DE112011103159T5 - Energieverbrauchserkennung anhand eines Spannungsabfalls - Google Patents

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Abstract

Es werden Verfahren und Vorrichtungen bereitgestellt, die in der Lage sind, den Elektroenergieverbrauch von Haushaltsgeräten und Vorrichtungen in einem Gebäude zu messen, zu analysieren und zu überwachen. Spannungssensoren, die optional mit Steckdosen verbunden sind, werden in einem Gebäude oder einem Teil eines Gebäudes dafür verwendet, die Identität von stromverbrauchenden Geräten und die Strommenge, die die Geräte einzeln und gemeinsam verbrauchen, zu erkennen. Energieverbrauchserkennende Vorrichtungen gemäß Ausführungsformen der Erfindung zeichnen sich durch leichte Installation, Einfachheit, Steuerbarkeit und Benutzerfreundlichkeit aus, was ihre Verwendung für Elektrizitätsverbraucher, wie zum Beispiel Hausbesitzer und Wirtschaftsunternehmen, attraktiv macht.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Ausführungsformen der Erfindung betreffen allgemein Verfahren und Vorrichtungen zum Überwachen und Analysieren des Elektroenergieverbrauchs und der Nutzung von Energie durch Verbraucher, zum Identifizieren von Geräten, die Elektroenergie verbrauchen, zum Bestimmen der Leitungsimpedanz und zum Messen und Analysieren von Spannungsänderungen in einem Gebäude.
  • HINTERGRUNDINFORMATIONEN
  • Mit der zunehmenden Sorge über den weltweiten Klimawandel wächst die Dringlichkeit, zu Systemen überzugehen, die vorteilhafte Energieeinsparungen ermöglichen. Die Verwendung eines Smart Grid – eines intelligenten Systems zur Erzeugung, Übertragung und Verteilung von Energie – kann Energieeinsparungen ermöglichen. Das Potenzial des Smart Grid liegt in seiner Integration und Nutzung der sogenannten „Information Computing Technology” (ICT), um eine höhere Energieeffizienz zu erreichen, als mit dem heutigen Energienetz erreichbar ist. Will man sich der Herausforderung der Energieoptimierung erfolgreich stellen, so kommt es unter anderem darauf an, die gesamte derzeitige Infrastruktur mit verbesserten Verfahren der Messung, Überwachung, Erkennung, Steuerung und Schaltung sowie einer verbesserten Verwaltungsfähigkeit auf vielen Ebenen des Energienetzes auszustatten – einschließlich der äußersten Ränder der Infrastruktur, wo immer mehr Endnutzer- und Haushaltsgeräte angeschlossen werden. Jeder dieser intelligenten Stromverbrauchsorte ist zu potenziellen Energieeinsparungen befähigt – nicht nur durch Senkung des Energiebedarfs während Spitzenzeiten in einem Mehrnutzer-Stromnetz, sondern auch durch einen generell verringerten Energieverbrauch.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • 1 zeigt die Verwendung eines Systems zum Detektieren und Analysieren des Energieverbrauchs in einem Gebäude.
  • 2 zeigt eine Vorrichtung, die in eine Wechselstromsteckdose gesteckt wird und die sich zur Überwachung des Elektroenergieverbrauchs in einem Gebäude eignet.
  • 3A bis 3H zeigen gemessene Spannungssignaturen für verschiedene Geräte, einschließlich üblicher Haushaltsgeräte, und Frequenzsignaturen für einen Mikrowellenherd.
  • 4 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Identifizieren von Haushaltsgeräten anhand ihrer gemessenen Spannungssignaturen beschreibt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Ein höheres Bewusstsein für die Kosten verschiedener Verhaltens- und Verbrauchsmuster kann letztendlich den Energieverbrauch senken und seine negativen Auswirkungen auf die Umwelt verlangsamen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen Verfahren und Vorrichtungen bereit, die in der Lage sind, den Elektroenergieverbrauch von Geräten in einem Gebäude zu messen, zu analysieren und zu überwachen. Sensoren werden in einem Gebäude oder einem Teil eines Gebäudes verwendet, um die Identität von stromverbrauchenden Geräten und die Strommenge, die die Geräte einzeln und/oder gemeinsam verbrauchen, zu erkennen. Ausführungsformen der Erfindung zeichnen sich durch leichte Installation, Einfachheit, Steuerbarkeit und Benutzerfreundlichkeit aus, was ihre Verwendung für Hausbesitzer und Wirtschaftsunternehmen attraktiv macht. Die Verwendung von Detektionssystemen in dem überwachten Raum hilft Endnutzern bei der Kontrolle der generierten Daten. Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen die Energieverbrauchsüberwachung von Geräten an den Rändern des Stromnetzes und eine Steigerung der Energieeffizienz beim Verbraucher.
  • In der vorliegenden Offenbarung kann „Elektroenergie” zum Zweck der Veranschaulichung anhand von Termini beschrieben werden, die für bestimmte geografische Regionen und bestimmte Kategorien von Endnutzern spezifisch sind. Jedoch sind die Ausführungsformen der Erfindung auch in anderen Territorien, in denen andere Standards für die Versorgung von Endnutzern mit Elektroenergie gelten, und auf andere Arten von Endnutzern anwendbar. Zum Beispiel werden Endnutzer in den Vereinigten Staaten in der Regel mit Elektroenergie versorgt, die 60 Hz und ungefähr 120 V hat (d. h. meist zwischen 114 und 126 V). In anderen Ländern wird Strom beispielsweise mit 50 Hz oder einer Mischung aus 50 Hz und 60 Hz erzeugt und kann über einen Bereich von etwa 120 V bis etwa 240 V variieren. Andere Frequenzen und Spannungen für Wechselstrom sind ebenfalls möglich.
  • 1 zeigt ein System zur Überwachung des Elektroenergieverbrauchs in einem Gebäude. Das Gebäude ist ein Wirtschafts- oder ein Wohngebäude oder ein Teil davon und ist zum Beispiel ein Eigenheim, ein Büro, eine Fabrik, ein Warenlager oder ein sonstiger Wirtschafts- oder Wohnort, an dem stromverbrauchende Geräte verwendet werden. In 1 wird Elektroenergie aus dem lokalen Stromnetz 110 als Wechselstrom (60 Hz) durch eine Stromleitung 115 in ein Gebäude 105 geleitet. Zwei Leitungen 116 und 117 mit jeweils ungefähr 120 V versorgen die Räume 125 in dem Gebäude mit elektrischem Strom. Für eine oder mehrere größere stromverbrauchende Geräte werden die beiden Zweigleitungen 116 und 117 so miteinander verbunden, dass das eine oder die mehreren Geräte 240 V empfangen. Die Strommenge, die in dem Gebäude 105 (oder einem Teil davon) verbraucht wird, wird in der Regel mit einem Strommesser 120 gemessen. Optional ist der Strommesser 120 in der Lage, Informationen über die protokollierte Nutzung von Energie für das Gebäude (entweder per Festverdrahtung oder Funk) zu übermitteln. Die Räume 125 enthalten verschiedene Geräte 130, 131 und 132, die Strom in unterschiedlichen Mengen zu unterschiedlichen Zeiten am Tag und in der Nacht verbrauchen. In dieser Ausführungsform werden zwei Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtungen 135 bereitgestellt: eine für jeden 120 V-Zweig; es ist aber auch jede andere Anzahl von Überwachungsvorrichtungen möglich. Für die Überwachung eines kompletten Gebäudes oder eines Gebäudeteils, das bzw. der über zwei Zweigleitungen mit Strom versorgt wird, werden mindestens zwei Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtungen 135 verwendet, um jeden Zweig zu überwachen und einen Wert für den Energieverbrauch des überwachten Gebäudes oder Gebäudeteils zu erhalten.
