JP6263112B2 - 電力値算出方法および電力値算出システム - Google Patents

Description

本発明は、電力値算出方法および電力値算出システムに関し、より詳細には、測定された電流に基づいて電気製品の消費電力を算出する電力値算出方法および電力値算出システムに関する。

従来、住宅や工場などで使用される電気製品の消費電力を可視化して、使用する消費電力を管理して省エネ化を図ることが行われている。

そこで、住宅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、測定された電流波形の形状から、動作中の電気製品を識別して、識別した電気製品の機種名や消費電力を表示するシステムが、例えば、特許文献１に開示されている。電気製品は、例えば冷蔵庫、洗濯機、エアコン、テレビ、およびパソコン等の家電製品を含み、サーバやルータ等のＩＣＴ（Information and Communication Technology：情報通信技術）機器も含む。

特開２０１３−２３８５２３号公報

特許文献１に記載されたシステムにおいて、住宅の分電盤に設置した電流センサを用いて事前に識別対象の電気製品の電源の電流波形の測定を行い、測定された電流波形をデータベースに登録する。そして、システムは、事前に登録された電流波形と、電流センサで測定された任意の電流波形とを比較し、任意の電流波形が事前に登録された電流波形に一定の割合で近似した場合、任意の電流波形を事前に登録された電気製品の電源の電流波形として識別する。識別された電気製品および対応する消費電力は、表示装置にて表示される。

しかしながら、特許文献１に記載されたシステムでは、識別された電気製品が消費している電力がリアルタイムで反映されないようなデータベース上の電力値しか表示されていなかった。したがって、識別された電気製品の電力が時間経過と共に変動する場合、動作中の電気製品の電力消費量を正しく把握できないケースがあるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、動作中の電気製品の電力消費量を正しく把握するための、電力値算出方法および電力値算出システムを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、分電盤で分電され電力線を介して１または複数の電気製品に供給される電力の値を算出するシステムによる電力値算出方法であって、前記電力線を介して前記１または複数の電気製品に流れる電流をそれぞれ測定するステップと、前記測定された前記１または複数の電気製品に流れる電流の波形をそれぞれ規格化するステップと、それぞれ規格化された電流の波形に基づいて基準電流波形を生成するステップと、前記分電盤に流れる電流を測定するステップと、前記測定された前記分電盤に流れる電流の波形にそれぞれ生成された基準電流波形をフィッティングするステップと、それぞれフィッティングされた電流波形に基づいて前記電気製品に供給される電力の値を算出するステップとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、測定された電流波形に基づいて生成した基準電流波形を用いて電力値を算出することで、電力の実測値に近似するデータを取得することが可能となる。

本発明の第１の実施形態にかかる電力値算出システムを含む構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態にかかるサーバのソフトウェア構成を示す機能ブロック図である。 電気製品で測定された１サイクルの電流波形を表す図であり、（ａ）は、電気製品５ａで測定された電流波形を表す図であり、（ｂ）は、電気製品５ｂで測定された電流波形を表す図である。 測定された電流波形を規格化した波形を表す図であり、（ａ）は、電気製品５ａにおける、規格化された電流波形を表す図であり、（ｂ）は、電気製品５ｂにおける、規格化された電流波形を表す図である。 規格化された波形に基づいて生成した基準電流波形を表す図であり、（ａ）は、電気製品５ａにおける基準電流波形を表す図であり、（ｂ）は、電気製品５ｂにおける基準電流波形を表す図である。 分電盤にて測定された電流波形の例を表す図である。 電力値算出部で算出された電力値の表示例を示す図であり、（ａ）は、電気製品５ａにおける電力値の表示例を示す図であり、（ｂ）は、電気製品５ｂにおける電力値の表示例を示す図である。 本発明の第１の実施形態にかかる電力値算出方法を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態にかかる電力値算出システムを含む構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態にかかるサーバのソフトウェア構成を示す機能ブロック図である。 本発明の第２の実施形態にかかる電力値算出方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
（構成）
本発明の第１の実施形態では、電流センサを介して動作中の電気製品の電流波形を取得し、電流波形に所定の加工を行い、所定の加工が行われた波形を分電盤で測定された電流の波形にフィッティングすることで、時間経過と共に変動する電力の実測値に近似した電力値を取得する。

図１に本発明の第１の実施形態にかかる電力値算出システムを含む構成を示す。商用電力系統１から出力された電力は、分電盤２で分電され、電力線を通って各電気製品に供給される。分電盤２で分電された電力は、例えば、電力線４ａを介して電気製品５ａに供給され、電力線４ｂを介して電気製品５ｂに供給され、電力線４ｃを介して電気製品５ｃに供給される。

