TWI419431B - 電能管理插座架構 - Google Patents

Description

電能管理插座架構

本發明係有關一種電能管理插座架構，尤指一種利用「智慧型的遙控電能管理插座」，將所量測的電力資訊，做一判斷將可自動化取得電器用電資訊，使之具有自動辨識電器之能力，再依各電器特性分別做電能的管理，將大幅提升用電效能。希望透過本創意之設計，當各家電電器一經接上電源，即插上具有電器辨識及耗能管理功能的遙控電能管理插座，透過辨識方法立即辨識出各家電電器名稱，再依據所獲得各電器的資訊做故障之檢測及遠端維護功能，所有家庭電器之用電將可做一有效率之管理及控制。

按，目前關於電子產品使待機電力降低的研發，雖然目前已知於國內外皆有相當多待機相關專利，但對於利用遙控電器電器或有線操控模式來達成智慧遙控待機電力方面，著墨卻不多。目前已知專利也主要都是關於遙控器硬體架構與樣式，並沒有對於運作模式以及怎樣設定遙控器與電器之間的設定連結的相關專利，缺乏完整的系統概念及流程。

此次所提出之「智慧型的遙控電能管理插座」技術，將配合家庭電器設備之耗能特性和智慧型家庭電力節能系統，開發適用於一般家庭電器所需使用之電能管理插座，主要乃針對家庭電器電力耗能特性，開發結合電器用電行為模式及電器環境參數預測模式之智慧型節能系統技術， 可依據預測各電器不同之用電耗能趨勢，進行電器分類及自動電器辨識能力。在專利申請前案(中華民國專利申請號第082203028)我們已經成功設計一種電器用品之節約能源控制器。本案設計「智慧型的遙控電能管理插座」，是針對前案做進一步的改良，除具有原創作之功能，亦增加智慧化加值功能，未來所有電器設備均會加裝上一組插座電器，使之具有自動電器辨識能力，並可依電器種類之需求做自動斷電判斷功能，所有的用電資訊可以透過無線網傳輸，傳遞至主控制器，以達到遠端節能管理及電器維護等功能。

基於解決以上所述習知技藝的缺失，本發明為一種電能管理插座架構，主要目的為將家庭中每個原本即需要接上電源的家電設備，設計一組具有電器辨識及耗能管理功能的遙控電能管理插座，其運用電器設備原有之電源特性加以分析及探討，產生自動化的辨識能力，其方法規劃將依據量測所取得用電資訊，將各電器加以分類，再和電器辨識資料庫做一比對，將可以得知各電器的名稱，為了有效提升各電器用電效能，將收集各電器用電耗能資訊可做為用電管理用途，具有智慧化自動斷電及保護電器設備過載之功能，可做為故障預估及遠端維護功能。當電器使用時，將利用量測之資訊辨別插座所連接的電器，並含有控制電驛功能，必要時將可使用通訊介面傳輸用電資訊，最終目的將可使用電效率做大幅度之提升。

為進一步對本發明有更深入的說明，乃藉由以下圖示、圖號說明及發明詳細說明，冀能對　貴審查委員於審查工作有所助益。

茲配合下列之圖式說明本發明之詳細結構，及其連結關係，以利於　貴審委做一瞭解。

請參閱圖一所示，係為本發明電能管理插座之辨識、控制電器之流程圖，當電能管理插座開機11後，即可選擇是否進行電器辨識12的工作，若結果為是，將家庭中每個原本即需要接上電源的電器，進行電器辨識技術13係指電器辨識及耗能管理功能的遙控電能管理插座，其運用電器原有之電源特性加以分析及探討，產生自動化的辨識能力，其方法規劃將依據量測所取得用電資訊，將各電器加以分類，再和電器辨識資料庫做一比對，將可以得知各電器的名稱，其實質可運用的方法包括有三種：第一為電器用電資料庫131(依群組分類)、第二為手動輸入電器種類132、第三為電器即時耗電實測資料133。

