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用于分析电力线网络中的电器的方法、传感器和系统的制作方法
【专利摘要】一种用于分析电力线网络中的电器的方法、传感器和系统。该方法包括使用连接至所述电力线网络的传感器获取电力线网络的电特性，并且基于电力线网络的电特性和模型轮廓检测连接至电力线网络的电器。该模型轮廓基于一个或多个候选电器的电特性和电力线网络的配置。
【专利说明】用于分析电力线网络中的电器的方法、传感器和系统

【技术领域】
[0001]本说明书涉及用于分析电力线网络中的电器的方法、系统和传感器。

【背景技术】
[0002]在任何家庭中，例如咖啡机、洗衣机、洗碗机等许多电气设备可以被连接至电力线网络。电器感应技术可以帮助分别监测这种电气设备(电器)和它们的操作。这可能是有利的，例如，如果电力消耗件的用户不知道哪些设备当前连接并且消耗电力。当离开房屋时，住户可能想要确信他确实已关闭特定的电气设备。此外，在老人居住的房间中，亲属可能想要检查是否住户在早晨已确实起床。在这种情况下，可能期望远程监控住户是否使用了咖啡机。此外，电器感应在智能电网和/或需求响应方案的背景中可以是有用的。
[0003]通常，电器感应是指识别连接至电力线网络的电器。根据感应概念，电器感应可以例如以安常保险柜级(即“智能电表”级)执行。可替换地，可以使用电器传感器，该电器传感器被插入住宅中的电源插座中，然后感应周围开启的或附接的电器。


【发明内容】

[0004]本发明目的是提供用于分析电力线网络中的电器的改进的方法、传感器和系统。
[0005]上述目的由根据独立权利要求所要求保护的主题实现。
[0006]从附图以及随后的描述中，本公开内容的进一步的细节将变得显而易见。

【专利附图】

【附图说明】
[0007]结合附图参照以下详细描述更好地理解本公开内容及其许多预期效果时，可以容易获得对本公开内容及其许多预期效果的更加全面的理解，其中:
[0008]图1是示出电力线网络和用于分析电力线网络中的电器的系统的实例的示意性框图；
[0009]图2示出包括根据实施方式的传感器的电力线网络的进一步实例；
[0010]图3示出在不同的条件下所采用的电视机的电特性的实例；
[0011]图4A示出图解用于确定根据实施方式的模型轮廓的算法的传输线模型；
[0012]图4B示出图解用于确定根据进一步实施方式的模型轮廓的算法的传输线模型；
[0013]图5是示出根据实施方式的方法的简化流程图；并且
[0014]图6示出另一传感器的实例。

【具体实施方式】
[0015]以概述方式提供了上述段落，而不旨在限制以下权利要求的范围。参考结合附图的以下【具体实施方式】将充分理解所描述的实施方式连同进一步的优点。附图中的元件无须相互成比例。
[0016]应当理解，可以利用其他实施方式，并且在不偏离由权利要求定义的范围的情况下可以做出结构或逻辑改变。在附图中，贯穿数个示图，类似参考标号表示相同或相应的部分。
[0017]实施方式的描述不是限制性的。特别地，在下文中描述的实施方式的元素可以与不同实施方式的元素结合。
[0018]图1示出电力线网络200和用于分析电力线网络中的电器的系统180的实例。电力线网络200可以是任何电力线网络(供电网络)，特别是可以存在于一个或多个家庭，居住单元，公寓，公寓房屋，办公室，工厂，商店等的电力线网络或输电干线电力网。电力线网络200可以经由配电柜230连接到连接线270(其可以将电力线网络200连接到例如电压分配网或发电厂)。根据实施方式，配电柜230可以被实现为保险丝柜。电力线网络200可以包括一个或多个电线或电力线缆。根据国家规范或常规，每条电线可以例如包括一条、两条、三条或更多不同相位的相线、中性线和保护性地线。例如，电力线网络200可以包括干线210和几个支线215。电气设备240、250、260的连接线缆可以被插入到壁装电源插座或插座275中以连接电气设备和电力线网络。更多电气设备246可以经由其他连接器系统276连接至电力线系统200。此外，支线215可以经由壁装电源插座连接至干线210。例如，支线215可以由向其中插入电气设备245和247的连接线缆的多插口电源插座实现。
