TWI513133B - 電力插座以及電器事件偵測方法 - Google Patents

Description

電力插座以及電器事件偵測方法

本發明係有關於一種電器事件，且特別是有關於一種電器事件的偵測與辨識。

隨著科技的發展與進步，各式各樣的電器產品日益增多，這些電器產品各有各的用電特性，有的僅須少量電力即可運作，有的則需要消耗大量的電力才能運轉，電器產品的種類繁多，因此如何使電器的使用達到最佳效果不僅關係著能源的消耗和環保的問題，此外，電器的正確使用與操作也與安全有著密不可分的關係。因此，一些管理機構針對不同的電源插座提出了相對應的安全規範標準，希望藉由這些電源插座來限制電器產品的使用。

傳統的電源插座，可以提供簡單的臨界值功率限制和使用時間的控制，管理電源插座上的開關狀態。例如，使用者或是管理人員可以指定電源插座所提供的電源大小或是使用時間。如果電源插座上所安裝的電器所消耗的功率或是使用時間超過臨界值，電源插座可能會發出警告或 是自動切斷電源，避免災害產生。然而，這樣的電源管理方式仍嫌不足，很多不安全的電器設備仍然可能被偷渡使用，造成電力安全上的死角。

另一方面，非侵入式負載偵測(Nonintrusive Load Monitoring；NILM)，也被稱為非侵入式電器負載偵測(Nonintrusive Appliance Load Monitoring；NIALM)，係於20世紀80年代由麻省理工學院所開發，這個技術只需要一個電錶，就可以根據電器的特性，對電器迴路中家電的使用狀況以及耗能狀態進行分析，其中，電器的特性指的是電器設備啟動、關閉，或是改變狀態時，電壓和電流波形可能出現的變化。

然而，傳統的非侵入式負載偵測裝置仍有不足之處，當同一電力迴路上出現大量同質或異質電器的操作，其所能夠分析辨識出來的電器事件變得相當有限，分析辨識運作的執行效率也仍嫌不足，這些不足之處都需要被進一步改進。

因此，本發明提出一種新的電力插座以及電器事件偵測方法，針對單一電力插座及插座上的電器進行偵測，提供可程式化的方式來設定管理者鎖定的電器事件以及相對應電器事件的處理動作，以更有效率、更有彈性的方式規範電器設備的使用。

依據本發明之一實施例，電力插座用來監控一負載 之至少一電器事件，此電力插座含有一電源信號感測器、一前端信號濾除器、一微處理器，以及一記憶體。電源信號感測器對電器事件所引發之一電源信號進行感測，並根據感測結果產生至少一感測信號。前端信號濾除器依據一信號濾除準則，對感測信號進行篩選，以決定剔除或是保留感測信號；微處理器對被保留下來的感測信號進行分析辨識，判斷被保留下來的感測信號是否對應於一電器事件預設組合，其中，當微處理器判斷感測信號對應於電器事件組合時，微處理器對應命令電力插座執行一控制作動。記憶體電性連接微處理器。

依據本發明之另一實施例，電器事件偵測方法會對至少一負載之至少一電器事件所引發之至少一電源信號進行感測；依據一信號濾除準則，對電源信號所對應之一感測信號進行篩選，以決定剔除或是保留感測信號；對保留下來的感測信號進行分析辨識，判斷保留下來的感測信號是否對應於一電器事件預設組合；當判斷感測信號對應於電器事件預設組合時，命令一電力插座執行一控制作動；當判斷感測信號不對應電器事件預設組合時，則不作動。

以上實施例的電力插座以及電器事件偵測方法，可先由前端信號濾除器依據信號濾除準則剔除一部分的電器事件，微處理器無需對這些被剔除的電器事件進行處理，因此減輕了微處理器的負擔，增加了辨識效率；此外透過設定與更新，管理者可自行設定信號濾除器、信號濾除準則、電器信號資料庫、電器事件預設組合以及相對應之處 理動作，增加管理者對特定電器、與電器事件之處理效率與彈性。

