专利名称：从电压下降推断能量使用的制作方法
技术领域：
本发明的实施方式通常涉及用于监测和分析电能消耗(消费者能量使用)、识别正在消耗电能的设备、确定线路阻抗并测量和分析建筑物内的电压变化的方法和设备。
背景技术：
对全球气候变化的不断关注产生了朝着能够提供节能优点的系统进行移动的紧迫性。使用智能电网(一种智能的能量生成、传输和分配系统)可提供节能。智能电网的潜力在于其整合以及使用信息计算技术(ICT)来传递比使用当前电网可得到的能量效率更大的能量效率。对付能量优化挑战部分地涉及使当前的基础设施在电网的许多层面上充满提高的测量、监测、推断、控制、促动和可管理性，包括在基础设施的非常边缘处，其中在所述边缘处有数量不断增加的终端用户设备和电器。这些智能地点中的每个可不仅通过降低在峰值负载时间期间对多用户电网的能量需求而且还通过使用更少的总能量来潜在地提供f倉泛。
图1示出了用于检测和分析建筑物内的能量消耗的系统的部署。图2提供了插入到AC (交流)插座中并对监测建筑物中的电能使用有用的设备。图3A到3H示出了各种设备(包括常见的家用电器)的所测量的电压特征(voltagesignature)和微波炉的频率特征(frequency signature)。图4提供了描述用于根据电器的所测量的电压特征识别电器的方法的流程图。
具体实施例方式对各种行为和使用模式的成本的加强的认识可最终降低能量消耗并减慢其负面环境影响。本发明的实施方式提供了能够测量、分析和监测建筑物内的设备的电能消耗的方法和设备。在建筑物或建筑物的区段内采用传感器来推断耗电设备的标识以及这些设备单独和/或共同消耗的功率量。本发明的实施方式提供了易安装性、简单性、可管理性和易用性，这可以引起由房主和企业进行部署。在正被监测的空间内部署感测系统帮助终端用户控制所产生的数据。本发明的实施方式使得能够采用边缘设备能量监测并改善消费者能量效率。在整个本公开中，为了说明的目的，可以用特定于地理地点和终端用户类型的术语来表示电能，然而本发明的实施方式可用在其它地点中，所述其它地点具有不同的用于将电能输送给终端用户的标准以及不同类型的终端用户。例如，在美国，一般以60Hz和大约120V (即，大部分时间在114和126V之间)向终端用户输送电能。在其它国家，例如，以50Hz或50Hz和60Hz的混合产生电力，并且电力可从大约120V变化到大约240V。交流电(AC)的其它频率和电压也是可能的。图1提供了用于监测建筑物内的电能使用的系统。建筑物是企业或住宅或其一部分，并且例如是家庭、办公室、工厂、商店或采用了耗电设备的企业或住宅的其它地方。在图1中，电能通过输电线路115作为交流电(60Hz)从本地电网110供应到建筑物105。两条线路116和117 (每条线路接近120V)向建筑物中的房间125供应电力。对于一些较大的能量消耗设备，将两个分支116和117连接起来，使得设备接收240V。建筑物105 (或其区段)所消耗的功率的量一般由功率表120测量。可选地，功率表120能够(通过硬连线或无线地)发送与建筑物的所记录的能量使用有关的信息。房间125包含各种设备130、131和132，这些设备在白天和夜晚期间在不同的时间使用不同量的功率。在该实施方式中，提供两个电力使用监测器135，每个120V分支使用一个监测器，然而，其它数量的监测器也是可能的。为了监测整个建筑物或建筑物的区段(其中在两个分支中输送功率)，采用了至少两个电力使用监测器135，以便监测每个分支并得到正被监测的建筑物或建筑物区段的能量消耗值。在图2中，耗电设备130是被配置成以一般在家里发现的120伏特运行的设备，诸如例如灯、电视机、视频设备、音频设备、计算机、安全系统、加热器、空气净化器、空调、打印机、传真机、微波炉、煮咖啡机、烤面包机、某种烤箱、某种洗衣机、洗碗机、热水器、时钟、恒温器和干衣机。耗电设备131是使用一般在家里发现的240V电力的设备，并且例如是电干衣机、电洗衣机、洗碗机、空调、加热器、电热水器、电炉和电冰箱。前面的列表是示例性的，并且未必穷举了根据本发明的实施方式的可监测的耗电设备的类型。耗电设备132是无线地或通过有线连接从电力使用监测器135接收输入的计算机系统。计算机系统132可选地连接到互联网145并能够从位于远处的计算机系统接收数据并将数据发送到位于远处的计算机系统。使用监测器135被插入到插座140中，且两个使用监测器135每个都被插入到由输电线路115的不同分支(116和117)供电的插座140中。在可替换的实施方式中，电力使用监测器135可操作地耦合到输电线路116和117，而没有介于其间的插头和插座组
