JP6227072B2 - 負荷識別データプロセッサを備えた電気ユーティリティメータ - Google Patents

Description

（関連出願についてのクロスリファレンス）
本出願は、２０１０年８月１０日に出願された米国仮特許出願第６１／３７２,３４４号に基づくものであり、その優先権を主張する。

（背景）
本開示は概略的には、電気メータの使用によって住宅又は商業環境における電気負荷の負荷の特徴を監視し、負荷の具体的な種類及び負荷それぞれの作動状態を識別するための方法及びシステムに関する。より詳しくは、本開示は、電気負荷の負荷の特徴を監視して、電気負荷の検査、分析、及び電気負荷の所有者・オペレータとの直接対話を可能にするために、その負荷それぞれに関する識別情報をシステムのオペレータ又は第三者に伝達する方法及びシステムに関する。

商業施設の電力ユーティリティ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｕｔｉｌｉｔｉｅｓ ｉｎ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ）は、使用されているエネルギー量を分析するため、また、最大負荷レベル及びこうしたピークの時間を監視するためにその顧客の詳細な電力消費プロファイルを監視することに関心をもっている。住宅又は施設内にあるそれぞれ別個の電気器具のエネルギー消費を監視するには、その施設内の電気負荷それぞれについて監視装置を配置することが一般的には必要なので、一般的には、このエネルギー消費は、住宅又は商業施設全体に対して監視される。しかしながら、施設内の個々の負荷それぞれのエネルギー消費についての知識を得ることは、エネルギー消費の監視において、所有者とユーティリティ両方にさらなる情報を提供することになる。

施設内の個々の電気負荷それぞれによるエネルギー消費を監視する試みとして、負荷それぞれを別々に監視する必要なしに、施設内の電気負荷のエネルギー消費を追跡するシステム及び方法が開発されてきた。この種の監視を行う技術には、非侵入型負荷監視と称されるものがある。非侵入型負荷モニタ（ＮＩＬＭ）は、建物の外側で行われる測定から、建物内の主要な電気負荷の作動スケジュールを決定することを目的とする装置である。非侵入型負荷監視は、１９８０年代（ハートの米国特許第４,８５８,１４１号参照）から公知である。非侵入型負荷監視は、一般に、屋内に入る電圧及び電流の変化を分析し、これらの変化から、屋内のどの電気器具が使われているか及び使用されている電気器具個々のエネルギー消費を推測するプロセスである。ＮＩＬＭは、電気メータの記録等の家庭からのエネルギー消費情報を比較し（ｃｏｍｐａｒｅｓ）、そして、このエネルギー消費情報を、異なる種類の複数の電気負荷の既知の負荷プロファイルと比較する。

非侵入型負荷監視は何年も前から知られているが、ユーティリティ及び他の関係者は、非侵入負荷監視から得た情報を活用できなかった。

（概要）
本開示では、負荷電流及び線間電圧のＡ／Ｄサンプリングを連続して実行する。サンプリング周波数は、＞＞６０Ｈｚであるが、調和解析及び非侵入型負荷監視（ＮＩＬＭ）のために、４．０９６ｋＳ／ｓが好ましい。ＰＬＣのために、

これらのサンプルは、循環バッファ等に記憶される。「イベント」−ΔｋＷ、ΔｋＶＡＲ、停電（ｏｕｔａｇｅ）、不足電圧、過電圧又は関心がある他の状況−が起きると、循環バッファは適当な数のイベント後のデータサンプルとともに、キャプチャレジスタにコピーされる。このデータは、フラッシュメモリに記憶されるか、あるいは以下に記載のアプリケーションで説明されているように、ある特徴を識別するために後処理される。

大半のメータは、今日、ｋＷｈ、ｋＶＡＲ、回線周波数等を抽出するために電圧及び電流（Ｖ＆Ｉ）データを前処理する。この情報は、しばしば、ユーティリティの請求書に示されているのと同様の要約されたフォーマットで他の通信プロセッサに送られる。従来技術のコミュニケーションプロセッサは、この前処理されたデータをユーティリティに送信する。現在の開示はこの同じ機能を実行することができるが、さらに、「ガラス下の（ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｇｌａｓｓ）」処理手段に渡された生のサンプルデータを使用し、デジタル化されたＶ＆Ｉ波形のより高い周波数又は過渡的成分を分析する。この処理手段は少なくとも１つのＦＦＴを含んでいる。この処理手段はまた、事前に記憶された特徴又は他の基準をＶ＆Ｉ波形と照合する（ｍａｔｃｈ）ためにニューラルネットワーク又は他のパターン認識相関器を使用している。任意の前処理手段はＦＦＴを実行し、デジタル化されたサンプルを取り除き及び／又は位相変化（Δφ）若しくはΔｋＷによってイベントを承認することにより、処理手段をアンロードすることができる。負荷の種類のテンプレート又は基準はメモリに記憶され、負荷テンプレートは通信手段を介したダウンロードによりアップデートすることができる。

従来技術の非侵入型負荷監視、ＮＩＬＭは、一般的にはユーティリティメータの外部で行われてきた。本開示は、メータ内に必要なＮＩＬＭ要素を含んでおり、このメータは重複する要素を無くすことにより簡素化され、メータが直列の（ｉｎ−ｌｉｎｅ）電流センサをすでに提供しているので労力も減らし、ここで説明するように可能な特徴や機能を増大させる。本開示は、従来技術のＮＩＬＭ監視技術及びシステムを利用することができる。従来技術のＮＩＬＭ方法を、顧客側又はユーティリティ側で、「バッドアクター」／不具合機器／又は効率の悪い機器をパターン照合／特徴照合するために改良することができる。

加えて、処理手段を、通信手段だけでなく、他の信号検出及び信号エミッタ手段に接続することにより、膨大な一連のエネルギー効率、配電網状態のアプリケーションが開発されることとなる。

本開示の他の特徴は、分割され、アクセス保護されたプログラムスペースを、第三者開発者が利用できるようにし、そうして市場を刺激してソフトウェアベースのイノベーションを提供することである。

本開示の他の特徴は、集中データ処理装置に情報を提供することである。このプロセッサは、大量のデータを保存できる（例えば、住宅の蓄熱を予測するために年間の季節ごとのイベントでの一人の顧客の行動、及び／又は、このプロセッサは、ピークイベント又は暴風が起こった時の非常に大勢の百万人の顧客の行動を保存できる）。遠隔装置の処理手段の能力を、集中化したバックエンド処理と結合することによりデータ異常を無くすことができ、より正確な予測を行うことができ、個々のイベントの不完全なＮＩＭＬ照合に起因する誤差をメータのガラス下で計算することができる。カルマンフィルタ法、エキスパートシステム又はニューラルネットワークのような方法をバックエンドデータに適用することができる。

本開示の他の特徴は、ソフトウェア及びＤＳＰファームウェアの下で制御される信号センサ及び信号発生器を提供することである。このように、柔軟な機能変更及び新しい方法としてのアップグレードを可能にするためにファームウェアを開発することができ、セキュリティ手順及び新しい通信規格が作られる。

本開示の他の特徴は、ユニバーサルなＷＡＮ ＬＡＮインターフェースを作り出すことである。このインタフェースは、周波数変換器及び位相又は周波数弁別器で構成されている。位相又は周波数は、Ａ／Ｄによってデジタル化され、ビットにそれからプロトコルにさらに処理するためにデジタル信号プロセッサ等に送られる。送信器セクションは、ほぼすべてのＦＳＫ変調（位相連続変調）を作ることができるプログラム可能な周波数合成器で構成されている。さらに、位相変調を直接導入するためにミキサーを用いることができ、あるいは、ミキサーは低い周波数又はベースバンド周波数でＤＳＰ等で作られる信号をアップコンバート（ｕｐ−ｃｏｎｖｅｒｔ）するために使うことができる。

これらの手法を用いて、ＷＡＮ ＬＡＮは広い周波数帯域で多様なプロトコルをエミュレートすることができる。これらには、７／１３／２９／６１−ａｒｙＦＳＫ、２／４／８／１６−ａｒｙＦＳＫ、ＢＰＳＫ，ＯＱＰＳＫ又はブロードバンドＦＳＫ変調、あるいはＯＦＤＭが含まれる。これらのビット変調を、８０２．１５．４ｇのようなＭＡＣ／ＰＨＹプロトコル要件又は規格、あるいはＵＤＰ、ＴＣＰ又はＨＴＴＰ等のようなＩＰスタックに合うように、さらに処理することができる。

