JP6251207B2 - 動作電力値推定装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、電流波形形状の連続変動を伴う電気製品が分電盤配下に含まれる場合の、分電盤配下の各電気製品の動作電力値の推定を行う動作電力値推定装置および方法に関する。

従来、家庭の分電盤に設置した電流センサを用いて電流波形を測定し、測定した波形の形状から、家庭内で動作している電気製品の電力値を推定して表示するシステム（特許文献１）がある。

この文献に記載のシステムにおいては、事前に推定対象の電気製品の電流波形測定を行い、システムのデータベースに登録する必要がある。従来のシステムでは、電力値が常に一定の値をとり変動しないか、または電力値がとる一定の値が複数あって、それらの値の間で電力値が遷移することを前提としている。また、電流波形の形状も常に一定であることを前提としている。

特開２０１３−２３８５２３号公報

しかしながら、例えばエアコン、冷蔵庫、テレビなどの電気機器では、出力レベルが経時的に変動し、それに伴い電流波形形状が変化してしまう。したがって、電流波形形状に連続変動のある電気製品が含まれる場合に各電気製品の電力値を推定しようとすると、データベースに登録された電流波形と一致した瞬間以外はデータベースに存在しない電流波形を用いて電力値を推定することになることから、正しい電力値推定が難しくなるという問題があった。

本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたものであって、本発明の課題は、電流波形形状に連続変動のある電気製品が含まれる場合であっても、各電気製品の電力値推定ができる動作電力値推定装置および方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、分電盤における電流波形から、その配下にある１または２以上の電気製品における動作電力値を推定する動作電力推定装置であって、前記分電盤の配下の１または２以上の電気製品のぞれぞれについて、所定の時間周期ごとの電流波形をあらかじめ複数回測定する第１の測定手段と、前記１または２以上の電気製品について、前記測定された複数の電流波形のうちで最も振幅を小さくする点を結んだ波形である基準電流波形を算出する基準電流波形算出手段と、前記分電盤における電流波形を測定する第２の測定手段と、前記１または２以上の電気製品の前記基準電流波形を複数の基底として、該複数の基底による一次結合が前記測定した分電盤における電流波形に内接するようにフィッティングすることにより、前記各電気製品の動作電力値を推定する推定手段とを備えたことを特徴とする動作電力値推定装置である。

他の実施形態に記載の発明は、分電盤における電流波形から、その配下にある１または２以上の電気製品における動作電力値を推定する動作電力推定方法であって、前記分電盤の配下の１または２以上の電気製品のぞれぞれについて、所定の時間周期ごとの電流波形をあらかじめ複数回測定する第１の測定ステップと、前記１または２以上の電気製品について、前記測定された複数の電流波形のうちで最も振幅を小さくする点を結んだ波形である基準電流波形を算出する基準電流波形算出ステップと、前記分電盤における電流波形を測定する第２の測定ステップと、前記１または２以上の電気製品の前記基準電流波形を複数の基底として、該複数の基底による一次結合が前記測定した分電盤における電流波形に内接するようにフィッティングすることにより、前記各電気製品の動作電力値を推定する推定ステップとを含むことを特徴とする動作電力値推定方法である。

分電盤に取り付けた第１の実施形態の動作電力値推定装置の概略構成を示す図である。 電気製品１、２における電力値と測定電流の時間変動を示す図である。 電気製品１、２の規格化電流波形Ｑ_m、n（ｔ）および基準電流波形Ｑｍ（ｔ）を示す図である。 電気製品１のみの電流波形に対してフィッティングを実行した例を示す図である。 電気製品１、２の合成電流波形に対するフィッティングの様子を示す図である。 分電盤に取り付けた第２の実施形態の動作電力値推定装置の概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

本発明では、分電盤配下の電気製品の電気製品ごとの電流波形を複数回取得して、規格化し、複数の規格化した電流波形のうち、最も振幅を小さくする点をつないだラインを取ることによって電気製品ごとの基準電流波形を算出し、データベースに蓄積する。この算出した基準電流波形は、電力値および測定電流の時間変動を考慮したものとなっている。さらに、データベースに蓄積された基準電流波形を重ね合わせたものを基底として分電盤で測定した電流波形に内接するようにフィッティングを行い、電力値を算出する。この構成によって、電流波形形状に連続変動のある電気製品が含まれる場合であっても、各電気製品の電力値推定を可能にする。電気製品の動作状態を正しく識別し、正確な電力値を表示できる。