八
口 ο通常，计算机系统132是由计算机以及各种输入和输出设备(诸如例如显示器、键盘、指示设备(例如鼠标和操纵杆))、调制解调器和数据存储设备组成的数据处理系统。计算机系统132涵盖单个机器或具有一起运行的通信地耦合的机器或设备的系统。示例性计算机系统元件包括但不限于分布式计算系统、超级计算机、高性能计算系统、计算群、大型计算机、微型计算机、客户机-服务器系统、个人计算机(PC)、工作站、服务器、便携式计算机、膝上型计算机、平板电脑、个人数字助理(PDA)、电话、手持设备、娱乐设备(例如音频和/或视频设备)以及用于处理或传输信息的其它设备。可选地，计算机系统132不位于正被监测的建筑物105内。一般地，计算机具有处理系统，包括通信地耦合到一个或多个易失性或非易失性数据存储设备的处理器，数据存储设备例如是随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、大容量存储设备(例如串行高级技术附件(SATA)或小型计算机系统接口(SCSI)硬盘驱动器)、和/或能够访问介质(例如软盘、光学存储器、带、闪存、记忆棒、⑶-ROM和/或数字视频盘(DVD))的设备。术语ROM是指非易失性存储设备，例如可擦除可编程ROM (EPR0M)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪速ROM和/或闪存。处理器也可通信地耦合到额外的部件，例如视频控制器、SCSI控制器、网络控制器、通用串行总线(USB)控制器和输入设备。可以使用各种有线和/或无线短距离协议来进行计算机系统的元件、额外的处理器和/或电使用监测器之间的通信，所述各种有线或无线短距离协议包括USB、WLAN (无线局域网)、射频(RF)、卫星、微波、电气与电子工程师协会(IEEE) 802.11、蓝牙、光、光纤、红外线、电缆和激光。在一些实施方式中，计算机系统132通信地耦合到第二处理器(未示出)，所述第二处理器运行用于驱动电力使用监测器135的软件并接收、存储和/或分析来自电力使用监测器135的数据。计算机系统132 —般还包括用于驱动电力使用监测器135 (在没有第二处理器的情况下)、用于与第二处理器通信并从第二处理器接收数据、用于分析数据和给用户提供电力使用数据、引导数据存储、和/或访问电器特征数据库的软件以及用于显示与能量消耗有关的原始和/或经分析的数据的显示设备(未示出)。可选地，在本地访问的计算机可读介质上(例如在诸如软盘、闪存设备、数字视频盘和CD-ROM之类的设备上)将用于能量使用监测的软件提供给计算机系统132，和/或所述软件可通过互联网网站下载而得至IJ，在互联网站点处所述软件以计算机可读格式存储在存储器中。如在本文进一步讨论的，计算机系统132还可包括在可访问的存储设备中存储的和/或以计算机可读格式存储的电器特征数据库。电器特征数据库也可选地存储在通过互联网可访问的存储设备中或存储在诸如硬盘驱动器、软盘、闪存设备、数字视频盘和CD-ROM之类的设备上。可选地，计算机系统132收集来自功率表120的数据(无线地、通过有线连接、或数据是用户输入的)，并结合来自电力使用监测器135的数据来使用功率表数据，以产生关于建筑物105内的能量使用的信息。图2提供了能够确定线路阻抗并作为电压传感器运行的设备，其用于推断哪些电器正在运行以及它们正在消耗多少功率。阻抗确定是图2的设备的可选元件。图2的设备(电力使用监测器)使用插头205插入到插座(未示出)中，所述插座将电能输送到建筑物。插头205允许电力使用监测器监测建筑物的输电线路。在可替换的实施方式中，电使用监测器更直接地连接到正被监测的输电线路，而没有介于其间的插头/插座组合。插头/插座组合的优点是，它允许未必精通建筑物的电气布线的个人安装电力使用监测器。插头205电连接到用于测量电压的电子设备并且也(可选地)连接到允许线路阻抗的测量的电子设备。用于测量电压的电子设备包括变压器210，变压器210能够逐步降低输入到用于测量电压的模数转换器215 (ADC或A/D转换器)的AC功率。