TWI467878B - 電力監視及控制系統 - Google Patents

Description

電力監視及控制系統 相關申請案之交叉參照

本發明請求2009年5月7日申請之名稱為“電力監視系統”之美國專利申請案第61/176,443號的優先權，就各方面而言，其全部在此加入作為參考。

本發明係有關於一種電力監視及控制系統。

背景

電力變得更加昂貴，但電力之使用繼續增加。追蹤與減少電力之使用是一困難的工作，例如，許多電子裝置即使關閉亦仍繼續消耗電力。在一家庭或其他設施中之低功率因子亦增加對城市電力系統之需求，使電流形成尖波且需要該電力系統可以該尖峰值供應電力，而不只是真正消耗之平均電流值。

概要

本發明提供一種電力監視系統，其可使用在一家庭或其他場所中，以在控制如燈及電器等各種裝置時，監視及控制電力消耗。該電力監視系統亦可包括功率因子監視及修正。

該電力監視系統之一實施例包括一客戶裝置及一伺服器裝置。該客戶裝置包括一功率計；一客戶端微控制器或例如一特殊應用積體電路(ASIC)或其類似種類之裝置、電路、設備等；及一客戶端無線收發器。該用語微控制器在此表示微控制器、微處理器、任何種類與形式之ASIC、狀態機器、執行類似及/或相同功能之積體電路等。該客戶端微控制器由該功率計讀取電力使用統計值且將它們送至伺服器裝置、或其他客戶裝置。該伺服器裝置包括一由該客戶裝置接收該等電力使用統計值之伺服器端微控制器，在客戶與伺服器之間的通信交易可發生在一或多個無線及/或有線媒介上，包括但不限於，透過無線電、透過電力線、或透過另外的外部配線。與終端使用者之通信交易透過一被附載(host)在該伺服器上之軟體應用程式介面發生，該伺服器可透過公共或私人LAN/WAN基礎架構存取、透過一般網頁瀏覽器或定製軟體應用程式。該伺服器包括LAN/WAN硬體介面，該伺服器端微控制器包括一經由網際網路報告電力使用統計值之軟體應用程式。該伺服器裝置亦包括一伺服器端無線收發器及一網際網路介面。

在該電力監視系統之一實施例中，該客戶裝置亦包括一連接於該客戶端微控制器之驅動電路。該客戶裝置亦包括一連接於該驅動電路之電力輸入，及一連接於該驅動電路之負載輸出。該客戶端微控制器適用於由該伺服器裝置接收控制命令且至少部份地依據該等控制命令配置該驅動電路。

在該電力監視系統之一實施例中，該客戶裝置亦包括一連接於該客戶端微控制器之測光計。該客戶端微控制器適用於依據該等控制命令之一組合及依據來自該測光計之周圍光線測量值配置該驅動電路。在某些實施例中，該測光計是一獨立裝置。

在該電力監視系統之一實施例中，該客戶裝置亦包括一連接於該客戶端微控制器之動作偵測器。該客戶端微控制器適用於依據該等控制命令之一組合及依據一來自該動作偵測器之信號配置該驅動電路。在某些實施例中，該動作偵測器是一獨立裝置。

在該電力監視系統之一實施例中，該驅動電路適用於驅動一電阻負載。

在該電力監視系統之一實施例中，該驅動電路適用於動一電感負載。

在該電力監視系統之一實施例中，該客戶裝置亦包括一連接於該客戶端微控制器之客戶端電力線收發器，且該伺服器裝置亦包括一連接於該伺服器端微控制器之伺服器端電力線收發器。

在該電力監視系統之一實施例中，該等電力使用統計值可包括平均輸入電壓、平均輸入電流、即時輸入電壓、即時輸入電流、平均輸出電壓、平均輸出電流、即時輸出電壓、即時輸出電流、真實功率、視功率、功率因子、相關峰值與均方根(RMS)值、(如果適當的話)減光值、及斷續(on/off)狀態。