  • Stromverbrauchende Geräte 130 in 2 sind Geräte, die für einen Betrieb mit 120 Volt ausgelegt sind, wie man sie in der Regel in einem Privathaushalt findet, wie zum Beispiel Lampen, Fernsehgeräte, Videogeräte, Audiogeräte, Computer, Sicherheitssysteme, Heizgeräte, Luftreiniger, Klimaanlagen, Drucker, Faxgeräte, Mikrowellenherde, Kaffeemaschinen, Toaster, bestimmte Kochherde, bestimmte Waschmaschinen, Geschirrspüler, Wasserkocher, Uhren, Thermostaten und Wäschetrockner. Stromverbrauchende Geräte 131 sind Geräte, die 240 V Strom verbrauchen, wie man sie in der Regel in einem Privathaushalt findet. Dazu gehören beispielsweise elektrische Wäschetrockner, elektrische Waschmaschinen, Geschirrspüler, Klimaanlagen, Heizgeräte, elektrische Wasserkocher, Elektroherde und Kühlschränke. Die obigen Aufzählungen sind beispielhaft für die Arten von stromverbrauchenden Geräten, die gemäß Ausführungsformen der Erfindung überwacht werden können, und sind in keinem Fall erschöpfend. Das stromverbrauchende Gerät 132 ist ein Computersystem, das Eingangssignale von Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtungen 135 entweder über Funk oder über festverdrahtete Verbindungen empfängt. Das Computersystem 132 ist optional mit dem Internet 145 verbunden und ist in der Lage, Daten von räumlich abgesetzten Computersystemen zu empfangen und an diese zu senden. Verbrauchsüberwachungsvorrichtungen 135 werden in Steckdosen 140 eingesteckt, und die zwei Verbrauchsüberwachungsvorrichtungen 135 werden jeweils in eine Steckdose 140 eingesteckt, die über einen anderen Zweig (116 und 117) der Stromleitung 115 mit Strom versorgt werden. In alternativen Ausführungsformen sind die Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtungen 135 mit den Stromleitungen 116 und 117 ohne eine dazwischenliegende Stecker-Steckdose-Kombination wirkverbunden.
  • Das Computersystem 132 ist allgemein ein Datenverarbeitungssystem, das aus einem Computer und verschiedenen Eingabe- und Ausgabegeräten besteht, wie zum Beispiel Bildschirmen, Tastaturen, Zeigegeräten (wie zum Beispiel Mäuse und Joysticks), Modems und Datenspeichergeräten. Das Computersystem 132 umfasst eine einzelne Maschine oder ein System aus kommunikativ gekoppelten Maschinen oder Geräten, die zusammenarbeiten. Zu beispielhaften Elementen eines Computersystems gehören dezentrale Rechensysteme, Supercomputer, Hochleistungs-Rechensysteme, Rechen-Cluster, Großrechner, Kleinstrechner, Client-Server-Systeme, Personalcomputer (PCs), Arbeitsplatzrechner, Server, tragbare Computer, Laptop-Computer, Tablet-Computer, Personal Digital Assistants (PDAs), Telefone, handgehaltene Geräte, Unterhaltungselektronik wie zum Beispiel Audio- und/oder Videogeräte und sonstige Geräte zur Verarbeitung oder Übertragung von Informationen. Optional befindet sich das Computersystem 132 nicht in dem überwachten Gebäude 105.
  • In der Regel hat ein Computer ein Verarbeitungssystem, das einen Prozessor enthält, der kommunikativ mit einer oder mehreren flüchtigen oder nicht-flüchtigen Datenspeichervorrichtungen gekoppelt ist, wie zum Beispiel einem Direktzugriffsspeicher (RAM), einem Nurlesespeicher (ROM), Massenspeichervorrichtungen wie zum Beispiel Serial Advanced Technology Attachment(SATA)- oder Small Computer System Interface(SCSI)-Festplatten, und/oder Geräte, die auf Speichermedien zugreifen können, wie zum Beispiel Floppy-Disks, optische Speicher, Bänder, Flash-Speicher, Speichersticks, CD-ROMs und/oder Digital Video Disks (DVDs). Der Begriff ROM meint nicht-flüchtige Speichervorrichtungen wie zum Beispiel Erasable Programmable ROM (EPROM), Electrically Erasable Programmable ROM (EEPROM), Flash-ROM und/oder Flash-Speicher. Der Prozessor kann außerdem kommunikativ mit zusätzlichen Komponenten gekoppelt sein, wie zum Beispiel Video-Controllern, SCSI-Controllern, Netzwerk-Controllern, Universal Serial Bus(USB)-Controllern und Eingabegeräten. Die Kommunikation zwischen Elementen des Computersystems, zusätzlichen Prozessoren und/oder den Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtungen kann unter Verwendung verschiedener Nahbereichsprotokolle für die Datenübermittlung per Festverdrahtung und/oder Drahtlosverbindung erfolgen, einschließlich USB, WLAN (Wireless Local Area Network), Hochfrequenz (HF), Satellit, Mikrowellen, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.11, Bluetooth, optisch, faseroptisch, Infrarot, Kabel und Laser.
  • In einigen Ausführungsformen ist das Computersystem 132 kommunikativ mit einem (nicht gezeigten) zweiten Prozessor gekoppelt, auf dem Software arbeitet, um die Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtungen 135 anzusteuern, und der Daten von den Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtungen 135 empfängt, speichert und/oder analysiert. Das Computersystem 132 umfasst in der Regel zusätzlich Software zum Ansteuern der Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtungen 135 (wenn ein zweiter Prozessor fehlt), zum Kommunizieren mit dem zweiten Prozessor und zum Empfangen von Daten von dem zweiten Prozessor, zum Analysieren von Daten und zum Übermitteln von Stromverbrauchsdaten an einen Nutzer, zum Anweisen einer Speicherung von Daten und/oder zum Zugreifen auf eine Datenbank mit Gerätesignaturen, und eine (nicht gezeigte) Anzeigevorrichtung zum Anzeigen von Roh- und/oder analysierten Daten zum Energieverbrauch. Software zur Energieverbrauchsüberwachung wird an das Computersystem 132 optional auf einem computerlesbaren Medium übermittelt, auf das lokal zugegriffen wird, wie zum Beispiel Vorrichtungen wie Floppy-Disks, Flash-Speichervorrichtungen, Digital Video Disks und CD-ROMs, und/oder steht zum Herunterladen von einer Internet-Site zur Verfügung, wo sie in einem computerlesbaren Format gespeichert ist. Wie weiter unten noch näher besprochen wird, kann das Computersystem 132 außerdem eine Datenbank mit Gerätesignaturen umfassen, die auf einer zugreifbaren Speichervorrichtung und/oder in einem computerlesbaren Format gespeichert sind. Datenbanken von Gerätesignaturen werden ebenfalls optional in Speichervorrichtungen, auf die über das Internet zugegriffen werden kann, oder auf Vorrichtungen wie zum Beispiel Festplatten, Floppy-Disks, Flash-Speichervorrichtungen, Digital Video Disks und CD-ROMs gespeichert. Optional erfasst das Computersystem 132 Daten von dem Strommesser 120 (entweder über Funk, über festverdrahtete Verbindungen oder über Dateneingabe durch einen Nutzer) und verwendet die Strommesserdaten in Verbindung mit den Daten von dem Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtungen 135, um Informationen zur Nutzung von Energie innerhalb des Gebäudes 105 zu generieren.