变压器210-ADC215的耦合还包括偏置电路(未示出)，偏置电路能够使偏置电压以已知值为中心。模数转换器例如是13B SPI A/D(MCP3303)(一般用于声产生的A/D转换器)或VSK-S3-3R3U。在针对示例性实施方式的操作中，VAC变压器210的输出被偏置于参考电压(例如，Vref=2.5V)，所述参考电压是使用RC(电阻器-电容器电路)滤波器以240Hz被滤波的，并且对于130V的VAC输入而言，使用IK的电位计将电压调整为大约5V的峰值输出。在本发明的实施方式中，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转换器也是可能的。ADC215可操作地连接到通用输入/输出控制器(GPIO) 220，GP10220又可操作地(例如，通过USB接口)连接到控制器225，控制器225具有能够运行软件的处理器、驱动电力使用监测器的操作的软件、用于存储该软件的可操作地耦合的存储器以及输入/输出能力。控制器225可操作地连接到能够从控制器225接收数据、存储数据、分析数据并输出原始的和所分析的数据的主机计算机系统230。在可替换的实施方式中，控制器225的一些或所有功能由主机计算机系统230执行。主机计算机230例如无线地((IEEE) 802.11)连接到控制器225。
图2的电力使用监测器中的可选的阻抗确定电路包括电阻器235，电阻器235能够施加已知的负载并串联连接到交流三极管(TRIAC或双向三极管晶闸管)240。在图2中，提供了耦合了一个电阻器的TRIAC单元，虽然其它数量也是可能的，诸如例如从一到二十五或更多的单元数量。通常，所使用的电阻器-TRIAC单元的数量部分地取决于所使用的电阻器和TRIAC的类型、电阻器-TRIAC单元所产生的热量(和在电压采样测量之间电阻器-TRIAC单元冷却所需要的时间量)、以及制造成本的考虑，并且使用更大数量的电阻器-TRIAC单元是可能的。TRIAC240可操作地连接到TRIAC驱动器(未示出)，诸如例如M0C3036和M0C3010随机相位光隔离器，所述TRIAC驱动器可操作地连接到GP10220，GP10220允许控制器225使TRIAC240产生脉冲并测量电阻器235所提供的已知负载的电压。电阻器235例如是400hm (25W)电阻器或3.50hm PTC (正温度系数)热敏电阻器。在电阻器235是PTC热敏电阻器的实施方式中，可选地提供能够测量电阻器的工作温度的热测量设备(未示出)。热测量设备可操作地连接到GP10220。增加热测量设备以允许软件中的校准曲线增强PTC热敏电阻器的准确性。此外，热测量设备确定起始温度，并且因此确定在我们的校准例程中热敏电阻器的电阻在有效范围内。示例性计算如下。电力使用监测器使用隔离变压器、衰减器和偏置电路收集AC电压的样本以准确地使得偏压以V3.3/2为中心，并接着将它提供到10位的ADC以转换成数字格式。以大于每秒N个样本的采样率来对60Hz (或例如在欧盟为50Hz)的正弦波进行采样以实现必要的峰值数据分辨率和零交叉。采样产生了峰值电压的最大误差:误差=1- COS (2 31 f；/N)，其中f。是基本输电线路频率。在3.3V的峰间(P-P)信号(表示400Vp_p线路电压(大约120V S±20%))的10位分辨率处并假设一般的Rline为0.50hm，对于来自所测量的最大电压的峰值电压下降的每个位而言，使用监测器将报告功率:
Plb=l/4Vmax2/(220Rline) =76mff (大约)对于支持IW分辨率的或支持10位采样所提供的分辨率的大约13倍的采样率N而言，采样率误差占首要地位。因此，因为最小误差由下式给出:Vfflin= (Pfflin*Rline)-5=0.707V,所以最小采样率是:Smin=2 π f0/acos (1- (Vfflin/Vfflax)) =4482/ 秒。有用的电压采样率的范围在每秒500个样本和每秒10，000个样本之间、在每秒