100‧‧‧電力插座

101‧‧‧電源供應端

103‧‧‧電源信號感測器

105‧‧‧類比數位轉換器

107‧‧‧前端信號濾除器

109‧‧‧記憶體

111‧‧‧微處理器

113‧‧‧週邊介面裝置

115‧‧‧負載電器設備

117‧‧‧遠端服務平台

119‧‧‧前端濾除資料庫

121‧‧‧電器信號資料庫

200‧‧‧軟體模組

201‧‧‧特徵值抽取模組

203‧‧‧事件比對模組

205‧‧‧事件處理執行模組

207‧‧‧特徵值資料庫

209‧‧‧事件處理規則模組

211‧‧‧下載模組

213‧‧‧警示模組

215‧‧‧上傳模組

301‧‧‧顯示裝置

401~425‧‧‧步驟

第1圖係繪示本發明第一實施例電力插座之結構示意方塊圖。

第2圖係繪示本發明第一實施例電力插座之軟體架構方塊圖。

第3圖係繪示本發明第二實施例之顯示裝置示意圖。

第4A圖係繪示本發明第三實施例之電器事件偵測方法之一部份流程圖。

第4B圖係繪示本發明第三實施例之電器事件偵測方法之另一部份流程圖。

第4C圖係繪示本發明第三實施例之電器事件偵測方法之剩餘部份流程圖。

以下實施例的電力插座以及電器事件偵測方法，可先依據信號濾除器與信號濾除準則剔除一部分的電器事件，微處理器無需對這些被剔除的電器信號進行處理，因此減輕了微處理器的負擔，增加了辨識效率；此外透過管理者自行設定的電器事件預設組合，就可以針對管理者鎖定的電器事件來進行分析偵測，對於可以被辨別的電器種 類和對應電器事件的反應，皆可進行修改與更新，增加使用上的彈性與擴充能力。

第1圖係繪示本發明第一實施例之電力插座示意方塊圖。電力插座100設置於電源供應端101以及負載電器設備115之間，電力插座100負責傳遞電源並監控負載電器設備115之狀態，這個電源可以是交流電源或是直流電源。電力插座100可對負載之電器事件(Appliance Load Event)進行監控，這裡所說的負載之電器事件指的是任何可能消耗電力的事件，例如，一般類型的電扇啟動、特定類型的電扇啟動、電燈啟動、電子產品充電、電子廚具啟動、除濕機啟動、冷氣啟動，以及加熱器啟動，或是其它電器的開啟與關閉。為了安全上、經濟上的考量，或是行政管理的考量，系統管理人員需要透過電力插座100對電器操作進行監控與管制，掌握目前正被使用的電器裝置，對電器裝置的使用做評估與處置。

電力插座100含有電源信號(包含電壓與電流)感測器(Voltage and Current Sensor)103、前端信號濾除器(Programmable Front-end Signal Filter)107、微處理器(Microprocessor)111，以及連接微處理器111之記憶體109。電源信號感測器103對電器操作所引發之電源信號進行感測，並根據感測結果產生感測信號或是其他信號，被引發的電源信號可能是電流波形信號、電壓波形信號，甚至可能是聲音、溫度、電磁波等信號。類比數位轉換器105連接電源信號感測器103，當所引發之電源信號為類比型 式，類比數位轉換器105將類比型式的感測信號轉換為數位型式的感測信號。

前端信號濾除器107依據信號濾除準則，對感測信號進行篩選，決定剔除或是保留感測信號，前端信號濾除器107可由硬體電路執行，例如數位信號處理器(Digital Signal Processor；DSP)與相對應之韌體(Firmware)、可程式邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array；FPGA)，或是特定應用積體電路(Application Specific Integrated Circuit；ASIC)。

信號濾除器與信號濾除準則可以原本就內建於電力插座100，或是透過網路連線進行下載更新。信號濾除器與信號濾除準則內規範了不需要對信號進行檢測的狀況，例如，前端信號濾除器107可以對功率進行偵測，信號濾除準則可以規範功率消耗的下限，當負載之電器事件所消耗的功率比信號濾除準則所規範的功率消耗下限還要低時，就可以忽略此感測信號，微處理器111不需要對此感測信號進行進一步的分析比對，可減少不必要的功率消耗。

微處理器111對被保留下來的感測信號進行分析辨識，判斷被保留下來的感測信號是否對應於電器事件預設組合，如前所述，當感測信號均被剔除時，微處理器111停止進行分析辨識，減少不必要的功率消耗。電器事件預設組合可以包括一般電扇啟動、特定電扇啟動、電燈啟動、電子產品充電、電子廚具啟動(例如加熱用的電湯匙)、除濕機啟動、冷氣啟動，以及加熱器啟動等，會消耗電力能量 的事件。當微處理器111進行分析辨識，主要自被保留下來的感測信號當中，抽取出待測特徵值(Signature Extraction)。

