非侵入型負荷監視

非侵入型負荷監視（NILM）、非侵入型機器負荷監視（NIALM ） ^[1]、またはエネルギー分解^[2]は、家に入る電圧と電流の変化を分析し、家の中で使用されている機器とそれらの個々のエネルギー消費量を推測するプロセスです。NILMテクノロジーを備えた電気メーターは、さまざまな家庭での電力の具体的な使用状況を調査するために公益事業会社によって使用されています。NILMは、各機器に個別のモニターを取り付けるよりも低コストの代替手段と考えられています。ただし、プライバシーに関する懸念があります。

背景と理論

非侵入型負荷監視は、 1980年代初頭にMITのジョージ・W・ハート、エド・カーン、フレッド・シュウェッペによって電力研究所の資金提供を受けて発明されました。^[3]^[4]

基本的なプロセスは、米国特許 4,858,141に記載されています。特許の図 1 に示されているように、住宅に供給される単相電力にデジタル AC モニターが取り付けられています。電圧と電流の変化が測定され (アドミタンス測定ユニット)、正規化され (スケーラー)、記録されます (ネットチェンジディテクターユニット)。次に、クラスター分析を実行して、さまざまな機器がいつオンおよびオフになったかを特定します。たとえば、60 ワットの電球がオンになり、続いて 100 ワットの電球がオンになり、続いて 60 ワットの電球がオフになり、続いて 100 ワットの電球がオフになった場合、NIALM ユニットは 60 ワットの電球からのオンとオフの信号と 100 ワットの電球からのオンとオフの信号を照合して、各電球でいつどれだけの電力が使用されたかを判断します。このシステムは、同じ公称定格の電球の実際の消費電力の通常の変動により、個々の 60 ワット電球を区別できるほど感度が高い (たとえば、1 つの電球は 61 ワットを消費し、別の電球は 62 ワットを消費する)。

このシステムは無効電力と有効電力の両方を測定できます。したがって、同じ総消費電力を持つ 2 つの機器を、複素インピーダンスの違いで区別できます。たとえば、特許の図 8 に示されているように、冷蔵庫の電気モーターと純粋な抵抗ヒーターは、電気モーターはオンとオフのときに無効電力が大きく変化するのに対し、ヒーターにはほとんど変化がないため、区別できます。

NILM システムは、一連の個別の電力消費の変化を伴う機器を識別することもできます。これらの機器は有限状態マシンとしてモデル化されます。たとえば、食器洗い機には、通常の食器洗いサイクル中にオンとオフを繰り返すヒーターとモーターがあります。これらはクラスターとして識別され、クラスター全体の電力消費が記録されます。したがって、「抵抗加熱ユニット」や「電動モーター」ではなく、「食器洗い機」の電力消費を識別できます。

アプリケーション

「非常に費用対効果の高い」負荷識別^[5]
起動時の過渡現象、回線や機器の故障などを安価に検出します。^[6]^[7]
住宅と商業施設の両方のエネルギー消費量の調査を実施する。^[8]^[9]
スマートグリッド上で利用される需要応答システム。^[10]
より少ないセンサーで安全なシステム運用を実現するために、船舶に搭載されたシステムを監視する。^[11]

プライバシーに関する懸念

NILM は、人々がどのような種類の電化製品を所有しているか、またその行動パターンを検出することができます。エネルギー使用パターンは、誰も家にいない通常の時間や、居住者の恥ずかしい行動や違法行為などの行動パターンを示す可能性があります。たとえば、住宅の居住者がシャワーを使用している時間や、個々の照明がオン/オフになっている時間を明らかにすることができます。^[3]

NILM が公益事業会社または第三者によってリモートで実行されている場合、住宅所有者は自分の行動が監視され記録されていることに気付かない可能性があります。

ユーザーが管理するスタンドアロンの家庭用システムは、他の人に情報を公開することなく、エネルギー使用に関するフィードバックを提供できます。ユーザーの行動とエネルギー消費を関連付けると、エネルギー消費の削減、効率の向上、ピーク負荷の平準化、コストの削減、または機器の使用とグリーンエネルギーの利用可能性のバランスをとることに役立ちます。ただし、スタンドアロンシステムを使用しても、リモート監視から保護されるわけではありません。

このテクノロジーの精度と機能はまだ開発段階であり、完全な情報が数分から数時間にわたって蓄積され分析されるため、ほぼリアルタイムで 100% 信頼できるわけではありません。

ソフトウェア

非侵入型負荷監視および診断のためのフレームワーク（M. Eng.論文）には実装のコードリストが含まれています^[12]
非侵入型負荷監視ツールキット（NILMTK） - Pythonで書かれたオープンソースプロジェクト^[13]