I,000个样本和每秒5，000个样本之间以及在每秒3，000个样本和每秒5，000个样本之间。AC线路电阻用于根据所测量的电压降计算线路电流。由可编程GPIO驱动的光耦合的TRIAC实现了去往非线性正温度系数(PTC)热敏电阻器的定时电流突发。PTC热敏电阻器用于提供有意义的强大的校准电流而不会在传感器外壳内部增加过多的平均功率抽取(power draw)，并用于提供失效保护方法来限制应用校准的时间，而不管传感器控制器的状态。IOOms的电流流动可提供完整的突发信号，同时最小化在PTC热敏电阻器上产生的热。此外，PTC热敏电阻器上的温度传感器确保一致的和准确的电阻值。所测量的值提供所计算出的AC线路阻抗和参考电压下降/功率关系。线路阻抗例如是按照以下方式计算的:最大电压(Vmax)被设为400V并计算实际线路电压，计数Ninit (恰好在激发TRIAC之前的电压)是已知的。在AC线路上应用PTC热敏电阻器，并且观测到最小电压。在本例子中，PTC热敏电阻器是3.SOhm的冷设备，在其热周期中出现的最小电阻为Rmin=3.20hm。最大电流在3.20hm处达到，并接着基于PTC热敏电阻器的特性快速恢复到非常小的值。当电流是非常小的值时，电压值是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 给出 Rline=0.440hm。在上文中，Ninit是对于线路上的电压从A/D转换器采样的值，Vfflax是正被测量的线路的最大电压，并且Vmin是当PTC热敏电阻器的电阻在其最小值处时线路上的电压。建筑物中的输电线路的阻抗(Rlim)是根据下面的关系式来确定的:Rline= ((N眶/Nniin) -1) * (热敏电阻器的 R 值)其中Nmax是A/D转换器的校准值，其表示可在设备上测量的最大电压，并且Nmin是当PTC热敏电阻器的电阻值是PTC热敏电阻器的最小电阻值时在A/D转换器上测量的最小电压值。热敏电阻器的R值是由PTC热敏电阻器提供的最小R值。该关系可以可替换地被表达为:Rline= ((YmJYmin) -1) * (热敏电阻器的 R 值)其中Vmax是正被测量的线路的最大电压，而Vmin是当PTC热敏电阻器的电阻在其最小值处时线路上的电压。对于使用不是PTC热敏电阻器的已知电阻负载的实施方式而言，PTC热敏电阻器表现为被放置在线路上的负载，其可被接通。在线路上的已知负载和电压的测量允许估计上游阻抗。关于已知电阻负载得到的电压降允许计算电流。根据电压测量来获得从线路抽取的功率的估计。例如使用方程P=V2R计算电器所使用的功率，其中P是功率，V是电线路上的所测量的电压下降，作为电器启动并正从线路抽取功率的结果，并且R是房屋的电线路的阻抗。可根据可归因于电器的随着时间的所测量的电压变化的总和确定所使用的能量的量。可替换地，例如可以在确定设备的标识之后，根据电器操作特性的源以及设备运行的所测量的时间量来确定电器所消耗的能量，其中电器操作特性提供与电器的能量使用有关的信息，所述电器的能量使用是时间的函数。此外，电器的能量使用的测量值可与电器的公布值比较，以确定电器是否在预期参数内运行。电器的不寻常高的功率消耗率例如可以指示电器需要维修(诸如例如，家用加热单元中的过滤器需要更换)。当施加穿过PTC热敏电阻器的电流时，计算Nrati。因子以使电压下降与功率使用关联。使用已知的PTC热敏电阻器的电阻来计算电流(I):1=VMS/(热敏电阻器的R值)。通过Vnns (这是均方根电压的测量值)和所计算的电流(I)值的乘积来计算功率。通过使所计算的功率与观测到的电压下降关联来计算NMti。因子，电压下降是校准脉冲的差(Nmax-Nmin):Nratio= (Vrms/ (热敏电阻器的 R 值))* (Vrms/ (Nmax - Nmin))图3A-F示出了 PCT热敏电阻器和家用电器的依据时间的电压特征，所述电压特征是通过监测输电线路上的电压下降来得到的，其中电器连接到所述输电线路。对于图3的电压特征，电器被接通，并且电压信号以10位的分辨率以每秒4，000个样本的采样率被捕获。4K采样率为每个完整的60Hz波形提供大约66.67个样本，因此针对每个正/负峰值的大约33.33个样本可以用于信号分析和电器识别。通常，为了电器测量，电器连接到使用与图2的设备类似的设备监测的120V线路。在图3中，y轴(垂直轴)是电压(V)，而X轴是以秒为单位的时间。图3A示出了用于计算线路阻抗的PTC热敏电阻器的电压特征。在图3A中，示出了校准脉冲的电压特征，并且Ninit是在电压开始下降之前的值，以及Nmin是电压骤降的底部处的计数。