若前述是否進行電器辨識12結果為否時，則進行電器用電量測技術14，該電器用電量測技術係包括有自動斷電141與過載保護142，以確保遙控電能管理插座的安全性。前述動作完成後，續進行電器之管理控制15，該電器之管理控制15係包括有：控制信號151、資訊讀取152、故障預估153及遠端維護154。

上述步驟12中之辨識技術依各電器之實際耗電之電力 辨識資料庫，供電器偵測時做辨識使用，包合各電器電耗於待機電力時，及各電器電耗於正常情形下所使用之電力，做其一辨識資料庫。並且可以依需求變更偵測取様頻率，具偵測取様頻率轉換功能，包含以下兩種模式：進入電器偵測模式時，做其偵測取様頻率信號轉換，加速欲取様之電源信號偵測頻率，及正常偵測電器用電模式時，再將之回到正常的電源信號偵測頻率。

各電器用電耗能資訊可做為用電管理用途，具有自動斷電及保護電器設備過載之功能，可做為故障預估及遠端維護功能。當電器使用時，將利用量測之資訊辨別插座所連接的電器，並含有控制電驛功能，必要時將可使用通訊介面傳輸用電資訊。

請同時參閱表一所示，係為本發明電能管理插座之取様頻率表，辨識插座所連接電器之方法分別有下列四種實施例：

第一實施例：

依需求變更偵測取様頻率，具偵測取様頻率轉換功能，以目前國內通常使用電壓頻率60Hz為例，包含以下兩種模式：進入電器自我診斷偵測模式時，本實施例取樣次數為128次，且取樣頻率為7.68KHz，做其偵測取様頻率信號轉換，加速欲取樣之電源信號偵測頻率，可確實提高量測值的取樣頻率及精度。

正常偵測電器用電模式時，本實施例取樣次數為64 次，且取樣頻率為4.096IIHz，再將之回到正常的電源信號偵測頻率，以便讓系統有多餘的時間進行其他資料處理，如通訊之傳送及接收等…。

第二實施例： 建立辨識資料庫

請參閱圖二A所示，係為本發明用以辨識電器用電之曲線圖，其縱座標(Y軸)為電流(I)且橫座標(X軸)為時間(Time)，因為電器的電壓相當固定，就國內而言，不是110V就是220V，因此電壓資料相當固定，故縱座標曲線僅針對電流(I)來探討即可，現有內建之資料庫：將家庭內所有電器依資料庫欄位，依電器用電曲線，包含以下三個資料庫欄位：啟動、穩態(常態)電力及待機電力資訊，分別依建表並儲存入記憶儲存單元，以供系統做為辨識家電電器時使用之電器類別資料庫。

當插上待量測裝置時，當裝置經由使用者開始使用至進入待機模式關機時，一般電器特性可由消耗電流值來取得包含啟動、穩態及待機電力資訊，且其記錄的資訊格式可舉例如下：1.啟動電力：當電器經由使用者啟動時之瞬間電流值，其辨識資料欄位包含有一自啟動進入穩態所需之時間及電力大小資訊；2.穩態電力：指電器在正常使用下之電流值資訊，其辨識資料欄位包含有電力大小資訊；3.待機電力：指電器進入待機模式後之電流值資訊，其辨 識資料欄位包含有一自穩態進入待機所需之時間及電力大小資訊。

承前述，請參閱圖二B所示，當電能管理插座並非插上一般電器，而是插上一充電裝置時，當電器進入充電狀態時會維持一段穩態電力，當充電裝置完成充電動作時將慢慢減少負載電力直至充電飽和，最後即進入充電完成進行待機，該充電的階段可約略分類如下：穩態充電-＞慢速充電-＞飽和充電-＞充電完成；因此，充電裝置特性可由消耗電流值來取得包含穩態充電、慢速充電、飽和充電及充電完成資訊，且其記錄的資訊格式可舉例如下：1.穩態充電：指充電裝置進入充電狀態時之電流值資訊，其辨識資料欄位包含有電力大小資訊；2.慢速充電：指充電裝置進入慢速充電狀態時之電流值資訊，其辨識資料欄位包含有一自穩態充電進入飽和充電所需之時間及電力大小資訊；3.飽和充電：指充電裝置充電飽和後之電流值資訊，其辨識資料欄位包含有一自穩態充電進入飽和充電所需之時間及電力大小資訊。