在該電力監視系統之一實施例中，該伺服器端微控制器適用於由一電力公司讀取電費資料。

在該電力監視系統之一實施例中，該伺服器端微控制器適用於藉使該客戶裝置配置該驅動電路以在尖峰電力期間減少至該負載輸出之電力，以減少電費。

在該電力監視系統之一實施例中，該伺服器端微控制器適用於由該電力公司接收命令，以配置該驅動電路，以減少至該負載輸出之電力。

在該電力監視系統之一實施例中，該伺服器端微控制器適用於報告多數客戶裝置之電力使用統計值。

在該電力監視系統之一實施例中，該軟體應用程式適用於使多數客戶裝置可分組及並行控制多數客戶裝置群組。

在該電力監視系統之一實施例中，該軟體應用程式適用於使客戶裝置控制可排程。

在該電力監視系統之一實施例中，該軟體應用程式適用於回應由遠端感測器觸發之事件，控制客戶裝置。

在該電力監視系統之一實施例中，該客戶裝置亦包括至少一連接於該客戶端微控制器之手動控制輸入，該客戶端微控制器適用於依據該手動控制輸入配置該驅動電路。

在該電力監視系統之一實施例中，該客戶裝置亦包括一連接於該功率計之功率因子修正電路。

該電力監視系統之一實施例亦包括多數感測器，例如光感測器、聲音感測器、動作感測器、振動感測器、液體存在感測器、液體流動感測器、磁性感測器、位置感測器、及方位感測器。

在該電力監視系統之一實施例中，該軟體應用程式適用於藉該客戶裝置之隨機控制模擬有人居住。

另一實施例提供一電力監視及控制系統，包括一客戶裝置及一伺服器裝置。該客戶裝置包括一具有一電力輸入及一負載輸出之驅動電路，該客戶裝置亦包括一功率計、一測光計、及一客戶端微控制器。該客戶端微控制器適用於由該功率計讀取電力使用統計值且將它們傳送至該伺服器裝置，該客戶端微控制器亦適用於由該伺服器裝置接收控制命令且適用於至少部份地依據該等控制命令且依據來自該測光計之周圍光線測量值配置該驅動電路。該客戶裝置亦包括一客戶端無線收發器及一客戶端電力線收發器，該伺服器裝置包括一適用於由該客戶裝置接收該等電力使用統計值之伺服器端微控制器。該伺服器端微控制器包括一適用於報告該等電力使用統計值且經由網際網路接收控制命令之軟體應用程式。該伺服器端微控制器適用於將該等控制命令傳送至該客戶裝置，該伺服器裝置亦包括一伺服器端無線收發器、一伺服器端電力線收發器、及一連接於該伺服器端微控制器之網際網路介面。

這概要僅提供某些特殊實施例之大致輪廓，許多其他目的、特徵、優點及其他實施例將由以下詳細說明、附加申請專利範圍及附圖更完整地了解。

圖式簡單說明

藉參照在該說明書之剩餘部份中說明之圖式，可實現各種例示實施例之進一步了解。在圖式中，在數個圖中可使用類似符號以表示類似元件。

第1圖顯示一用以監視電力使用及狀態且用以控制電氣裝置之系統的方塊圖。

第2圖顯示一用以監視電力使用及狀態且用以控制電氣裝置之系統之客戶端部份的方塊圖。

第3圖顯示一用以監視電力使用及狀態且用以控制電氣裝置之系統之伺服器端部份的方塊圖。

說明

在此揭露一電力監視系統，其監視且控制電力消耗。如有需要，在此揭露之電力監視系統可與一複雜電力格柵一起使用，讓一使用者可將電力之消耗轉移至離峰期且使整體電力消耗減至最少。該電力監視系統包括一或多個例如一瓦時計之功率計，該功率計可安裝在一家庭或其他設施中，以監視整體電力消耗，且安裝在每一電源插座、每一減光器、每一開關等中，或在選定位置中。該等功率計可僅適用於監視電力使用或亦可適用於藉以任何適當方式減光或透過該功率計減少電力輸出來控制電力使用。例如，該等功率計可使用相位截波、振幅降低、或任何其他適當技術來減少電力輸出。

由該等功率計得到之結果可以經由任何適當介面存取與觀看。在一實施例中，該等功率計可使用一網路伺服器，該網路伺服器由該等功率計收集資料且使用一在一電腦上之網頁瀏覽器應用程式、個人數位助理(PDA)或行動電話或藉其他無線裝置，使該資料可用在一區域網路(LAN)或網際網路連接構件上。