图3B示出了在高功率时微波炉的电压特征，而图3C示出了在低功率时微波炉的电压特征。图3D示出了电冰箱的电压特征，图3E示出了烤面包机的电压特征，而图3F示出了 LED电视机(LED (发光二极管))的电压特征。 在本发明的实施方式中，根据图4所示的方法推断建筑物中的能量使用。通过测量作为时间的函数的输电线路电压来得到消耗来自建筑物中的AC电力输送线路的功率的电设备(即，负载)的电压特征。以每秒500个样本与每秒10，000个样本之间的采样率捕获线路电压的值，并产生电器(负载)的特征。可选地，使用事件检测来发起模式分析。当负载被施加到AC线路并且检测到具有在选定值之上的值的电压下降时，检测到事件。例如，当检测到50瓦的相关的电压下降时，发起事件检测。可选地，负载最初根据电压下降的幅度而被特征化。在确定负载的标识时，负载的标识的可能性的范围可选地被缩小到一组产生类似的电压降幅度(在选定范围内)的可能设备。在本发明的实施方式中，在设备运行开始时或在设备运行开始附近的电压降被选择用于最初特征化，虽然也可能选择在不同时间值处的电压降。由负载的电压特征产生(在选定的运行时间段上作为时间的函数的测量电压)的模式与已知设备的电压特征的数据库中的电压识别特征进行比较以确定负载的标识。对于60Hz正弦波的正振幅和负振幅，使用峰值检测器进行电压信号分析(模式匹配)。使用所得到的电压特征中的一些和/或全部来进行模式匹配。通常，电压特征在设备被接通时可选地开始并且在设备被关掉时可选地结束，虽然小于设备被接通的全部时间的电压特征也是可能的。一般地，对于运行了长时间段的设备而言，在运行开始时得到的电压特征初始地用在模式匹配分析中。在一些情况中，当电器被接通时电压特征的开始相对于设备的标识是特别有信息量的。例如，使用在设备被接通之后得到的电压特征的一部分(例如前30秒到5分钟的电压特征或其一部分)进行模式匹配。如果没有找到模式匹配，则可选地使用更多的电压特征或不同时间段的电压特征重复模式匹配过程。针对识别电器所需要的模式的最小百分比匹配来选择阈值。所选择的阈值取决于设备的类型和所存储的模式的频率。最后，选择为电器识别提供期望精确度水平的阈值。可选地对所检测的电压特征执行额外的分析。例如，快速傅立叶变换(FFT)和双相干算法可产生可以与电器的已知频谱特征进行匹配的频谱频率特征，所述已知频谱特征也存储在数据库中。快速傅立叶变换(FFT )和双相干算法应用于所得到的电压特征的一些和/或全部，特别是在电器的瞬时阶段中。在一些情况中，在电器被接通时电压特征的开始相对于产生允许确定设备的标识的区别性频谱特征是特别有信息量的。电压特征的简单识别可帮助选择将在频域中被分析的数据窗口。图3G和3H示出了微波磁控管的接通的两个测量的频率分析。在图3G和3H中，y轴表示特定频率的出现次数，而X轴是频率。数据窗口是磁控管接通事件，并且已经执行了 FFT分析。这两个曲线图展示了可用于模式匹配和设备识别的强模式。电压/时间分析(电压特征匹配)、开窗频率分析连同统计分析和设备接通的可能性一起导致了特定设备或特定设备场景被接通的可能性的组合分数。组合的设备检测分数可用于识别正运行的电气设备。组合的设备检测分数考虑了电器在其运行环境内的观测到的行为、电压/时间模式匹配(电压特征匹配)以及针对电压特征的多个部分的频率信号匹配。例如，可以只在或通常在一天的某些时段期间使用设备，例如主要在早晨使用四次的烤面包机、在整天周期性地运行的热水器、由于磁控管的充电而具有不同的频率信号的微波炉、或具有在电压特征中找到的可预测的定时模式行为的洗衣机。根据设备的行为，组合的设备检测分数的特定部分可接收较高加权分数。例如，烤面包机的统计使用分析分数在烤面包机被预期运行的时段期间变高，洗衣机可接收电压特征模式匹配的较高权重，并且微波炉可接收频率模式匹配的较高权重。此外，如果可从额外的设备(诸如例如在建筑物中的恒温器)得到数据，则可使用指示电器在运行的来自恒温器的数据确定加热器和空调的电器标识。在被监测电能使用的建筑物中提供两个AC线路的情况中，连接到每个线路的电力使用监测器检测到同时的电压特征表示电器正从这两条线路抽取功率。在这种情况中，一个电力使用监测器所测量的电压被加倍，或来自与第一 120V线路相关联的使用监测器的电压被加到在与第二 120V线路相关联的使用监测器处发现的电压降，以确定电器所使用的功率，并且还可选地执行电压特征模式匹配以进行电器识别。