電力插座100更含週邊介面裝置113，連結上一遠端服務平台(Service Platform)117來進行資料傳輸，例如連線上遠端服務平台117來下載信號濾除準則，此週邊介面裝置113可為無線區域網路(Wireless Local Area Network；WLAN)裝置、乙太網路(Ethernet)裝置、3G網路裝置，或是4G網路裝置。

第2圖係繪示本發明第一實施例電力插座之軟體架構方塊圖。電器信號資料庫121用來儲存被保留下來的感測信號，這些保留下來的感測信號可以透過週邊介面裝置上傳至遠端服務平台，來與其他使用者分享這些感測信號，以利其他使用者參考。前端濾除資料庫119儲存前端信號濾除器設定以及前端信號濾除準則設定，包含前端信號濾除器之硬體設定、前端信號濾除器之軟體設定、前端信號濾除準則之記錄檔、前端信號濾除器之韌體設定(例如程式位元串流記錄檔)等至少其中之一，以對前端信號濾除器107進行設定，這些設定可以內建或是透過網路下載。

軟體模組200主要由微處理器來執行，此軟體模組200主要內含特徵值抽取模組(Signature Extracting Module)201、特徵值資料庫207(Event Signature Database)，以及事件比對模組203。

特徵值抽取模組201儲存於記憶體當中，此特徵值 抽取模組201由微處理器執行，以自保留下來的感測信號當中，抽取出待測特徵值。待測特徵值所指為負載電器事件之實功率、虛功率、均方根值、諧波、電壓特性，電流特性的至少其中之一。舉例來說，待測特徵值可以是電流的增加速度、電壓的增加速度，甚至是紋波(Ripple)特性。特徵值資料庫207儲存與電器事件預設組合相應之資料，這些電器事件預設組合可於初始時即內建於特徵值資料庫207中，或是由網路下載儲存至特徵值資料庫207。事件比對模組203儲存於記憶體當中由微處理器執行，此事件比對模組203比對待測特徵值是否對應於電器事件預設組合。

倘若特徵值組合，其中代表第i事件的第1個特徵值，特徵值資料庫207則儲存該電力插座設定處理事件之特徵值以及特徵值相似度比對函數(x )、(x )、...、(x )，其中，代表第i事件的第1個特徵值和資料庫中設定的第j個電器的第1個特徵值的相似度，滿足。我們將第i事件的特徵值資料，也就是輸入至第j個電器相似性函數，然後組合所有特徵值之後可得，其中ω _k 為特徵值K的重要因子(Important Factor)。

軟體模組200更含事件處理規則模組(Event Handling Regulation Module)209以及事件處理執行模組(Event Handling Module)205。事件處理規則模組209儲存於記憶體當中，以記錄數個事件處理規則，這些事件處理規則可於初始時即內建於事件處理規則模組209中，或是 由網路下載儲存至事件處理規則模組209中。事件處理執行模組205儲存於記憶體當中，此事件處理執行模組205由微處理器執行，當待測特徵值對應於電器事件預設組合，微處理器對應命令電力插座執行一控制作動，例如，微處理器促使事件處理執行模組205依據事件處理規則，對負載電器事件進行處置。

警示模組213也儲存於記憶體當中並由微處理器執行，此警示模組213受控於事件處理執行模組205來執行警告動作。警示模組213會發出警告聲響或是關閉電源來警告使用者或管理者；進一步地，警示模組213可透過週邊介面裝置113，將通報訊息傳送給遠端服務平台，以利遠端服務平台進行後續處理。

下載模組211與上傳模組215都儲存於記憶體當中並由微處理器執行，下載模組211透過週邊介面裝置113下載資料至特徵值資料庫207或事件處理規則模組209。上傳模組215透過週邊介面裝置113上傳保留下來的感測信號料或其他需要分享的資訊至遠端服務平台。

第3圖係繪示本發明第二實施例之顯示裝置示意圖。顯示裝置301顯示電力插座的相關資訊。舉例來說，顯示裝置301可以顯示電器設備的當前功率消耗為多少瓦特，以及當前使用設備清單，例如，熱水器、冷暖氣、除濕機、電湯匙、烤箱等等。顯示裝置301也可以是一個觸控螢幕，用來接收使用者與管理者所輸入的各種設定。