本開示の別の特徴は第三者の開発者のイノベーションを支援し、多数のシミュレーションアプリケーションをサポートすることであり、以下を含むことができる。
− ＨＶＡＣ障害
− ｉＤＲネガワット
− ビルのエネルギー管理
− バッドアクター検出器
− 配電一次側（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｐｒｉｍａｒｙ）
− オフィス機器の状態
− 変圧器の状態（Ｈｅａｌｔｈ）
− 配電の状態（Ｈｅａｌｔｈ）
− 負荷の種類識別子
− ＰＨＥＶの負荷サイクル
− 課金、使用時間
− 「グローライト」の検出
− エネルギー窃盗の検出
− 盗まれたメータの所在を突き止める
− エネルギーアドバイザＳＷスイート
− 「ヴァンパイア又はファントム（Ｖａｍｐｉｒｅ ｏｒ Ｐｈａｎｔｏｍ）」待機モードのコストアナライザ
− 故障した、過負荷ブレーカーの検出
− 変電所コントローラ/リレーロジック
− 白熱灯負荷トータライザ（蛍光灯（Ｆｌｏｒｅｓｃｅｎｔ）のメリット）
− ピーク時禁止型負荷の削減

本発明のさまざまな他の特徴、目的及び効果は、図面を参照してなされる以下の説明によって明らかにされる。

図面は、本開示を実施するにあたり現在考えられる一態様を示している。
本開示の電気メータの概略図である。 電気メータの一実施形態の物理的構成を示す図である。 本開示の電気メータの一部を構成する処理手段を示すブロック図である。 本開示の電気メータの作動コンポーネントを示すブロック図である。 さまざまな作動コンポーネントを含む本開示の電気メータを示すブロック図である。 電気メータの電力供給の一実施形態の概略図である。 本開示の電気メータが実行できるさまざまなルーチン及びアプリケーションを示す図である。 本開示の電気メータを利用して実行できる一方法のフロー図である。 下に降りた送電線を検出する電気メータの使用例を示す図である。 本開示の電気メータとともに利用できるセキュリティの一形態（ｏｎｅ ｔｙｐｅ）を示すフローチャートである。 負荷の種類を決定するための、多数の電気メータとデータアグリゲータ間のコミュニケーションを示す概略図である。

（発明の詳細な説明）
図１は、本開示に従って構成される改良型電気ユーティリティメータ１０の一般的な概略図である。電気メータ１０は、電気メータ１０を介して供給され、住宅又は事業所によって消費される電気の量を監視するために、家庭やビジネス環境で使用することができる。典型的には、電気メータ１０は電線接続部１２と負荷接続部１４の間に設けられている。電気メータは、電線接続部から負荷によって引き込まれている電流を検出する電流センサ１６を有している。図１に示されているように、電流センサ１６は、２つの異なる種類の電流センサのうちの１つとすることができる

電流センサ１６は、検出された電流を増幅器１８を介してアナログ−デジタル変換器２０に送り込む。電流の測定に加えて、別の増幅器２２を介して電圧信号が第２のアナログ−デジタル変換器２４に送り込まれる。図１に示された実施の形態では、アナログ−デジタル変換器はあるサンプリング速度で電圧及び電流をサンプリングする。図に示された実施の形態では、サンプリング速度は６０Ｈｚより大きい。

２つの変換器２０、２４からのデジタル信号は、プリプロセッサ２６に送られる。プリプロセッサは、ｋＷＨ、ｋＶＡＲ、ライン周波数（ｌｉｎｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）その他同様の情報を抽出するために用いることができる。このような前処理は今日多くのメータで公知であり、プリプロセッサ２６からの情報は典型的には請求書作成目的のためユーティリティに送られる。本開示では、プリプロセッサ２６からの情報は、電気メータ１０に含まれているプロセッサ２８に送られる。プロセッサ２８は、通信回線３０を介して利用可能なデジタル化された電圧及び電流波形のより高い周波数成分や過渡的成分を分析するために、プリプロセッサ２６から提供された生のサンプルデータを利用する。以下でさらに詳細に説明するように、処理手段２８は本開示に従ってさまざまな異なる機能を実行することができ、さらなる利点及び分析を提供するために利用することができる。図示の一例では、負荷の種類を識別するために、処理手段２８は電圧及び電流の波形を、記憶装置３２内に記憶されたさまざまな異なるテンプレートや基準と比較することができる。本開示の範囲内で作動するかぎり、記憶装置３２はプロセッサ２８の内部又は外部に設けることができる。記憶装置３２内にあるテンプレート及び閾値は、通信装置３４を使用して電気メータにアップロードすることができる。通信装置３４により、要求に応じて、さまざまな異なる情報を電気メータ１０から取得したり、電気メータ１０にアップロードすることができる。

処理手段２８はさらに、さまざまな異なる物理的パラメータを検出し、電気メータから信号を発することができるように検出及びエミッタ手段３６に接続されている。

図１に示された実施の形態では、通信手段３４は集中データ処理装置３８に接続されている。集中データ処理装置３８は、大量のデータ（例えば、１年間の季節的なイベントを通じた単一の顧客の行動、又は、嵐等のピークイベントが起こったときの、何百万人もの顧客の行動を保存するために使用することができる）を保存することができる。電気メータ内の処理手段２８のパワーを集中バックエンド３８での処理と組み合わせることにより、データ異常を無くすことができ、より正確な予測が可能になり、個々のイベントの適合についての不完全な非侵入型の負荷監視に起因する誤差を電気メータで計算することができる。カルマンフィルタ法、エキスパートシステム又はニューラルネットワークのような方法を、集中データ処理装置３８によりバックエンドデータに適用することができる。

図１に示された実施の形態では、電気メータ内に設けられている処理手段は、電気メータ１０に適用できるソフトウェアベースのイノベーションを創り出すために第三者開発者が利用できるように設計されている。オープンフォーマットを使用することにより、第三者開発者が、単にプロセッサ２８に記憶させるだけで、電気メータ１０で使えるアプリケーションを創り出すことができる。本開示のハードウェア及びソフトウェアプラットフォームは、オープンＡＰＩ／デバイスドライバ／インタフェース及びオープンオペレーティングシステムを含んでいる。このようなプラットフォームにより、第三者開発者が新しいソフトウェア、ファームウェア、ＤＳＰ及びバックエンドデータベース並びに分析プログラム、及びアプリケーションを作る対象となるスマートメータ／スマートグリッドアプリケーションが可能になる。図に示された例として、以下に処理手段２８によって開発され作動され得るツールキットの種類を記載する。
４０９６ポイントＦＦＴ、２毎秒、０．５ｓｅｃオーバーラップで１．０ｓｅｃスパン（ＮＩＬＭ及び診断）
２９次調波をキャプチャ可（このスキームで最大３４次検出可能）
フォンハンデータテーパウィンドウ（ｖｏｎ Ｈａｎｎ ｄａｔａ ｔａｐｅｒ ｗｉｎｄｏｗ）の使用を強く推薦する
平滑な周波数のビンのみＮＩＬＭ使用のために保持される（２Ｈｚから２０４６Ｈｚ）
４．０９６ｋＳ／ｓ、１６ビットから２４ビットのＩ＆Ｖバッファ
デシメーティングフィルタは、より高いサンプリングレートでの使用が求められる

