JP2006261940A - 電力線通信結合回路 - Google Patents

Abstract

【課題】位相が異なる電力線間で、電力線通信信号の通信帯域外のノイズを遮断し、電力線通信信号を減衰させずに双方向で伝送する電力線通信結合回路を提供する。
【解決手段】位相の異なる電力線間で電力線通信信号を伝送する結合トランス（５）の一次側と二次側の各回路素子の回路定数を対称位置に配設する。対となる回路素子の回路定数を同一としながら、一方向の伝送特性を調整すれば、調整した伝送特性が双方向で得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、３線式電力線の異なる位相の電力線間に接続される一組の電力線通信装置間で、双方向の通信を行う電力線通信結合回路に関する。

電力線を利用した通信は、既存の電力線を伝送路として用いるので、新たに通信線路を付設する必要がないという利点がある一方、ノイズの発生が避けられず、実用化の障害となっていた。しかしながら、近年、送信データを広帯域に拡散して送信するスペクトラム拡散変調方式を利用することによって、部分的に電力線に重畳するノイズより小さい信号電力であってもデータの伝送が可能となり、工場内での工作機械の制御や家庭内での機器の双方向通信に、電力線を利用した通信の実用化が進められている。

工場内や家庭内には、一般的に高圧配電線から配電用変圧器によって、単相３線式電力線や三相３線式電力線が引き出され、これらの３線の２線に接続する機器へ電力を供給している。単相３線式は、配電用変圧器の低圧巻線の中間から中性線を引き出して接地し、残る両側の２本の電力線と共に３線で電力を供給する方式であり、また、三相３線式は、変圧器の△巻き線からＲ相、Ｓ相、Ｔ相からなる３線の電力線を引き出し、位相の異なる３本の電力線で電力を供給する方式である。

この３線式電力線を利用する通信では、機器の接続と同様、３線の内の２線の電力線間に通信装置を接続して通信を行うものであるが、いずれの方式においても２線の組み合わせが異なる電力線間では位相が異なり、送信側通信装置と受信側通信装置が異なる電力線対間に接続する場合には、通信ができないという問題があった。

そこで、位相が異なる異なる電力線対間に接続された通信装置間においても、電力線通信を行うことができるようにした電力線通信結合回路が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開昭５２−１０３９０７号（第４欄第７行乃至第１５行、第２図）

図３は、この特許文献１に記載された従来の電力線通信結合回路１００を示す回路図であり、電力線通信結合回路１００は、Ｌ１相電力線と中立線のＮ電力線とＬ２相電力線からなる単層３線式電力線において、Ｌ１相電力線とＮ電力線間に接続された通信装置Ａと、Ｌ２相電力線とＮ電力線間に接続された通信装置Ｂとの間で、電力線通信信号の送受信を可能としたものである。

同図に示すように、Ｌ１相電力線とＬ２相電力線間に、高周波信号である電力線通信信号を伝達可能な結合トランス１０１が配設されている。結合トランス１０１の一次側コイル１０１ａは、Ｌ１相電力線とＮ電力線間に、第１直流遮断コンデンサ１０２と直列に接続され、また、二次側コイル１０１ｂは、Ｌ２相電力線とＮ電力線間に、第２直流遮断コンデンサ１０３と直列に接続されている。

第１直流遮断コンデンサ１０２と第２直流遮断コンデンサ１０３は、電力線の電源周波数（５０乃至６０Ｈｚ）の交流信号を減衰させ、電力線通信信号を結合トランス１０１の一次側コイル１０１ａと二次側コイル１０１ｂへ流すものである。

また、一次側コイル１０１ａと二次側コイル１０１ｂは、電力線の電源周波数の交流信号を結合トランス１０１の一次側と二次側間で遮断し、高周波信号である電力線通信信号を通過させる。

図４は、この電力線通信結合回路１００のＬ１相電力線とＮ電力線間に接続された通信装置Ａから１０Ｈｚから１ＭＨｚまでの周波数の電力線通信信号（図中実線で表示）を送信し、位相の異なるＬ２相電力線とＮ電力線間に接続された通信装置Ｂで受信される通信信号（図中破線で表示）のレベルを示す伝送特性図であり、図に示すように、１ＫＨｚから少なくとも電波法で使用が認められている４５０ＫＨｚの帯域まで、ほぼ減衰することなく、通信装置Ａから通信装置Ｂへ電力線通信信号が伝達される。

従って、電力線通信結合回路１００によれば、３線式電力線の任意の２線を選択して通信装置Ａと通信装置Ｂを接続し、仮に接続した通信装置Ａと通信装置Ｂの一対の電力線間で位相が異なるものであっても、電力線通信信号を送受信できる。