4.充電完成：指充電裝置充電完成進入待機模式後之電流值資訊，其辨識資料欄位包含有一自穩態充電進入充電完成所需之時間及電力大小資訊。

第三實施例： 立即電器學習資料庫

若電器為新增之電器，可利用系統原有之電壓電流量測功能，線上(Online)直接收集新的電器類別資料庫。

第四實施例： 新增資料庫

若家庭內有新的電器，也可以直接將電器類別資料庫儲存入電器類別資料庫，供辨識時使用。並依各電器之實際耗電、待機及正常狀態的電力辨識資料庫，供電器偵測時做辨識使用。

當具有下列狀況時，使用者可設定控制插座之開關(電驛)：1.當所連接之電器，若累積使用電力或電費超過預算控制，即可命令開關切斷負載之電源。

2.當所連接之電器，具有自動斷電及保護電器設備過載之功能，用電負載超過一定額，如最大所能負荷之電量，即可命令開關切斷負載之電源。(將可依此判定為過載或電器發生錯誤情形)。且一般電器若過久未曾啟動使用，將可能造成電器電器的損壞率提高，此系統將利用原有用電量測資訊，監控插座上設備是否過久未使用，具有智慧化判斷電器是否斷電過久且自動復電之功能。

3.請參閱圖三A所示，係為本發明電能管理插座連接並控制一般電器時之電力曲線圖，當所連接之電器為一般電器，因為一般電器進入待機模式關機後，所持續保持為 待機電力，雖然該待機電力不大，但仍會持續耗電，故於進入待機電力後，即可命令開關切斷負載之電源。

4.請參閱圖三B所示，係為本發明電能管理插座連接並控制一充電器時之電力曲線圖，當所連接之電器為充電器，因為充電器將電池充滿後，進入飽和充電時，電池幾乎無法有效率進行充電動作，之後進入充電完成階段進行待機，所持續保持為待機電力，雖然該待機電力不大，但仍會持續耗電，所以此電能管理插座將可依據充電的電流值，判斷是否進入飽和充電區(即準備進入待機電力前)、抑或是否進入充電完成區(即進入待機電力後)，若是，則可命令開關切斷負載之電源，節省電力。