如有必要，由電力監視系統所報告之電力消耗可與房屋或其他設施之主電表比較且容許發生各種不同層次之決策，以及稽查與電力/能量管理控制、資料分析、及評估等。

該電力監視系統之某些實施例可與電力公司合作，以藉自動地減光及自動切斷不重要裝置之電力，在尖峰電力消耗期間自動地減少電力消耗。這些電力消耗設定或偏好之配置可以儲存在一家中或其他適當裝置中之一伺服器之一檔案中。在某些實施例中，資訊可由定義尖峰及離峰小時之電力公司檢索。資訊亦可藉減少在該電力監視系統中通過選定功率計之電力自動地將在家中之電力消耗減至最小或包括節省/降低適當種類之電能消耗器之切斷通過功率計至不重要裝置的電力，在節電期間由電力公司傳送至該電力監視系統。這合作亦可藉對來自電力公司之多數電力狀況之各狀況配置電力消耗設定來自願地進行。如此，該電力監視系統可包括一用以控制及監視在一家庭或其他場所中之電力消耗的複雜基礎架構，且仍可使用一網頁瀏覽器或其他介面簡單地存取及配置。例如，除了前述消耗設定以外，該電力監視系統可測量及顯示整個家中及各個電源插座及開關之電壓及/或電流波形，功率因子資訊等。此外，該電力監視系統可偵測連接於該系統之減光器及開關之位置及設定，包括遠程地偵測有連接於該系統之減光器之手動設定減光值。例如，藉以圖形顯示冰箱、洗衣機及乾衣機、爐具、音頻/視頻設備、電腦、燈具等所使用之電力，可以辨識在家中之最高電力消耗器。各種電力/能量消耗速度可以輸入該系統且該系統具有一用以依據電力/能量費率及排程，決定在該房屋中之電力消耗器/電器中之何者應被關閉或減光的選定優先程序。該電力監視控制系統亦可包括保全裝置，以提供電子形式之支付至例如，公用事業公司。此外，客戶之詳細電力使用可儲存在客戶之大量儲存設備、該公用事業之大量儲存設備或一第三者之大量儲存設備。這種資訊之儲存亦可被用來提供一租金/租借費結構之基礎，在該租金/租借費結構中，一設備提供者可租借該電力監視系統給一客戶，並以客戶由具有該電力監視與控制系統得到好處之省能及相關費用之一百分比作為回報。

該電力監視系統亦可包括在全球與，例如，在一建築物之主電源處之一組電容器或在當地在各裝置或電源插座處之功率因子修正。言使該電力消耗平滑化，減少無效電力損失，且有助於減少電流尖波且協助防止在電力線中之過熱及電力浪費。

該電力監視系統亦可使因如電視或其他聲頻/視頻設備等裝置在一待命模式時所消耗之電力減至最小。該電力監視系統可以配置成使該設備在某些時段，或透過該網頁瀏覽器介面或使用一在該功率計裝置本身上之按鈕或其他介面，藉一命令手動地，或藉當電力被消耗且落在一預定閾值以下，或者藉使用無線及有線連接於該系統之如動作、聲音、音頻、視頻等遠程感測器，完全降低電力消耗。電力可接著透過該介面或使用一在該功率計裝置之按鈕藉一命令完全回復。

該電力監視系統亦經由該網頁瀏覽器介面對在家中之電力使用提供遠程存取，讓使用者可以，例如，但不限於，控制及開關燈，以決定是否一裝置因透過一相關功率計監視真正電力使用已被開啟，且如果它已被開啟則切斷至一裝置之電力，及例如，決定是否一燈已停止工作或燒毀。收音機或其他裝置可在離開家時在遠端開啟以模擬有人在家居住。這種開啟亦可連同包括但不限於光、聲音、動作、音頻、視頻、振動、液體、溢出及位移、磁性等感測器之各種感測器一起完成。在某些實施例中，這種光及聲音產生裝置之致動以模擬有人居住亦可使用網頁瀏覽器介面程式化及/或隨機化。

在某些實施例中，該電力監視控制系統亦可包括多數指示門或窗是否關閉及/或上鎖之多數感測器及/或偵測器，包括指示是否車庫門在一垂直或水平位置以報告是否該車庫門開啟或關閉之在車庫門上之一感測器及一組感測器，以及攝影機、聲音與動作感測器及/或偵測器、一般保全感測器及/或偵測器、及監視水流或可能漏水之感測器及/或偵測器，或者上述者之某些子設備。以上顯示之感測器及/或偵測器之一可能清單是想要提供可能配置之例子且不是想要限制本發明。

