專利名稱：從電壓下降推斷能量使用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施方式通常涉及用于監(jiān)測和分析電能消耗(消費者能量使用)、識別正在消耗電能的設備、確定線路阻抗并測量和分析建筑物內(nèi)的電壓變化的方法和設備。
背景技術：
對全球氣候變化的不斷關注產(chǎn)生了朝著能夠提供節(jié)能優(yōu)點的系統(tǒng)進行移動的緊迫性。使用智能電網(wǎng)(一種智能的能量生成、傳輸和分配系統(tǒng))可提供節(jié)能。智能電網(wǎng)的潛力在于其整合以及使用信息計算技術(ICT)來傳遞比使用當前電網(wǎng)可得到的能量效率更大的能量效率。對付能量優(yōu)化挑戰(zhàn)部分地涉及使當前的基礎設施在電網(wǎng)的許多層面上充滿提高的測量、監(jiān)測、推斷、控制、促動和可管理性，包括在基礎設施的非常邊緣處，其中在所述邊緣處有數(shù)量不斷增加的終端用戶設備和電器。這些智能地點中的每個可不僅通過降低在峰值負載時間期間對多用戶電網(wǎng)的能量需求而且還通過使用更少的總能量來潛在地提供f倉泛。


圖1示出了用于檢測和分析建筑物內(nèi)的能量消耗的系統(tǒng)的部署。圖2提供了插入到AC (交流)插座中并對監(jiān)測建筑物中的電能使用有用的設備。圖3A到3H示出了各種設備(包括常見的家用電器)的所測量的電壓特征(voltagesignature)和微波爐的頻率特征(frequency signature)。圖4提供了描述用于根據(jù)電器的所測量的電壓特征識別電器的方法的流程圖。
具體實施例方式對各種行為和使用模式的成本的加強的認識可最終降低能量消耗并減慢其負面環(huán)境影響。本發(fā)明的實施方式提供了能夠測量、分析和監(jiān)測建筑物內(nèi)的設備的電能消耗的方法和設備。在建筑物或建筑物的區(qū)段內(nèi)采用傳感器來推斷耗電設備的標識以及這些設備單獨和/或共同消耗的功率量。本發(fā)明的實施方式提供了易安裝性、簡單性、可管理性和易用性，這可以引起由房主和企業(yè)進行部署。在正被監(jiān)測的空間內(nèi)部署感測系統(tǒng)幫助終端用戶控制所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。本發(fā)明的實施方式使得能夠采用邊緣設備能量監(jiān)測并改善消費者能量效率。在整個本公開中，為了說明的目的，可以用特定于地理地點和終端用戶類型的術語來表示電能，然而本發(fā)明的實施方式可用在其它地點中，所述其它地點具有不同的用于將電能輸送給終端用戶的標準以及不同類型的終端用戶。例如，在美國，一般以60Hz和大約120V (即，大部分時間在114和126V之間)向終端用戶輸送電能。在其它國家，例如，以50Hz或50Hz和60Hz的混合產(chǎn)生電力，并且電力可從大約120V變化到大約240V。交流電(AC)的其它頻率和電壓也是可能的。圖1提供了用于監(jiān)測建筑物內(nèi)的電能使用的系統(tǒng)。建筑物是企業(yè)或住宅或其一部分，并且例如是家庭、辦公室、工廠、商店或采用了耗電設備的企業(yè)或住宅的其它地方。在圖1中，電能通過輸電線路115作為交流電(60Hz)從本地電網(wǎng)110供應到建筑物105。兩條線路116和117 (每條線路接近120V)向建筑物中的房間125供應電力。對于一些較大的能量消耗設備，將兩個分支116和117連接起來，使得設備接收240V。建筑物105 (或其區(qū)段)所消耗的功率的量一般由功率表120測量?？蛇x地，功率表120能夠(通過硬連線或無線地)發(fā)送與建筑物的所記錄的能量使用有關的信息。房間125包含各種設備130、131和132，這些設備在白天和夜晚期間在不同的時間使用不同量的功率。在該實施方式中，提供兩個電力使用監(jiān)測器135，每個120V分支使用一個監(jiān)測器，然而，其它數(shù)量的監(jiān)測器也是可能的。為了監(jiān)測整個建筑物或建筑物的區(qū)段(其中在兩個分支中輸送功率)，采用了至少兩個電力使用監(jiān)測器135，以便監(jiān)測每個分支并得到正被監(jiān)測的建筑物或建筑物區(qū)段的能量消耗值。在圖2中，耗電設備130是被配置成以一般在家里發(fā)現(xiàn)的120伏特運行的設備，諸如例如燈、電視機、視頻設備、音頻設備、計算機、安全系統(tǒng)、加熱器、空氣凈化器、空調(diào)、打印機、傳真機、微波爐、煮咖啡機、烤面包機、某種烤箱、某種洗衣機、洗碗機、熱水器、時鐘、恒溫器和干衣機。耗電設備131是使用一般在家里發(fā)現(xiàn)的240V電力的設備，并且例如是電干衣機、電洗衣機、洗碗機、空調(diào)、加熱器、電熱水器、電爐和電冰箱。前面的列表是示例性的，并且未必窮舉了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的可監(jiān)測的耗電設備的類型。