（第１の実施形態）
図１は、分電盤に取り付けた第１の実施形態の動作電力値推定装置の概略構成を示す図である。本実施形態の動作電力値推定装置１０は、図１に示すように、電気製品２０に接続された電力線２２と分電盤２１とに取り付けられている。動作電力値推定装置１０は、電気製品の電流波形を測定する第１の測定部１と、測定した電流波形を蓄積する蓄積部２と、蓄積した電流波形を規格化する規格化部３と、規格化した電流波形から家電製品の基準電流波形を算出する基準電流波形算出部４と、基準電流波形を保存するデータベース部５と、分電盤の電流波形を測定する第２の測定部６と、基準電流波形および分電盤の電流波形から電力値を算出する電力値算出部７と、算出した電力値を出力する出力部８とを備えて構成されている。第１の測定部１および第２の測定部６以外の構成は、必ずしも分電盤２１の付近に設ける必要はなく、ネットワークに接続されたサーバ内に設けてもよい。なお、図１に示す構成では、電気製品２０は１つのみが図示されているが、電気製品２０は、複数接続されていてもよい。

第１の測定部１は、動作電力推定対象の電気製品２０の電流波形を測定する。第１の測定部１は、１つの電気製品２０に接続され、その電気製品２０の基準電流波形を算出することができる。蓄積部２は、第１の測定部１で測定した電気製品ごとの複数の電流波形を蓄積する。本実施形態では、動作電力推定対象の電気製品がＭ個あり、それぞれの電気製品についてＮ回の電流波形測定を行うものとする。そのｍ番目の電気製品のｎ番目の電流波形をＩ_m、n（ｔ）で表し、ｔは区間[０、Ｔ]で１周期の電流波形となるものとする。

図２は、電気製品１、２における電力値と測定電流の時間変動を示す図である。図２（ａ）、（ｃ）は、電気製品１と電気製品２とにおける電力値の分単位で２〜３時間程度の周期の時間変動をそれぞれ示している。どちらの機器でも電力値が連続に変動していることが読み取れる。図２（ｂ）、（ｄ）は、それぞれの電気製品において商用電源の一周期程度の短い適当な時間の周期Ｔ＝２０ｍｓで電流波形を測定したものを、重ねあわせてプロットしたものである。図２（ｂ）、（ｄ）は、Ｉ_m、n（ｔ）に相当し、適当な時間間隔Ｔの電流波形が示されている。図２（ｂ）、（ｄ）から、適当な時間周期で振幅が繰り返される電流波形の形状は一定していないことが読み取れる。

本実施形態では、図２に示すように、電力値および測定電流の時間変動を考慮した基準電流波形を算出し、算出された基準電流波形を用いて電気製品の動作電力値の推定を行うことにより、電流波形形状に連続変動のある電気製品が含まれる場合であっても、各電気製品の電力値推定を可能としている。

規格化部３は、分電盤配下の各電気製品について、それぞれの電流波形Ｉ_m、n（ｔ）を規格化した規格化電流波形Ｑ_m、n（ｔ）を算出する。規格化の係数は、電流波形Ｉ_m、n（ｔ）の一次ノルムを用いる。すなわち、ｍ番目の電気製品のｎ番目の規格化電流波形Ｑ_m、n（ｔ）は、下記の（式１)に基づいて算出できる。

基準電流波形算出部４は、規格化電流波形Ｑ_m、n（ｔ）を用いて基準電流波形Ｑｍ（ｔ）を算出する。基準電流波形Ｑｍ（ｔ）の算出は、まず、規格化電流波形Ｑ_m、n（ｔ）の各ｔについて、最大値を取る関数

と、最小値を取る関数

とを用意する。これらの関数を用い、下記の（式２）に基づいて基準電流波形Ｑｍ（ｔ）を算出する。

このように、基準電流波形Ｑｍ（ｔ）は、電力値および測定電流の時間変動を考慮して算出することができる。

図３は、電気製品１、２の規格化電流波形Ｑ_m、n（ｔ）および基準電流波形Ｑｍ（ｔ）を示す図である。図３（ａ）、（ｃ）は、電気製品１と電気製品２との規格化電流波形Ｑ_m、n（ｔ）を重ねあわせてプロットしたものであり、図２（ｂ）、（ｄ）に示された電気製品１と電気製品２との電流波形Ｉ_m、n（ｔ）を規格化したものである。

図３（ｂ）、（ｄ）は、それぞれの電気製品の基準電流波形Ｑｍ（ｔ）をプロットしたものである。基準電流波形Ｑｍ（ｔ）は、図３（ａ）、（ｃ）に示した、重ね合わされた規格化電流波形Ｑ_m、n（ｔ）のうち、最も振幅を小さくする点を結んだ波形となっている。なお、規格化は、基準電流波形Ｑｍ（ｔ）の算出を容易にするためのものであり、必須の構成ではない。

第１の測定部１と、蓄積部２と、規格化部３と、基準電流波形算出部４とは、初期設定部１１として構成され、初期設定時に電気製品の電流波形を測定するとき以外は動作電力値推定装置１０本体から取り外すことができるように構成してよい。