４０９６ポイントＦＦＴと同じＡＤＣｓを使用する場合、サンプリングレートは、デシメーティングフィルタの性能を最適化するために４．０９６ｋＳ／ｓの整数倍でなくてはならない。
別のＰＬＣ
３５〜９０ｋＨｚ帯で線間電圧を使用しているＰＬＣは、ＩＥＣ ６１３３４、ＥＲＤＦ Ｇ３及びイベルドラ（Ｉｂｅｒｄｒｏｌａ）のＰＲＩＭＥを含んでいる多数の規格（ｓｔａｎｄａｒｄｓ）をサポートすることができる。この高い周波数帯は、変圧器の二次側に限られるが、隣接してメータを配置するには最適である。より高い周波数はまた、ＮＩＬＭ及び他の診断法に対する干渉を制限する。
キャプチャバッファ Ｉ＆Ｖ、＋／−２０秒（停電時のＮＩＬＭ及び診断法）ｋＷｈ，ｋＶＡＲ，回線周波数（計測μＣ及び／又は４０９６ポイントＦＦＴアウトプットから取得）
電圧アーク／コロナ認識（４０９６ポイントＦＦＴアウトプットから取得）
変圧器、絶縁体、リム
負荷及びライン側ＰＬＣ
近隣メータのディスカバリＰＬＣ
合計された近隣メータのｋＷｈ
１ミリ秒精度のＧＰＳ タイムスタンプ
位相検出（ＡＢＣ）
電流の遅れ／進み
変圧器飽和ＦＦＴ（４０９６ポイントＦＦＴアウトプットから取得）
負荷特徴ライブラリ
バッドアクター特徴ライブラリ
アーマチャのアーク
ベアリング障害
スタータキャップ障害
接触不良
ホームプラグＰＬＣエミュレータスタック
エシュロンＰＬＣエミュレータスタック
ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ｇ
ＺｉｇＢｅｅ
ＳＥＰ２．０
６ＬｏＰａｎ
ＦｌｅｘＮｅｔ
ＩＥＥＥ ８０２．１１．ｂ（Ｗｉ−Ｆｉ）
Ｃ１２．１９テーブル
Ｃ１２．１８オプティカルポート
ＩＰスタック：ＵＤＰ、ＴＣＰ、ＨＴＴＰ
エリプティック社セキュリティ（Ｅｌｌｉｐｔｉｃ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ）
メッシュ ルーチン ロジック＋テーブル＋ディスカバリ
バディ モード（Ｂｕｄｄｙ Ｍｏｄｅ）
ＨＡＮ負荷の状態テーブル
電力線を介した電気機器のＩＤ／状態（３相すべてのＣ＆Ｉメータ検出）

図２は、本開示の電気メータ１０の機械的アセンブリを示している。電気メータ１０の物理的構成の一実施の形態が開示されているが、本開示の範囲内で作動するかぎり、電気メータの物理的構成は多くの異なる形態をとることができることを理解されたい。

図２に示された実施の形態では、電気メータはベース４２にスナップ的に嵌る蓋４０を有している。ベース４２は、メータがソケットに嵌り込み、線間電圧を受け取ることができるようにする一連のブレード状のコネクタ４４を有している。電気メータは、電気メータ全体を遠隔で線間電圧から切り離すことができる遠隔断路リレー４６を備えている。一連の導線４８は、リレーから導かれ、回路基板５２に接続される差し込み部材５０を有している。回路基板５２は、以下でさらに詳細に説明される電気メータの作動部品を有している。図２に示された実施の形態では、電流センサ１６は回路基板５２に接続されている。別の種類の電流センサ５４もまた、示されている。

図３は、図１に示されている処理手段２８の、考えられる一実施形態を示している。図３に示されているように、処理手段はフラッシュメモリ５６及びＲＡＭ５８両方に接続されている。処理手段２８は、さまざまな異なるコンポーネント６０と信号の送受信を行う。上記したように、遠隔断路４６は処理手段２８に接続されている。液晶画面６２によって、処理手段２８が伝達する情報をメータの外部から見ることができるようになっている。オプティカルポート６４によって、処理手段２８からさらなる通信が可能になる。前処理手段２６は、図１に示され図１について上記で説明されたように、処理手段２８と通信する。バックアップコンデンサ６５は、停電の際に緊急の動力源を提供する。コンデンサは、データを共有し最終的な送信を行うのに十分な時間、プロセッサに電力を供給できるだけのエネルギーを蓄える。処理手段２８には、図３に示されているようにさまざまな他の接続が利用可能である。

図４は、本開示の電気メータ１０のさらに別の図である。図１について先に説明したように、電気メータ１０は、それぞれアナログ−デジタル変換器２０、２４にデータを入力する電圧センサ６６及び電流センサ１６を備えている。アナログ−デジタル変換器２０、２４からの処理された電圧情報及び電流情報は、分析のため処理手段２８に送られる。図４に示された実施の形態では、処理手段２８はボックス６８に示されているようにキロワット時で算出するために使用される。ボックス６８で行われる計算によって、さまざまな調波から濾波された請求できる量が与えられる。ボックス７０のコレレーション、パターンマッチング及びニューラルネット処理に使うことができるデータは、ｋＷｈ課金には使われないので調和性に富んでいる。前述したように、処理手段２８は電気メータ内に収容されていて、したがって、この計算は、現地から離れた処理場所ではなくメータ自体で行われる。

図４に示されているように、２４０ボルトのＡＣ電源７２は、処理手段２８及びさまざまな通信機器及び記憶装置を含めた電気メータ全体に電力を提供するために使われる。そのうえ、単一の通信手段３４が、ｋＷｈ課金情報及び負荷の種類の情報両方を報告するのに用いられる。このように、２つの異なる種類の通信に単一の通信手段３４だけが必要となる。

図５は、本開示の電気メータ１０のさらに詳細な模式図である。図５に示されているブロック図では、図１の模式図と比較すると、細部が追加されている。

図５に示されているとおり、電気メータ１０は処理手段２８を備えている。処理手段２８は、フラッシュメモリ５６及びＲＡＭ５８の両方に接続されている。図５に示されている実施の形態の通信手段３４は、ＷＡＮ及びＬＡＮネットワーク両方を通じて通信するＲＦ通信装置７４を有している。第２の装置７６は、ＨＡＮインタフェース上で電気メータ１０から、他の種類の通信を提供する。ＨＡＮインタフェースは、現在及び開発中のエンドポイントと対話することができ、ユーティリティがＨＡＮ規格を誤って選択するのを防ぐ。

図５に示されているように、窃盗検出回路７８は、電気メータがメータソケットとともに盗まれたりメータソケットから取り外されたりしていないか、またいつそれが起こったかを判断するために処理手段と通信する。

図６は、電気メータのさまざまなコンポーネントを駆動するために用いられる電源の実施形態の一案を示している。図６に示されているように、電力は、電力線１２からのダイオード８０及びインダクタ８２を通って、ＤＣ−ＤＣコンバータ８４に供給される。コンデンサ６５は電力バックアップを提供するが、いろいろな種類の充電式電池に置き換えることができるであろう。第２のＤＣ−ＤＣコンバータ８８は、それから、図に示されている一連のレギュレータの１つに送られる電圧を調整するために用いられる。図６に示された電源回路９０は、電源の可能な１種類のみを示すことを意図したものであり、本開示を限定することを意図するものではない。

図５に戻って参照すると、本開示の電気メータ１０はＤＳＰベースのライン（ｌｉｎｅ）／負荷側の信号波形インジェクタ９２を有している。メータが発信音やインパルスを顧客側又は変圧器側へ送信し、それから反射を監視することができるなら、波形インジェクタ９２によって、多様なアプリケーションが可能になる。この能力によって電気メータは、変圧器の状態、不正なタップやショート、メータから１７２フィート離れた電力線の個所に枝が接触している、ヒューズが湾曲している、あるいは接地故障が起きた、等の負荷に関する、あるいは配電側に関する事項を知ることができる。この特徴は特に地下配線が使われている場合に役立つ。

インジェクタ９２から注入された信号は、精度を上げて好ましくない反射波（ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｐａｔｈｓ）を減らすため、時間波形（ｔｉｍｅ−ｓｈａｐｅｄ ｗａｖｅｆｏｒｍ）とすることができる。インジェクタ回路はＰＬＣ通信と共有することができる。ＰＬＣ信号がデジタル信号処理を使用して発生する場合、ＰＬＣ信号を既存及び将来のＰＬＣ標準に合うようにユニバーサルにすることができる。

変圧器がフィーダシステムに送り出すには高すぎる周波数の信号をメータが変圧器側に注入すると、変圧器側のメータだけが信号を聞き取り応答する。このようにして、メータ１０は、どのメータが変圧器側にあるかを判断し、このような情報を分析することができる。図示の例として、変圧器上の「近隣のメータ」の知識は、昼間及び夜間負荷の差を決定するために、また、周囲温度を用いて、変圧器が適切な大きさかどうか評価するために、自動的に集計（ｔｏｔａｌｉｚｅｄ）される。