耗電設備132是無線地或通過有線連接從電力使用監(jiān)測器135接收輸入的計算機系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)132可選地連接到互聯(lián)網(wǎng)145并能夠從位于遠處的計算機系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到位于遠處的計算機系統(tǒng)。使用監(jiān)測器135被插入到插座140中，且兩個使用監(jiān)測器135每個都被插入到由輸電線路115的不同分支(116和117)供電的插座140中。在可替換的實施方式中，電力使用監(jiān)測器135可操作地耦合到輸電線路116和117，而沒有介于其間的插頭和插座組
八
口 ο通常，計算機系統(tǒng)132是由計算機以及各種輸入和輸出設備(諸如例如顯示器、鍵盤、指示設備(例如鼠標和操縱桿))、調(diào)制解調(diào)器和數(shù)據(jù)存儲設備組成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)132涵蓋單個機器或具有一起運行的通信地耦合的機器或設備的系統(tǒng)。示例性計算機系統(tǒng)元件包括但不限于分布式計算系統(tǒng)、超級計算機、高性能計算系統(tǒng)、計算群、大型計算機、微型計算機、客戶機-服務器系統(tǒng)、個人計算機(PC)、工作站、服務器、便攜式計算機、膝上型計算機、平板電腦、個人數(shù)字助理(PDA)、電話、手持設備、娛樂設備(例如音頻和/或視頻設備)以及用于處理或傳輸信息的其它設備?？蛇x地，計算機系統(tǒng)132不位于正被監(jiān)測的建筑物105內(nèi)。一般地，計算機具有處理系統(tǒng)，包括通信地耦合到一個或多個易失性或非易失性數(shù)據(jù)存儲設備的處理器，數(shù)據(jù)存儲設備例如是隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、大容量存儲設備(例如串行高級技術附件(SATA)或小型計算機系統(tǒng)接口(SCSI)硬盤驅動器)、和/或能夠訪問介質(例如軟盤、光學存儲器、帶、閃存、記憶棒、⑶-ROM和/或數(shù)字視頻盤(DVD))的設備。術語ROM是指非易失性存儲設備，例如可擦除可編程ROM (EPR0M)、電可擦除可編程ROM(EEPROM)、閃速ROM和/或閃存。處理器也可通信地耦合到額外的部件，例如視頻控制器、SCSI控制器、網(wǎng)絡控制器、通用串行總線(USB)控制器和輸入設備。可以使用各種有線和/或無線短距離協(xié)議來進行計算機系統(tǒng)的元件、額外的處理器和/或電使用監(jiān)測器之間的通信，所述各種有線或無線短距離協(xié)議包括USB、WLAN (無線局域網(wǎng))、射頻(RF)、衛(wèi)星、微波、電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE) 802.11、藍牙、光、光纖、紅外線、電纜和激光。在一些實施方式中，計算機系統(tǒng)132通信地耦合到第二處理器(未示出)，所述第二處理器運行用于驅動電力使用監(jiān)測器135的軟件并接收、存儲和/或分析來自電力使用監(jiān)測器135的數(shù)據(jù)。計算機系統(tǒng)132 —般還包括用于驅動電力使用監(jiān)測器135 (在沒有第二處理器的情況下)、用于與第二處理器通信并從第二處理器接收數(shù)據(jù)、用于分析數(shù)據(jù)和給用戶提供電力使用數(shù)據(jù)、引導數(shù)據(jù)存儲、和/或訪問電器特征數(shù)據(jù)庫的軟件以及用于顯示與能量消耗有關的原始和/或經(jīng)分析的數(shù)據(jù)的顯示設備(未示出)?？蛇x地，在本地訪問的計算機可讀介質上(例如在諸如軟盤、閃存設備、數(shù)字視頻盤和CD-ROM之類的設備上)將用于能量使用監(jiān)測的軟件提供給計算機系統(tǒng)132，和/或所述軟件可通過互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站下載而得至IJ，在互聯(lián)網(wǎng)站點處所述軟件以計算機可讀格式存儲在存儲器中。如在本文進一步討論的，計算機系統(tǒng)132還可包括在可訪問的存儲設備中存儲的和/或以計算機可讀格式存儲的電器特征數(shù)據(jù)庫。電器特征數(shù)據(jù)庫也可選地存儲在通過互聯(lián)網(wǎng)可訪問的存儲設備中或存儲在諸如硬盤驅動器、軟盤、閃存設備、數(shù)字視頻盤和CD-ROM之類的設備上。可選地，計算機系統(tǒng)132收集來自功率表120的數(shù)據(jù)(無線地、通過有線連接、或數(shù)據(jù)是用戶輸入的)，并結合來自電力使用監(jiān)測器135的數(shù)據(jù)來使用功率表數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生關于建筑物105內(nèi)的能量使用的信息。