電気製品に接続されている電力線および分電盤２には、電流センサが内蔵されたセンサ部がそれぞれ備えられ、例えば、電力線４ａにはセンサ部６、分電盤２にはセンサ部２１が備えられる。センサ部６および分電盤２のセンサ部２１は、電力線に流れる電流を電流センサで測定し、測定した電流値を電力値算出システム１０に送信する。なお、測定された電流値は、例えば、ＬＡＮ（Local Area Network）で構成されるＮＷ（network）を介して電力値算出システム１０に送信されてもよい。

本発明の第１の実施形態では、１つのセンサ部６を各電気製品に接続された電力線に順次つなぎ替えて、各電力線に流れる電流をセンサ部６で測定する。例えば、最初に、電気製品５ａに接続された電力線４ａにセンサ部６を設置して、電力値算出システム１０が電力線４ａに流れる電流を測定する。そして、電力値算出システム１０が後述する基準電流波形をデータベース１２に登録し終わったら、今度は電力線４ａからセンサ部６を取り外して電力線４ｂにセンサ部６を設置し、電力線４ａにおいて行った処理と同様の処理を繰り返す。

本発明の第１の実施形態にかかる電力値算出システム１０は、サーバ１１と、サーバ１１で生成された各種データを格納するためのデータベース１２とを備える。サーバ１１はＣＰＵ（Central Processing Unit）を備え、後述する各機能部は当該ＣＰＵによって実行される。データベース１２は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶領域で構成される。

図２に本発明の第１の実施形態にかかる、サーバのソフトウェア構成の機能ブロック図を示す。サーバ１１は、第１の電流測定部（第１の測定部）１１１、電流波形規格化部１１２、基準電流波形生成部１１３、基準電流波形登録部１１４、第２の電流測定部（第２の測定部）１１５、フィッティング部１１６、電力値算出部１１７、出力部１１８の各機能部を備えた構成となっている。

第１の電流測定部１１１は、電気製品５ａ、５ｂまたは５ｃに流れる電流をセンサ部６でそれぞれ測定する。電流波形規格化部１１２は、第１の電流測定部１１１で測定された電流の波形を規格化する。基準電流波形生成部１１３は、電流波形規格化部１１２で規格化された電流波形に基づいて基準電流波形を生成する。規格化および基準電流波形の生成の詳細については後述する。基準電流波形登録部１１４は、基準電流波形生成部１１３で生成された基準電流波形をデータベース１２に登録する。

第２の電流測定部１１５は、分電盤２のセンサ部２１で電流を測定する。フィッティング部１１６は、第２の電流測定部１１５で測定された電流の波形に各電気製品の基準電流波形をフィッティングする。電力値算出部１１７は、フィッティングされた波形に基づいて各電気製品の電力値を算出する。出力部１１８は、電力値算出部１１７で算出された電力値を出力し、例えば、対応する電気製品の名称と共にディスプレイ等の表示装置に表示する。

（動作）
分電盤２には複数の異なる種類の電気製品が接続される。分電盤２には、電気製品がｎ（ｎは正の整数で、ｎ＝１，２，…，Ｎ）種類のものが１個ずつ接続されているものとする。本明細書では、具体例については、電気製品５ａと電気製品５ｂの２種類（例えば、テレビと冷蔵庫）を取り扱う。例えば、ｎ＝１は、電気製品５ａを示し、ｎ＝２は、電気製品５ｂを示すものとする。第１の電流測定部１１１は、ｎ個の電気製品に対し、電流波形をｋ回（ｋは正の整数で、ｋ＝１，２，…，Ｋ）ずつ測定し、１回からＫ回まで順番にデータベース１２に蓄積する。データベース１２に蓄積された電気製品のｋ番目の電流波形を

とする。

図３に第１の電流測定部１１１で測定された１サイクルの電流波形を表し、図３（ａ）に電気製品５ａにおける測定された電流の波形を表し、図３（ｂ）に電気製品５ｂにおける測定された電流の波形を表す。縦軸は電流値（Ａ）を表し、横軸は時間（ｍｓ）を表す。図３（ａ）、（ｂ）で示される各電流波形は、データベース１２に蓄積されたＫ回分の電流波形を重ね合わせた波形を示す。