两个电器在检测限制内同时接通一般是罕见事件。在没有找到模式匹配的情况下和/或当初始电压下降不是预期的值时，例如通过从观测到的电压特征减去已知的电压特征并在时域和频域中对因而产生的电压特征执行模式匹配分析来执行分解(disaggregation)。类似地,对于三个或更多个电器在检测限制内同时接通的情况,从观测到的电压特征减去两个或更多个已知的电压特征，并在减去之后对因而产生的电压特征执行模式匹配。在第二负载在第一负载接通之后的某个时间接通的情况中，例如通过从观测到的电压特征减去已知的电压特征并对因而产生的电压特征执行模式匹配分析来执行分解。使用对开窗瞬时数据点的频谱分析来进行进一步的验证。电压特征和频率特征的模式匹配涉及将从连接到正被监测的输电线路的使用电力的设备得到的特征与已知电器的特征进行比较。创建包含电器的电压特征和与所述电压特征相关联的电器的标识的数据库。数据库还可包含电器的频率特征和与所述频率特征相关联的电器的标识。在能量消耗监测系统内，已知特征的数据库本地地存储在可操作地耦合到执行模式匹配分析的处理器的数据存储设备上，和/或存储在通过互联网云可访问的一个或多个数据库上。一般地，为了是有用的，数据库将具有已知电器的大量特征。然而，根据最终使用，包含以前在环境中检测到的已知设备的较小数据库也是有用的。在本发明的实施方式中，数据库具有至少10个特征。已知电压特征的数据库填充有从在正被监测的建筑物外部的源得到的电压特征和/或从正被监测的输电线路上测量的特征得到的电压特征。本地数据库可选地扩展到存在于互联网云中的一个或多个数据库。数据库可选地填充有额外的特征信息，例如从对电气设备的瞬时状态进行的快速傅立叶变换(FFT)和双相干分析而得到的频率特征。可选地，数据库还包括频谱等级，其指示设备将是部署在家里的设备的可能性。在操作中，可选地，对数据库进行修改以创建已知位于在正被监测的建筑物中的电器的组，并且在系统运行期间，这些组可首先用于模式匹配。在一个实施方式中，使用本地存储的数据来执行模式匹配，并且如果没有找到模式匹配，则对匹配模式的搜索扩展到通过互联网可得到的电压和频率特征。如果找到模式匹配，则将相关联的电器的电压特征和标识存储在本地数据库中。结果是，在环境中检测到的所有电气设备都存储在本地数据库中。以数据库格式存储的针对电器的信息可包括:基于初始和瞬时时间的接通和关掉模式、具有用于频率分析的数据窗口的基于完整的时间的电压特征、和/或瞬时数据的相关窗口的频谱特征。数据库信息还可选地包括使用频率和使用时间的一般使用模式。当确定了正被监测的建筑物中的电器的领域(universe)时模式匹配分析变得更快速，并且在第一次通过时可使用建筑物内的已知电器的领域进行模式匹配。如果没有找到匹配，则使用来自已知电器的领域外部的电压特征进行模式匹配。可选地，对于正被监测的负载中的一些或全部，用户可输入与特定的负载相关联的标识值。例如，如果用户给车库中的冷藏柜插上电源并且当冷藏柜接通时能量监测系统感测到电压特征，那么用户可将一个值分配给能量监测系统所捕获的特定特征，例如“车库中的冷藏柜”，并且也可以可选地输入制造商信息。识别出的电器的电压特征存储在数据库中并与已知在房屋内运行的电器组相关联。当下次冷藏柜接通时，系统可选地首先在已知在房屋内运行的电器组中进行搜索以将冷藏柜识别为运行并产生所记录的电压特征的电器。此外，数据库也可填充有使用信息，所述使用信息例如指示设备可能多久被使用一次和设备可能何时被使用以及设备是否可能结合其它设备被使用，以用于统计行为分析。可选地，建筑物输电线路的阻抗被确定一次，并且所得到的值用于确定从建筑物输电线路抽取功率的电器所消耗的电能。可替换地，在从AC输电线路收集电压信息期间每隔一段时间重复地确定线路的阻抗。与计算机系统相关联的软件提供用于电能使用监测器用户安装的指南，所述计算机系统接收并分析针对电能使用监测器的数据。在家庭环境中安装电能使用监测器的用户例如可能遇到以下情况:存在两个不同的需要被监测以便捕获整个家庭里的能量使用的AC线路。在不访问家庭的布线图的情况下，用户可能不知道哪些线路或插座耦合到哪些AC线路。