圖2提供了能夠確定線路阻抗并作為電壓傳感器運行的設備，其用于推斷哪些電器正在運行以及它們正在消耗多少功率。阻抗確定是圖2的設備的可選元件。圖2的設備(電力使用監(jiān)測器)使用插頭205插入到插座(未示出)中，所述插座將電能輸送到建筑物。插頭205允許電力使用監(jiān)測器監(jiān)測建筑物的輸電線路。在可替換的實施方式中，電使用監(jiān)測器更直接地連接到正被監(jiān)測的輸電線路，而沒有介于其間的插頭/插座組合。插頭/插座組合的優(yōu)點是，它允許未必精通建筑物的電氣布線的個人安裝電力使用監(jiān)測器。插頭205電連接到用于測量電壓的電子設備并且也(可選地)連接到允許線路阻抗的測量的電子設備。用于測量電壓的電子設備包括變壓器210，變壓器210能夠逐步降低輸入到用于測量電壓的模數(shù)轉換器215 (ADC或A/D轉換器)的AC功率。變壓器210-ADC215的耦合還包括偏置電路(未示出)，偏置電路能夠使偏置電壓以已知值為中心。模數(shù)轉換器例如是13B SPI A/D(MCP3303)(一般用于聲產(chǎn)生的A/D轉換器)或VSK-S3-3R3U。在針對示例性實施方式的操作中，VAC變壓器210的輸出被偏置于參考電壓(例如，Vref=2.5V)，所述參考電壓是使用RC(電阻器-電容器電路)濾波器以240Hz被濾波的，并且對于130V的VAC輸入而言，使用IK的電位計將電壓調(diào)整為大約5V的峰值輸出。在本發(fā)明的實施方式中，使用10位的A/D，然而，使用具有相同或不同分辨率值的其它A/D轉換器也是可能的。ADC215可操作地連接到通用輸入/輸出控制器(GPIO) 220，GP10220又可操作地(例如，通過USB接口)連接到控制器225，控制器225具有能夠運行軟件的處理器、驅動電力使用監(jiān)測器的操作的軟件、用于存儲該軟件的可操作地耦合的存儲器以及輸入/輸出能力。控制器225可操作地連接到能夠從控制器225接收數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)并輸出原始的和所分析的數(shù)據(jù)的主機計算機系統(tǒng)230。在可替換的實施方式中，控制器225的一些或所有功能由主機計算機系統(tǒng)230執(zhí)行。主機計算機230例如無線地((IEEE) 802.11)連接到控制器225。
圖2的電力使用監(jiān)測器中的可選的阻抗確定電路包括電阻器235，電阻器235能夠施加已知的負載并串聯(lián)連接到交流三極管(TRIAC或雙向三極管晶閘管)240。在圖2中，提供了耦合了一個電阻器的TRIAC單元，雖然其它數(shù)量也是可能的，諸如例如從一到二十五或更多的單元數(shù)量。通常，所使用的電阻器-TRIAC單元的數(shù)量部分地取決于所使用的電阻器和TRIAC的類型、電阻器-TRIAC單元所產(chǎn)生的熱量(和在電壓采樣測量之間電阻器-TRIAC單元冷卻所需要的時間量)、以及制造成本的考慮，并且使用更大數(shù)量的電阻器-TRIAC單元是可能的。TRIAC240可操作地連接到TRIAC驅動器(未示出)，諸如例如M0C3036和M0C3010隨機相位光隔離器，所述TRIAC驅動器可操作地連接到GP10220，GP10220允許控制器225使TRIAC240產(chǎn)生脈沖并測量電阻器235所提供的已知負載的電壓。電阻器235例如是400hm (25W)電阻器或3.50hm PTC (正溫度系數(shù))熱敏電阻器。在電阻器235是PTC熱敏電阻器的實施方式中，可選地提供能夠測量電阻器的工作溫度的熱測量設備(未示出)。熱測量設備可操作地連接到GP10220。增加熱測量設備以允許軟件中的校準曲線增強PTC熱敏電阻器的準確性。此外，熱測量設備確定起始溫度，并且因此確定在我們的校準例程中熱敏電阻器的電阻在有效范圍內(nèi)。示例性計算如下。電力使用監(jiān)測器使用隔離變壓器、衰減器和偏置電路收集AC電壓的樣本以準確地使得偏壓以V3.3/2為中心，并接著將它提供到10位的ADC以轉換成數(shù)字格式。以大于每秒N個樣本的采樣率來對60Hz (或例如在歐盟為50Hz)的正弦波進行采樣以實現(xiàn)必要的峰值數(shù)據(jù)分辨率和零交叉。采樣產(chǎn)生了峰值電壓的最大誤差:誤差=1- COS (2 31 f；/N)，其中f。是基本輸電線路頻率。在3.3V的峰間(P-P)信號(表示400Vp_p線路電壓(大約120V S±20%))的10位分辨率處并假設一般的Rline為0.50hm，對于來自所測量的最大電壓的峰值電壓下降的每個位而言，使用監(jiān)測器將報告功率:
Plb=l/4Vmax2/(220Rline) =76mff (大約)對于支持IW分辨率的或支持10位采樣所提供的分辨率的大約13倍的采樣率N而言，采樣率誤差占首要地位。因此，因為最小誤差由下式給出:Vfflin= (Pfflin*Rline)-5=0.707V,所以最小采樣率是:Smin=2 π f0/acos (1- (Vfflin/Vfflax)) =4482/ 秒。有用的電壓采樣率的范圍在每秒500個樣本和每秒10，000個樣本之間、在每秒
I,000個樣本和每秒5，000個樣本之間以及在每秒3，000個樣本和每秒5，000個樣本之間。AC線路電阻用于根據(jù)所測量的電壓降計算線路電流。由可編程GPIO驅動的光耦合的TRIAC實現(xiàn)了去往非線性正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻器的定時電流突發(fā)。PTC熱敏電阻器用于提供有意義的強大的校準電流而不會在傳感器外殼內(nèi)部增加過多的平均功率抽取(power draw)，并用于提供失效保護方法來限制應用校準的時間，而不管傳感器控制器的狀態(tài)。IOOms的電流流動可提供完整的突發(fā)信號，同時最小化在PTC熱敏電阻器上產(chǎn)生的熱。此外，PTC熱敏電阻器上的溫度傳感器確保一致的和準確的電阻值。所測量的值提供所計算出的AC線路阻抗和參考電壓下降/功率關系。線路阻抗例如是按照以下方式計算的:最大電壓(Vmax)被設為400V并計算實際線路電壓，計數(shù)Ninit (恰好在激發(fā)TRIAC之前的電壓)是已知的。在AC線路上應用PTC熱敏電阻器，并且觀測到最小電壓。在本例子中，PTC熱敏電阻器是3.SOhm的冷設備，在其熱周期中出現(xiàn)的最小電阻為Rmin=3.20hm。最大電流在3.20hm處達到，并接著基于PTC熱敏電阻器的特性快速恢復到非常小的值。當電流是非常小的值時，電壓值是Nmin:Vinit=Vmax*Ninit/Nmax 和 Vniin=VniaJNminZNmax1-Hn 和然后 Rline= (Vmax — Vmin) /1-和Rline= ((Nmax/Nmin) -1) Rfflin 或 Rline= ((Vfflax/Vfflin) -1) Rmin。一些示例性的值是:Nmax=1024，Nmin=900, Rmin=3.2 給出 Rline=0.440hm。在上文中，Ninit是對于線路上的電壓從A/D轉換器采樣的值，Vfflax是正被測量的線路的最大電壓，并且Vmin是當PTC熱敏電阻器的電阻在其最小值處時線路上的電壓。建筑物中的輸電線路的阻抗(Rlim)是根據(jù)下面的關系式來確定的:Rline= ((N眶/Nniin) -1) * (熱敏電阻器的 R 值)其中Nmax是A/D轉換器的校準值，其表示可在設備上測量的最大電壓，并且Nmin是當PTC熱敏電阻器的電阻值是PTC熱敏電阻器的最小電阻值時在A/D轉換器上測量的最小電壓值。熱敏電阻器的R值是由PTC熱敏電阻器提供的最小R值。該關系可以可替換地被表達為:Rline= ((YmJYmin) -1) * (熱敏電阻器的 R 值)其中Vmax是正被測量的線路的最大電壓，而Vmin是當PTC熱敏電阻器的電阻在其最小值處時線路上的電壓。對于使用不是PTC熱敏電阻器的已知電阻負載的實施方式而言，PTC熱敏電阻器表現(xiàn)為被放置在線路上的負載，其可被接通。在線路上的已知負載和電壓的測量允許估計上游阻抗。關于已知電阻負載得到的電壓降允許計算電流。根據(jù)電壓測量來獲得從線路抽取的功率的估計。例如使用方程P=V2R計算電器所使用的功率，其中P是功率，V是電線路上的所測量的電壓下降，作為電器啟動并正從線路抽取功率的結果，并且R是房屋的電線路的阻抗?？筛鶕?jù)可歸因于電器的隨著時間的所測量的電壓變化的總和確定所使用的能量的量?？商鎿Q地，例如可以在確定設備的標識之后，根據(jù)電器操作特性的源以及設備運行的所測量的時間量來確定電器所消耗的能量，其中電器操作特性提供與電器的能量使用有關的信息，所述電器的能量使用是時間的函數(shù)。此外，電器的能量使用的測量值可與電器的公布值比較，以確定電器是否在預期參數(shù)內(nèi)運行。電器的不尋常高的功率消耗率例如可以指示電器需要維修(諸如例如，家用加熱單元中的過濾器需要更換)。當施加穿過PTC熱敏電阻器的電流時，計算Nrati。因子以使電壓下降與功率使用關聯(lián)。使用已知的PTC熱敏電阻器的電阻來計算電流(I):1=VMS/(熱敏電阻器的R值)。通過Vnns (這是均方根電壓的測量值)和所計算的電流(I)值的乘積來計算功率。通過使所計算的功率與觀測到的電壓下降關聯(lián)來計算NMti。因子，電壓下降是校準脈沖的差(Nmax-Nmin):Nratio= (Vrms/ (熱敏電阻器的 R 值))* (Vrms/ (Nmax - Nmin))圖3A-F示出了 PCT熱敏電阻器和家用電器的依據(jù)時間的電壓特征，所述電壓特征是通過監(jiān)測輸電線路上的電壓下降來得到的，其中電器連接到所述輸電線路。對于圖3的電壓特征，電器被接通，并且電壓信號以10位的分辨率以每秒4，000個樣本的采樣率被捕獲。