一実施の形態では、波形インジェクタは、プッシュプル又はＥクラス方式のパワーＭＯＳＦＥＴとすることができる。信号発生器は、ＰＬＣデータ信号を作るための任意の波形又はタイムオブフライト型対応の定型の波形（ｔｉｍｅ− ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ ｃａｐａｂｌｅ ｓｈａｐｅｄ ｗａｖｅｆｏｒｍ）を作ることができるＤＳＰである。波形発生器はまた、反応ピーク及びシャントを測定するために周波数を変化させることができる。

図７は、電気メータに含まれる処理手段１０の比較的ハイエンドな図である。前述したように、処理手段２８はフラッシュメモリ５６及びＲＡＭ５８両方に接続されている。図に示された実施の形態では、処理手段２８は、装置が多数のリアルタイムアプリケーションをサポートできるようにＡＲＭ９４００メガヘルツのプロセッサである。図に示された実施の形態では、フラッシュメモリ及びＲＡＭは、分割されたメモリ（ｐａｒｔｉｔｉｏｎｅｄ ｍｅｍｏｒｙ）でＬｉｎｕｘオペレーティングシステムを動作させるのに十分である。Ｌｉｎｕｘオペレーティングシステムにより第三者開発者に真のオープンインターフェースが提供され、さまざまな異なる種類のアプリケーションを開発し、処理手段２８にアップロードすることができる。

図５に戻って参照すると、システムは、さまざまな異なる規格が展開するように適応できるユニバーサル２．４ＧＨｚＨＡＮを含んでいる。さらに、システムは、スタックダウンロードであらゆる種類のＦＳＫ網を展開できるユニバーサルな４００〜１０００ＭＨｚのＷＡＮ／ＬＡＮを含んでいる。２つの異なる種類の通信機器によってユーティリティは必要に応じて通信技術を調整することができ、これにより電気メータを選ぶ際のリスクを減らす。ＤＦＰベースの「ソフトウェア無線通信」により柔軟性（ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ）を高めることができる。

図７に戻って参照すると、システムは、負荷側電圧検出及び手動で再接続できるようにする任意のアーミング（ａｒｍｉｎｇ）を含む遠隔断路器を備えている。

図７のブロック図では、さまざまな異なる前処理ルーチン９４及びアプリケーション９６が記載されているが、以下でさらに詳細に説明される。ルーチン９４及びアプリケーション９６が示しているように、本開示の範囲内で作動するかぎり、電気メータは非常に多くの機能を実行することができる。さまざまな異なる種類の機能及びルーチンが記載されているが、本開示の電気メータはほぼ無制限の数のアプリケーションを実行させることができる搭載プロセッサ（ｏｎｂｏａｒｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）を備えていることを理解されたい。さらに、この処理手段がＬｉｎｕｘオペレーティングシステムを含んでいるので、第三者がさまざまな異なるアプリケーションを開発し、電気メータにアップロードすることができ、電気メータの機能を高め続ける。

図８は、本開示の改良型電気メータ１０を使用する一方法を示している。図８に示された実施の形態は電気メータ１０を使用する一方法を示すにすぎず、本開示内で作動するかぎり、さまざまな異なる方法が利用できることを理解されたい。図８の実施の形態では、顧客場所（ｃｕｓｔｏｍｅｒ ｌｏｃａｔｉｏｎ）の所有者／オペレータは、改良型のメータにパラメータを入力するために、ＰＤＡ、ＰＣ又は類似の装置等のコンピュータ装置１００を使用することができる。図に示された実施の形態では、コンピュータ装置１００は、表示及び入力手段１０２、処理手段１０４及び通信手段１０６を含んでいる。これらの異なるコンポーネントそれぞれは、具体的なコンピュータ装置１００によってさまざまなものとすることができる。コンピュータ装置１００は、図示されているようにアプリケーションプログラム及びデータ記憶装置をさらに含むことができる。

考えられる一実施形態では、コンピュータ装置１００のプログラムは、例えば、平方フィート数、窓の数、屋根の色その他の関連情報といった家／建物の規模又は建物の物理的なパラメータ等のさまざまな異なる情報の入力をユーザに促すことができる。さらに、アプリケーションプログラム１０８は、コンピュータ装置１００で機器を識別する際に、その機器又はＨＶＡＣシステムのオン又はオフをユーザに促すことができる。装置をオン及びオフすることによって、電気メータ１０は負荷パラメータを識別することができ、特定の装置の特徴（ｓｉｇｎａｔｕｒｅｓ）を生成する（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ）。

符号１１２で示されているように、コンピュータ装置１００はネットワーク１１０を介して大規模なデータアグリゲータ又はユーティリティのプロセッサと通信する。続いて、プロセッサ１１２は、ネットワーク１１０を介して通信の集約装置（ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ）１１４と通信し、最終的に電気メータ１０と通信する。

コンピュータ装置１００のプログラムに促されてユーザが装置をオン又はオフにすると、その装置の特徴はプロセッサ１１２内に記憶される。電気メータ１０の処理手段２８は、負荷の特徴プロファイルを処理手段２８からプロセッサ１１２に伝達して戻す。プロセッサ１１２が所有者／オペレータの場所のさまざまな装置の特徴プロファイルを学習しているので、プロセッサ１１２は記憶された負荷プロファイルに基づいて、通常の稼動でオン又はオフされた装置の種類を識別することができる。このようにしてプロセッサ１１２は「学習」して、コンピュータ装置１００を介して取得された実際のデータに基づいて非侵入型の負荷モニタリングの予測を改善することができる。

図１１は、第三者サービスプロバイダ又はデータアグリゲータに関連する本開示のデータ処理システムを示している。図に示されている実施の形態では、複数の電気メータ１０のいずれかがＫＷ（ΔＫＷ）の変化を検出するときに、ΔＫＷデータはメータ上のプロセッサによって保存され（ｃａｐｔｕｒｅｄ）、メータで負荷の種類の予測が行われタイムスタンプが付される。負荷種類の予測及びデータは、通信ネットワーク１５２を介してデータアグリゲータ又は第三者サービスプロバイダ１５０に直接又は間接的に伝達される。データアグリゲータ１５０のプロセッサは、まず最初にカルマンフィルタを使用して変更がその時期のその時刻でのその種類の家庭にとって可能かどうか決定するためにデータを前処理する。

変更が可能な場合、データアグリゲータは変更が同様の特徴を有する家庭に適合するかどうか決定する。「イエス」の場合は、改良されたカルマンフィルタ、モンテカルロフィルタ及びニューラルネットワーク方法を含むバックエンド処理が行われる。この変更は、それから記憶手段１５４のプロファイルと比較される。この処理は、改良型メータからの装置認識率を処理後の正確な認識率＞９５％に改善するものである。

上記したように、本開示の電気メータは、さまざまな異なる機能、特徴及びアプリケーションを電気メータが実行できるようにするオンボード処理手段を備えているが、これらの機能、特徴及びアプリケーションの多くは、図７のブロック図の符号９６に記載されている。これらのアプリケーションのいくつかは今、以下でさらに詳細に説明される。

ＨＶＡＣ障害

家庭用及び事業用ＨＶＡＣの稼働及び保守は、住宅所有者及び事業所のオーナー両者にとって大きな負担であり、ユーティリティが提供すべき総負荷の大きな割合を占めている。ＨＶＡＣ装置の適当な稼働及び効率化は、スマートグリッドの全ての目標にとって重要である。本開示は、ＨＶＡＣ装置の状態と適合する又は類似するプロファイルとの比較を利用して、低いフロンレベル又はコイルの凍結等のＨＶＡＣ装置の状態の望ましくない稼働又は障害の状態を検出し、コンプレッサ及びＨＶＡＣシステム上の負荷の変更を与えるために電圧及び電流の両方を監視することができる。さらに、ＨＶＡＣコンプレッサの負荷サイクルはまた、システムがどのくらい最大容量近くで作動しているかについて判断するためにも用いることができる。建物の平方フィート数、構造タイプ、建物の築年数、屋根のタイプ等を含めて、予測の改善に役立てるために、情報を住宅所有者又は事業所のオーナーから収集することができる。