第4A圖係繪示本發明第三實施例之電器事件偵測 方法之一部份流程圖。電器事件偵測方法對電器操作所引發之電源信號進行感測，此方法可選擇是否下載更新相關訊息(步驟401)，例如，信號濾除器與信號濾除準則可以原始內建，或是在步驟401中下載更新，接著由信號濾除器依據信號濾除準則，對電源信號所對應之感測信號進行篩選(步驟403)，然後決定剔除或是保留感測信號(步驟405)。接著，對保留下來的感測信號進行分析辨識(步驟407)，判斷保留下來的感測信號是否對應於電器事件預設組合(步驟409)。倘若保留下來的感測信號對應於電器事件預設組合，則繼續依據數個事件處理規則進行處置(步驟411)，還可以進一步透過週邊介面裝置傳送通報訊息(步驟413)。

第4B圖係繪示本發明第三實施例之電器事件偵測方法之另一部份流程圖。第4B圖之步驟接續第4A圖的步驟413，在步驟415當中，會決定是否分享資料庫；當決定分享資料庫，則將資料庫內(例如，電器事件資料庫)所儲存的資料上傳至遠端服務平台(步驟417)。舉例來說，可透過網路將資料庫內所儲存的信號濾除器、信號濾除準則、事件處理規則、電器事件預設組合相關資訊、硬體設定、軟體設定、韌體設定(以程式之位元串流形式儲存)等，上傳至遠端服務平台。在步驟417之後，步驟419會繼續進行後續處理，前述上傳的資料則儲存於遠端服務平台，以作為管理人員未來調整或更新時的參考之用，藉此提升本發明所揭露電力插座的適用性及電器事件偵測方法判斷上的準確性。

第4C圖係繪示本發明第三實施例之電器事件偵測方法之剩餘部份流程圖。第4C圖之步驟係接續第4A圖的步驟413，在步驟421中，會決定是否更新資料庫，例如是否更新前端濾除資料庫；當決定更新資料庫，會將相關資料下載至資料庫內(步驟423)，之後，步驟425會繼續進行後續處理。

以上實施例的電力插座以及電器事件偵測方法，可先由信號濾除器依據與信號濾除準則剔除一部分的電器事件，微處理器無需對這些被剔除的電器進行處理，因此減輕了處理器的工作負擔，增加了辨識效率；此外透過管理者自行設定的電器事件預設組合，就可以針對管理者鎖定的電器事件來進行分析偵測，增加可以被辨別的電器種類，使電器設備的監控更為完整，進一步提升電器使用安全。

100‧‧‧電力插座

101‧‧‧電源供應端

103‧‧‧電源信號感測器

105‧‧‧類比數位轉換器

107‧‧‧前端信號濾除器

109‧‧‧記憶體

111‧‧‧微處理器

113‧‧‧週邊介面裝置

115‧‧‧負載電器設備

117‧‧‧遠端服務平台

Claims (21)