4K采樣率為每個完整的60Hz波形提供大約66.67個樣本，因此針對每個正/負峰值的大約33.33個樣本可以用于信號分析和電器識別。通常，為了電器測量，電器連接到使用與圖2的設備類似的設備監(jiān)測的120V線路。在圖3中，y軸(垂直軸)是電壓(V)，而X軸是以秒為單位的時間。圖3A示出了用于計算線路阻抗的PTC熱敏電阻器的電壓特征。在圖3A中，示出了校準脈沖的電壓特征，并且Ninit是在電壓開始下降之前的值，以及Nmin是電壓驟降的底部處的計數(shù)。圖3B示出了在高功率時微波爐的電壓特征，而圖3C示出了在低功率時微波爐的電壓特征。圖3D示出了電冰箱的電壓特征，圖3E示出了烤面包機的電壓特征，而圖3F示出了 LED電視機(LED (發(fā)光二極管))的電壓特征。 在本發(fā)明的實施方式中，根據(jù)圖4所示的方法推斷建筑物中的能量使用。通過測量作為時間的函數(shù)的輸電線路電壓來得到消耗來自建筑物中的AC電力輸送線路的功率的電設備(即，負載)的電壓特征。以每秒500個樣本與每秒10，000個樣本之間的采樣率捕獲線路電壓的值，并產(chǎn)生電器(負載)的特征?？蛇x地，使用事件檢測來發(fā)起模式分析。當負載被施加到AC線路并且檢測到具有在選定值之上的值的電壓下降時，檢測到事件。例如，當檢測到50瓦的相關的電壓下降時，發(fā)起事件檢測?？蛇x地，負載最初根據(jù)電壓下降的幅度而被特征化。在確定負載的標識時，負載的標識的可能性的范圍可選地被縮小到一組產(chǎn)生類似的電壓降幅度(在選定范圍內(nèi))的可能設備。在本發(fā)明的實施方式中，在設備運行開始時或在設備運行開始附近的電壓降被選擇用于最初特征化，雖然也可能選擇在不同時間值處的電壓降。由負載的電壓特征產(chǎn)生(在選定的運行時間段上作為時間的函數(shù)的測量電壓)的模式與已知設備的電壓特征的數(shù)據(jù)庫中的電壓識別特征進行比較以確定負載的標識。對于60Hz正弦波的正振幅和負振幅，使用峰值檢測器進行電壓信號分析(模式匹配)。使用所得到的電壓特征中的一些和/或全部來進行模式匹配。通常，電壓特征在設備被接通時可選地開始并且在設備被關掉時可選地結束，雖然小于設備被接通的全部時間的電壓特征也是可能的。一般地，對于運行了長時間段的設備而言，在運行開始時得到的電壓特征初始地用在模式匹配分析中。在一些情況中，當電器被接通時電壓特征的開始相對于設備的標識是特別有信息量的。例如，使用在設備被接通之后得到的電壓特征的一部分(例如前30秒到5分鐘的電壓特征或其一部分)進行模式匹配。如果沒有找到模式匹配，則可選地使用更多的電壓特征或不同時間段的電壓特征重復模式匹配過程。針對識別電器所需要的模式的最小百分比匹配來選擇閾值。所選擇的閾值取決于設備的類型和所存儲的模式的頻率。最后，選擇為電器識別提供期望精確度水平的閾值?？蛇x地對所檢測的電壓特征執(zhí)行額外的分析。例如，快速傅立葉變換(FFT)和雙相干算法可產(chǎn)生可以與電器的已知頻譜特征進行匹配的頻譜頻率特征，所述已知頻譜特征也存儲在數(shù)據(jù)庫中?？焖俑盗⑷~變換(FFT )和雙相干算法應用于所得到的電壓特征的一些和/或全部，特別是在電器的瞬時階段中。在一些情況中，在電器被接通時電壓特征的開始相對于產(chǎn)生允許確定設備的標識的區(qū)別性頻譜特征是特別有信息量的。電壓特征的簡單識別可幫助選擇將在頻域中被分析的數(shù)據(jù)窗口。圖3G和3H示出了微波磁控管的接通的兩個測量的頻率分析。在圖3G和3H中，y軸表示特定頻率的出現(xiàn)次數(shù)，而X軸是頻率。數(shù)據(jù)窗口是磁控管接通事件，并且已經(jīng)執(zhí)行了 FFT分析。這兩個曲線圖展示了可用于模式匹配和設備識別的強模式。電壓/時間分析(電壓特征匹配)、開窗頻率分析連同統(tǒng)計分析和設備接通的可能性一起導致了特定設備或特定設備場景被接通的可能性的組合分數(shù)。組合的設備檢測分數(shù)可用于識別正運行的電氣設備。組合的設備檢測分數(shù)考慮了電器在其運行環(huán)境內(nèi)的觀測到的行為、電壓/時間模式匹配(電壓特征匹配)以及針對電壓特征的多個部分的頻率信號匹配。例如，可以只在或通常在一天的某些時段期間使用設備，例如主要在早晨使用四次的烤面包機、在整天周期性地運行的熱水器、由于磁控管的充電而具有不同的頻率信號的微波爐、或具有在電壓特征中找到的可預測的定時模式行為的洗衣機。根據(jù)設備的行為，組合的設備檢測分數(shù)的特定部分可接收較高加權分數(shù)。例如，烤面包機的統(tǒng)計使用分析分數(shù)在烤面包機被預期運行的時段期間變高，洗衣機可接收電壓特征模式匹配的較高權重，并且微波爐可接收頻率模式匹配的較高權重。此外，如果可從額外的設備(諸如例如在建筑物中的恒溫器)得到數(shù)據(jù)，則可使用指示電器在運行的來自恒溫器的數(shù)據(jù)確定加熱器和空調(diào)的電器標識。在被監(jiān)測電能使用的建筑物中提供兩個AC線路的情況中，連接到每個線路的電力使用監(jiān)測器檢測到同時的電壓特征表示電器正從這兩條線路抽取功率。