  • 2 zeigt eine Vorrichtung, die die Leitungsimpedanz bestimmen und als ein Spannungssensor dienen kann, um zu erkennen, welche Haushaltsgeräte in Betrieb sind und wie hoch ihr Energieverbrauch ist. Die Impedanzbestimmung ist ein optionales Element der Vorrichtung von 2. Die Vorrichtung von 2, eine Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtung, wird in eine (nicht gezeigte) Steckdose eingesteckt, die Elektroenergie in ein Gebäude einspeist, in der Stecker 205 verwendet wird. Der Stecker 205 erlaubt es, die Stromleitungen eines Gebäudes mit Hilfe der Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtung zu überwachen. In alternativen Ausführungsformen ist die Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtung auf direktere Weise mit der überwachten Stromleitung ohne eine dazwischenliegende Stecker-Steckdose-Kombination verbunden. Ein Vorteil der Stecker-Steckdose-Kombination ist, dass sie die Installation von Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtungen durch Personen erlaubt, die nicht unbedingt Fachleute auf dem Gebiet der Stromverkabelung von Gebäuden sind. Der Stecker 205 ist elektrisch mit einer Elektronik zum Messen von Spannungen verbunden, und außerdem (optional) mit einer Elektronik, die das Messen der Leitungsimpedanz ermöglicht. Die Elektronik zum Messen von Spannungen enthält einen Transformator 210, der den Wechselstrom herabtransformieren kann, der in den Analog-Digital-Wandler 215 (ADW oder A-D-Wandler), der die Spannung misst, eingespeist wird. Die Kopplung zwischen dem Transformator 210 und dem ADW 215 enthält außerdem einen (nicht gezeigten) Vorspannkreis, der in der Lage ist, die Vorspannung auf einen bekannten Wert zu zentrieren. Der Analog-Digital-Wandler ist zum Beispiel ein 13B SPI A/D (MCP3303) (ein A-D-Wandler, der in der Regel zur Tonerzeugung verwendet wird) oder ein VSK-S3-3R3U. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird der Ausgang des Wechselspannungstransformators 210 während des Betriebes auf eine Bezugsspannung (wie zum Beispiel Vref = 2,5 V) vorgespannt, die bei 240 Hz unter Verwendung eines RC (Widerstand-Kondensator-Schaltkreis)-Filters gefiltert wird, und die Spannung wird mit einem 1 K-Potentiometer auf ungefähr 5 V Spitzenausgang für 130 V Wechselspannungseingang skaliert. In Ausführungsformen der Erfindung wurde ein 10-Bit-A-D-Wandler verwendet, jedoch können auch andere A-D-Wandler mit den gleichen oder anderen Auflösungswerten verwendet werden. Der ADW 215 ist mit einem General Purpose Input/Output-Controller (GPIO) 220 wirkverbunden, der seinerseits (zum Beispiel über eine USB-Schnittstelle) mit einem Controller 225 wirkverbunden ist, der einen Prozessor, der in der Lage ist, Software zu verarbeiten, die Software, die den Betrieb einer Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtung steuert, einen wirkverbundenen Speicher zum Speichern der Software und Eingabe/Ausgabe-Fähigkeiten enthält. Der Controller 225 ist mit einem Hostcomputersystem 230 wirkverbunden, das in der Lage ist, Daten vom Controller 225 zu empfangen, die Daten zu speichern, die Daten zu analysieren und die rohen und analysierten Daten auszugeben. In alternativen Ausführungsformen werden einige oder alle der Funktionen des Controllers 225 durch das Hostcomputersystem 230 ausgeführt. Der Hostcomputer 230 ist zum Beispiel drahtlos ((IEEE) 802.11) mit dem Controller 225 verbunden.
  • Optionale Impedanzbestimmungsschaltungen in der Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtung von 2 umfassen einen Widerstand 235, der in der Lage ist, eine bekannte Last anzulegen, und der mit einer Triode für Wechselstrom in Reihe geschaltet ist (TRIACs oder bidirektionaler Triodenthyristor) 240. In 2 ist eine einzelne widerstandsgekoppelte TRIAC-Einheit gezeigt, obgleich auch jede andere Anzahl möglich ist, wie zum Beispiel eine Anzahl von Einheiten, die von eins bis fünfundzwanzig reicht, oder mehr. Generell richtet sich die Anzahl der verwendeten Widerstand-TRIAC-Einheiten teilweise nach den Arten der verwendeten Widerstände und TRIACs, der mit dem Widerstand-TRIAC-Einheiten erzeugten Wärmemenge (und der Zeitdauer, die die Widerstand-TRIAC-Einheiten zwischen Spannungsabtastmessungen zum Abkühlen brauchen), und den Herstellungskosten, und es ist möglich, eine größere Anzahl von Widerstand-TRIAC-Einheiten zu verwenden. Die TRIACs 240 sind mit (nicht gezeigten) TRIAC-Treibern wirkverbunden, wie zum Beispiel Zufallsphasen-Optoisolatoren MOC3036 und MOC3010, die mit dem GPIO 220 wirkverbunden sind, der es dem Controller 225 ermöglicht, die TRIACs 240 zu pulsen und die Spannung für die bekannte Last, die durch die Widerstände 235 angelegt wird, zu messen. Die Widerstände 235 sind zum Beispiel Widerstände mit 40 Ohm (25 W) oder PTC(Positive Temperature Coefficient)-Thermistoren mit 3,5 Ohm. In Ausführungsformen, in denen die Widerstände 235 PTC-Thermistoren sind, wird optional ein (nicht gezeigtes) Wärmemessgerät bereitgestellt, das in der Lage ist, die Betriebstemperatur der Widerstände zu messen. Wärmemessgeräte sind mit dem GPIO 220 wirkverbunden. Ein Wärmemessgerät wird hinzugefügt, um es einer Kalibrierungskurve in Software zu ermöglichen, die Genauigkeit des PTC-Thermistors zu erhöhen. Außerdem bestimmt das Wärmemessgerät die Anfangstemperatur und darum, dass die Widerstandswerte der Thermistoren innerhalb valider Bereiche in unserer Kalibrierungsroutine liegen.
  • Es folgt eine beispielhafte Berechnung. Die Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtung erfasst Abtastungen der Wechselspannung mit einem Isolationstransformator-, Dämpfer- und Vorspannkreis, um die Vorspannung präzise auf V3.3/2 zu zentrieren, und speist sie dann in einen 10-Bit-ADW zur Umwandlung in ein digitales Format ein. Die Sinuswelle von 60 Hz (oder 50 Hz, wie beispielsweise in der Europäischen Union) wird mit mehr als N Abtastungen pro Sekunde abgetastet, um die nötige Auflösung von Spitzendaten und Nulldurchgängen zu erreichen. Die Abtastung ergibt einen maximalen Fehler der Spitzenspannung von: Fehler = 1 – cos(2πfo/N), wobei fo die Grundfrequenz der Stromleitung ist. Bei 10 Bit Auflösung eines Signals von 3,3 V Spitze zu Spitze (p-p), das eine Leitungsspannung von 400 Vp-p (etwa 120 Veffektiv ± 20%) darstellt, und einem angenommenen typischen RLeitung von 0,5 Ohm würde die Verbrauchsüberwachungsvorrichtung einen Strom von: P1b = ¼Vmax2/(220RLeitung) = 76 mW (etwa) für jedes Bit Spitzenspannungsabfall von der gemessenen maximalen Spannung melden. Für eine Abtastrate, N, die eine Auflösung von 1 W oder ungefähr das 13-fache unterstützt, was die 10-Bit-Abtastung bietet, dominiert der Abtastratenfehler. Da der Mindestfehler durch: Vmin = (Pmin × RLeitung)0,5 = 0,707 V gegeben ist, beträgt eine Mindestabtastrate somit: Smin = 2πfo/acos(1 – (Vmin/Vmax)) = 4482 pro Sekunde.
  • Ein brauchbarer Bereich von Spannungsabtastraten ist zwischen 500 und 10.000 Abtastungen pro Sekunde, zwischen 1.000 und 5.000 Abtastungen pro Sekunde und zwischen 3.000 und 5.000 Abtastungen pro Sekunde.