[0019]作为在本说明书的上下文中使用的术语“电器”可以指如例如在图1中示出的任何电气设备240到260。电气设备的具体实例可以包括任何可能的设备，例如照明灯泡，电冰箱，吸尘器，洗衣机，电视机，录像机，DVD播放机，空调，⑶播放机，互联网交换机，机顶盒，电池充电设备，电话，笔记本及其他。例如，电气设备可以包括固定电气设备和移动(可断开的)电气设备。术语“电器”此外可以包括一组例如通过支线215的方式连接到多插口电源插座或具有特定电源插座275的延长引线的电气设备。术语“电器”不局限于电力消耗设备。根据实施方式，这个术语还可以包括发电设备，例如可以附接到房屋屋顶上的太阳能发电装置，地热发电厂及其他。此外，本术语同样可以包括连接至电力线网络的电动车辆，其在充电期间消耗电力，但是在其它时候可以从其电池组中供应电力到电力线网络。
[0020]作为将容易理解的，电器不必是静态的，例如吸尘器或其他例如可以在公寓中被插入到不同电源插座中的笔记本或电池充电器的移动设备。电器可以在不同的工作状态运转。例如，根据当前运行的程序，和可选择地，程序内的点，洗衣机或洗碗机可以处于不同的工作状态(诸如，例如干燥或滚动)。此外，例如洗衣机或洗碗机的电器能够以“经济程序”运转，例如专用省电模式。再者，例如笔记本，电视机，录像机可以处于待机状态，即，未激活但消耗一些电力。根据进一步实施方式，电器可以处于电力消耗或电力输送状态。例如，如上面已提及的，电动车辆可以被充电，因此消耗电力，或可以从它的电池中供应电力到电力线网络，因此输送电力。在本说明书的上下文中，术语“连接至电力线网络”旨在意指提供电力到特定电器的线路，例如，连接线缆与电力线网络连接。例如，特定电器的连接线缆可以被插入到插座中。特定电器可以处于任意的工作状态。例如，电器可以被开启或关闭，电器可以在I级或2级运转，其可能处于待机模式，其可以供电或消耗电力。术语“激活的电器”是指与电力线网络连接的电器，该电器消耗或输送电力。例如，电器可以被连接并开启。
[0021]示出的电力线网络200图解了普遍使用的电力线网络。如将清楚了解的，任何种类的电力线网络可以用于本公开内容的目的。在本公开内容的上下文中，术语“电力线网络”是指可以存在于例如住宅、建筑物、城市小区、城镇及其他任意实体中的电网，一个或多个任意的电器被连接到此电网。
[0022]用于分析电力线网络的系统180包括传感器100。传感器100包括被配置为连接至电力线网络200的连接器105。例如，连接器105可以连接至插口 275或电力线网络200的电源插座。根据进一步的实施方式，连接器105可以通过任意的连接器系统连接至电力线网络200，例如在配电柜处。传感器进一步包括被配置为测量电力线网络200的电特性的测量单元110。传感器还包括处理器115，处理器115可以被配置为基于一个或多个候选电器的电特性和电力线网络的配置确定模型轮廓(model profile).处理器115进一步被配置为基于电力线网络200的电特性和模型轮廓检测连接至网络的电器。在图1中示出的系统还可以包括用于存储多个电气设备的电特性、增强电特性和/或模型轮廓的存储器120。此外，系统180可以包括用于发送检测连接的电器的结果的通信单元125。
[0023]测量单元110被配置为经由连接器105测量电力线网络200的电特性。通常，电力线网络电特性的测量经由可以与电力线网络200按照以上说明的方式连接的连接器105执行。在一个实施方式中，电力线网络的电特性可以相当于(一个或多个)测量((一个或多个)测量的结果)，或其可以从测量中例如通过处理所述(一个或多个)测量或通过计算导出。例如，电特性可以通过测量或推导电力线网络的电流、电压、复值的阻抗(complex-valuedimpedance),S参数或复值的导纳函数中的一个或多个获得。作为替代,任何这些测定值的任何实部和虚部可以使用。可以在一个或多个测量点进行测量，例如通过测量单元110和/或额外的在图2中未示出的测量单元，例如在线路周期内或一个或多个时间特定点。