在這種情況中，一個電力使用監(jiān)測器所測量的電壓被加倍，或來自與第一 120V線路相關聯(lián)的使用監(jiān)測器的電壓被加到在與第二 120V線路相關聯(lián)的使用監(jiān)測器處發(fā)現(xiàn)的電壓降，以確定電器所使用的功率，并且還可選地執(zhí)行電壓特征模式匹配以進行電器識別。兩個電器在檢測限制內(nèi)同時接通一般是罕見事件。在沒有找到模式匹配的情況下和/或當初始電壓下降不是預期的值時，例如通過從觀測到的電壓特征減去已知的電壓特征并在時域和頻域中對因而產(chǎn)生的電壓特征執(zhí)行模式匹配分析來執(zhí)行分解(disaggregation)。類似地,對于三個或更多個電器在檢測限制內(nèi)同時接通的情況,從觀測到的電壓特征減去兩個或更多個已知的電壓特征，并在減去之后對因而產(chǎn)生的電壓特征執(zhí)行模式匹配。在第二負載在第一負載接通之后的某個時間接通的情況中，例如通過從觀測到的電壓特征減去已知的電壓特征并對因而產(chǎn)生的電壓特征執(zhí)行模式匹配分析來執(zhí)行分解。使用對開窗瞬時數(shù)據(jù)點的頻譜分析來進行進一步的驗證。電壓特征和頻率特征的模式匹配涉及將從連接到正被監(jiān)測的輸電線路的使用電力的設備得到的特征與已知電器的特征進行比較。創(chuàng)建包含電器的電壓特征和與所述電壓特征相關聯(lián)的電器的標識的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫還可包含電器的頻率特征和與所述頻率特征相關聯(lián)的電器的標識。在能量消耗監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)，已知特征的數(shù)據(jù)庫本地地存儲在可操作地耦合到執(zhí)行模式匹配分析的處理器的數(shù)據(jù)存儲設備上，和/或存儲在通過互聯(lián)網(wǎng)云可訪問的一個或多個數(shù)據(jù)庫上。一般地，為了是有用的，數(shù)據(jù)庫將具有已知電器的大量特征。然而，根據(jù)最終使用，包含以前在環(huán)境中檢測到的已知設備的較小數(shù)據(jù)庫也是有用的。在本發(fā)明的實施方式中，數(shù)據(jù)庫具有至少10個特征。已知電壓特征的數(shù)據(jù)庫填充有從在正被監(jiān)測的建筑物外部的源得到的電壓特征和/或從正被監(jiān)測的輸電線路上測量的特征得到的電壓特征。本地數(shù)據(jù)庫可選地擴展到存在于互聯(lián)網(wǎng)云中的一個或多個數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫可選地填充有額外的特征信息，例如從對電氣設備的瞬時狀態(tài)進行的快速傅立葉變換(FFT)和雙相干分析而得到的頻率特征?？蛇x地，數(shù)據(jù)庫還包括頻譜等級，其指示設備將是部署在家里的設備的可能性。在操作中，可選地，對數(shù)據(jù)庫進行修改以創(chuàng)建已知位于在正被監(jiān)測的建筑物中的電器的組，并且在系統(tǒng)運行期間，這些組可首先用于模式匹配。在一個實施方式中，使用本地存儲的數(shù)據(jù)來執(zhí)行模式匹配，并且如果沒有找到模式匹配，則對匹配模式的搜索擴展到通過互聯(lián)網(wǎng)可得到的電壓和頻率特征。如果找到模式匹配，則將相關聯(lián)的電器的電壓特征和標識存儲在本地數(shù)據(jù)庫中。結果是，在環(huán)境中檢測到的所有電氣設備都存儲在本地數(shù)據(jù)庫中。以數(shù)據(jù)庫格式存儲的針對電器的信息可包括:基于初始和瞬時時間的接通和關掉模式、具有用于頻率分析的數(shù)據(jù)窗口的基于完整的時間的電壓特征、和/或瞬時數(shù)據(jù)的相關窗口的頻譜特征。數(shù)據(jù)庫信息還可選地包括使用頻率和使用時間的一般使用模式。當確定了正被監(jiān)測的建筑物中的電器的領域(universe)時模式匹配分析變得更快速，并且在第一次通過時可使用建筑物內(nèi)的已知電器的領域進行模式匹配。如果沒有找到匹配，則使用來自已知電器的領域外部的電壓特征進行模式匹配?？蛇x地，對于正被監(jiān)測的負載中的一些或全部，用戶可輸入與特定的負載相關聯(lián)的標識值。例如，如果用戶給車庫中的冷藏柜插上電源并且當冷藏柜接通時能量監(jiān)測系統(tǒng)感測到電壓特征，那么用戶可將一個值分配給能量監(jiān)測系統(tǒng)所捕獲的特定特征，例如“車庫中的冷藏柜”，并且也可以可選地輸入制造商信息。識別出的電器的電壓特征存儲在數(shù)據(jù)庫中并與已知在房屋內(nèi)運行的電器組相關聯(lián)。當下次冷藏柜接通時，系統(tǒng)可選地首先在已知在房屋內(nèi)運行的電器組中進行搜索以將冷藏柜識別為運行并產(chǎn)生所記錄的電壓特征的電器。