  • Der Wechselstromleitungswiderstand wird zum Berechnen des Leitungsstroms anhand gemessener Spannungsabfälle verwendet. Ein optisch gekoppelter TRIAC, der durch einen programmierbaren GPIO angesteuert wird, ermöglicht getaktete Stromstöße zu einem nicht-linearen Positive Temperature Coefficient(PTC)-Thermistor. Der PTC-Thermistor dient zur Bereitstellung eines brauchbar starken Kalibrierungsstroms ohne einen übermäßig hohen durchschnittlichen Stromabzug im Sensorgehäuse sowie zur Bereitstellung eines ausfallsicheren Verfahrens zum Begrenzen der Zeitdauer der Kalibrierung, unabhängig vom Zustand des Sensor-Controllers. Ein 100 ms dauernder Stromfluss kann ein komplettes Stoßsignal bereitzustellen, während die am PTC-Thermistor erzeugte Wärme minimiert wird. Darüber hinaus gewährleistet ein Temperatursensor am PTC-Thermistor gleichbleibende und präzise Widerstandswerte. Die gemessenen Werte stellen eine errechnete Wechselstromleitungsimpedanz und eine Bezugsspannungsabfall/Strom-Korrelation bereit.
  • Die Leitungsimpedanz wird beispielsweise folgendermaßen berechnet: Die maximale Spannung (Vmax) wird auf 400 V eingestellt, und um die tatsächliche Leitungsspannung zu berechnen, ist der Zählwert, Ninit, der Spannung unmittelbar vor dem Auslösen des TRIAC, bekannt. Der PTC-Thermistor wird mit der Wechselstromleitung verbunden, und die Mindestspannung wird beobachtet. In diesem Beispiel ist der PTC-Thermistor ein kaltes Bauelement von 3,8 Ohm mit einem Mindestwiderstand Rmin = 3,2 Ohm, der in seinem Erwärmungszyklus auftritt. Der maximale Strom wird bei 3,2 Ohm erreicht und kehrt dann je nach der Kennlinie des PTC-Thermistors rasch auf einen sehr kleinen Wert zurück. Der Spannungswert, wenn der Strom ein sehr kleiner Wert ist, ist Nmin: Vinit = Vmax × Ninit/Nmax und Vmin = Vmax × Nmin/Nmax Imax = Vmin/Rmin und dann RLeitung = (Vmax – Vmin)/Imax und RLeitung = ((Nmax/Nmin) – 1)Rmin oder RLeitung = ((Vmax/Vmin) – 1)Rmin.
  • Einige beispielhafte Werte sind: Nmax = 1024, Nmin = 900, Rmin = 3,2, was RLeitung = 0,44 Ohm ergibt. In dem oben Dargelegten ist Ninit ein an dem A-D-Wandler abgetasteter Wert für die Spannung auf der Leitung, Vmax ist die maximale Spannung für die gemessene Leitung, und Vmin ist die Spannung auf der Leitung, wenn der Widerstand des PTC-Thermistors sein Minimum hat.
  • Die Impedanz einer Stromzuleitung (RLeitung) in einem Gebäude wird gemäß der folgenden Beziehung bestimmt: RLeitung = ((Nmax/Nmin) – 1) × (Thermistor-R-Wert) wobei Nmax ein Kalibrierungswert für den A-D-Wandler ist, der die maximale Spannung darstellt, die an dem Bauelement gemessen werden kann, und Nmin der Mindestspannungswert ist, der an dem A-D-Wandler gemessen wird, wenn der PTC-Thermistor einen Widerstandswert hat, welcher der Mindestwiderstandswert für den PTC-Thermistor ist. Der Thermistor-R-Wert ist der Mindest-R-Wert, der durch einen PTC-Thermistor bereitgestellt wird. Die Beziehung kann alternativ ausgedrückt werden als: RLeitung = ((Vmax/Vmin) – 1) × (Thermistor-R-Wert) wobei Vmax die maximale Spannung für die gemessene Leitung ist und Vmin die Spannung auf der Leitung ist, wenn der Widerstand der PTC-Thermistor sein Minimum hat.
  • Bei der Ausführungsform, die mit bekannten ohmschen Lasten arbeitet, die keine PTC-Thermistoren sind, verhalten sich die PTC-Thermistoren als Lasten, die mit der Leitung verbunden sind und hinzugeschaltet werden können. Eine bekannte Last in der Leitung und eine Messung der Spannung erlauben eine Schätzung der stromaufwärtigen Impedanz. Der Spannungsabfall, der mit Bezug auf die bekannte ohmsche Last erhalten wird, erlaubt die Berechnung des Stroms. Eine Schätzung des aus den Leitungen entnommenen Stroms wird anhand der Spannungsmessung erhalten.
  • Der durch ein Elektrogerät verbrauchte Strom wird beispielsweise anhand der Gleichung P = V2R berechnet, wobei P = der Strom, V = der gemessene Spannungsabfall in der Stromleitung infolge des Umstandes, dass das Gerät eingeschaltet ist und Strom aus der Leitung entnimmt, und R = die Impedanz der Stromleitung des Hauses. Die verbrauchte Energiemenge kann aus der Summierung der gemessenen Spannungsänderungen im Lauf der Zeit, die dem Gerät zugeschrieben werden können, bestimmt werden. Alternativ kann die durch ein Gerät verbrauchte Energie zum Beispiel – nachdem die Identität des Gerätes bestimmt wurde – anhand einer Quelle mit Betriebskennlinien von Geräten, die Informationen zum Energieverbrauch des Gerätes als eine Funktion der Zeit geben, und der gemessenen Zeitdauer, die das Gerät in Betrieb war, bestimmt werden. Des Weiteren kann der gemessene Wert für den Energieverbrauch des Gerätes mit den Werksangaben zu dem Gerät verglichen werden, um festzustellen, ob das Gerät innerhalb der erwarteten Parameter arbeitet. Ein ungewöhnlich hoher Stromverbrauch bei einem Gerät kann zum Beispiel ein Hinweis darauf sein, dass das Gerät gewartet werden muss (wie zum Beispiel, dass ein Filter in einem Raumheizer gewechselt werden muss).
  • Wenn Strom durch den PTC-Thermistor geleitet wird, so wird ein Nratio-Faktor errechnet, um einen Spannungsabfall mit dem Stromverbrauch zu korrelieren. Der Strom (I) wird unter Verwendung des bekannten PTC-Thermistor-Widerstandes berechnet: I = Veffektiv/(Thermistor-R-Wert). Die Leistung wird durch das Produkt aus Veffektiv (dies ist ein gemessener Wert für die Effektivspannung) und dem errechneten Strom (I)-Wert berechnet. Der Nratio-Faktor wird durch Korrelieren der errechneten Leistung mit dem beobachteten Spannungsabfall berechnet, der die Differenz des Kalibrierungsimpulses ist (Nmax – Nmin): Nratio = (Veffektiv/(Thermistor-R-Wert)) × (Veffektiv/(Nmax – Nmin)).
  • 3A–F zeigen Spannungssignaturen für einen PCT-Thermistor und Haushaltsgeräte, die durch Überwachen des Spannungsabfalls in der Stromleitung, an die die Haushaltsgeräten angeschlossen waren, als eine Funktion der Zeit erhalten wurden. Für die Spannungssignaturen von 3 wurden die Haushaltsgeräte eingeschaltet, und das Spannungssignal wurde mit 4.000 Abtastungen pro Sekunde bei 10 Bit Auflösung erfasst. Die 4K-Abtastrate erbringt etwa 66,67 Abtastungen für jede volle 60 Hz-Wellenform. Somit stehen etwa 33,33 Abtastungen für jeden positiven/negativen Spitzenwert zur Verwendung bei der Signalanalyse und Geräteidentifizierung zur Verfügung. Generell wurden die Haushaltsgeräte für die Gerätemessungen an eine 120 V-Leitung angeschlossen, die mit Hilfe einer Vorrichtung ähnlich der von 2 überwacht wurde. In 3 ist die y-Achse (die vertikale Achse) die Spannung (V), und die x-Achse ist die Zeit in Sekunden. 3A zeigt die Spannungssignatur für den PTC-Thermistor, die zum Berechnen der Leitungsimpedanz verwendet wird. In 3A ist die Spannungssignatur für den Kalibrierungsimpuls gezeigt, und Ninit ist der Wert, bevor die Spannung abzufallen beginnt, und Nmin ist der Zählwert am tiefsten Punkt des Spannungstales. 3B zeigt die Spannungssignatur für einen Mikrowellenherd bei hoher Leistung, und 3C zeigt die Spannungssignatur für einen Mikrowellenherd bei niedriger Leistung. 3D zeigt die Spannungssignatur für einen Kühlschrank, 3E zeigt die Spannungssignatur für einen Toaster, und 3F zeigt die Spannungssignatur für einen LED-Fernseher (LED-Leuchtdiode).