請參閱圖四所示，係為本發明電能管理插座之功能方塊示意圖，本發明之電能管理插座架構，該插座3的前視結構如圖五、六所示，除了插座3之外，尚包括有插頭7、顯示單元55、若干個按鍵所組成之按鍵組551及一指示燈552，其插座3連接有一開關(或稱電驛)2，用以供應或切斷插座3之電力，其係包括有：一感測電路4，包括有電壓感測電路41及電流感測電路42，用以偵測插座31電器產品(例如圖式上的電視機或電冰箱)之電壓與電流數值，並輸出該些數值，且該感測電路4具偵測取様頻率轉換功能，包含以下兩種模式：進入電器偵測模式時，增加欲取樣之偵測頻率，及正常偵測電器用電模式時，再將之回到正常的偵測頻率；一電器辨識資料庫531，用以儲存至少一種特定電器產品的電流參數值，該電器辨識資料庫531係為一軟 體程式所構成，該電器辨識資料庫531係包括至少一種特定電器之啟動電力、穩態(常態)電力及待機電力資訊，或者是穩態充電、慢速充電、飽和充電及充電完成資訊；一微控制單元53，用以接收感測電路4所輸出該些數值，經類比/數位轉換之訊號後，再與電器辨識資料庫531進行運算及比對，以辨識該電器是否為該特定電器或獲得電器種類及特性等各項數據資料；一待機電源自動控制電路51，且該待機電源自動控制電路51與微控制單元53及插座3之開關2相連接，該待機電源自動控制電路51接受一待機電源自動控制軟體532之控制，當該特定電器進入待機之前或之後、或累積使用電力或用電負載超過一定額時，命令該開關2以切斷插座3之電源；一記憶儲存單元54，且該記憶儲存單元54係外接於微控制單元53(為本實施例之態樣)，或是內建於微控制單元53之內部(熟習本項技藝人仕可輕易達成)，該記憶儲存單元54係由一可消除式可程式唯讀記憶體(EEPROM)或快閃記憶體(Flash)所構成；一通信單元56，且該通信單元56與微控制單元53相連接，該通信單元56更係與一遠端管理裝置6以有線(如電力線網路)或無線方式做一連接(本實施例為無線通信技術)，該遠端管理裝置6係指一個人電腦(PC)、筆記型電腦(Notebook)、個人數位助理(PDA)、智慧型手機(Smartphone)之其中一者；一顯示單元55，且該顯示單元55與微控制單元53相連接，該顯示單元55係為一液晶顯示器(LCD)所構成，該顯示單元55係可顯示數據包括有電流值(I)、電壓值(V)、瓦特值(W)、瓦特/小時的乘積值(Wh)、頻率值(F)、 電費值(Cost)及二氧化碳值(CO₂ )；一電源電路52，用以提供上述元件之電源。該顯示單元55另具有記憶體存儲內容顯示及清除功能，開關顯示及設定功能，電費顯示及設定功能，時間顯示及設定功能。前述插頭7與電源電路52及開關2相連接，該插頭7可插接一般市用電源插座上，電能管理插座的面板可完全覆蓋於一般插座，如此便可使一般市用電源插座搖身一變為電能管理插座，同時具有美觀及實用性。但熟習本項技藝人仕，亦可將設置未設置插頭7的接線，直接配置於一般市電的電線，亦可達到相同的效果，因此是否配置插頭7皆在本發明的保護範圍中。

通信單元傳輸用電資訊之方法為：利用無線網路將用電資訊讀回，該遠端管理設備將可依據電器內容及實際用電情形做用電管理分析。若判斷有異常情形出現可由遠端管理設備切斷管理插座之開關。

藉由上述圖一至圖六及表一的揭露，即可瞭解本發明一種電能管理插座架構，主要目的為將家庭中每個原本即需要接上電源的家電設備，設計一組具有電器辨識及耗能管理功能的遙控電能管理插座，其運用電器設備原有之電源特性加以分析及探討，產生自動化的辨識能力，其方法規劃將依據量測所取得用電資訊，將各電器加以分類，再和電器辨識資料庫做一比對，將可以得知各電器的名稱，為了有效提升各電器用電效能，將收集各電器用電耗能資訊可做為用電管理用途，具有智慧化自動斷電及保護電器設備過載之功能，可做為故障預估及遠端維護功能。當電 器使用時，將利用量測之資訊辨別插座所連接的電器，並含有控制電驛功能，必要時將可使用通訊介面傳輸用電資訊，最終目的將可使用電效率做大幅度之提升。推廣應用於一般家庭，具有極大的市場商機，故提出專利申請以尋求專利權之保護。

綜上所述，本發明之結構特徵及各實施例皆已詳細揭示，而可充分顯示出本發明案在目的及功效上均深富實施之進步性，極具產業之利用價值，且為目前市面上前所未見之運用，依專利法之精神所述，本發明案完全符合發明專利之要件。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請　貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