上記したように、本開示の電気メータはフロンの供給不足等のさまざまな異なるエアコンの障害を検出することができ、それはランタイムの増加や、コンプレッサの負荷の段階的な減少により検出される。コンプレッサコイルの凍結もまた、増加したランタイムとコンプレッサの負荷の減少により検出することができる。ＨＶＡＣシステムが不適切な大きさである場合、電気メータは現在の温度レベルに対する過剰なランタイムに基づいてこの状況を検出することができる。ＨＶＡＣシステムが不具合のあるベアリングを有している場合、電気メータは反応性（ｒｅａｃｔｉｖｉｔｙ）の増加及びエネルギー消費量の全体的な増加としてこの状況を検出することができる。ＨＶＡＣシステムに不良のスタータコンデンサがある場合、電気メータはインダクタンスの増加及び場合によっては消費エネルギーの増加によってこれを検出することができる。さらに、家又は事業所から熱や冷気が漏れている場合、電気メータは長期間のデータ収集及び分析によってこの状況を検出することができる。

電気メータは、電気メータから取り出した１６ビット電圧及び電流サンプルで、４０９６．ＦＦＴ分析を行う。コンプレッサの負荷の変化は、電気メータによって検出できるはっきりしたＶ／Ｉの特徴を残す。さらに、電気メータはコンプレッサの負荷サイクル、ｋＷ消費（ｄｒａｗ）及び屋外の温度を学習（ｋｎｏｗ）しているので、電気メータはその家の平方フィート数及び築年数に基づいて、その家の消費をその地域の他の家と比較することができる。

ｉＤＲ「ネガワット（ＮＥＧＡ−ＷＡＴＴＳ）」

「ネガワット」の概念は、電力消費量がピークレベルに近づくと、ユーティリティが負荷を削減できることと関連している。典型的には、顧客は電力マネジメントプログラムの契約をし、ユーティリティは、遠隔割り込みで、電力網（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｒｉｄ）の総消費量を減らすために顧客サイトの負荷を削減する。本開示の実施の形態では、電気メータは長期にわたる多くの家庭からの実際のデータをユーティリティのデータベースに提供し、これにより、ユーティリティはコンプレッサの負荷サイクル、ｋＷ消費及び屋外の温度を学習することができる。この情報を学習することにより、ユーティリティはそれらが優先度を回復し再び電源が入れられるまで家庭がどのくらいその装置をオフのままにすることを許容するかを予測できる。

本開示のシステムは、家又は事業所の温度特性（ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）を予測するナレッジアプリケーションをサポートし、したがって住宅や事業所のオーナーが不快になりプログラムから抜けてしまわないうちに、デマンドレスポンスの「ネガワット」がどのくらい送られるのかが正確にわかる。多数の消費者の離脱を防ぐことは、エネルギー管理プログラムを持続させるうえできわめて重大である。

バッドアクター検出器

バッドアクターには、ベアリング不良、スタータキャップ不良、過度な抵抗接続の可動接触子の不完全なアーマチャアーク（ａｒｍａｔｕｒｅ ａｒｃｉｎｇ）等により生じるといった望ましくない態様での作動を行うあらゆる機器が含まれる。本開示の検出及び処理能力は、センサのアウトプットとメモリ手段に記憶されたテンプレートとをマッチングすることによりこれらのケースの正確な予測を行うために用いることができる。

加えて、本開示は、サブサイクル・パワー・クオリティ測定及び分析（ｓｕｂ−ｃｙｃｌｅ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ）を提供することができる。これは、大きい負荷の突入電流及び電流増加によって続いて生じた線間電圧の低下を検出し監視するために用いることができる。これらの大きい負荷によって引き起こされた線間電圧の低下によって、しばしば他の負荷の再始動、あるいは停止さえ引き起こし、この情報は、障害（ｆａｕｌｔｓ）、切り替え及び保守イベントに相当しない顧客の故障の考えられる原因及び場所を判断するために利用することができる。

オフィス機器の状態

ＨＶＡＣ装置に加えて、オフィスや商業ビルの別の重要な負荷はさまざまな電子機器である。本開示は、ＡＣ／ＤＣコンバータの状態を検出して、その機器類の負荷の予測をするために用いることができる。さらに、サーバ及び他の機器は予測可能な定期的なメンテナンスを受けることがあるが、それにより、その負荷がそれからいつオン又はオフされるかを認識する本開示の能力を向上させるために、その機器のオン／オフ状態をＰＣ又はＰＤＡに入力することができる。

そのうえ、ＰＣ、サーバ、コピー機、ファックス等がプログラム可能な実行コードをダウンロードすることができれば、その機器を認識する能力を補強することができる。プログラムは例えばＰＣに導入することができ、電気的システム、例えばＬＣＤ画面に、ローンを作り出す（ｃｒａｔｅｓ ｌｏａｎ）デバイスを、ＰＣによってそのＰＣ上で使用可能又は使用不可にさせるものである。加えて、オフィス機器又はＰＣのいずれかがＰＬＣに又はＷｉ−ＦｉのようなＲＦ通信にアクセスする場合、これらは現在の開示に信号を送るために用いることができ、それにより、その情報がその機器の状態を直接検出するために用いることができるであろう。本開示はさらに、アクティブなＩＰアドレスを捜して、サーバインフラ及び他のＩＰベースの装置を識別するために、顧客のＷＬＡＮネットワークに接続することができる。本開示は、ソフトウェアベースの無線通信及びソフトウェアベースのＰＬＣを介してプロトコルを模倣する能力を備えているので、これによって本開示は現在及び将来の通信方法に適応することができる。これらの能力は、顧客が多数の小さい負荷を懸念している可能性が高い小さい建物で非常に役立つはずである。

変圧器の状態

変圧器の状態は、将来のスマートグリッドの重要な要因である。変圧器はしばしば、家又は近隣に対して予測される余裕をもった大きさに設定される。新規な革新的な製品が定期的に市場にやって来ると、そのどれもが電力を必要とするが、これらの変圧器の多くは、それらの設計の負荷の限界を反映させている。現在、典型的には総数４〜６世帯であるこれらの電柱変圧器のうちの１台に提供される負荷を合計する簡単な又は自動化された方法はない。

本開示は、段階的な方法によって、切迫した変圧器の過負荷又は危険な作動状態についてユーティリティに警告できるようにしている。最初に、それはどの近隣のメータがまた、その変圧器に接続されているかを判断することによって変圧器に送られた（ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ）集積された負荷を計測することができる。それは、電力線搬送ターム（ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ ｃａｒｒｉｅｒ ｔｅｒｍ）又はメッセージをメータの変圧器側に注入することによりこれらの近隣のメータを認識し、それにより、この同じ変圧器に同様に取り付けられた他のメータはそのトーンを受信し復調することができる。そのトーン又はメッセージを受信すると、即座に、他のメータは、それらの＿構成ＩＤ＿で応じる。このように、それぞれのメータは同じ変圧器を共有する他のメータの身元が分かっている。この情報は、いずれかの時点で、変圧器から要求される総電力を合計するためにメータ間で使われる。過負荷状態をメータの予め決められた限界と比較し、ユーティリティに本開示で提供された通信手段で知らせることができる。

加えて、メータアルゴリズムは、予め設定された限界を含むことができ、その限界を超えるとただちに、個々のメータが、１台のメータを切断するか、あるいは、その負荷制限レベルを超えたらただちにメータの遠隔切断スイッチが切られるようにすべてのメータの負荷制限を行うか、選ぶことができる。加えて、非侵入型の負荷監視手段は、電柱の変圧器と可飽和鉄心とマッチングする特徴を記憶することができる。可飽和鉄心は、正弦波パターンというよりも、強い第三高調波を加えることによって生じる歪んだ三角波を示す。このようなパターンを１台又は複数のメータが検出すると、それらは警告公表システムをユーティリティに対して送信することができる。さらに、メータは、現場制御で、メータ内部の通信手段を介して、家の負荷を使用不可に設定することができ、あるいは、メータは、遠隔切断スイッチを切るようにプログラムして、確実に変圧器が過負荷状態で動作することがないようにすることができる。図示の例として、電柱の変圧器の石油が無くなったら、この種の状況は変圧器全体のアークを引き起こすが、それは電気メータによって検出することができる。同様に、鉄心が飽和されると、それは変圧器が発生させたもので、第三高調波が生成され、それは電気メータによって再び検出されることができる。