電流波形規格化部１１２は、第１の電流測定部１１１で測定した電流の波形の振幅を規格化する。具体的には、電流波形規格化部１１２は、
（１）測定された電流の波形から測定された電流の波形の一次ノルムを除算する次の（式１）を用いる方法

（２）測定された電流の波形から測定された電流の波形の二次ノルムを除算する次の（式２）を用いる方法

（３）測定された電流の波形から測定された電流の波形の最大ノルムを除算する次の（式３）を用いる方法

（４）測定された電流の波形から、測定された電流の波形と電気製品に印加される電圧の波形

との積を除算する次の（式４）を用いる方法

の（１）〜（４）のうちいずれかの方法で、ｋ番目の電流波形

を規格化する。

電流波形にインパルス性のノイズが混入した場合、ノルムの次数が高い程、規格化された電流波形に当該ノイズの波形が突出して残ってしまうので、本実施形態では、上記（１）の一次ノルムによる除算によって規格化する方法を採用する。本実施形態では説明を省略するが、無論、上記（２）〜（４）のうちいずれかの方法を採用して、ｋ番目の電流波形を規格化してもよい。

上記（４）等で使用される電圧波形は、例えば、電力値算出システム１０に別途設けられた不図示の電圧測定部によって測定され、データベース１２に格納される。電流波形と電圧波形とを乗算する際は、電流波形の位相と電圧波形の位相を一致させるものとする。

電流波形規格化部１１２で規格化されたｋ番目の電流波形を

とする。電流波形規格化部１１２で規格化された電流波形は、データベース１２に蓄積される。

図４に測定された電流の波形を規格化した波形の例を表し、図４（ａ）は、電気製品５ａにおける、規格化された電流波形を表し、図４（ｂ）は、電気製品５ｂにおける、規格化された電流波形を表す。縦軸は任意単位を表し、横軸は時間（ｍｓ）を表す。図４（ａ）、（ｂ）で示される各電流波形は、データベース１２に蓄積されたＫ回分の規格化された電流波形を重ね合わせた波形を示す。

基準電流波形生成部１１３は、規格化された電流波形に基づいて、基準電流波形を生成する。具体的には、基準電流波形生成部１１３は、
（１）

を構成するベクトルの各要素について中央値

をとるか、
（２）平均

をとるかによって、基準電流波形

を算出する。基準電流波形登録部１１４は、生成された基準電流波形

をデータベース１２に登録する。

図５に規格化された波形に基づいて生成した基準電流波形を表し、図５（ａ）は、電気製品５ａにおける基準電流波形を表し、図５（ｂ）は、電気製品５ｂにおける基準電流波形を表す。縦軸は任意単位を表し、横軸は時間（ｍｓ）を表す。

第２の電流測定部１１５は、センサ部２１で、分電盤２に流れる電流を測定し、電流波形を取得する。

図６に、分電盤２のセンサ部２１で測定された電流の波形の例を示す。縦軸は電流値（Ａ）を表し、横軸は時間（ｍｓ）を表す。

フィッティング部１１６は、第２の電流測定部１１５で測定された電流の波形に基準電流波形をフィッティングする。フィッティングは、基準電流波形を基底として最小二乗法を用いて行われる。具体的には、フィッティング部１１６は、データベース１２に登録された基準電流波形

と、基準電流波形

に対する比例係数ａ_nと、第２の電流測定部１１５で測定して得られた分電盤２の電流波形

とを用い、次の連立方程式

を解くことによって、基準電流波形

に対する比例係数ａ_nを算出する。フィッティング部１１６は、基準電流波形

に比例係数ａ_nを乗じて、フィッティングされた電流波形を取得する。フィッティングされた電流波形は、次の（式５）で表わされる。

電力値算出部１１７は、フィッティングされた電流波形

と、電気製品に印加された電圧の波形

との積をとることにより、電気製品の電力値

を算出する。電力値算出部１１７は、算出した電力値を、測定対象の電気製品の電力値としてデータベース１２に格納する。

分電盤２の電流波形に基準電流波形をフィッティングすることによって、異なる種類の複数の電気製品の電流波形を含んだ電流波形から、個々の電気製品の電流波形を取得し、当該個々の電流波形に基づいて電力を算出することが可能となる。

また、フィッティングされた波形を取得することで、当該電気製品が、一般的に時間経過と共にどのような電力変動を生じるのかを把握することが可能となり、実測値に近い電力データを取得することが可能となる。