  • In Ausführungsformen der Erfindung wird der Energieverbrauch in einem Gebäude gemäß dem durch 4 veranschaulichten Verfahren ermittelt. Spannungssignaturen für Elektrogeräte (d. h. Lasten), die Strom aus einer Wechselstromzuleitung in ein Gebäude verbrauchen, werden durch Messen der Stromleitungsspannung als eine Funktion der Zeit erhalten. Die Werte für die Leitungsspannung werden mit einer Abtastrate zwischen 500 Abtastungen pro Sekunde und 10.000 Abtastungen pro Sekunde erfasst, und es wird eine Signatur für das Gerät (die Last) generiert. Optional wird eine Ereignisdetektion zum Initiieren der Musteranalyse verwendet. Ein Ereignis wird detektiert, wenn eine Last an die Wechselstromleitung angelegt wird und ein Spannungsabfall mit einem Wert oberhalb eines ausgewählten Wertes detektiert wird. Zum Beispiel kann eine Ereignisdetektion initiiert werden, wenn ein mit 50 Watt korrelierter Spannungsabfall detektiert wird.
  • Optional wird die Last anfänglich entsprechend der Größenordnung des Spannungsabfalls charakterisiert. Bei der Bestimmung der Identität der Last wird der Bereich der Wahrscheinlichkeiten für die Identität der Last optional auf eine Gruppe möglicher Geräte verkleinert, die eine ähnliche Größenordnung eines Spannungsabfalls (innerhalb eines ausgewählten Bereichs) erzeugen. In Ausführungsformen der Erfindung wird der Spannungsabfall bei oder nahe dem Beginn des Gerätebetriebes für die anfängliche Charakterisierung ausgewählt, obgleich es auch möglich ist, einen Spannungsabfall an einem anderen Zeitwert auszuwählen. Die durch die Spannungssignatur für die Last erzeugte Muster (die gemessene Spannung als eine Funktion der Zeit über einen ausgewählten Betriebszeitraum) wird mit einer oder mehreren Spannungssignaturen in einer Datenbank aus Spannungssignaturen für bekannte Geräte verglichen, um die Identität der Last zu bestimmen.
  • Die Spannungssignalsanalyse (der Musterabgleich) erfolgt unter Verwendung eines Spitzendetektors sowohl für die positive als auch die negative Amplitude der 60 Hz-Sinuswelle. Der Musterabgleich erfolgt unter Verwendung eines Teil und/oder der gesamten erhaltenen Spannungssignatur. Im Allgemeinen beginnt eine Spannungssignatur optional, wenn das Gerät eingeschaltet wird, und endet optional, wenn das Gerät ausgeschaltet wird, obgleich auch eine Spannungssignatur für weniger als die gesamte Einschaltdauer des Gerätes möglich ist. In der Regel werden bei Geräten, die lange Zeit in Betrieb sind, Spannungssignaturen, die am Beginn des Betriebes erhalten wurden, anfänglich bei der Musterabgleichsanalyse verwendet. In einigen Fällen ist der Beginn der Spannungssignatur im Moment des Einschaltens des Gerätes mit Bezug auf die Identität des Gerätes besonders informativ. Zum Beispiel erfolgt der Musterabgleich unter Verwendung eines Teils der Spannungssignatur, die nach dem Einschalten des Gerätes erhalten wird, wie zum Beispiel die ersten dreißig Sekunden bis fünf Minuten der Spannungssignaturen oder eines Teils davon. Wenn keine Musterübereinstimmung festgestellt wird, so wird der Musterabgleichsprozess optional unter Verwendung eines größeren Teils und/oder anderer Zeiträume der Spannungssignatur wiederholt. Es wird ein Schwellenwert für die prozentuale Mindestübereinstimmung für das Muster gewählt, die zum Identifizieren eines Gerätes nötig ist. Der gewählte Schwellenwert richtet sich nach der Art des Gerätes und der Frequenz des gespeicherten Musters. Letztendlich werden Schwellenwerte gewählt, die einen gewünschten Genauigkeitsgrad für die Geräteidentifikation erbringen.
  • Optional werden weitere Analysen an den detektierten Spannungssignaturen ausgeführt. Zum Beispiel können Schnelle-Fourier-Transformations(FFT)- und Bikohärenz-Algorithmen spektrale Frequenzsignaturen erbringen, die mit bekannten Spektralsignaturen für Haushaltsgeräte abgeglichen werden, die ebenfalls in einer Datenbank gespeichert sind. Schnelle-Fourier-Transformations(FFT)- und Bikohärenz-Algorithmen werden auf einen Teil der, und/oder die gesamte, erhaltene Spannungssignatur angewendet, insbesondere in den Übergangsphasen des Gerätes. In einigen Fällen ist der Beginn der Spannungssignatur beim Einschalten des Gerätes mit Bezug auf die Erzeugung eindeutiger Spektralsignaturen, die eine Bestimmung der Identität des Gerätes gestatten, besonders informativ. Die einfache Identifizierung der Spannungssignatur kann beim Auswählen von Datenfenstern helfen, die im Frequenzbereich zu analysieren sind. 3G und 3H zeigen die Frequenzanalyse zweier Messungen des Einschaltens einer Mikrowellen-Magnetfeldröhre. In den 3G und 3H stellt die y-Achse die Häufigkeit des Eintretens einer bestimmten Frequenz dar, und die x-Achse ist die Frequenz. Das Datenfenster ist das Ereignis des Einschaltens der Magnetfeldröhre, und es wurde eine FFT-Analyse ausgeführt. Die zwei Kurven zeigen ein ausgeprägtes Muster, das zum Musterabgleich und zur Geräteidentifizierung verwendet werden kann.
  • Zusammen führen die Spannungs-/Zeit-Analyse (der Spannungssignaturabgleich), die gefensterte Frequenzanalyse, die statistische Analyse und die Wahrscheinlichkeit des Einschaltens des Gerätes zu einer zusammengesetzten Wertung der Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmtes Gerät oder Geräteszenario eingeschaltet wurde. Eine zusammengesetzte Gerätedetektions-Wertung kann zum Identifizieren eines Elektrogerätes, das in Betrieb ist, verwendet werden. Die zusammengesetzte Gerätedetektions-Wertung berücksichtigt das beobachtete Verhalten des Gerätes innerhalb seiner Betriebsumgebung, den Spannungs-/Zeitmusterabgleich (den Spannungssignaturabgleich) und den Frequenzsignalabgleich für Teile der Spannungssignatur. Zum Beispiel kann es sein, dass das Gerät nur oder in der Regel während bestimmter Tageszeiten verwendet wird, wie zum Beispiel ein Toaster, der überwiegend zur Frühstückszeit verwendet wird, ein Wasserkocher, der periodisch während des gesamten Tages eingeschaltet wird, eine Mikrowelle mit einem eindeutigen Frequenzsignal aufgrund des Ladens der Magnetfeldröhre, oder eine Waschmaschine mit einem vorhersagbaren zeitabhängigen Verhaltensmuster, das sich in der Spannungssignatur wiederfindet. Ein bestimmter Teil der zusammengesetzten Gerätedetektions-Wertung kann in Abhängigkeit vom Verhalten des Gerätes eine höher gewichtete Wertung erhalten. Zum Beispiel wird die statistische Nutzungsanalyse-Wertung für den Toaster während Zeiträumen höher, in denen erwartet wird, dass der Toaster in Betrieb ist; die Waschmaschine kann eine höhere Gewichtung für einen Spannungssignaturmusterabgleich erhalten, und die Mikrowelle kann eine höhere Gewichtung für einen Frequenzmusterabgleich erhalten. Wenn Daten von weiteren Geräten zur Verfügung stehen, wie zum Beispiel vom Thermostaten in dem Gebäude, so kann außerdem die Geräteidentität für Heizungen und Klimaanlagen unter Verwendung der Daten von dem Thermostaten bestimmt werden, die anzeigen, dass das Gerät in Betrieb ist.