11‧‧‧開機

12‧‧‧是否進行電器辨識

13‧‧‧電器辨識技術

131‧‧‧電器用電資料庫

132‧‧‧手動輸入電器種類

133‧‧‧電器即時耗電實測資料

14‧‧‧電器用電量測技術

141‧‧‧自動斷電

142‧‧‧過載保護

15‧‧‧電器之管理控制

151‧‧‧控制信號

152‧‧‧資訊讀取

153‧‧‧故障預估

154‧‧‧遠端維護

2‧‧‧開關

3‧‧‧插座

4‧‧‧感測電路

41‧‧‧電壓感測電路

42‧‧‧電流感測電路

51‧‧‧待機電源自動控制電路

52‧‧‧電源電路

53‧‧‧微控制單元

531‧‧‧電器辨識資料庫

532‧‧‧待機電源自動控制軟體

54‧‧‧記憶儲存單元

55‧‧‧顯示單元

551‧‧‧按鍵組

552‧‧‧指示燈

6‧‧‧遠端管理裝置

7‧‧‧插頭

圖一係為本發明之辨識、控制電器之流程圖；圖二A係為本發明用以辨識一般電器用電曲線示意圖；圖二B係為本發明用以辨識充電器用電曲線示意圖；圖三A係為本發明連接並控制一般電器時之電力曲線示意圖圖三B係為本發明連接並控制一充電器時之電力曲線示意圖；圖四係為本發明之功能方塊示意圖；圖五係為本發明之前視結構示意圖；圖六係為本發明之側視結構示意圖；

2‧‧‧開關

3‧‧‧插座

4‧‧‧感測電路

41‧‧‧電壓感測電路

42‧‧‧電流感測電路

51‧‧‧待機電源自動控制電路

52‧‧‧電源電路

53‧‧‧微控制單元

531‧‧‧電器辨識資料庫

532‧‧‧待機電源自動控制軟體

54‧‧‧記憶儲存單元

55‧‧‧顯示單元

6‧‧‧遠端管理裝置

7‧‧‧插頭

Claims (20)