1. 一種電力插座，以監控一負載之至少一電器事件，該電力插座包含：一電源信號感測器，以對該電器事件所引發之一電源信號進行感測，並根據感測結果產生至少一感測信號；一前端濾除資料庫，儲存有一信號濾除準則，其中該前端濾除資料庫可連接一網路以更新該信號濾除準則，其中該信號濾除準則規範了不需要對該感測信號進行檢測的一功率消耗門檻值；一前端信號濾除器，依據該信號濾除準則，對該感測信號進行篩選，以決定剔除或是保留該感測信號，其中當該電器事件所引發之該電源信號所產生之該至少一感測信號小於該功率消耗門檻值門檻值時，剔除該感測信號；一微處理器，以對被保留下來的該感測信號進行分析辨識，判斷被保留下來的該感測信號是否對應於一電器事件預設組合，其中，當該微處理器判斷感測信號對應於電器事件組合時，該微處理器對應命令該電力插座執行一控制作動；以及一記憶體，電性連接該微處理器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電力插座，更包含一類比數位轉換器，電性連接該電源信號感測器，該類比數位轉換器將類比型式的該感測信號轉換為數位型式的該感測信號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電力插座，更包含一 電器事件資料庫，以儲存保留下來的該感測信號。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電力插座，其中該前端信號濾除器係由一硬體電路所執行。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電力插座，其中該前端信號濾除器係由數位信號處理器(Digital Signal Processor；DSP)、現場可程式閘陣列(Field Programmable Gate Array；GPGA)，或是特定應用積體電路(Application Specific Integrated Circuit；ASIC)來執行。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電力插座，更包含：一特徵值抽取模組，儲存於該記憶體當中，該特徵值抽取模組由該微處理器執行，以自保留下來的該感測信號當中，抽取出至少一待測特徵值；一特徵值資料庫，以儲存與該電器事件預設組合相應之特徵資料；以及一事件比對模組，儲存於該記憶體當中，該事件比對模組由該微處理器執行，以比對該待測特徵值是否對應於該電器事件預設組合。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電力插座，其中該電器事件預設組合包含複數個預設電器事件。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電力插座，其中該待測特徵值所指為該負載之該電器事件的實功率、虛功率、均方根值、諧波、電壓特性，電流特性的至少其中之一。
9. 如申請專利範圍第6項所述之電力插座，更包含：一事件處理規則模組，儲存於該記憶體當中，以記錄 複數個事件處理規則；以及一事件處理執行模組，儲存於該記憶體當中，該事件處理執行模組由該微處理器執行，當該待測特徵值對應於該電器事件預設組合，該事件處理執行模組依據該些事件處理規則對應命令該電力插座執行該控制作動。
10. 如申請專利範圍第9項所述之電力插座，更包含：一週邊介面裝置，以連結上一遠端服務平台(Service Platform)來進行資料傳輸。
11. 如申請專利範圍第10項所述之電力插座，更包含：一下載模組，儲存於該記憶體當中並由該微處理器執行，該下載模組透過該週邊介面裝置下載資料至該特徵值資料庫或該事件處理規則模組。
12. 如申請專利範圍第10項所述之電力插座，更包含：一上傳模組，儲存於該記憶體當中並由該微處理器執行，該上傳模組透過該週邊介面裝置上傳保留下來的該感測信號至該遠端服務平台。
13. 如申請專利範圍第10項所述之電力插座，更包含：一警示模組，儲存於該記憶體當中並由該微處理器執行，該警示模組受控於該事件處理執行模組，來執行警告動作，其中，該警示模組並透過該週邊介面裝置，將一通報訊息傳送給該遠端服務平台。
14. 如申請專利範圍第1項所述之電力插座，更包含：一顯示裝置，以顯示該電力插座的相關資訊或是接收一使用者所輸入之設定。
15. 一種電器事件偵測方法，包含：對至少一負載之至少一電器事件所引發之至少一電源信號進行感測；依據一信號濾除準則，對該電源信號所對應之一感測信號進行篩選，以決定剔除或是保留該感測信號，其中該信號濾除準則儲存在一前端濾除資料庫中，該前端濾除資料庫可連接一網路以更新該信號濾除準則，該信號濾除準則規範了不需要對該感測信號進行檢測的一功率消耗門檻值，其中當該電器事件所引發之該電源信號所產生之該至少一感測信號小於該功率消耗門檻值時，剔除該感測信號；對保留下來的該感測信號進行分析辨識，判斷保留下來的該感測信號是否對應於一電器事件預設組合；當判斷該感測信號對應於該電器事件預設組合時，命令一電力插座執行一控制作動；以及當判斷該感測信號不對應該電器事件預設組合時，則不作動。
16. 如申請專利範圍第15項所述之電器事件偵測方法，更包含：當該感測信號對應於該電器事件預設組合時，依據複數個事件處理規則之一命令該電力插座執行該控制作動。
17. 如申請專利範圍第16項所述之電器事件偵測方法，其中，係自保留下來的該感測信號當中，抽取出至少一待測特徵值，然後比對該待測特徵值是否對應於該電器事件預設組合，來執行分析辨識。
18. 如申請專利範圍第17項所述之電器事件偵測方法，其中該電器事件預設組合及該等事件處理規則係由一使用者自行設定。
19. 如申請專利範圍第16項所述之電器事件偵測方法，其中該電器事件預設組合包含一般電扇啟動、特定電扇啟動、電燈啟動、電子產品充電、電子廚具啟動、除濕機啟動、冷氣啟動，以及加熱器啟動的至少其中之一。
20. 如申請專利範圍第16項所述之電器事件偵測方法，更包含：下載該信號濾除準則、該等事件處理規則、該電器事件預設組合的相關資訊、硬體設定、軟體設定、韌體設定，以及位元串流的至少其中之一。
21. 如申請專利範圍第16項所述之電器事件偵測方法，更包含：透過網路將該信號濾除準則、該等事件處理規則、該電器事件預設組合相關資訊、硬體設定、軟體設定、韌體設定，以及位元串流的至少其中之一，上傳至一遠端服務平台。