該電力監視系統可被用來規範兒童可以使用電腦、電視及遊戲之時間，使電源插座只在排定時間有作用。

簡言之，該電力監視系統是一監視及控制系統，在某些實施例中，不論是住宅的還是工業的，均以足夠深度使電力消耗可與一建築物或住宅之主千瓦時計相比較。在某些實施例中，該電力監視系統可包括一與該公用事業公司之連結，以下載在各種時段之費率、尖峰與離峰時間、季節費率等，顯示真正電力消耗之費用且可依據這些排定費率控制到裝置之電力。例如，一到該電力監視系統之介面可以包括在如洗碗機、洗衣機、乾衣機及其他這種電器之裝置中，在離峰時間將它們開啟且啟動一清洗循環以由較低之電價得到好處。它亦可包括如空調機及加熱、通風與空調(HVAC)系統等其他系統，通常包括如冰箱、及冰箱單元及可按照例如減光或節電控制之其他這種電器與電子裝置的控制器與通氣孔。它亦可被用來監視以水與流體為主之系統且依據特殊實施之細節提供適當之回饋、警告、或控制。

一實施例之電力監視系統10之方塊圖顯示於第1圖中，一客戶裝置12連接於一負載14，該負載14可以下任何一種電氣裝置或多種裝置，例如，一燈或電器。該客戶裝置12與一電源連接，例如被插入一住宅電源插座或連接於一電池，以對該負載14供電。該客戶裝置12無線地與一伺服器裝置16通訊，該伺服器裝置16包括一網際網路介面20及一可被例如網頁瀏覽器存取之軟體應用程式。在一實施例中，該軟體應用程式包含一網路應用程式。該伺服器裝置16可以透過一路由器24連接於一桌上型電腦22，或不論是通過有線還是無線連接，連接於一膝上型電腦26、(舉例而言)一亦可為一智慧型電話之行動電話30、一個人數位助理、一遙控器等，或任何其他網際網路允許之裝置。在一例中，在該客戶裝置12與該伺服器裝置16之間的無線連接使用低速率無線個人區域網路(LR-WPAN)之IEEE 802.15.4標準。

該客戶裝置12係更詳細地顯示在第2圖之方塊圖中，一微控制器(MCU)50控制對一負載輸出54供電之驅動電路系統或一驅動電路52。請注意微處理器及/或在此所述微控制器(例如，50)可在各種實施例中被例如狀態機器、數位邏輯、類比與數位邏輯、特殊應用積體電路(ASIC)、閘陣列、可組態之邏輯裝置(CLD)等其他適當控制裝置取代。一功率計56測量來自該驅動電路52之電力使用統計值且將它們報告至該微控制器50，且接著將它們報造至該伺服器裝置16。該等電力使用統計值可藉一在如一桌上型電腦22、膝上型電腦26或行動電話30等任何適當裝置上之一網路介面，由該伺服器裝置16檢索。該等電力使用統計值可儲存在客戶裝置12之一靜態記憶體60中且使用一無線收發器62、一電力線收發器64、一有線連接構件或任何其他必要連接機構，傳送至該伺服器裝置16。軟體/韌體亦可儲存在該靜態記憶體60中而可被微控制器50執行，該客戶裝置12亦可包括使例如減光或使至該負載之電力斷續之在該客戶裝置12中之所有功能可被手動操作之手動按鈕。該驅動電路52可以定製成可驅動特定種類之電負載，例如，如發光之電阻負載，或如電器、馬達等電感負載之負載循環控制。該等電力使用統計值可包括測量平均與即時輸入電壓與電流、輸出電壓與電流等。即使在減光時，該微控制器50亦可導出、儲存及報告真實功率(W)、視功率(VA)、功率因子(PF)、動態功率因子或真實功率因子，其中如最小、最大、平均及趨勢之統計值可以與其他資訊一起被報告。本發明亦可執行該一典型恆溫器之功能與操作。

該伺服器裝置16更詳細地顯示在第3圖之方塊圖中。一微控制器80附載軟體，該軟體用於如一無線收發器82及電力線收發器84等用以與客戶裝置(例如，12)及乙太網路、WiFi、USB通信或用於與使用者通信之其他系統86的通信網路。該微控制器80亦附載一提供一使用介面之軟體應用程式，因為該軟體應用程式被附載在該伺服器裝置16中，不需要將軟體或驅動器安裝在如一桌上型電腦22、膝上型電腦26或行動電話30等除了一網頁瀏覽器以外之使用者裝置上。該6亦包括靜態記憶體90，以儲存電力使用統計值且達成其他資料儲存要求。該軟體應用程式讓使用者可以組織、控制及讀取來自無線客戶裝置之資料。組織客戶裝置可以透過在該軟體應用程式中視頻分組來實現，這容許多數裝置之邏輯控制。裝置功能可以分配至各種形式之自動控制，包括排程及對遠端感測事件回應。不論是在本地還是國外，該軟體應用程式均可以任何種類之網路允許之裝置存取。