  • In Fällen, in denen zwei Wechselstromleitungen in dem auf seinen Elektroenergieverbrauch überwachten Gebäude vorhanden sind, zeigt die Detektion gleichzeitiger Spannungssignaturen durch Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtungen, die mit jeder Leitung verbunden sind, an, dass ein Gerät Strom aus beiden Leitungen entnimmt. In diesem Fall wird die Spannung, die durch eine einzelne Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtung gemessen wird, verdoppelt, oder die Spannung von einer oder mehreren Verbrauchsüberwachungsvorrichtungen, die der ersten 120 V-Leitung zugeordnet sind, wird zu dem Spannungsabfall addiert, der in der einen oder den mehreren Verbrauchsüberwachungsvorrichtungen festgestellt wird, die der zweiten 120 V-Leitung zugeordnet sind, um den Stromverbrauch des Gerätes zu bestimmen und um außerdem optional einen Spannungssignaturmusterabgleich zur Geräteidentifizierung auszuführen.
  • Zwei Haushaltsgeräte, die gleichzeitig innerhalb von Detektionsgrenzen eingeschaltet werden, sind in der Regel selten. In dem Fall, dass keine Musterübereinstimmung gefunden wird, und/oder wenn der anfängliche Spannungsabfall keinem erwarteten Wert entspricht, wird eine Disaggregation ausgeführt, indem zum Beispiel bekannte Spannungssignaturen von der beobachteten Spannungssignatur subtrahiert werden und eine Musterabgleichsanalyse an der resultierenden Spannungssignatur im Zeit- und Frequenzbereich vorgenommen wird. Gleichermaßen werden in der Situation, in der drei oder mehr Haushaltsgeräte gleichzeitig innerhalb von Detektionsgrenzen eingeschaltet werden, zwei oder mehr bekannte Spannungssignaturen von der beobachteten Spannungssignatur subtrahiert, und nach der Subtraktion wird ein Musterabgleich an der resultierenden Spannungssignatur ausgeführt. In der Situation, in der eine zweite Last an einem Zeitpunkt nach dem Einschalten einer ersten Last eingeschaltet wird, erfolgt die Disaggregation zum Beispiel durch Subtrahieren bekannter Spannungssignaturen von der beobachteten Spannungssignatur und Ausführen einer Musterabgleichsanalyse an der resultierenden Spannungssignatur. Eine weitere Verifizierung erfolgt mittels Spektralanalyse an gefensterten, transienten Datenpunkten.
  • Der Musterabgleich für Spannungs- und Frequenzsignaturen beinhaltet den Vergleich einer Signatur, die von einem stromverbrauchenden Gerät erhalten wurde, das an die überwachte Stromleitung angeschlossen ist, mit Signaturen für bekannte Haushaltsgeräte. Es wird eine Datenbank erstellt, die Spannungssignaturen von Haushaltsgeräten und die Identität des zu der Spannungssignatur gehörenden Gerätes enthält. Die Datenbank kann ebenfalls Frequenzsignaturen für Haushaltsgeräte und die Identität des zu der Frequenzsignatur gehörenden Gerätes enthalten. Innerhalb des Energieverbrauchsüberwachungssystems ist die Datenbank mit bekannten Signaturen entweder lokal in einer Datenspeichervorrichtung gespeichert, die mit dem Prozessor wirkverbunden ist, der die Musterabgleichsanalyse ausführt, und/oder ist in einer oder mehreren Datenbanken gespeichert, auf die über die Internet-Wolke zugegriffen werden kann. Damit die Datenbank brauchbar ist, enthält sie in der Regel eine große Anzahl von Signaturen für bekannte Haushaltsgeräte. Jedoch ist ☐ je nach dem Endnutzungszweck ☐ eine kleinere Datenbank mit bekannten Geräten, die zuvor in der Umgebung detektiert wurden, ebenfalls brauchbar. In Ausführungsformen der Erfindung enthält die Datenbank mindestens 10 Signaturen. Die Datenbank mit bekannten Spannungssignaturen wird mit Spannungssignaturen gefüllt, die von einer Quelle außerhalb des überwachten Gebäudes stammen und/oder von einer Signatur stammen, die an der überwachten Stromleitung gemessen wurde. Eine lokale Datenbank wird optional auf eine oder mehrere Datenbanken erweitert, die in der Internet-Wolke existieren. Die Datenbank wird optional mit zusätzlichen Signaturinformationen gefüllt, wie zum Beispiel Frequenzsignaturen, die aus einer Schnellen-Fourier-Transformations(FFT)- und Bikohärenzanalyse der Übergangszustände des Elektrogerätes resultieren.
  • Optional umfasst die Datenbank ebenfalls Rankings für Spektren, die eine Wahrscheinlichkeit anzeigen, dass das Gerät ein Gerät ist, das in einem Privathaushalt verwendet wird. Während des Betriebes wird die Datenbank optional so modifiziert, dass eine oder mehrere Gruppen von Haushaltsgeräten gebildet werden, von denen man weiß, dass sie sich in dem überwachten Gebäude befinden, und während des Systembetriebes können diese Gruppen zuerst für den Musterabgleich verwendet werden.
  • In einer Ausführungsform erfolgt der Musterabgleich unter Verwendung der lokal gespeicherten Daten, und wenn keine Musterübereinstimmung festgestellt wird, so wird die Suche nach einem passenden Muster auf Spannungs- und Frequenzsignaturen erweitert, die über das Internet verfügbar sind. Wenn eine Musterübereinstimmung festgestellt wird, so werden die Spannungssignatur und die Identität des zugehörigen Gerätes in der lokalen Datenbank gespeichert. Das Ergebnis ist, dass alle Elektrogeräte, die in der Umgebung detektiert werden, in der lokalen Datenbank gespeichert werden. Informationen, in einem Datenbankformat für ein Gerät gespeichert werden, können anfängliche und übergangszeitbasierte Ein- und Aus-Muster, eine vollständige zeitbasierte Spannungssignatur mit Datenfenstern zur Frequenzanalyse und/oder Spektralsignaturen von relevanten Fenstern der Übergangsdaten enthalten. Die Datenbank-Informationen enthalten außerdem optional ein allgemeines Nutzungsmuster in Bezug auf Häufigkeit und Zeit der Nutzung.