データベース部５は、各電気製品について電力値および測定電流の時間変動を考慮して算出した基準電流波形Ｑｍ（ｔ）を保存する。

分電盤電流測定部６は、分電盤２１における電流波形Ｐ（ｔ）を測定する。

電力値算出部７は、データベース部５に保存されている、電力値および測定電流の時間変動を考慮して算出された基準電流波形Ｑｍ（ｔ）を用い、分電盤で測定された電流波形Ｐ（ｔ）にフィッティングして電気製品の動作電力値の推定を行う。

ここでまず、分電盤で測定された電流波形Ｐ（ｔ）へのフィッティングを説明する前に、本手法によるフィッティングを説明するため、単一の電気製品についてのフィッティングによる動作電力値の推定を説明する。図４は、電気製品１のみの電流波形に対してフィッティングを実行した例を示したものである。図４（ａ）は電気製品１の電力値の分単位での時間変動を示し、（ｂ）は（ａ）の一部分の拡大を示したものである。部分拡大したもののうち、３点をピックアップし、その瞬間における電気製品１の基準電流波形Ｑｍ（ｔ）をフィッティングした様子を図４（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示している。

図４（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）において、実線で示したものが電気製品１の各時点における測定された電流波形であり、点線で示したものがフィッティングした波形である。フィッティングは、電気製品１の測定した電流波形に基準電流波形Ｑｍ（ｔ）が内接するようにおこなう。ピックアップした３点において実際に測定した値はそれぞれ、４０９Ｗ、２７４Ｗ、１５７Ｗであるのに対し、電力推定した値はそれぞれ、４２１Ｗ、２７９Ｗ、１６０Ｗであった。電力推定した値は、基準電流波形Ｑｍ（ｔ）を用いて求めた電力値である。電気製品１の実際の電流波形形状は、３点において互いに異なるにもかかわらず、極めてよい精度で電力値推定が実現されていることが判る。この３点における電力値推定の最大誤差は約３％であった。

次に、分電盤で測定された電流波形Ｐ（ｔ）に対するフィッティングによる動作電力値の推定について説明する。まず、基準電流波形Ｑｍ（ｔ）を用いた推定電力値の算出について説明する。基準電流波形Ｑｍ（ｔ）を用いて、下記の（式３）により電力値換算用の係数Ｒｍを算出する。

ここで、ｍ番目の電気製品の電力値係数をａ_mとし、さらに下記(式４)に示す補助関数を導入する。

分電盤電流波形へのフィッティングは、以下の条件式

を、任意のｍと任意のにおいて満たす条件の元に、

を満たす電力値係数をａ_mを算出することによって行う。数値計算は、制約条件付き最小二乗法等を用いればよい。算出されたａ_mを用い、ｍ番目の電気製品の電力値をａ_mＲｍと算出する。

出力部８は、電力値算出部７で算出された電気製品の電力値を出力する。

図５は、分電盤で測定した電流波形である電気製品１と電気製品２との電流波形の合成波形に対するフィッティングの様子を示したものである。図５（ａ）は、電気製品１、２の電流波形の波形形状を示したものであり、図５（ｂ）は、分電盤で測定された電流波形Ｐ（ｔ）を実線で示し、電気製品１、２の基準電流波形Ｑｍ（ｔ）を波形を合成してフィッティングしたものを点線で示している。フィッティングは、２つの基準電流波形Ｑｍ（ｔ）を基底としてこれら２つの基底を一次結合した波形を分電盤で測定された電流波形に内接させることにより行う。図５（ｂ）の実線は電気製品１、２の電流波形を合成したものに等しい。図５（ｂ）の点線は、上記フィッティング計算によって算出されたａ_mを用いて、

をプロットしたものに等しい。また、この時の電気製品１、２の電力値は、実際の値が２４５Ｗ、５２Ｗであるのに対し、推定した値は２４９Ｗ、５３Ｗであった。このように、分電盤で測定される合成電流波形においても、極めて良い精度で電力値推定が実現されていることが判る。この事例における誤差は約２％である。

以上説明したように本実施形態の動作電力値推定装置によれば、電流波形形状に連続変動のある電気製品が含まれる場合であっても、各電気製品の電力値推定ができる。

本実施形態では、規格化の係数として電流波形Ｉ_m、n（ｔ）の一次ノルムを用いていたが、これに代えて、電流波形Ｉ_m、n（ｔ）に電圧波形Ｖ（ｔ）を掛けあわせたものを規格化の係数として用いてもよい。すなわち、ｍ番目の電気製品のｎ番目の規格化電流波形Ｑ_m、n（ｔ）を、