図７に、電力値算出部１１６で算出された電力値の表示例を示す。図７（ａ）に、電気製品５ａにおける算出された電力値の表示例を示し、図７（ｂ）に、電気製品５ｂにおける算出された電力値の表示例を示す。縦軸は電力値（Ｗ）を表し、横軸は時間（ｍｉｎ）を表す。出力部１１７は、例えば、対応する電気製品の名称と共に、図７で示す電力値をディスプレイ等の表示装置に表示する。

（フローチャート）
図８に本発明の第１の実施形態にかかる電力値算出方法のフローチャートを示す。第１の電流測定部１１１は、電気製品５ａ、５ｂまたは５ｃに流れる電流をセンサ部６でそれぞれ測定する（Ｓ８０１）。電流波形規格化部１１２は、測定された電流の波形を規格化する（Ｓ８０２）。基準電流波形生成部１１３は、規格化された電流波形に基づいて基準電流波形を生成する（Ｓ８０３）。基準電流波形登録部１１４は、基準電流波形生成部１１３で生成された基準電流波形をデータベース１２に登録する（Ｓ８０４）。第２の電流測定部１１５は、センサ部２１を介して分電盤２に流れる電流を測定する（Ｓ８０５）。フィッティング部１１６は、基準電流波形を、分電盤２で測定された電流の波形にフィッティングする（Ｓ８０６）。電力値算出部１１７は、フィッティングされた波形に基づいて電気製品５ａ、５ｂ、および５ｃが使用する電力値を算出する（Ｓ８０７）。

本実施形態によれば、測定された電流の波形に基づいて生成した基準電流波形を用いて電力値を算出することで、電力の実測値に近似するデータを取得することが可能となる。

＜第２の実施形態＞
（構成）
本発明の第２の実施形態では、第１の実施形態と異なり、分電盤２に内蔵された電流センサで電流波形を取得する。

図９に本発明の第２の実施形態にかかる電力値算出システムを含む構成を示す。分電盤２に内蔵されたセンサ部２１は、電力線に流れる電流を電流センサで測定し、測定した電流値を電力値算出システム３０に送信する。

本発明の第２の実施形態にかかる電力値算出システム３０は、サーバ３１と、サーバ３１で生成された各種データを格納するためのデータベース１２とを備える。

図１０に本発明の第２の実施形態にかかる、サーバのソフトウェア構成の機能ブロック図を示す。サーバ３１は、第３の電流測定部３１１、電流波形規格化部１１２、基準電流波形生成部１１３、基準電流波形登録部１１４、第４の電流測定部３１２、フィッティング部１１６、電力値算出部１１７、出力部１１８の各機能部を備えた構成となっている。

第３の電流測定部３１１は、電気製品５ａ、５ｂ、および５ｃに流れる電流を、分電盤２のセンサ部２１でそれぞれ測定する。

第３の電流測定部３１１が各電気製品に流れる電流を測定し電流波形を取得する方法の例としては、電気製品５ａの電源をＯＮした状態の電流波形と、電気製品５ａの電源をＯＦＦした状態の電流波形との差分を抽出することによって、電気製品５ａについて電流波形を取得する方法が挙げられる。電流波形を取得する際は、電気製品５ａ以外の電気製品の電源をＯＦＦにすることが望ましい。電気製品５ｂおよび電気製品５ｃについても、電気製品５ａにおいて行われる当該取得方法が採用可能である。

第３の電流測定部３１１は、上記取得方法で取得した電流波形を、データベース１２に格納する。

電流波形規格化部１１２は、第３の電流測定部３１１で取得された電流波形を規格化する。基準電流波形生成部１１３は、電流波形規格化部１１２で規格化された電流波形に基づいて基準電流波形を生成する。基準電流波形登録部１１４は、基準電流波形生成部１１３で生成された基準電流波形をデータベース１２に登録する。

第４の電流測定部３１２は、分電盤２のセンサ部２１で電流を測定する。フィッティング部１１６は、第４の電流測定部３１２で測定された電流の波形に各電気製品の基準電流波形をフィッティングする。電力値算出部１１７は、フィッティングされた波形に基づいて各電気製品の電力値を算出する。出力部１１８は、電力値算出部１１７で算出された電力値を出力し、例えば、対応する電気製品の名称と共にディスプレイ等の表示装置に表示する。

本実施形態にかかる電力値算出システム３０が備える他の機能部は、本発明の第１の実施形態にかかる電力値算出システム１０が備える他の機能部と異ならないので、説明を省略する。