  • Die Musterabgleichsanalyse wird schneller, sobald die Gesamtheit der Haushaltsgeräte in dem überwachten Gebäude bestimmt wurde und der Musterabgleich im ersten Durchgang unter Verwendung der Gesamtheit der bekannten Haushaltsgeräte im Gebäude erfolgen kann. Wenn keine Übereinstimmung festgestellt wird, so werden Spannungssignaturen von außerhalb der Gesamtheit der bekannten Haushaltsgeräte zum Musterabgleich verwendet. Optional kann ein Nutzer einen Identitätswert, der einer bestimmten Last zugeordnet werden soll, für einige oder alle überwachten Lasten eingeben. Wenn zum Beispiel der Nutzer eine Gefriertruhe in der Garage ans Netz anschließt und durch das Energieüberwachungssystem eine Spannungssignatur detektiert wird, wenn die Gefriertruhe eingeschaltet wird, so kann der Nutzer der konkreten Signatur einen Wert zuordnen, der durch das Energieüberwachungssystem erfasst wird, wie zum Beispiel „Gefriertruhe in der Garage”, und kann außerdem optional Herstellerangaben eingeben. Die Spannungssignatur für das identifizierte Gerät wird in der Datenbank gespeichert und der Gruppe von Haushaltsgeräten zugeordnet, von denen man weiß, dass sie in dem Haus in Betrieb genommen werden. Das nächste Mal, wenn die Gefriertruhe eingeschaltet wird, sucht das System optional zuerst in der Gruppe der Haushaltsgeräte, von denen man weiß, dass sie in dem Haus in Betrieb genommen werden, um die Gefriertruhe als das Gerät zu identifizieren, das in Betrieb genommen wurde und nun die protokollierte Spannungssignatur erzeugt.
  • Des Weiteren kann die Datenbank auch mit Nutzungsinformationen gefüllt werden, die zum Beispiel anzeigen, wie oft und wann das Gerät wahrscheinlich genutzt wird, und ob das Gerät wahrscheinlich in Verbindung mit anderen Geräten verwendet wird, um eine statistische Verhaltensanalyse auszuführen.
  • Optional wird die Impedanz der Gebäudestromleitung einmal bestimmt, und der erhaltene Wert wird dafür verwendet, den Elektroenergieverbrauch von Haushaltsgeräten zu bestimmen, die Strom aus der Gebäudestromleitung entnehmen. Alternativ wird die Impedanz der Leitung wiederholt in Intervallen während der Zusammenstellung von Spannungsinformationen aus der Wechselstromleitung bestimmt.
  • Optional wird dem Nutzer eine Anleitung für die Installation der Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtung durch Software gegeben, die zu einem Computersystem gehört, das Daten für die Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtungen empfängt und analysiert. Ein Nutzer, der zum Beispiel Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtungen in einem Privathaushalt installiert, kann sich mit einer Situation konfrontiert sehen, in der zwei verschiedene Wechselstromleitungen vorhanden sind, die überwacht werden müssen, um den Energieverbrauch im gesamten Privathaushalt zu erfassen. Ohne einen Stromlaufplan für den Privathaushalt weiß der Nutzer möglicherweise nicht, welche Leitungen oder Steckdosen mit welchen Wechselstromleitungen gekoppelt sind. Nach der Installation der Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtungen ist die gleichzeitige Detektion desselben Spannungsereignisse an beiden Verbrauchsüberwachungsvorrichtungen ein Hinweis darauf, dass die Überwachungsvorrichtungen an derselben Wechselstromleitung installiert wurden und dass eine Überwachungsvorrichtung versetzt werden muss, die sie mit der anderen Wechselstromleitung verbunden ist. Der Nutzer wird über diese Situation in Kenntnis gesetzt und darauf hingewiesen, eine Überwachungsvorrichtung zu versetzen, bis sich die Überwachungsvorrichtungen an den zwei verschiedenen Leitungen befinden.
  • Der Energieverbrauch wird unter Verwendung von Werten für die Impedanz der Leitungen und der gemessenen Werte für den Spannungsabfall als eine Funktion der Zeit bestimmt. Benutzerschnittstellen werden zum Anzeigen von Energieverbrauchsdaten als eine Funktion der Zeit und als eine Funktion der Identität des Gerätes bereitgestellt. Der Energieverbrauch für ein Gerät wird optional beispielsweise als eine Energiemenge pro Zeiteinheit (wie zum Beispiel eine Stunde, ein Tag und/oder eine Woche usw.), ein Energieverbrauch für einen Ein-/Aus-Zyklus für das Gerät und/oder in einem kontinuierlichen Aktualisierungsformat ausgegeben, wie zum Beispiel der Strom, der augenblicklich durch Geräte verbraucht wird, die gerade in Betrieb sind.
  • Wenn der Energieverbrauch eines identifizierten Gerätes sich im Lauf der Zeit ändert oder zunimmt, so wird optional eine Alarmmeldung ausgegeben. Eine Zunahme des Energieverbrauchs für eine Elektroheizung kann zum Beispiel ein Hinweis sein, dass der Filter der Heizung verstopft ist und gereinigt werden muss. Für Elektrogeräte ohne eigenständige Signatur, wie zum Beispiel Lampen, werden optional zusätzliche Sensoren verwendet, um die Betriebszeiträume der Geräte zu ermitteln, wie zum Beispiel Fotodetektoren (Fotozellen) und Vibrationssensoren. Einige Haushaltsgeräte können zusätzlich mit Sensoren geliefert werden, um festzustellen, wann sie in Betrieb sind. Die Sensorinformationen werden an das Computersystem übertragen, wo sie aufgezeichnet und analysiert werden.
  • Der einschlägig bewanderte Fachmann erkennt, dass in der gesamten Offenbarung Modifikationen und Variationen möglich sind und dass Kombinationen und Ersetzungen für die verschiedenen gezeigten und beschriebenen Komponenten vorgenommen werden können. Wenn in dieser Spezifikation von „einer bestimmten Ausführungsform” oder „einer Ausführungsform” gesprochen wird, so bedeutet das, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur, ein bestimmtes Material oder ein bestimmtes Charakteristikum, das bzw. die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist, aber es bedeutet nicht unbedingt, dass sie in jeder Ausführungsform vorhanden sind. Des Weiteren können die bestimmten Merkmale, Strukturen, Materialien oder Eigenschaften in jeder geeigneten Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden. In anderen Ausführungsformen können verschiedene zusätzliche Schichten und/oder Strukturen aufgenommen und/oder beschriebene Merkmale weggelassen werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.11 [0012]
    • (IEEE) 802.11 [0014]

Claims (20)

  1. Verfahren zum Bestimmen der Identität eines stromverbrauchenden Gerätes, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Verbinden einer Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtung mit einer Stromzuleitung in einem Gebäude, wobei die Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtung in der Lage ist, eine durch die Stromzuleitung zugeführte Spannung zu detektieren, und wobei die Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtung mit einem Prozessor wirkverbunden ist, wobei der Prozessor in der Lage ist, die Erfassung von Spannungswerten durch die Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtung anzuweisen, und in der Lage ist, die Speicherung von Daten in einer Speichervorrichtung zu veranlassen, Erfassen von Werten für eine durch die Stromzuleitung zugeführte Spannung als eine Funktion der Zeit, Erzeugen einer Spannungssignatur für ein unbekanntes stromverbrauchendes Gerät, das mit der Stromzuleitung verbunden ist, wobei die Spannungssignatur detektierte Änderungen in der durch die Stromzuleitung zugeführten Spannung als eine Funktion der Zeit während des Betriebes des unbekannten stromverbrauchenden Gerätes umfasst, Bestimmen der Identität des unbekannten stromverbrauchenden Gerätes auf der Grundlage der Ähnlichkeit der Spannungssignatur des unbekannten stromverbrauchenden Gerätes mit der Spannungssignatur eines bekannten stromverbrauchenden Gerätes.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verbinden erfolgt, indem die Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtung in eine Steckdose eingesteckt wird, die elektrisch mit der überwachten Stromzuleitung verbunden ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Spannung mit einer Abtastrate zwischen 500 und 10.000 Abtastungen pro Sekunde erfasst wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Spannung mit einer Abtastrate zwischen 3000 und 5000 Abtastungen pro Sekunde erfasst wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Identität Folgendes enthält: Ausführen einer Schnellen-Fourier-Transformations- oder Bikohärenz-Analyse an einem Teil der oder der gesamten Spannungssignatur des unbekannten stromverbrauchenden Gerätes und Abgleichen des resultierenden Frequenzspektrums mit dem eines bekannten stromverbrauchenden Gerätes.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Spannungssignatur, die zum Bestimmen der Identität des unbekannten stromverbrauchenden Gerätes verwendet wird, während der ersten dreißig Sekunden des Betriebes des stromverbrauchenden Gerätes erhalten wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren das Erzeugen einer zusammengesetzten Gerätedetektions-Wertung zur Verwendung bei der Identifizierung des stromverbrauchenden Gerätes auf der Grundlage einer statistischen Analyse der beobachteten Nutzungsmuster für das stromverbrauchende Gerät enthält.