参照

参考文献

^ Hart, GW (1992). 「非侵入型アプライアンス負荷監視」. Proceedings of the IEEE . 80 (12): 1870–1891. doi :10.1109/5.192069.
^ Batra, Nipun; Kukunuri, Rithwik; Pandey, Ayush; Malakar, Raktim; Kumar, Rajat; Krystalakos, Odysseas; Zhong, Mingjun; Meira, Paulo; Parson, Oliver (2019-11-13). 「再現可能な最先端のエネルギー分散に向けて」。第 6 回 ACM 国際エネルギー効率の高い建物、都市、交通システム会議の議事録。BuildSys '19。ニューヨーク、ニューヨーク、米国: Association for Computing Machinery。pp. 193–202。doi : 10.1145 / 3360322.3360844。ISBN 978-1-4503-7005-9. S2CID 207939102。
^ ab Hart, GW (1989). 「公共電力フローによる住宅エネルギー監視とコンピュータ監視」. IEEE Technology and Society Magazine . 8 (2): 12–16. doi :10.1109/44.31557. S2CID 41307271.
^ NALM 書誌 1980–1995
^ 「典型的な電気負荷の過渡的動作は強く」。2008年12月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年6月15日閲覧。
^ Streubel, Roman; Yang, Bin (2012 年9 月)。「消費電力の分析による電気機器の識別」(PDF)。2012年第 47 回国際大学電力工学会議 (UPEC)。pp. 1–6。doi :10.1109 / UPEC.2012.6398559。ISBN 978-1-4673-2856-2. S2CID 23933111. 2016年6月15日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2022年12月2日閲覧。
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^ Laughman, C.; Kwangduk Lee; Cox, R.; Shaw, S.; Leeb, S.; Norford, L.; Armstrong, P. (2003). 「電力シグネチャ分析」(PDF) . IEEE Power and Energy Magazine . 1 (2): 56. doi :10.1109/MPAE.2003.1192027.
^ Naghibi, B.; Deilami, S. (2014-09-01). 「家庭のエネルギー管理のための非侵入型負荷監視と補助技術」. 2014 Australasian Universities Power Engineering Conference (AUPEC) . pp. 1–5. doi :10.1109/AUPEC.2014.6966647. ISBN 978-0-6469-2375-8. S2CID 27239912。
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^ Cox, RW; Bennett, PL; McKay, TD; Paris, J.; Leeb, SB (2007). 「非侵入型負荷モニターを使用した船上監視制御」2007 IEEE 電気船舶技術シンポジウム. p. 523. doi :10.1109/ESTS.2007.372136. ISBN 978-1-4244-0946-4. S2CID 12796256。
^ 非侵入型負荷監視および診断のためのフレームワーク (M. Eng. 論文)
^ 非侵入型負荷監視ツールキット (NILMTK)

[1] Hart, GW (1992). 「非侵入型アプライアンス負荷監視」. Proceedings of the IEEE . 80 (12): 1870–1891. doi :10.1109/5.192069.

[2] Batra, Nipun; Kukunuri, Rithwik; Pandey, Ayush; Malakar, Raktim; Kumar, Rajat; Krystalakos, Odysseas; Zhong, Mingjun; Meira, Paulo; Parson, Oliver (2019-11-13). 「再現可能な最先端のエネルギー分散に向けて」。第 6 回 ACM 国際エネルギー効率の高い建物、都市、交通システム会議の議事録。BuildSys '19。ニューヨーク、ニューヨーク、米国: Association for Computing Machinery。pp. 193–202。doi : 10.1145 / 3360322.3360844。ISBN 978-1-4503-7005-9. S2CID 207939102。

[hart-3] Hart, GW (1989). 「公共電力フローによる住宅エネルギー監視とコンピュータ監視」. IEEE Technology and Society Magazine . 8 (2): 12–16. doi :10.1109/44.31557. S2CID 41307271.

[4] NALM 書誌 1980–1995

[5] 「典型的な電気負荷の過渡的動作は強く」。2008年12月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年6月15日閲覧。

[6] ^ Streubel, Roman; Yang, Bin (2012 年9 月)。「消費電力の分析による電気機器の識別」(PDF)。2012年第 47 回国際大学電力工学会議 (UPEC)。pp. 1–6。doi :10.1109 / UPEC.2012.6398559。ISBN 978-1-4673-2856-2. S2CID 23933111. 2016年6月15日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2022年12月2日閲覧。

[7] Jiang, Lei; Li, Jiaming; Luo, Suhuai; West, Sam; Platt, Glenn (2012). 「エッジシンボル分析とサポートベクターマシンに基づく電力負荷イベントの検出と分類」。応用計算知能とソフトコンピューティング。2012 :1–10。doi : 10.1155/2012/742461。hdl : 1959.13 /1308922。

[8] Laughman, C.; Kwangduk Lee; Cox, R.; Shaw, S.; Leeb, S.; Norford, L.; Armstrong, P. (2003). 「電力シグネチャ分析」(PDF) . IEEE Power and Energy Magazine . 1 (2): 56. doi :10.1109/MPAE.2003.1192027.

[9] Naghibi, B.; Deilami, S. (2014-09-01). 「家庭のエネルギー管理のための非侵入型負荷監視と補助技術」. 2014 Australasian Universities Power Engineering Conference (AUPEC) . pp. 1–5. doi :10.1109/AUPEC.2014.6966647. ISBN 978-0-6469-2375-8. S2CID 27239912。

[10] Bergman, DC; Jin, D.; Juen, JP; Tanaka, N.; Gunter, CA; Wright, AK (2011). 「分散型非侵入型負荷監視」。Isgt 2011 。IEEE Power & Energy Society 革新的なスマートグリッド技術。pp. 1–8。doi :10.1109/ ISGT.2011.5759180。ISBN 978-1-61284-218-9.S2CID 14088478 。

[11] Cox, RW; Bennett, PL; McKay, TD; Paris, J.; Leeb, SB (2007). 「非侵入型負荷モニターを使用した船上監視制御」2007 IEEE 電気船舶技術シンポジウム. p. 523. doi :10.1109/ESTS.2007.372136. ISBN 978-1-4244-0946-4. S2CID 12796256。

[12] 非侵入型負荷監視および診断のためのフレームワーク (M. Eng. 論文)

[13] 非侵入型負荷監視ツールキット (NILMTK)