇風機１１ａのみに電力を供給する。このように、エアコン１１ｅと冷蔵庫１１ｄと扇風機１１ａを選択すれば、家電機器１１の消費電力の総和が３９０Ｗで上限値以下であり、家電機器１１の価値の総和が２３０で最大値となる。

ここで、一般家庭に設置されている家電機器１１には、前述したようなオンオフ制御だけでなく、リモコン操作により強弱を連続的あるいは段階的に調整する出力制御が可能なエアコン１１ｅがある。このエアコン１１ｅは、電源タップ１７とＷｉ−Ｆｉにより無線で通信可能であり、電源タップ１７の制御部１６では通信部１５を介してエアコン１１ｅからの電力データの受信やエアコン１１ｅへの制御命令の送信などをＴＣＰ／ＩＰ通信で実行する。

従って、制御部１６に組み込まれたナップザックアルゴリズムに基づいて、エアコン１１ｅを含む家電機器１１の消費電力の総和を上限値以下の範囲内で、エアコン１１ｅを含む家電機器１１の価値の総和が最大となるように、エアコン１１ｅをオンオフ制御だけでなく、そのエアコン１１ｅの強弱を連続的あるいは段階的に調整する出力制御が可能となる。なお、エアコン１１ｅの出力制御は、強弱以外の各種モードにも適用可能である。

このように、電源タップ１７の制御部１６により、ナップザックアルゴリズムに基づいて、家電機器１１のオンオフ制御に加えて、オンオフ以外で出力調整可能な家電機器１１の出力制御を可能としたことで、使用者の生活パターンや環境情報を用いて家電機器１１ごとに決定される重要度（価値）をパラメータとして家電機器１１への電力供給を最適化して自動的に制御することができる。その結果、使用者が家電機器１１を使用する上で不便さを感じることなく、省エネやピークカットを目的とした家電機器１１の電力マネジメントを容易に実現することができる。

なお、前述した実施形態では、省エネを目的とした家電機器１１の電力マネジメントの観点から家電機器１１の消費電力についてナップザックアルゴリズムを利用した場合について説明したが、ピークカットを目的とした家電機器１１の電力マネジメントの観点から、ナップザックアルゴリズムについて、家電機器１１による突入電流の総和を上限値以下にすると共に、その家電機器１１の価値が最大となるように全ての家電機器１１から最適な家電機器１１を選択し、選択された家電機器１１への電力供給を可能にする機能を持たせることも可能である。このような機能を持つナップザックアルゴリズムを利用すれば、複数の家電機器１１に対する同時電源投入による突入電流の重なりを回避することができる。

また、前述の実施形態では、電源タップ１７単体で電力割当制御システムを構成し、その電源タップ１７の制御部１６にナップザックアルゴリズムを組み込んだ場合について説明したが、一般家庭では、複数個の電源タップ１７が設置されていることから、図４に示すように、複数個の電源タップ１７に対して、一つの外部コントローラ１８（パソコン）を設置し、この外部コントローラ１８にナップザックアルゴリズムを組み込むようにすればよい。

このように、外部コントローラ１８と複数個の電源タップ１７とで電力割当制御システムを構成した場合、複数個の電源タップ１７を外部コントローラ１８で集中管理することができる。この場合、各電源タップ１７の制御部１６にナップザックアルゴリズムを組み込む必要がないので、各電源タップ１７の制御部１６のソフトウェア構成を簡略化することができる。なお、各電源タップ１７におけるナップザックアルゴリズムを利用した電力供給の最適化については、電源タップ１７単体で電力割当制御システムを構成した前述の実施形態と同様であるため、重複説明は省略する。

また、前述の実施形態では、ナップザックアルゴリズムについて説明したが、本発明はこれに限定されることなく、他のアルゴリズム、例えば、電力供給量に比例して価値が得られるような家電機器の場合には、線形計画アルゴリズムが適用可能である。さらに、電力供給量に比例して価値が得られる家電機器と、完全に供給されない限り価値が得られない家電機器とが混在する場合には、混合整数計画アルゴリズムが適用可能である。

本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

１１ 負荷機器（家電機器）
１２ コンセント部
１３ 計測部
１４ 開閉部
１５ 通信部
１６ 制御部
１７ 電源タップ
１８ 外部コントローラ

Claims (5)

1. 複数の負荷機器が接続されるコンセント部と、前記負荷機器の電力データを計測する計測部と、前記負荷機器をオンオフする開閉部と、複数の負荷機器が無線で接続される通信部と、前記計測部から出力される電力データに基づいて前記開閉部を介して負荷機器のオンオフを制御し、かつ、前記通信部を介して負荷機器の電力データを計測すると共にその電力データに基づいて負荷機器のオンオフを制御する制御部とで構成された電源タップを備え、
   前記制御部は、コンセント部および通信部に接続された全ての負荷機器による電力データの総和を上限値以下にすると共に、使用者に対する負荷機器の価値をパラメータとして設定された固定値あるいは変動値の総和が最大値となるように全ての負荷機器から最適な負荷機器を選択し、選択された負荷機器への電力供給を可能にするアルゴリズムに基づいて、負荷機器のオンオフ制御に加えて、オンオフ以外で出力調整可能な負荷機器の出力制御を可能としたことを特徴とする電力割当制御システム。
2. 前記アルゴリズムは、コンセント部および通信部に接続された全ての負荷機器による突入電流の総和を上限値以下にすると共に、使用者に対する負荷機器の価値をパラメータとして設定された固定値あるいは変動値の総和が最大値となるように全ての負荷機器から最適な負荷機器を選択し、選択された負荷機器への電力供給を可能にする請求項１に記載の電力割当制御システム。
3. 前記アルゴリズムは、前記電源タップの制御部に実装されている請求項１又は２に記載の電力割当制御システム。
4. 前記アルゴリズムは、前記電源タップの通信部に無線で接続した外部コントローラに実装されている請求項１又は２に記載の電力割当制御システム。
5. 前記アルゴリズムがナップザックアルゴリズムである請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力割当制御システム。

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