在安装了电能使用监测器之后，同时在两个使用监测器上检测到相同电压事件指示这些监测器已经安装在同一 AC线路上并且需要移动一个监测器直到它安装在不同的AC线路上为止。向用户警告这种情况，并建议用户移动一个监测器，直到这些监测器位于两个不同的线路上为止。使用线路的阻抗的值和依据时间的电压降的测量值来确定能量消耗。提供用于根据时间并根据电器的标识来显示能量消耗数据的用户界面。设备的能量消耗可选地被输出为例如每单位时间(例如一小时、一天和/或一星期等)的能量的量、在设备的接通/关掉周期内消耗的能量的量、和/或以连续的更新格式来输出设备的能量消耗，例如当前运行的设备当前所消耗的功率。如果所识别的电器的能量消耗随着时间的过去而改变或增加，则可选地提供警告。电加热器的能量消耗的增加例如指示与加热器相关联的过滤器被阻塞并需要被清洁。对于没有区别性特征的电器(诸如例如灯)而言，可选地使用额外的传感器(诸如例如光检测器(光电管)和振动传感器)来确定电器运行时段。这样的电器还可伴随有用于确定它们何时运行的传感器。将传感器信息传输到用于记录和分析的计算机系统。
相关领域的技术人员将认识到，在整个公开中，对所示出并描述的各个组件的组合和替换进行修改和变更是可能的。在整个说明书中对一个实施方式或实施方式的提及意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本发明的至少一个实施方式中，但不一定表不它们存在于每个实施方式中。此外，可在一个或多个实施方式中以任何适当的方式组合特定的特征、结构、材料或特性。在其它实施方式中可包括各种额外的层和/或结构，和/或可省略所描述的特征。
权利要求
1.一种用于确定电能消耗设备的标识的方法，包括: 将电力使用监测器连接到建筑物中的电力输送线路，其中所述电力使用监测器能够检测由所述电力输送线路供应的电压，并且其中所述电力使用监测器可操作地连接到处理器，其中所述处理器能够指导所述电力使用监测器捕获电压值并能够使数据存储在存储设备中， 捕获作为时间的函数的由 所述电力输送线路供应的电压的值， 创建连接到所述电力输送线路的未知电能消耗设备的电压特征，其中所述电压特征包括在所述未知电能消耗设备运行期间作为时间的函数的由所述电力输送线路供应的电压的检测到的变化， 基于所述未知电能消耗设备的电压特征与已知电能消耗设备的电压特征的相似性来确定所述未知电能消耗设备的标识。
2.如权利要求1所述的方法，其中连接是通过将所述电力使用监测器插入到插座中而发生的，所述插座电连接到正被监测的所述电力输送线路。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述电压是以每秒500个样本与每秒10，000个样本之间的采样率被捕获的。
4.如权利要求1所述的方法,其中所述电压是以每秒3000个样本与每秒5000个样本之间的采样率被捕获的。
5.如权利要求1所述的方法，其中确定所述标识包括:对所述未知电能消耗设备的电压特征的全部或一部分执行快速傅立叶变换或双相干分析，以及将因而产生的频率谱与已知电能消耗设备的频率谱进行匹配。
6.如权利要求1所述的方法，其中用于确定所述未知电能消耗设备的标识的电压特征是在所述电能消耗设备运行的前30秒期间得到的。
7.如权利要求1所述的方法，还包括:基于对所述电能消耗设备的观测到的使用模式进行的统计分析来创建用于识别所述电能消耗设备的组合的设备检测分数。
8.一种用于计算建筑物中的电力输送线路的阻抗的方法，包括: 测量当已知电阻负载被施加到所述电力输送线路时所述电力输送线路上的电压降，以及 计算所述电力输送线路的阻抗的值，其中计算包括:将所述电力输送线路中的最大电压除以当所述已知电阻 负载被放置在所述线路上时测量到的电压，减去1，以及将因而产生的值乘以所述已知电阻负载的电阻。
9.一种存储指令的计算机可读存储介质，所述指令在被计算机执行时使所述计算机执行计算建筑物中的电力输送线路的阻抗的方法，所述方法包括: 得到当已知电阻负载被施加到所述电力输送线路时所述电力输送线路上的电压降的值，以及 将所述电力输送线路中的最大电压除以当所述已知电阻负载被放置在所述线路上时测量到的电压，减去数字1，以及将因而产生的值乘以所述已知电阻负载的电阻。