（フローチャート）
図１１に本発明の第２の実施形態にかかる電力値算出方法のフローチャートを示す。第３の電流測定部３１１は、分電盤２の電流を測定し、電気製品の電源ＯＮ時の電流波形と電気製品の電源ＯＦＦ時の電流波形との差分を抽出することによって、電気製品の電流波形を取得する（Ｓ１１０１）。電流波形規格化部１１２は、取得された電流波形を規格化する（Ｓ１１０２）。基準電流波形生成部１１３は、規格化された電流波形に基づいて基準電流波形を生成する（Ｓ１１０３）。基準電流波形登録部１１４は、基準電流波形生成部１１３で生成された基準電流波形をデータベース１２に登録する（Ｓ１１０４）。第４の電流測定部３１２は、電流センサを介して分電盤２に流れる電流を測定する（Ｓ１１０５）。フィッティング部１１６は、基準電流波形を、分電盤２で測定された電流の波形にフィッティングする（Ｓ１１０６）。電力値算出部１１７は、フィッティングされた波形に基づいて電気製品が使用する電力値を算出する（Ｓ１１０７）。

本実施形態によれば、測定された電流の波形に基づいて電力値を算出することで、電力の実測値に近似するデータを取得することが可能となる。さらに、本実施形態によれば、第１の実施形態より、構成が簡易な電力値算出システムが提供可能となる。

第１の実施形態および第２の実施形態では、３台の電気製品５ａ、５ｂ、および５ｃを例にして説明しているが、測定の対象となる電気製品は、３台に限られない。

１ 商用電力系統
２ 分電盤
４ａ、４ｂ、４ｃ 電力線
５ａ、５ｂ、５ｃ 電気製品
６、２１ センサ部
１０、３０ 電力値算出システム
１１、３１ サーバ
１２ データベース
１１１ 第１の電流測定部
１１２ 電流波形規格化部
１１３ 基準電流波形生成部
１１４ 基準電流波形登録部
１１５ 第２の電流測定部
１１６ フィッティング部
１１７ 電力値算出部
１１８ 出力部
３１１ 第３の電流測定部
３１２ 第４の電流測定部

Claims (6)

1. 分電盤で分電され電力線を介して１または複数の電気製品に供給される電力の値を算出するシステムによる電力値算出方法であって、
   前記電力線を介して前記１または複数の電気製品に流れる電流をそれぞれ測定するステップと、
   前記測定された前記１または複数の電気製品に流れる電流の波形をそれぞれ規格化するステップと、
   それぞれ規格化された電流の波形に基づいて基準電流波形を生成するステップと、
   前記分電盤に流れる電流を測定するステップと、
   前記測定された前記分電盤に流れる電流の波形にそれぞれ生成された基準電流波形をフィッティングするステップと、
   それぞれフィッティングされた電流波形に基づいて前記電気製品に供給される電力の値を算出するステップと
   を備えることを特徴とする電力値算出方法。
2. 前記分電盤に流れる電流を測定するステップにおいて、前記電気製品の電源がＯＮしている状態における電流波形と、前記電気製品の電源がＯＦＦしている状態における電流波形との差分を抽出して、前記電気製品に流れる電流の波形を取得することを特徴とする請求項１に記載の電力値算出方法。
3. 前記規格化は、前記測定された前記電気製品に流れる電流の波形から該電流の波形の一次、二次、若しくは最大ノルムを除算すること、または、該電流の波形に前記電気製品に印加された電圧の波形を乗算し、該電流の波形から前記乗算された波形を除算することによって行われることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力値算出方法。
4. 前記基準電流波形は、前記規格化された電流の波形を構成するベクトル、または前記測定された前記電気製品に流れる電流の波形を構成するベクトルの各要素について中央値を取ること、または平均を取ることによって生成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電力値算出方法。
5. 前記フィッティングは、前記基準電流波形を基底として最小二乗法を用いて行われることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電力値算出方法。
6. 分電盤で分電され電力線を介して１または複数の電気製品に供給される電力の値を算出するシステムであって、
   前記電力線を介して前記１または複数の電気製品に流れる電流をそれぞれ測定する第１の測定部と、
   前記測定された前記１または複数の電気製品に流れる電流の波形をそれぞれ規格化する規格化部と、
   それぞれ規格化された電流の波形に基づいて基準電流波形を生成する生成部と、
   前記分電盤に流れる電流を測定する第２の測定部と、
   前記測定された前記分電盤に流れる電流の波形にそれぞれ生成された基準電流波形をフィッティングするフィッティング部と、
   それぞれフィッティングされた電流波形に基づいて前記電気製品に供給される電力の値を算出する算出部と
   を備えたことを特徴とするシステム。