[0024]例如，测量单元110可以注入测试信号，例如以一个或多个固定载波频率f的Ut (f, T )和/或It(f, τ)，其中τ表示线路周期位置，τ处于从O到2 π / ω ρι^的时间间隔中，其中在普遍使用的电力线网络中可以是例如50Hz或60Hz。然后，测量单元110可以经由连接器105测量电压U。(f，τ)和/或电流IJf，τ)，连接器105可以包括测试信号的反射。从所述测量中可以获得电特性。举例来说，电特性可以基于关于注入的测试信号的认知得来。例如，电力线网络的电特性可以通过确定由Y(f，x)=10(f, x)/U0(f, τ)定义的复值的导纳函数确定。测量单元110可以能够在某个频率范围中生成测试信号。举例来说，频率范围可以来自于大约50kHz到大约多于225kHz并且甚至更多。此外，测量单元110可以被配置为在这个频率范围中适当的感应和测量电压Udf，τ)和/或电流1。比τ)。测量单元的具体配置是通常已知的，并且可以借助于用于经由连接器105测量复值的导纳函数的设备或电路实现。
[0025]处理器115可以借助于任何种类的处理设备实现，处理设备包括，例如，CPU (“中央处理单元”)。相反于在图1和2中示出的配置，处理器可能不借助于与传感器更多的组件相同的外壳封装。例如，测量单元110可以经由连接器插入到插口 275或电力线网络200，并且测定值，例如UJf，τ )和1。比τ )可以被发送到可以是普遍的采用的计算机的组件的处理器。更进一步地，处理器可以被布置在远离电力线网络的位置。根据这个实施方式，测定值，例如U^f，τ)和1。比τ)，被通过任何种类的有线连接或无线连接发送到位于世界上任何位置的计算机。
[0026]处理器115被配置为基于电力线网络的电特性和基于一个或多个候选电器的电特性和电力线网络的配置的模型轮廓检测连接的电器。处理器115可以被配置为考虑电力线网络的配置来确定模型轮廓。在本公开内容的上下文中，术语“电力线网络的配置”是指电力线网络或干线电力网的(电流)状态，状态例如由电力线网络的(固定)结构(例如节点的排布，线路的长度，线路的衰减，信号在线路上的运行时间等)和/或连接至电力线网络的电器的影响(例如由反射或干扰等所引起的)确定。电力线网络的配置可以考虑哪些电器被连接至哪个电源插座或其他连接器元件，在电源插座和电器之间对应的线长度和/或在电器所连接至的电源插座和测量单元所连接的点之间的距离。
[0027]根据实施方式，确定模型轮廓可以包括确定一个、更多或全部候选电器的增强电特性，其反映电力线网络中的候选电器的位置对候选电器的电特性的影响，例如在电力线网络中的候选电器的位置和测量电力线网络的电特性所在的点之间的电力线网络的影响。例如，候选电器的增强电特性可以如按照(通道通过)在电器和测量点之间的电力线的变换相当于电器的电特性。例如，在家庭中，可用电器的组可以是已知的(例如由于用户输入或训练阶段)。另外，在实施方式中，这些电器通常使用的位置可以是已知的。例如，吸尘器可以用在各种位置(例如，房屋的不同的电源插座)，反之洗衣机和洗碗机通常是固定的。相应地，处理器115可以确定洗碗机和洗衣机在不同的工作状态和/或在它们的静态位置的增强电特性。此外，处理器115可以确定在对应于其可能连接的不同电源插座的各种不同位置和各种工作状态的吸尘器的增强电特性。例如，这些增强电特性可以存储在存储器设备120中。根据进一步实施方式，确定模型轮廓可以包括确定候选电器的增强电特性的组合。
[0028]根据实施方式，电特性、增强电特性和/或模型轮廓可以存储在存储器设备120中。根据实施方式，存储器设备120可以构成系统180的一部分。可替换地，存储器设备120可以独立于系统180。存储器设备120也可以包括可以插入例如⑶(光盘)、DVD (数字通用盘)或闪存的存储介质到其中的磁盘驱动，或对于存储设备的接口，例如USB (通用串行总线)接口。
[0029]以下将参考图3和4说明为了确定模型轮廓的处理器115的具体的可操作性的实例。处理器115可以进一步与能够与外部世界(例如，与用户、远程存储器设备120，与一个或多个服务供应商等)通信的通信单元125连接。例如，通信单元125可以提供借助于无线或线缆连接的调制解调器连接到互联网或内联网。通信单元125可以是普遍使用的连接至传感器100的路由器。通信单元125可以通过已知的包含任何种类的无线或有线连接的通信方法的方式与外部通信。无线或有线连接的实例包括调制解调器连接、包括以太网的局域网(“LAN”)连接、例如数字用户线路(“DSL”)的宽带广域(“WAN”)连接、线缆高速互联网连接、拨号连接、光纤连接、电力线载波连接及其他。