  8. Verfahren zum Berechnen der Impedanz einer Stromzuleitung in einem Gebäude, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Messen eines Spannungsabfalls in der Stromzuleitung, wenn eine bekannte ohmsche Last an die Stromzuleitung angelegt wird, und Berechnen eines Wertes für die Impedanz der Stromzuleitung, wobei das Berechnen Folgendes umfasst: Teilen der maximalen Spannung in der Stromzuleitung durch die Spannung, die gemessen wird, wenn die bekannte ohmsche Last an die Leitung angelegt wird, Subtrahieren von 1, und Multiplizieren eines resultierenden Wertes mit dem Widerstandswert der bekannten ohmschen Last.
  9. Computerlesbares Speichermedium, das Instruktionen speichert, die, wenn sie durch einen Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, ein Verfahren zum Berechnen der Impedanz einer Stromzuleitung in einem Gebäude auszuführen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erhalten eines Wertes für einen Spannungsabfall in der Stromzuleitung, wenn eine bekannte ohmsche Last an die Stromzuleitung angelegt wird, und Teilen der maximalen Spannung in der Stromzuleitung durch die Spannung, die gemessen wird, wenn die bekannte ohmsche Last an die Leitung angelegt wird, Subtrahieren der Zahl 1, und Multiplizieren eines resultierenden Wertes mit dem Widerstandswert der bekannten ohmschen Last.
  10. Verfahren zur Überwachung des Elektroenergieverbrauchs in einem Gebäude, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Verbinden einer Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtung mit einer Stromzuleitung in einem Gebäude, wobei die Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtung in der Lage ist, eine durch die Stromzuleitung zugeführte Spannung zu detektieren, und wobei die Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtung mit einem Prozessor wirkverbunden ist, wobei der Prozessor in der Lage ist, die Erfassung von Spannungswerten durch die Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtung anzuweisen, und in der Lage ist, die Speicherung von Daten in einer Speichervorrichtung zu veranlassen, Erfassen von Werten für die durch die Stromzuleitung zugeführte Spannung als eine Funktion der Zeit und Speichern der Werte in einer Speichervorrichtung, Erzeugen einer Spannungssignatur für ein unbekanntes stromverbrauchendes Gerät, das mit der Stromzuleitung verbunden ist, wobei die Spannungssignatur detektierte Änderungen in der durch die Stromzuleitung zugeführten Spannung als eine Funktion der Zeit während des Betriebes des unbekannten stromverbrauchenden Gerätes umfasst, Bestimmen der Identität des unbekannten stromverbrauchenden Gerätes auf der Grundlage der Ähnlichkeit der Spannungssignatur des unbekannten stromverbrauchenden Gerätes mit der Spannungssignatur eines bekannten stromverbrauchenden Gerätes, und Berechnen eines Wertes für den Stromverbrauch des identifizierten stromverbrauchenden Gerätes als eine Funktion der Zeit unter Verwendung der Werte, die für die Änderungen der Spannung in Verbindung mit dem Betrieb des Gerätes erhalten wurden, und eines Wertes für die Impedanz der Stromzuleitung.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Stromverbrauchsüberwachungsvorrichtung des Weiteren in der Lage ist, einen Wert für einen Spannungsabfall in der Stromzuleitung zu bestimmen, wenn eine bekannte ohmsche Last an die Stromzuleitung angelegt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Impedanz der Stromzuleitung bestimmt wird durch: Erhalten eines Wertes für einen Spannungsabfall in der Stromzuleitung, wenn eine bekannte ohmsche Last an die Stromzuleitung angelegt wird, und Teilen der maximalen Spannung in der Stromzuleitung durch die Spannung, die gemessen wird, wenn die bekannte ohmsche Last an die Leitung angelegt wird, Subtrahieren der Zahl 1, und Multiplizieren eines resultierenden Wertes mit dem Widerstandswert der bekannten ohmschen Last.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Spannung mit einer Abtastrate zwischen 500 und 10.000 Abtastungen pro Sekunde erfasst wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Spannung mit einer Abtastrate zwischen 3000 und 5000 Abtastungen pro Sekunde erfasst wird.
  15. Computerlesbares Speichermedium, das Instruktionen speichert, die, wenn sie durch einen Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, ein Verfahren zur Überwachung des Elektroenergieverbrauchs in einem Gebäude auszuführen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Speichern erfasster Werte für eine durch eine Stromzuleitung zugeführte Spannung als eine Funktion der Zeit, und Erzeugen einer Spannungssignatur für ein unbekanntes stromverbrauchendes Gerät, das mit der Stromzuleitung verbunden ist, wobei die Spannungssignatur detektierte Änderungen in der durch die Stromzuleitung zugeführten Spannung als eine Funktion der Zeit während des Betriebes des unbekannten stromverbrauchenden Gerätes umfasst, und Bestimmen der Identität des unbekannten stromverbrauchenden Gerätes auf der Grundlage der Ähnlichkeit der Spannungssignatur des unbekannten stromverbrauchenden Gerätes mit der Spannungssignatur eines bekannten stromverbrauchenden Gerätes.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, das des Weiteren Folgendes umfasst: Berechnen eines Wertes für den Stromverbrauch des identifizierten stromverbrauchenden Gerätes als eine Funktion der Zeit unter Verwendung der Werte, die für die Änderungen der Spannung in Verbindung mit dem Betrieb des Gerätes erhalten wurden, und eines Wertes für die Impedanz der Stromzuleitung.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Wert für die Impedanz der Stromzuleitung bestimmt wird durch: Erhalten eines Wertes für einen Spannungsabfall in der Stromzuleitung, wenn eine bekannte ohmsche Last an die Stromzuleitung angelegt wird, und Teilen der maximalen Spannung in der Stromzuleitung durch die Spannung, die gemessen wird, wenn die bekannte ohmsche Last an die Leitung angelegt wird, Subtrahieren der Zahl 1, und Multiplizieren eines resultierenden Wertes mit dem Widerstandswert der bekannten ohmschen Last.
  18. Computerlesbares Speichermedium, das mindestens 10 Spannungssignaturen für stromverbrauchende Geräte speichert, wobei eine Spannungssignatur Werte umfasst, die Änderungen bei einer durch eine Stromzuleitung zugeführten Spannung als eine Funktion der Zeit widerspiegeln, während das stromverbrauchende Gerät in Betrieb ist und Strom aus der Stromzuleitung entnimmt, und die Spannungssignatur einer Identität für das stromverbrauchende Gerät zugeordnet ist.
  19. Computerlesbares Speichermedium nach Anspruch 18, wobei die Spannungswerte, welche die Spannungssignatur umfassen, einer Spannungsabtastrate zwischen 3000 und 5000 Abtastungen pro Sekunde entsprechen.
  20. Computerlesbares Speichermedium nach Anspruch 18, das des Weiteren Schnelle-Fourier-Transformations- oder Bikohärenz-Analysespektren umfasst, die aus Spannungssignaturen für stromverbrauchende Geräte erhalten wurden, die der Identität des stromverbrauchenden Gerätes zugeordnet sind.
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