此外，數(shù)據(jù)庫也可填充有使用信息，所述使用信息例如指示設備可能多久被使用一次和設備可能何時被使用以及設備是否可能結合其它設備被使用，以用于統(tǒng)計行為分析?？蛇x地，建筑物輸電線路的阻抗被確定一次，并且所得到的值用于確定從建筑物輸電線路抽取功率的電器所消耗的電能。可替換地，在從AC輸電線路收集電壓信息期間每隔一段時間重復地確定線路的阻抗。與計算機系統(tǒng)相關聯(lián)的軟件提供用于電能使用監(jiān)測器用戶安裝的指南，所述計算機系統(tǒng)接收并分析針對電能使用監(jiān)測器的數(shù)據(jù)。在家庭環(huán)境中安裝電能使用監(jiān)測器的用戶例如可能遇到以下情況:存在兩個不同的需要被監(jiān)測以便捕獲整個家庭里的能量使用的AC線路。在不訪問家庭的布線圖的情況下，用戶可能不知道哪些線路或插座耦合到哪些AC線路。在安裝了電能使用監(jiān)測器之后，同時在兩個使用監(jiān)測器上檢測到相同電壓事件指示這些監(jiān)測器已經(jīng)安裝在同一 AC線路上并且需要移動一個監(jiān)測器直到它安裝在不同的AC線路上為止。向用戶警告這種情況，并建議用戶移動一個監(jiān)測器，直到這些監(jiān)測器位于兩個不同的線路上為止。使用線路的阻抗的值和依據(jù)時間的電壓降的測量值來確定能量消耗。提供用于根據(jù)時間并根據(jù)電器的標識來顯示能量消耗數(shù)據(jù)的用戶界面。設備的能量消耗可選地被輸出為例如每單位時間(例如一小時、一天和/或一星期等)的能量的量、在設備的接通/關掉周期內(nèi)消耗的能量的量、和/或以連續(xù)的更新格式來輸出設備的能量消耗，例如當前運行的設備當前所消耗的功率。如果所識別的電器的能量消耗隨著時間的過去而改變或增加，則可選地提供警告。電加熱器的能量消耗的增加例如指示與加熱器相關聯(lián)的過濾器被阻塞并需要被清潔。對于沒有區(qū)別性特征的電器(諸如例如燈)而言，可選地使用額外的傳感器(諸如例如光檢測器(光電管)和振動傳感器)來確定電器運行時段。這樣的電器還可伴隨有用于確定它們何時運行的傳感器。將傳感器信息傳輸?shù)接糜谟涗浐头治龅挠嬎銠C系統(tǒng)。
相關領域的技術人員將認識到，在整個公開中，對所示出并描述的各個組件的組合和替換進行修改和變更是可能的。在整個說明書中對一個實施方式或實施方式的提及意味著結合該實施方式描述的特定特征、結構、材料或特性包括在本發(fā)明的至少一個實施方式中，但不一定表不它們存在于每個實施方式中。此外，可在一個或多個實施方式中以任何適當?shù)姆绞浇M合特定的特征、結構、材料或特性。在其它實施方式中可包括各種額外的層和/或結構，和/或可省略所描述的特征。
權利要求
1.一種用于確定電能消耗設備的標識的方法，包括: 將電力使用監(jiān)測器連接到建筑物中的電力輸送線路，其中所述電力使用監(jiān)測器能夠檢測由所述電力輸送線路供應的電壓，并且其中所述電力使用監(jiān)測器可操作地連接到處理器，其中所述處理器能夠指導所述電力使用監(jiān)測器捕獲電壓值并能夠使數(shù)據(jù)存儲在存儲設備中， 捕獲作為時間的函數(shù)的由 所述電力輸送線路供應的電壓的值， 創(chuàng)建連接到所述電力輸送線路的未知電能消耗設備的電壓特征，其中所述電壓特征包括在所述未知電能消耗設備運行期間作為時間的函數(shù)的由所述電力輸送線路供應的電壓的檢測到的變化， 基于所述未知電能消耗設備的電壓特征與已知電能消耗設備的電壓特征的相似性來確定所述未知電能消耗設備的標識。
2.如權利要求1所述的方法，其中連接是通過將所述電力使用監(jiān)測器插入到插座中而發(fā)生的，所述插座電連接到正被監(jiān)測的所述電力輸送線路。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述電壓是以每秒500個樣本與每秒10，000個樣本之間的采樣率被捕獲的。
4.如權利要求1所述的方法,其中所述電壓是以每秒3000個樣本與每秒5000個樣本之間的采樣率被捕獲的。
5.如權利要求1所述的方法，其中確定所述標識包括:對所述未知電能消耗設備的電壓特征的全部或一部分執(zhí)行快速傅立葉變換或雙相干分析，以及將因而產(chǎn)生的頻率譜與已知電能消耗設備的頻率譜進行匹配。
6.如權利要求1所述的方法，其中用于確定所述未知電能消耗設備的標識的電壓特征是在所述電能消耗設備運行的前30秒期間得到的。
7.如權利要求1所述的方法，還包括:基于對所述電能消耗設備的觀測到的使用模式進行的統(tǒng)計分析來創(chuàng)建用于識別所述電能消耗設備的組合的設備檢測分數(shù)。
8.一種用于計算建筑物中的電力輸送線路的阻抗的方法，包括: 測量當已知電阻負載被施加到所述電力輸送線路時所述電力輸送線路上的電壓降，以及 計算所述電力輸送線路的阻抗的值，其中計算包括:將所述電力輸送線路中的最大電壓除以當所述已知電阻 負載被放置在所述線路上時測量到的電壓，減去1，以及將因而產(chǎn)生的值乘以所述已知電阻負載的電阻。