1. 一種電能管理插座架構，用以連接並供給一電器裝置電力，其係包括有：一感測電路，用以偵測該電器裝置之電壓或電流數值，並輸出該些數值；一電器辨識資料庫，用以儲存至少一特定電器的電流參數值；一微控制單元，用以接收該感測電路所輸出該些數值，經類比/數位轉換之訊號後，再與該電器辨識資料庫進行運算及比對，以辨識該電器裝置是否為該特定電器；一電源電路，用以提供上述元件之電源；一開關，連接一插座，用以供應或切斷該插座之電力；以及一待機電源自動控制電路，且該待機電源自動控制電路與該微控制單元及該插座之該開關相連接，該待機電源自動控制電路接受一待機電源自動控制軟體之控制，當該電器裝置進入待機之前或之後，或累積使用電力或用電負載超過一定額時，命令該開關以切斷插座之電源。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電能管理插座架構，其中該電器辨識資料庫係為一軟體程式所構成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電能管理插座架構，其中該電能管理插座架構更係包括有一通信單元，且該通信單元與微控制單元相連接。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電能管理插座架構，其中該 通信單元更係與一遠端管理裝置以有線或無線方式做一連接。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電能管理插座架構，其中該遠端管理裝置係指一個人電腦、筆記型電腦、個人數位助理、智慧型手機之其中一者。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電能管理插座架構，其中該電能管理插座架構更係包括有一記憶儲存單元，且該記憶儲存單元係外接於微控制單元，或是內建於微控制單元之內部。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電能管理插座架構，其中該記憶儲存單元係由一可消除式可程式唯讀記憶體或快閃記憶體所構成。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電能管理插座架構，其中該電能管理插座架構更係包括有一顯示單元，且該顯示單元與微控制單元相連接。
9. 如申請專利範圍第8項所述之電能管理插座架構，其中該顯示單元係為一液晶顯示器所構成。
10. 如申請專利範圍第8項所述之電能管理插座架構，其中該顯示單元係可顯示數據包括有電流值、電壓值、瓦特值、瓦特/小時的乘積值、頻率值、電費值及二氧化碳值。
11. 如申請專利範圍第8項所述之電能管理插座架構，其中該顯示單元更係包括有若干個按鍵所組成之按鍵組。
12. 如申請專利範圍第1項所述之電能管理插座架構，其中該電器辨識資料庫係包括該特定電器之啟動電力、穩態電力及待機電力資訊。
13. 如申請專利範圍第1項所述之電能管理插座架構，其中該電器辨識資料庫係包括該特定電器之穩態充電、慢速充電、飽和充電及充電完成資訊。
14. 如申請專利範圍第1項所述之電能管理插座架構，其中該感測電路可具有至少兩種偵測取様頻率，包含電器偵測模式與正常偵測電器用電模式。
15. 如申請專利範圍第1項所述之電能管理插座架構，其中當電壓頻率為60Hz時，電器偵測模式與正常偵測電器用電模式之該等偵測取様頻率分別為7.68KHz及4.096KHz。
16. 如申請專利範圍第1項所述之電能管理插座架構，其中該電能管理插座架構更係包括有一插頭，且該插頭與該電源電路及開關相連接。
17. 如申請專利範圍第12項所述之電能管理插座架構，其中該電能管理插座之啟動電力、穩態電力及待機電力資訊的記錄資訊格式，如下：啟動電力：當該特定電器啟動時之瞬間電流值，包含有一自啟動進入穩態所需之時間及電力大小資訊；穩態電力：指該特定電器在正常使用下之電流值資訊，包含有一電力大小資訊；以及待機電力：指該特定電器進入待機模式後之電流值資訊，包含有一自穩態進入待機所需之時間及電力大小資訊。
18. 如申請專利範圍第13項所述之電能管理插座架構，其中該電能管理插座之穩態充電、慢速充電、飽和充電及充電完成資訊的記錄資訊格式，如下： 穩態充電：指該特定電器進入充電狀態時之電流值資訊，其包含有電力大小資訊；慢速充電：指該特定電器進入慢速充電狀態時之電流值資訊，其包含有一自穩態充電進入飽和充電所需之時間及電力大小資訊飽和充電：指該特定電器充電飽和後之電流值資訊，其辨識資料欄位包含有一自穩態充電進入飽和充電所需之時間及電力大小資訊；以及充電完成：指該特定電器充電完成進入待機模式後之電流值資訊，其辨識資料欄位包含有一自穩態充電進入充電完成所需之時間及電力大小資訊。
19. 一種電能管理插座架構，用以連接並供給一電器裝置電力，其係包括有：一感測電路，用以偵測該電器裝置之電壓或電流數值，並輸出該些數值；一電器辨識資料庫，用以儲存至少一特定電器的電流參數值；一微控制單元，用以接收該感測電路所輸出該些數值，經類比/數位轉換之訊號後，再與該電器辨識資料庫進行運算及比對，以辨識該電器裝置是否為該特定電器；一電源電路，用以提供上述元件之電源；該電器辨識資料庫係包括該特定電器之啟動電力、穩態電力及待機電力資訊，其記錄資訊格式，如下：啟動電力：當該特定電器啟動時之瞬間電流值，包含有一自啟動進入穩態所需之時間及電力大小資訊； 穩態電力：指該特定電器在正常使用下之電流值資訊，包含有一電力大小資訊；以及待機電力：指該特定電器進入待機模式後之電流值資訊，包含有一自穩態進入待機所需之時間及電力大小資訊。
20. 一種電能管理插座架構，用以連接並供給一電器裝置電力，其係包括有：一感測電路，用以偵測該電器裝置之電壓或電流數值，並輸出該些數值；一電器辨識資料庫，用以儲存至少一特定電器的電流參數值；一微控制單元，用以接收該感測電路所輸出該些數值，經類比/數位轉換之訊號後，再與該電器辨識資料庫進行運算及比對，以辨識該電器裝置是否為該特定電器；一電源電路，用以提供上述元件之電源；該電器辨識資料庫係包括該特定電器之穩態充電、慢速充電、飽和充電及充電完成資訊，其記錄資訊格式，如下：穩態充電：指該特定電器進入充電狀態時之電流值資訊，其包含有電力大小資訊；慢速充電：指該特定電器進入慢速充電狀態時之電流值資訊，其包含有一自穩態充電進入飽和充電所需之時間及電力大小資訊飽和充電：指該特定電器充電飽和後之電流值資訊，其辨識資料欄位包含有一自穩態充電進入飽和充電所需之時間及電力大小資訊；以及 充電完成：指該特定電器充電完成進入待機模式後之電流值資訊，其辨識資料欄位包含有一自穩態充電進入充電完成所需之時間及電力大小資訊。