雖然在此已詳細說明了例示性實施例，但是應了解的是在此揭露之觀念可以另外多樣地實施及使用。

10．．．電力監視系統

12．．．客戶裝置

14．．．負載

16．．．伺服器裝置

20．．．網際網路介面

22．．．桌上型電腦

24．．．路由器

26．．．膝上型電腦

30．．．行動電話

50．．．微控制器(MCU)

52．．．驅動電路

54．．．負載輸出

56．．．功率計

60．．．靜態記憶體

62．．．無線收發器

64．．．電力線收發器

80．．．微控制器

82．．．無線收發器

84．．．電力線收發器

86．．．其他系統

90．．．靜態記憶體

第1圖顯示一用以監視電力使用及狀態且用以控制電氣裝置之系統的方塊圖。

第2圖顯示一用以監視電力使用及狀態且用以控制電氣裝置之系統之客戶端部份的方塊圖。

第3圖顯示一用以監視電力使用及狀態且用以控制電氣裝置之系統之伺服器端部份的方塊圖。

10．．．電力監視系統

12．．．客戶裝置

14．．．負載

16．．．伺服器裝置

20．．．網際網路介面

22．．．桌上型電腦

24．．．路由器

26．．．膝上型電腦

30．．．行動電話

Claims (10)

1. 一種電力監視系統，包含：一客戶裝置及一伺服器裝置，該客戶裝置包含：一功率計；一客戶端微控制器，係連接於該功率計，該微控制器適用於自該功率計讀取電力使用統計值且將它們送至該伺服器裝置；一客戶端無線收發器，係連接於該客戶端微控制器；且該伺服器裝置包含：一伺服器端微控制器，係適用於自該客戶裝置接收該等電力使用統計值，該伺服器端微控制器具有一適用於經由網際網路報告該等電力使用統計值之軟體應用程式；一伺服器端無線收發器，係連接於該伺服器端微控制器；及一網際網路介面，係連接於該伺服器端微控制器。
2. 如申請專利範圍第1項之電力監視系統，其中該客戶裝置更包含一連接於該客戶端微控制器之驅動電路，該客戶裝置更包含一連接於該驅動電路之電力輸入，及一連接於該驅動電路之負載輸出，其中該客戶端微控制器適用於從該伺服器裝置接收控制命令且至少部份地依據該等控制命令組配該驅動電路。
3. 如申請專利範圍第2項之電力監視系統，其中該客戶裝置更包含一連接於該客戶端微控制器之測光計，其中該客戶端微控制器適用於依據該等控制命令之一組合及依據來自該測光計之一周圍光線測量值組配該驅動電路。
4. 如申請專利範圍第2項之電力監視系統，其中該客戶裝置更包含一連接於該客戶端微控制器之動作偵測器，其中該客戶端微控制器適用於依據該等控制命令之一組合及依據一來自該動作偵測器之信號組配該驅動電路。
5. 如申請專利範圍第2項之電力監視系統，其中該驅動電路適用於將一連接之燈減光。
6. 如申請專利範圍第2項之電力監視系統，其中該驅動電路適用於驅動一電感負載及一電阻負載之其中一者。
7. 如申請專利範圍第1項之電力監視系統，其中該客戶裝置更包含一連接於該客戶端微控制器之客戶端電力線收發器，該伺服器裝置更包含一連接於該伺服器端微控制器之伺服器端電力線收發器。
8. 如申請專利範圍第1項之電力監視系統，其中該等電力使用統計值包含選自於由平均輸入電壓、平均輸入電流、即時輸入電壓、即時輸入電流、平均輸出電壓、平均輸出電流、即時輸出電壓、即時輸出電流、真實功率、視功率、功率因子、及斷續(on/off)狀態構成之群組中至少一要素。
9. 如申請專利範圍第2項之電力監視系統，其中該伺服器 端微控制器適用於從一電力公司讀取電費資料。
10. 如申請專利範圍第9項之電力監視系統，其中該伺服器端微控制器適用於藉由使該客戶裝置組配該驅動電路，以在尖峰電力期間減少至該負載輸出之電力。