[0030]根据实施方式，模型轮廓基于布置在不同位置以及处于不同的工作状态中的一个或多个候选电器的电特性。如以上已描述的，候选电器的电特性、增强电特性和/或模型轮廓可以分别存储在构成传感器100或系统180的一部分的存储器中，或者，它们可以是外部存储的，例如在数据库中。根据实施方式，候选电器的电特性可以在训练阶段期间使用可以安装在传感器100或在系统180的专用电源插座112确定。专用电源插座112可以连接至测量单元110。例如，当初始化传感器100或系统180时，存在于特定家庭的每个电器的电特性可以通过将电器一个接一个连接到专用电源插座112测量。例如，可以测量针对不同工作状态的电特性。用户可以通过例如构成传感器180或系统100的一部分的用户界面的方式为不同的电器和/或工作状态提供名称。根据不同的实现方式，名称和/或工作状态可以被输入到包括PC (个人电脑)、PDA (个人数字助理)等的任何种类的电子设备里，并且经由通信单元125被发送。在初始化期间，以下将参考图3说明在例如高频下的电特性以及可以测量在50Hz下的功耗。在50Hz下的功耗对估计当前功耗可以有用。因为在初始化期间，电器被一个接一个连接并且电器仅经由传感器被连接至电力线，在没有电力线网络的影响的情况下测量功耗。根据实施方式，所有这些特性可以被存储到存储器或外部数据库。例如，当购买了新电器时，相应的测量可以在专用电源插座112执行。
[0031]图2示出包括可能与在图1中示出的电力线网络200相似的电力线网络200的配置。根据图2的配置，传感器100实现为单独的设备。例如，传感器100可以经由外部通信单元310连接到外部数据库320。例如通信单元310可以按与上面已描述的用于通信单元125的类似的方式提供连接到互联网。传感器100包括连接器105，举例来说，连接器105在配电柜230连接至电力线网络200。传感器100进一步包括测量单元110和处理器115。传感器的组件可以按与作为图1的系统的一部分示出的传感器100的组件的类似方式运行。此外，按与上面已描述的类似方式，传感器的组件可以被布置在不同位置。例如，处理器115可以被布置在不同于电力线网络的位置。传感器100还可以包括如上所述的专用电源插座112。
[0032]根据实施方式，系统180或传感器100可以在例如DSL路由器、或例如电力线通信调制解调器的调制解调器中实现。一侧的路由器或调制解调器提供通信接口到互联网，或经由任何种类的无线或有线连接通常到通信网络。作为进一步的功能性，传感器100或系统180可以被包括到DSL路由器或调制解调器，以便分析电力线网络220。
[0033]根据实施方式，处理器115被配置为检测与电力线网络连接的电器。在本公开内容的上下文中，术语“检测电器”旨在意指处理器找出是否有任何电器连接，而不必找出哪个电器是否连接。根据进一步实施方式，处理器115被配置为识别与电力线网络连接的电器。在本公开内容的上下文中，术语“识别电器”旨在意指处理器找出哪个电器是连接的。例如，处理器115可以找出例如吸尘器的特定电器与电力线网络连接。根据实施方式，处理器115可以被配置为仅检测或识别激活的电器，例如开启的电器。根据另一实施方式，处理器115可以识别特定电器的工作状态。例如，处理器115可以找出电视机处于待机模式而洗衣机正在滚动。例如，检测结果可以按例如在显示器上包括电器的名称以及它们的工作状态的列表的形式提供至用户。根据进一步实例，检测结果可以按照包括用于响应的选项的交互式列表的形式提供至用户，例如在处理器检测到电熨斗是连接的并开启的情况下“断开电熨斗”。例如，这种指令可以经由电力线通过电力线通信(PLC)、无线或有线通信的方式传递到熨斗。根据又一实例，可以向系统中的用户递交信息，其中，如果确定了附接到屋顶上的太阳能发电装置输送电力，用户可以激活另一电器，例如洗衣机。可替换地，检测结果可以存储在数据库中或可以提供至服务供应商。如将容易理解的，接收结果的用户或服务器可以位于任意的位置，例如，在电力线网络的位置或在远离电力线网络的位置。
[0034]在下文中将说明术语“模型轮廓”。