配電の状態（「柱上」変圧器の一次側）

本開示の電気メータ１０は、図９に示されているように、ユーティリティ配電ネットワーク変圧器１１４の二次側１１３に接続されている。二次側１１３は、絶縁コイル及び配電一次側を介して伝えることができる信号の周波数応答を制限する変圧器コアを通じて一次側１１５に結合されている。しかしながら、変圧器の一次側に存在する状態について判断又は予想するために、多数の変圧器の二次側の効果を検出するのに多数のメータ１０が使えるように、配電一次側は変圧器の二次側に影響を与える。加えて、アークのような特定の高周波イベント又は自動速度停止効果は高周波成分を作り、その幾つかは変圧器の一次側から二次側に伝わる。ここで記載されているように、これらを配電一次側に存在し得る特定の望ましくない状況を検出するために用いることができる。配電変圧器の一次側と二次側の巻線間の信号を結合するための典型的な低減遮断周波数は、１１ｋＨｚから１２ｋＨｚの範囲である。

本開示はまた、柱上変圧器の一次側に対する望ましくない効果、すなわち、ユーティリティの電柱絶縁体上のコロナの効果が一次側の広帯域の信号を作り、その一部が変圧器の二次側に伝わる等、を監視するためにも用いることができる。二次側の残留信号エネルギーは、本開示の非侵入型負荷監視手段を使用して検出することができ、これにより、適当な特徴が故障状態と照合される。このような状態を検出すると、メータ１０は電気ユーティリティにその状態を知らせるために通信手段を使用する。加えて、木の枝が変圧器の一次側に接続されている電線１１６に接触すると、コロナその他の効果が生じる。図９のブロック図に付されている方法によってこれらの状態を検出し報告することができる。

図９に示されているように、電力線１１６が垂れ下がっていると、変圧器１１４は、電気メータ１０のどれもが検出する特徴的な信号を生成する。電気メータ１０は、ボックス１１８によって示されているように特徴的な波形を記録する。ボックス１２０で、特徴的な波形が検出されるとこのような停電が決定されたと電気メータはユーティリティに通信し、時間基準ラベル１２２がこのような通信に適用される。このようにして、本開示の電気メータ１０は、停電をユーティリティに連絡することができる。

本開示はまた、柱上変圧器の同じ二次側に接続されている近隣のメータを認識する能力を用いて、停電管理手順を増やすことができる。この情報は、停電時又は電力の復旧の間に伝えることができる。この情報は、架線作業員が嵐の際にも、次の故障状態を修復するために移動できるよう、全ての負荷がいつ回復するかを判断するのに有用である。あるいは、この情報は、停電状況が一家庭ではなく、変圧器の損失によって生じているという予想の精度を高めるために使用することができる。このテストは、簡単な閾値とすることができ、すなわち、近隣のメータの５台中３台が停電を報告する場合、他の２台もまた、停電状態の可能性が高い。

本開示によってもたらされる他の改良は、故障が起きると、その情報がキャプチャレジスタに記憶され、その後ユーティリティによって故障状態の事後分析のために読み出すことができるように、ユーティリティに送られるか又はＥＰＲＯＭやフラッシュメモリに記憶される。このサンプリングは、電流及び電圧について１秒につき６０サイクルよりはるかに高いレート、すなわち１秒につき４．０９６キロサンプルのレートで行われ、あるいは、この情報に、基本線周波数の２９高調波のそれぞれの大きさを保存する等の前処理を行うことができる。もしくは、他のデータ圧縮方法を、記憶された情報に適用することができる。

重要な要素は、メータが、故障が起こる前及び故障が起こった後両方でこの故障分析情報を記憶できることである。大部分の故障は結果として停電になるため、本開示は、故障状態の後、センサの計測、Ａ／Ｄコンバータ及び処理手段を実行する一次電力がない場合、１０〜２０秒記録できるようにするためにバックアップ電力を提供しなければならないことを意味する。故障前、故障時、故障後の電圧及び電流の波形の収集及び分析を行うことにより、故障のおおよその場所及び原因を判断できるようになる。

加えて、本開示は正確なタイムスタンプ手段及び非常に精度の高い安定性、負荷ドリフト温度補償水晶発振器を提供し、タイムスタンプの正確さ、そして、サンプリングの間の時間の高度な繰り返しを確実にしている。いくつかの手段によって絶対的に正確なタイムスタンプが付されるが、インターネットプロトコルを通じて通信される８０２．１１及びソフトウェアの同期情報のようなインタフェースを使用することができる。別の方式は、同類の（ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｋｅ）同期されたＧＰＳである遠隔の電波塔から送信される無線信号を使用することである。電波塔からの信号の到達時間をタイムスタンプに使用することができ、正確な時間基準を作成することができる。電波塔からメータへの送信時間の遅延のような状況さえ、メータのＬＡＴ ＬＯＮ及び電波塔のＬＡＮ ＬＯＮを知ることにより調整することができ、その距離の光の速度を用いて、そこの誤差（ｅｒｒｏｒｓ）を直ちに補正することができる。だから、故障状態になってから（ａｆｔｅｒ ａ ｆａｕｌｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）本開示は電解コンデンサ等で提供されるその内部バックアップ電源で作動し、故障イベントが発生して１０〜２０秒で、ユーティリティのコマンドによる要求があるまで、この情報はフラッシュメモリ又はＥＰＲＯＭを含むキャプチャレジスタに記憶され保存される。

動力ハイブリッド電気自動車

ここで開示される、単一のユーティリティ変圧器を共有する近隣のメータを検出する方法はまた、予想される動力ハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）の使用の増加に大きな利益をもたらすように用いることができる。配電系統はＰＨＥＶによって生じるさらなる負荷に対して計画されていなかった。典型的には、ＰＨＥＶは、充電時に家庭全体で作動するのと同程度の負荷を生じ得る。したがって、単一の変圧器にある４〜６世帯それぞれが同時に動力ハイブリッド電気自動車を充電器に接続したら、変圧器の負荷を２倍にすることになり、その容量を超えてしまう。メータは同じ変圧器を共有しているそれら近隣家庭のＩＤが分かっているので、メータはＰＨＥＶ充電のためのタイムスライスを割り当てるためにネゴシエーションすることができる。時間枠をＰＨＥＶに割り当てることによって、また、変圧器への累積負荷を監視することによって、最大数の時間枠を充電に確実に割り当て、また、変圧器自体が確実に過負荷状態で作動しないようにできる。

さらに、ここで開示される鉄心飽和の検出及びアークの発生に対する方法は、ＰＨＥＶによって負荷がかかるときに、確実に変圧器を適切な状態にする追加的な手段として利用することもできる。本開示は、デューティサイクル充電のためにＰＨＥＶに直接信号を送信するためにＲＦ又はＰＬＣ通信手段を使用することができ、あるいは、ユーティリティがＰＨＥＶ又は充電スタンドに充電時間枠を割り当てることができるように、それらの通信手段は信号を充電スタンドに送信することができ、または、ユーティリティに信号を送信することができる。

課金及びＴＯＵ

本開示は、キロワット時、ピーク需要、ｋＶＡＲ及びその電力がいつ使用されたか、を計算するのに必要な処理を含んでいる。この情報は、１分、５分、１５分又は時間単位の間隔で提供することができる。本開示ではこの情報は圧縮され、改良型電気ユーティリティメータによって送信が開始されるか、あるいは、ユーティリティバックエンドによるポーリングリクエストがあり次第、もたらされる。

グローライトの検出

本開示の他の特徴は、顧客の建物の負荷の種類を検出できることである。非侵入型負荷監視の用途のひとつは、いつ蛍光灯安定器が大量に使われているかを識別することである。これは、蛍光灯照明が違法な植物を育てるために使われていることを示す状況である。この状況はそれから連絡され、電気ユーティリティに送信されることができる。