10.一种用于监测建筑物中的电能消耗的方法，包括: 将电力使用监测器连接到建筑物中的电力输送线路，其中所述电力使用监测器能够检测由所述电力输送线路供应的电压，并且其中所述电力使用监测器可操作地连接到处理器，其中所述处理器能够指导所述电力使用监测器捕获电压值并能够使数据存储在存储设备中， 捕获作为时间的函数的由所述电力输送线路供应的电压的值，并将所述值存储在存储设备中， 创建连接到所述电力输送线路的未知电能消耗设备的电压特征，其中所述电压特征包括在所述未知电能消耗设备运行期间作为时间的函数的由所述电力输送线路供应的电压的检测到的变化， 基于所述未知电能消耗设备的电压特征与已知电能消耗设备的电压特征的相似性来确定所述未知电能消耗设备的标识，以及 使用针对与所识别的电能消耗设备的运行相关联的电压变化而得到的值和所述电力输送线路的阻抗的值来计算作为时间的函数的由所述设备消耗的功率的值。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述电力使用监测器还能够确定当已知电阻负载被施加到所述电力输送线路上时所述电力输送线路上的电压降的值。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述电力输送线路的阻抗是通过下列操作来确定的: 得到当已知电阻负载被施加到所述电力输送线路时所述电力输送线路上的电压降的值，以及 将所述电力输送线路中的最大电压除以当所述已知电阻负载被放置在所述线路上时测量到的电压，减去数字1，以及将因而产生的值乘以所述已知电阻负载的电阻。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述电压是以每秒500个样本与每秒10，000个样本之间的采样率被捕获的。
14.如权利要求10所述的方法，其中所述电压是以在每秒3000个样本与每秒5000个样本之间的采样率被捕获的。
15.一种存储指令的计算机可读存储介质，所述指令在被计算机执行时使所述计算机执行监测建筑物中的电能消耗的方法，所述方法包括: 存储作为时间的函数的由电力输送线路供应的电压的所捕获的值，以及 创建连接到所述电力输送线路的未知电能消耗设备的电压特征，其中所述电压特征包括在所述未知电能消耗设备运行期间作为时间的函数的由所述电力输送线路供应的电压的检测到的变化，以及 基于所述未知电能消耗设备的电压特征与已知电能消耗设备的电压特征的相似性来确定所述未知电能消耗设备的标识。
16.如权利要求15所述的方法，还包括:使用针对与所识别的电能消耗设备的运行相关联的电压变化而得到的值和所述电力输送线路的阻抗的值来计算作为时间的函数的由所述设备消耗的功率的值。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述电力输送线路的阻抗的值是通过下列操作来确定的: 得到当已知电阻负载被施加到所述电力输送线路时所述电力输送线路上的电压降的值，以及将所述电力输送线路中的最大电压除以当所述已知电阻负载被放置在所述线路上时测量到的电压，减去数字1，以及将因而产生的值乘以所述已知电阻负载的电阻。
18.—种存储电能消耗设备的至少10个电压特征的计算机可读存储介质,其中电压特征包括反映在所述电能消耗设备正在运行并正在从电力输送线路抽取功率的同时作为时间的函数的由所述电力输送线路供应的电压的变化的值，并且所述电压特征与所述电能消耗设备的标识相关联。
19.如权利要求18所述的计算机可读存储介质，其中包括所述电压特征的电压值与每秒3000个样本与每秒5000个样本之间的电压采样率相对应。
20.如权利要求18所述的计算机可读存储介质，还包括:从与所述电能消耗设备的标识相关联的多个电能消耗设备的电压特征得到的快速傅立叶变换或双相干分析频谱。
全文摘要
提供了能够测量、分析和监测建筑物内的电器和设备的电能消耗的方法和设备。在建筑物或建筑物的区段内采用可选地连接到电气插座的电压传感器来以推断耗电设备的标识和这些设备单独或共同消耗的功率的量。根据本发明的实施方式的能量使用推断设备提供了易安装性、简单性、可管理性和易用性，这可以使得电消费者(例如房主和企业)进行部署。
文档编号G01R22/06GK103119454SQ201180045166
公开日2013年5月22日 申请日期2011年9月21日 优先权日2010年9月21日
发明者T·V·奥尔德里奇, J·Y·宋 申请人:英特尔公司