9.一種存儲指令的計算機可讀存儲介質，所述指令在被計算機執(zhí)行時使所述計算機執(zhí)行計算建筑物中的電力輸送線路的阻抗的方法，所述方法包括: 得到當已知電阻負載被施加到所述電力輸送線路時所述電力輸送線路上的電壓降的值，以及 將所述電力輸送線路中的最大電壓除以當所述已知電阻負載被放置在所述線路上時測量到的電壓，減去數(shù)字1，以及將因而產(chǎn)生的值乘以所述已知電阻負載的電阻。
10.一種用于監(jiān)測建筑物中的電能消耗的方法，包括: 將電力使用監(jiān)測器連接到建筑物中的電力輸送線路，其中所述電力使用監(jiān)測器能夠檢測由所述電力輸送線路供應的電壓，并且其中所述電力使用監(jiān)測器可操作地連接到處理器，其中所述處理器能夠指導所述電力使用監(jiān)測器捕獲電壓值并能夠使數(shù)據(jù)存儲在存儲設備中， 捕獲作為時間的函數(shù)的由所述電力輸送線路供應的電壓的值，并將所述值存儲在存儲設備中， 創(chuàng)建連接到所述電力輸送線路的未知電能消耗設備的電壓特征，其中所述電壓特征包括在所述未知電能消耗設備運行期間作為時間的函數(shù)的由所述電力輸送線路供應的電壓的檢測到的變化， 基于所述未知電能消耗設備的電壓特征與已知電能消耗設備的電壓特征的相似性來確定所述未知電能消耗設備的標識，以及 使用針對與所識別的電能消耗設備的運行相關聯(lián)的電壓變化而得到的值和所述電力輸送線路的阻抗的值來計算作為時間的函數(shù)的由所述設備消耗的功率的值。
11.如權利要求10所述的方法，其中所述電力使用監(jiān)測器還能夠確定當已知電阻負載被施加到所述電力輸送線路上時所述電力輸送線路上的電壓降的值。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述電力輸送線路的阻抗是通過下列操作來確定的: 得到當已知電阻負載被施加到所述電力輸送線路時所述電力輸送線路上的電壓降的值，以及 將所述電力輸送線路中的最大電壓除以當所述已知電阻負載被放置在所述線路上時測量到的電壓，減去數(shù)字1，以及將因而產(chǎn)生的值乘以所述已知電阻負載的電阻。
13.如權利要求10所述的方法，其中所述電壓是以每秒500個樣本與每秒10，000個樣本之間的采樣率被捕獲的。
14.如權利要求10所述的方法，其中所述電壓是以在每秒3000個樣本與每秒5000個樣本之間的采樣率被捕獲的。
15.一種存儲指令的計算機可讀存儲介質，所述指令在被計算機執(zhí)行時使所述計算機執(zhí)行監(jiān)測建筑物中的電能消耗的方法，所述方法包括: 存儲作為時間的函數(shù)的由電力輸送線路供應的電壓的所捕獲的值，以及 創(chuàng)建連接到所述電力輸送線路的未知電能消耗設備的電壓特征，其中所述電壓特征包括在所述未知電能消耗設備運行期間作為時間的函數(shù)的由所述電力輸送線路供應的電壓的檢測到的變化，以及 基于所述未知電能消耗設備的電壓特征與已知電能消耗設備的電壓特征的相似性來確定所述未知電能消耗設備的標識。
16.如權利要求15所述的方法，還包括:使用針對與所識別的電能消耗設備的運行相關聯(lián)的電壓變化而得到的值和所述電力輸送線路的阻抗的值來計算作為時間的函數(shù)的由所述設備消耗的功率的值。
17.如權利要求16所述的方法，其中所述電力輸送線路的阻抗的值是通過下列操作來確定的: 得到當已知電阻負載被施加到所述電力輸送線路時所述電力輸送線路上的電壓降的值，以及將所述電力輸送線路中的最大電壓除以當所述已知電阻負載被放置在所述線路上時測量到的電壓，減去數(shù)字1，以及將因而產(chǎn)生的值乘以所述已知電阻負載的電阻。
18.—種存儲電能消耗設備的至少10個電壓特征的計算機可讀存儲介質,其中電壓特征包括反映在所述電能消耗設備正在運行并正在從電力輸送線路抽取功率的同時作為時間的函數(shù)的由所述電力輸送線路供應的電壓的變化的值，并且所述電壓特征與所述電能消耗設備的標識相關聯(lián)。
19.如權利要求18所述的計算機可讀存儲介質，其中包括所述電壓特征的電壓值與每秒3000個樣本與每秒5000個樣本之間的電壓采樣率相對應。
20.如權利要求18所述的計算機可讀存儲介質，還包括:從與所述電能消耗設備的標識相關聯(lián)的多個電能消耗設備的電壓特征得到的快速傅立葉變換或雙相干分析頻譜。
全文摘要
提供了能夠測量、分析和監(jiān)測建筑物內(nèi)的電器和設備的電能消耗的方法和設備。在建筑物或建筑物的區(qū)段內(nèi)采用可選地連接到電氣插座的電壓傳感器來以推斷耗電設備的標識和這些設備單獨或共同消耗的功率的量。根據(jù)本發(fā)明的實施方式的能量使用推斷設備提供了易安裝性、簡單性、可管理性和易用性，這可以使得電消費者(例如房主和企業(yè))進行部署。
文檔編號G01R22/06GK103119454SQ201180045166
公開日2013年5月22日 申請日期2011年9月21日 優(yōu)先權日2010年9月21日
發(fā)明者T·V·奧爾德里奇, J·Y·宋 申請人:英特爾公司