エネルギー窃盗の検出

エネルギーは、変圧器二次側又は一次側でタップを含む電気ユーティリティから多くのやり方で盗まれ得る。本開示の変圧器一次側を共有する近隣のメータを認識できることは、エネルギーを合計する際に「エネルギーが失われている」と判断できるような主要な利益となる。例えば、一定量のエネルギーがフィーダメータから他の変圧器まで供給される場合、ソースエネルギーの合計は分かっている。各々の変圧器で使用されているエネルギーが、それから近隣のメータを作動させることによって合計される場合、その変圧器の負荷を知ることができる。さらに、同じ一次側のラインを共有している他の変圧器それぞれの負荷を知ることができる。したがって、ソースエネルギーと使用されているエネルギーの間のギャップが示され、２つの有効な変圧器の間のだいたいの場所がわかる。これによってユーティリティは、盗まれたエネルギーの量に加えて使用された大体の場所及び正確な時間の両方を知ることができる。またこれによって、ユーティリティは、後に役立つことがある使用の特徴を決定するために非侵入型の負荷監視を使用することができる。

盗まれたメータの場所

メータが取り外されて定位置にない（ｄｒｉｆｔ）ソケットに取り付けられると、メータが再び電源を入れられたときそのメータの大体の位置が以下の方法で分かる。

再び電源が入れられると、メータのＩＤがユーティリティに通知される。

ユーティリティは、そのメータにポーリングして、４〜６台の近隣のメータを含むその情報ベースにアクセスすることができる。ＧＩＳ情報が設置の際にキャプチャされるので、それらの近隣のメータのＬＡＴ ＬＯＮが分かり、盗まれたメータの大体の位置が分かる。

エネルギーアドバイザＳＷスイート

本開示は、エネルギーアドバイザスイートと呼ばれる英語の顧客支援サービスをサポートし、英語のメッセージをテキストメッセージ、電子メール又は予め定められた電話番号に宛てた電子音声を介して送信することができる。このアドバイスは、「４：３０ｐｍに衣類を洗濯しないで、洗濯の時間を午後８時に変更すると、１か月につき１４ドルの節約になる」のようなメッセージの形態で来る。この能力は本開示ではその非侵入型負荷監視を介して提供され、洗濯機、乾燥機、食器洗浄機等の選択可能なモードが自動的に検出され、そして、ＫＷｈ単位で表示される負荷が計算されて、これが３０日の使用のパターンで予測され、毎月の請求書への影響が見積もられる。ガラスの下の、又はユーティリティバックエンドの、あるいはサービスプロバイダ（例えばＧｏｏｇｌｅ）の本開示内のソフトウェアは、さらに、これらの機器を作動させるより良いかつ好都合な時間はいつかを決定するために、そのユーティリティの時間ベースの料金体系を知ることができる。アドバイスの他の発信源は、「あなたのサーモスタットの温度を２度下げると、1か月につき２３ドルの節約になる」というアドバイスを含むことができる。

いつ機器を作動させるべきか示唆することに加えて、本開示のシステムは熱効率が悪い家庭があるかどうか顧客に知らせることができるナレッジアプリケーションをサポートしている。電気メータがその家庭を非効率的だと判断すると、エネルギーアドバイザスイートは、断熱材を追加する、窓を交換する等のエネルギーのコストを削減できる、家庭で可能な改善を示唆し、このようなプログラムを推進しているユーティリティはおそらくカーボンクレジットを得ることができるであろう。

白熱灯負荷トータライザ

エネルギーアドバイザスイートの他の特徴は、使用されている白熱灯のコストを住宅所有者、事業所のオーナーに知らせることである。白熱灯が夜間に消灯されていないということを知ることができる。また、白熱灯によって生じる総負荷、したがって白熱灯の使用に対する月々のおよその請求を合計することができる。さらにこれらの白熱灯を蛍光灯に交換した場合の節約を計算することができる。この情報は、セールスリードジェネレータ又はセールスリードオークションシステムと連結することができる。

「選択可能な負荷」に関する使用時間のアドバイス

上記で特定されたエネルギーアドバイザシートの他の特徴は、家の所有者又は事業所のオーナーにエネルギー消費装置を作動させる望ましい時間を知らせることができることである。一例では、エネルギーアドバイザスイートは、衣類を午後５時に洗濯する代わりに、午後８時に衣類を洗濯すれば安上がりであり、１か月約１４．００ドルの節約になると家のオーナーに知らせることができる。現在のエネルギー料金だけでなく使用時間の情報を学習できるシステムの能力によってシステムがこの種のメッセージを生成できるのである

「ヴァンパイア又はファントム」待機モードコストアナライザ

待機モードの電子機器によって使われる電力量は増加している。この機器は、典型的には本開示によって識別可能な特徴を生成するＡＤ／ＤＣコンバータを作動させる。待機モードのこれらの装置は、遠隔操作を実行するかどうかを感知するために装置の光学的又はＲＦリスニングデバイスを直接作動させる負荷を生じるだけでなく、ＨＶＡＣシステムに追加の負荷を生じさせる発熱を発することがある。エネルギーアドバイザが提供するアドバイスの一形態は、待機モードでそれらのさまざまなデバイスを作動するコストの合計を、料金支払い者に対して見積ることである。現在この情報は、家及び事業所のオーナーによって検出されないようになっている。この状況又はこの状況に関連するコストを知ることなく、顧客は、自分たちの行動を変えてこれらのデバイスからの負荷を削減する選択を行うことはできない。

故障した、過負荷ブレーカの検出

故障した又は過負荷ブレーカは、ブレーカの接点の抵抗の増加によって識別することができる。この状態は、信号生成手段に連結された非侵入型の負荷監視を用いることにより検出できる。散乱パラメータテストセットと同様に、注入信号及び反射リターン信号を知ることにより、実成分及び無効成分を計算する測定を行うことができる。抵抗率はこの情報から差し引くことができる。ブレーカ又はヒューズによる電流の遮断は、ＮＩＬＭを介して検出可能である。

変電所コントローラ／リレーロジック

本開示は、従来の計量（ｍｅｔｅｒｉｎｇ）に限定されるものではない。このセンサの通信処理力、データベース及びオペレーティングシステムは、変電所制御、ＰＬＣロジック、リレーロジックその他のプログラマブル論理制御機能等の他の高レベルな機能を提供することを理想としている。

ピーク時禁止型負荷の削減

本開示は、消費ピーク時間帯に禁止される負荷のリストとともにダウンロードすることができる。ＮＩＬＭは、どんな負荷が稼動中か識別することができるので、本開示はどれが禁止負荷テーブルに当てはまるかを識別することができる。一致が見つかった場合、本開示はユーティリティにその状態を通知することができ、ユーティリティはより高い使用料金を課すことができ、あるいは、本開示は、禁止機器への電力の流れを制御する装置に、信号（ＲＦ又はＰＬＣ）を送信することができ、もしくは、メータが「遠隔断路スイッチ」を切ることができ、これにより、禁止負荷が住宅所有者又は事業所によって自発的に無効にされるまで、その家庭への電力を切断する。

本開示の他の特徴

上記に記載された特徴に加えて、本開示の電気メータは、電力線（ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ）がセキュリティの強化を助けるための直交ブロードキャストデータチャネルであるシステムで利用できると考えられる。このような実施の形態では、ユーザは６０Ｈｚの周波数を僅かに変更することができ、周波数のこの変化はデータで表される。長期の平均は０Ｈｚである。周波数の変化によって示されるデータは、時間情報及び／又はコードを表すことができる。メータのチップが改ざんされた場合、そのチップの時間又は以前の状態のコードが無くなり、したがって、メータの動作又は実行可能なソフトウェアコードの改ざんがより難しくなる。この操作は、今日大規模なコンピュータセンターによって使用されているキーフォブ型セキュリティデータキーによく似たものとすることができ、ここではユーザによって所有される時間及びシーケンスコードによって、ユーザがシステムにアクセスできるようにしている。本開示は６０Ｈｚの電力線を受信し、それをデジタル化して、ＤＦＰメソッドを使用しているので、ユーティリティが６０Ｈｚに適用するあらゆるデータはメータによって直ちにデコード可能である。さらに、この方法はまた、アタックを防ぐのにも用いることができるであろう。改ざんがユーティリティによって検出されると、ユーティリティは６０Ｈｚの電力線のコードを変更、あるいはコードを無効にすることができる。これは、例えば、負荷を切断するメータの能力を無効にできるであろうし、あるいは進行中のソフトウェアコードのダウンロードを停止させることもできるであろう。このシステムは、負荷に影響を与えるトランザクションに必要なセキュリティレベルを増すこともできるであろうし、コマンドが実行される前に対抗策（ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ）を強化することもできるであろう。