として算出してもよい。この場合、電力値換算用の係数Ｒｍは、Ｒｍ＝１として算出する。すなわち、任意のｍと任意のｔにおいて満たす条件の元に、

を満たす電力係数ａ_mがｍ番目の電気製品の電力値として算出される。

（第２の実施形態）
図６は分電盤に取り付けた第２の実施形態の動作電力値推定装置の概略構成を示す図である。本実施形態の動作電力値推定装置１２では、第２の測定部６が電気製品の電流波形を測定する第１の測定部１の機能を兼ねている点で第１の実施形態の動作電力値推定装置１０と構成が異なる。ここでは、第１の実施形態と異なる構成のみ説明することとし、第１の実施形態と同様の構成はその説明を省略する。

動作電力値推定装置１２は、初期設定時に分電盤２１に接続された第２の測定部６を用いて個々の電気製品の電流波形を測定する。測定した電流波形は蓄積部２に蓄積される。第２の実施形態では、分電盤２１に接続されている複数の電気製品２０のうち、対象となる１つの電気製品２０のみを動作させて、動作電力値推定装置１２が、電流波形の測定および基準電流波形の算出、データベース部５への保存を行う。

この実施形態の動作電力値推定装置によれば、より簡易な構成で第１の実施形態と同様に電流波形形状に連続変動のある電気製品が含まれる場合であっても、各電気製品の電力値推定ができる。

１ 第１の測定部
２ 蓄積部
３ 規格化部
４ 基準電流波形算出部
５ データベース部
６ 第２の測定部
７ 電力値算出部
８ 出力部
１０、１２ 動作電力値推定装置
２０ 電気製品
２２ 電力線
２１ 分電盤

Claims (6)

1. 分電盤における電流波形から、その配下にある１または２以上の電気製品における動作電力値を推定する動作電力推定装置であって、
   前記分電盤の配下の１または２以上の電気製品のぞれぞれについて、所定の時間周期ごとの電流波形をあらかじめ複数回測定する第１の測定手段と、
   前記１または２以上の電気製品について、前記測定された複数の電流波形のうちで最も振幅を小さくする点を結んだ波形である基準電流波形を算出する基準電流波形算出手段と、
   前記分電盤における電流波形を測定する第２の測定手段と、
   前記１または２以上の電気製品の前記基準電流波形を複数の基底として、該複数の基底による一次結合が前記測定した分電盤における電流波形に内接するようにフィッティングすることにより、前記各電気製品の動作電力値を推定する推定手段とを備えたことを特徴とする動作電力値推定装置。
2. 前記基準電流波形算出手段は、前記第１の測定手段で測定された複数の電流波形の振幅を、電流波形の一次ノルムで割ることによって規格化した複数の電流波形のうちで最も振幅を小さくする点を結んだ波形である基準電流波形を算出することを特徴とする請求項１記載の動作電力値推定装置。
3. 前記基準電流波形算出手段は、前記第１の測定手段で測定された複数の電流波形の振幅を、電流波形に電圧波形を掛けあわせたもので割ることによって規格化した複数の電流波形のうちで最も振幅を小さくする点を結んだ波形である基準電流波形を算出することを特徴とする請求項１記載の動作電力値推定装置。
4. 分電盤における電流波形から、その配下にある１または２以上の電気製品における動作電力値を推定する動作電力推定方法であって、
   前記分電盤の配下の１または２以上の電気製品のぞれぞれについて、所定の時間周期ごとの電流波形をあらかじめ複数回測定する第１の測定ステップと、
   前記１または２以上の電気製品について、前記測定された複数の電流波形のうちで最も振幅を小さくする点を結んだ波形である基準電流波形を算出する基準電流波形算出ステップと、
   前記分電盤における電流波形を測定する第２の測定ステップと、
   前記１または２以上の電気製品の前記基準電流波形を複数の基底として、該複数の基底による一次結合が前記測定した分電盤における電流波形に内接するようにフィッティングすることにより、前記各電気製品の動作電力値を推定する推定ステップとを含むことを特徴とする動作電力値推定方法。
5. 前記基準電流波形算出ステップは、前記第１の測定ステップで測定された複数の電流波形の振幅を、電流波形の一次ノルムで割ることによって規格化した複数の電流波形のうちで最も振幅を小さくする点を結んだ波形である基準電流波形を算出することを特徴とする請求項４記載の動作電力値推定方法。
6. 前記基準電流波形算出ステップは、前記第１の測定ステップで測定された複数の電流波形の振幅を、電流波形に電圧波形を掛けあわせたもので割ることによって規格化した複数の電流波形のうちで最も振幅を小さくする点を結んだ波形である基準電流波形を算出することを特徴とする請求項４記載の動作電力値推定方法。