[0035]图3示出测量的针对电视机的导纳的实例，电视机在情况a)中直接附接到电力线/电力线的电源插座。根据曲线b)，在电视机和电力线/电源插座之间布置有4m延长线缆。已为七个不同的载波(即，75kHz，10kHz直到225kHz)示范性地做出测量。对特定载波频率的每个测量的右手部分示出相关于(in dependence from) τ的导纳的虚部，而左手部分示出相关于τ的导纳的实部，其中τ表示线路周期位置，τ处于从O到2 π / ω a的时间间隔中，其中OpJ列如在普遍使用的电力线网络中可以是50Hz或60Hz。如同变得清晰可见的，导纳依赖延长线缆是否存在而大幅地变化。在图3中，术语“特征指标”涉及对其执行测量的向量分量或取样/测定值的数目。由于噪声，未绘出50kHz的频率下的测定值。
[0036]如以上已讨论的，处理器可以被配置为基于电力线网络的电特性和基于一个或多个候选电器的电特性和电力线网络200的配置的模型轮廓检测连接的电器。电力线网络的电特性可以是在图3中示出的导纳。
[0037]在例如在图1或图2中示出的网络中，不同的(候选)电器可以被连接和/或在不同的时间处于不同工作状态，例如洗衣机250，CD播放机260和电视机240，以及更多可能的电器。每个候选电器的电特性可以预先例如使用如上面已说明的方法使用专用电源插座112确定。此外，针对不同工作状态的电特性可能已被确定。可替换地，候选电器的电特性可以已从外部源获得，如以下说明的，例如从互联网下载。
[0038]不同的电器可以在关于传感器100连接至电力线网络和/或测量电特性的点的不同位置连接至电力线网络。例如，电器可以在具有或不具有延长线缆等的情况下被插入到不同的电源插座中。作为结果，作为传感器观测的单独电器的电特性可能受在电器的位置和传感器之间的电力线影响，例如受相应的线长度、其衰减和/或由来自其他电器等的反射等影响。换言之，观测的电特性可能受电力线网络的配置的影响。
[0039]如此，本文中提出当分析连接至电力线网络的电器时，使用基于电力线网络的配置的模型轮廓。
[0040]电力线网络的配置可以借助于传输线模型近似或反映，传输线模型转而可以被作为用于确定模型轮廓的基础。在下文中，将讨论传输线模型，同时呈现是电特性实例的复值导纳的变换。与基于并联电路的传输线模型结合使用导纳可能是有利的，因为其是线性的。以模拟方式，如果测试信号的电压被假定为是不变的，电流可以是线性的。线性可以使计算容易。如清楚理解地，变换可以使用如以上已举例说明的其他电特性执行。此外，根据在传输线模型中连接的种类(例如并联或串联)，不同的电特性可以是适当的。
[0041]图4A示出传输线模型，其可以是用于确定模型轮廓的第一算法的基础。根据在图4A中示出的传输线模型，假设每个电器app (振幅H (具有导纳Yapiu (f，O作为其电特性)经由线长度值Ii的单独线路连接至测量电力线网络的电特性的点。换句话说，每个电器app，Lapp, 2由单独线路长度Ii加长，并且结果电路被认为是由相应的单独线路长度值Ii变换或影响的电器的并联电路。考虑这个传输线模型，模型轮廓可以基于如由对应的单独线路长度值(由Ii表示的)变换的候选电器(在图4A的实例中的YapiU(f，τ ))的电特性获得，并且与观察的电力线网络的电特性(在图4A的实例中，Ytrtal(f，τ ))等价，如下:

【权利要求】
1.一种用于分析电力线网络中的电器的方法，包括: 使用连接至所述电力线网络的传感器获取所述电力线网络的电特性；以及 基于所述电力线网络的所述电特性和模型轮廓检测连接至所述电力线网络的电器，其中，所述模型轮廓是基于一个或多个候选电器的电特性和所述电力线网络的配置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，获取所述电力线网络的所述电特性包括:使所述传感器以固定频率f和变化线路周期位置τ将测试信号Ut (f，τ)和/或It(f，τ)注入所述电力线网络，并且使所述传感器测量由电压Ujf，τ)和电流1。比τ)组成的组中的至少一个量。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，使各自具有不同的固定频率的多个测试信号在不同的定时被注入。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，使各自具有不同的固定频率的多个测试信号在一个定时被注入。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，获取所述电力线网络的所述电特性包括:确定由以下定义的导纳Y (f，τ)的实部和/或虚部:
Y (f, τ )=10(f, τ ) /U0 (f, τ )。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述模型轮廓是使用所述候选电器中至少一个的增强电特性确定的，所述增强电特性反映所述电力线网络中的所述候选电器的位置对所述候选电器的所述电特性的影响。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述模型轮廓由所述候选电器的增强电特性的组合确定。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述模型轮廓由随后是针对全局线长度的变换的所述候选电器的电特性的组合确定。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述模型轮廓被优化以获得一个或多个结果模型轮廓，所述结果模型轮廓匹配所获得的所述电力线网络的电特性并且指示一个或多个连接至所述电力线网络的电器并可选地指示所述一个或多个电器的工作状态。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括选择最佳匹配的结果模型轮廓。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括存储基于所述候选电器的电特性并且反映所述电力线网络中的相应候选电器的位置对所述候选电器的电特性的影响的增强电特性。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括: 除去所述电力线网络的所述电特性中与距离大于阈值的反射对应的部分。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括基于所述电特性和所述模型轮廓识别所检测的所述电器。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括基于所述电特性和所述模型轮廓识别所识别的所述电器的工作状态。
15.一种用于分析电力线网络的传感器，包括: 连接器，被配置为连接至所述电力线网络； 测量单元，被配置为测量所述电力线网络的电特性；以及 处理器，被配置为基于所述电力线网络的电特性和模型轮廓检测连接至所述电力线网络的电器，所述模型轮廓是基于一个或多个候选电器的电特性和所述电力线网络的配置。
16.根据权利要求15所述的传感器，其中，所述处理器进一步被配置为基于所述电特性和所述模型轮廓识别所检测的电器。
17.根据权利要求16所述的传感器，其中，所述处理器进一步被配置为基于所述电特性和所述模型轮廓识别所识别的所述电器的工作状态。
18.一种用于分析电力线网络的系统，包括: 根据权利要求15所述的传感器，以及 用于存储有关多个候选电器的电特性的存储器。
19.根据权利要求18所述的系统，还包括: 通信单元，用于发送检测连接的电器的结果。
20.一种计算机程序，包括当在数据处理装置上执行时引起所述数据处 理装置执行权利要求1所述方法的计算机程序指令。
21.一种包括权利要求20所述的计算机程序的非瞬态计算机可读介质。
22.—种存储器，与多个电特性表征的相应电器的指示和在所述电力线网络中的所述相应电器的相应位置关联地存储多个电特性作为增强电特性。
23.根据权利要求22所述的存储器，进一步与所述增强电特性关联地存储所述电器的工作状态。
【文档编号】G01R31/00GK104076765SQ201410121078
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年3月27日 优先权日:2013年3月28日
【发明者】阿尔特弗里德·迪利, 本·艾特尔, 托马斯·克姆普, 塞巴斯蒂安·克伦克, 斯特凡·乌利希 申请人:索尼公司