図１０は、上記したセキュリティシステムの一例を示している。図１０に示されているように、ユーティリティＰＬＣ１２０は、ステップ１２２でＰＬＣアルゴリズムを実行する。ＰＬＣはステップ１２４で、メータがカレントデータキーをデコードしたかどうか判断し、メータがカレントデータキーをデコードしていなければ、改ざんが検出されたと判断しファームウェアのイメージングを回避し、ロードコマンドを阻止する。

しかしながら、メータがカレントデータキーをデコードしている場合、システムはステップ１２８でデータキーをロール（ｒｏｌｌｓ）し、ステップ１３０でエンコードされたイメージを送信する。

メータ１０は、ステップ１３２でコマンドをデコードする。ステップ１３４でデコードされたコマンドがユーティリティと同期していない場合、メータは遠隔遮断を回避し、ファームウェアのダウンロードを回避するために、ステップ１３６でロックダウンモードに入る。

ユーティリティがメータでプログラムコードをアップグレードする安全な方法としてこれを使用できる。ユーティリティは、電力網に接続されている全てのメータに、エンコードされ暗号化されたデータを重複して次々とブロードキャストすることとなる。仮にデータが６Ｈｚでしか送信されない場合であっても、既存のコードに対する６４ＫＢのパッチはたった１日でダウンロードできるであろう。別の、第２の通信は、それからメータごと又はメータグループ単位で、メータでパッチを起動できるであろう。

電力線を通じた、大量の安全なメータの再プログラミング

コードのダウンロードすべてが電力線を通じてこのように実行される場合、コードダウンロードを改ざんすることは従来技術のＲＦ方式よりずっと難しくなる。全てのセキュリティ防衛は公開秘密鍵ペア等において行われるように、高度なソフトウェアで定義されたデジタルＲＦトランスミッタは、「意図された」ユーティリティダウンロードシーケンスをエミュレートし、おそらく物理層をスプーフするために作成される。これはスプーフコードがＲＦプロトコルを通じて送信される意図されたコードに挿入されることを意味する。

本開示は、メータがライン側の電圧から切断され、あるいはソケットから取り外された場合に、いかなるダウンロードコードシーケンスも終了される（最初からやり直さなければならない）ようなものである。

メータがユーティリティ変圧器の二次側に接続されていると、アタッカが６０Ｈｚの周波数を変えることはさらにもっと複雑である。そして、ユーティリティが６０Ｈｚの電力線上で未許可のデータ信号に対する監視を行うことによってこの行為を検出した場合、１）アップストリームへ短時間の電力停止を引き起こす（上記の段落によるコードダウンロードをリセットする）ことによって、２）対抗するコードを送信する、又は、３）改ざん警告コードを送信する、ことによりユーティリティはただちにこの成功しつつある（ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ）攻撃を無効にする。

コードダウンロードは完了するのに１日以上かかるので（可能な最小のダウンロードは１日である）、それから、改ざんの試みを検出する機会は十分ある。メータが検出を行うと、ユーティリティはそれに埋め込まれたダウンロードデータで６０Ｈｚのシーケンスコードの送信を開始し、それからそのメータは「ダウンロード状態の開始」を伝えるために二次チャネル（ＷＡＮ、ＬＡＮ、ＨＡＮ）を使用する。これはフルメッセージ又は通常のトラフィックのビットセットとすることができる。これにより一度に少なくとも１家庭への攻撃を制限することとなる。アタッカが変圧器一次側又は二次側にスプーフコードを注入しようとしたら、それから、多数のメータが「自分にダウンロード送信されている」とユーティリティに送信し、ユーティリティは警戒態勢に入り、こうして上記した防御策を使用できることとなる。

本開示はまた、従来技術の他の欠点も解決する。ほぼすべてのスマートメータは、あるポイントでコードをダウンロードするのにＲＦを使用する。ＲＦスプーフィング信号は直ちに生成され、一度に多くのメータに送信され得る。さらに、アタッカが１台のメータのコードを変更できると、それから、そのメータは、それ自身のＨＷで利用できる同じＲＦ手段を使用しているさらに別のメータに有害なコードを伝送するために用いられ、したがって、有害なコードは、ウィルスのように広がり得る。この６０Ｈｚ電力線方式のダウンロードメソッドは、セキュリティの専門家が最も懸念するこの形態の攻撃を受けることはない。本発明は、別のメータによって受信される（ｈｅａｒｄ）有害なメッセージを注入するために６０Ｈｚの周波数を変えるＨＷを有していない。したがって、仮に１台のメータへの攻撃がうまくいったとしても、アタッカは住宅一軒ずつ攻撃しなくてはならないことになる。各住宅に少なくとも１日がかかるので、アタックはユーティリティの業務に危害を与えるだけの十分な規模を備えていないし、さらに、ユーティリティはアタッカを検出して位置を特定するのに十分な時間があることになる。この種のアタックは、近隣住民が秘密裏に運転するトラックから行われるといったことはあり得ず、特定の場所にあるユーティリティ電力線に加えなければならないことが分かる。ここで記載された方法を用いて、多数のメータからのデータを利用することにより、６０Ｈｚに入り込んだアタッカの位置を判断することができるであろう。

フラッシュ等の一時的なメモリにダウンロードされた「Ｎ」コードセグメントそれぞれは、ＣＲＣ等で照合されユーティリティがそのコードセグメントが改ざんされていないことを確認できるように、その結果が暗号化されて別のチャネル（ＷＡＮ／ＬＡＮ／ＨＡＮ）を介してユーティリティに返信される。

ワイヤレスメータプログラミングセキュリティの追加

提案された伝送線プログラミングスキームに加えて、メータに対する未許可のプログラミングの試みを即座に中止できる塔からの、強制的なプログラムダウンロードＡＣＫ及び無効化するＡＢＯＲＴ／ロックアウトコマンドを組み込むことによってＲＦメータプログラミングを増強することができる。ＡＢＯＲＴ／ロックアウトコマンドは一斉同報送信メッセージであって、メッセージを受信する全てのメータによって履行され、そして、それは塔から直接の無線接続なしに、メータまでバディ（ｂｕｄｄｙ）又はメッシュモードを介して送信される。

ＡＣＫ及びＡＢＯＲＴ／ロックアウトシーケンス

１．メータは、プログラムサイクルを開始せよとのコマンドを受信する。

２．メータは、プログラムコマンドにセキュリティ署名を付してＡＣＫを塔に送信する。

３．塔はＡＣＫを受信し、その署名が現在のプログラムサイクルで有効であることを確認する。

４．署名が現在のプログラミングサイクルに一致しない場合、あるいは、プログラミングサイクルが現在進行していない場合、その塔は現在のプログラミングサイクル及び／又は未許可のプログラミングを行おうとする試みを終了するためにＡＢＯＲＴ／ロックアウトコマンドを出す。更なるプログラミングを行おうとするいかなる試みも、セキュリティの脅威を識別し解決するのに十分長い時間、無効にされることとなる。

５．署名が現在のプログラミングサイクルと正確に一致した場合には、塔はプログラムの送信を続行する。

Claims (1)

1. 電気ユーティリティとともに使用するためのデータ処理システムであって、
   顧客の建物（ｐｒｅｍｉｓｅｓ）に配置された電気メータと、
   顧客の建物でのエネルギー使用情報を検出するために設けられた電流センサ及び電圧センサと、
   前記電気メータ内に配置された記憶装置と、
   前記記憶装置に保存された複数の処理アプリケーションと、
   前記電気メータ内に収容されたデータプロセッサと、を備え、
   前記データプロセッサは前記電流及び電圧センサから前記エネルギー使用情報を受信し、このエネルギー使用情報のデジタル信号処理を実行し、前記顧客の建物の１つ以上の電気負荷に関連する電気特性を分析及び／又は判断するためにこのエネルギー使用情報に基づいて前記処理アプリケーションの少なくとも１つを実行するように構成されていて、
   前記電気メータ内に設けられた波形インジェクタをさらに備え、この波形インジェクタは前記電気メータに接続された電力線に沿ってテスト信号を送ることができ、
   前記テスト信号の反射を監視し、前記電気負荷に関連する電気特性を判断する、ことを特徴とするデータ処理システム。

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