しかしながら、この従来の電力線通信結合回路１００では、１ＫＨｚ以上の幅広い帯域の信号が減衰することなく伝送されるので、電力線通信信号の通信帯域以外に発生するノイズも同時に伝送され、受信側の通信装置において受信する電力線通信信号のＳＮ比が低下し、電力線通信信号によって送信される送信データの復調や再生が困難となるという問題があった。

この問題を解決するため、電力線通信信号が流れる信号線路に帯域フィルタを配設し、電力線通信信号の通信帯域のみの高周波信号を通過させるように、通信装置Ａと通信装置Ｂ間の一方向について帯域フィルタの回路定数を調整することを検討したが、帯域フィルタの前段若しくは後段に配置される結合トランス１０１の一次側コイル１０１ａ若しくは二次側コイル１０１ｂの巻線インダクタンス等の影響により、同じ通信帯域で逆方向に流れる高周波信号は減衰し、双方向で通信帯域の電力線通信信号のみを減衰させることなく伝送させることは極めて困難であった。

その結果、双方向のいずれか一方で受信する電力線通信信号のＳＮ比が低下したり、電力線通信信号自体が減衰し、位相が異なる電力線間では、双方向通信の品質が劣化するという問題があった。

本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、位相が異なる電力線間で、電力線通信信号の通信帯域外のノイズを遮断し、電力線通信信号を減衰させずに双方向で伝送する電力線通信結合回路を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、請求項１の電力線通信結合回路は、第１相電力線と第２相電力線と第３電力線とからなる３線式電力線を用いて、第１相電力線と第３電力線間に接続される第１電力線通信装置と、第２相電力線と第３電力線間に接続される第２電力線通信装置との間で双方向に電力線通信信号を送受信する電力線通信結合回路において、同一巻き線比で第１相電力線と第３電力線間に接続する一次側コイルと第２相電力線と第３電力線間に接続する二次側コイルとからなり、第１相電力線と第２相電力線間で電力線通信信号を伝達する結合トランスと、第１相電力線と第３電力線間に一次側コイルと直列に接続される第１直流遮断コンデンサと、第１相電力線と第３電力線間に接続され、電力線通信信号の通信帯域の高周波信号を通過させる第１帯域フィルタと、第２相電力線と第３電力線間に二次側コイルと直列に接続される第２直流遮断コンデンサと、第２相電力線と第３電力線間に接続され、電力線通信信号の通信帯域の高周波信号を通過させる第２帯域フィルタとを備え、
結合トランスの一次側に接続される第１直流遮断コンデンサ及び第１帯域フィルタと二次側に接続される第２直流遮断コンデンサ及び第２帯域フィルタを、結合トランスについてそれぞれ対称位置に配設し、各回路素子の回路定数を、対称位置に配設された回路素子の回路定数と同一としたことを特徴とする。

高周波信号である電力線通信信号は、第１直流遮断コンデンサ及び第２直流遮断コンデンサを通過し、また、その通信帯域の高周波信号を通過させる第１帯域フィルタ及び第２帯域フィルタを通過するので、結合トランスを介し、一次側の第１電力線通信装置と二次側の第２電力線通信装置との間で双方向に伝送される。

また、電力線の電源周波数は、電力線通信信号の通信帯域の周波数に比べて極めて低いので、第１直流遮断コンデンサ及び第２直流遮断コンデンサで大きく減衰し、また、結合トランスで一次側と二次側が遮断されるので、位相が異なる電力線間に接続された第１電力線通信装置と第２電力線通信装置であっても、その影響を受けず、電力線通信信号を含む高周波信号のみが伝送される。

通信帯域外の高周波ノイズは、第１帯域フィルタ及び第２帯域フィルタで遮断されるので、接続する電力線の位相が異なる第１電力線通信装置と第２電力線通信装置間で、双方向で、電力線通信信号の通信帯域外のノイズが含まれず、電力線通信信号が減衰されずに伝送される。

結合トランスの一次側コイルと二次側コイルの巻線比が同一であり、一次側に接続される第１直流遮断コンデンサ及び第１帯域フィルタと二次側に接続される第２直流遮断コンデンサ及び第２帯域フィルタを、結合トランスについてそれぞれ対称位置に配設し、各回路素子の回路定数を、対称位置に配設された回路素子の回路定数と同一とするので、第１電力線通信装置と第２電力線通信装置間の双方向の伝送特性は同一となる。

請求項２の電力線通信結合回路は、電力線通信信号が、広帯域に送信電力を分散するスペクトラム拡散変調信号であることを特徴とする。

スペクトラム拡散変調信号は、電力線を広帯域に拡散して伝送されるので、電力線通信信号の通信帯域内の一部周波数で電力線に重畳するノイズは、スペクトラム拡散変調信号を復調する際には、信号電力に比較し相対的に小さいレベルとなり、ノイズの影響を受けずに復調される。

請求項３の電力線通信結合回路は、第３電力線が接地された中性線の単相３線式電力線であることを特徴とする。

第１相電力線と中性線間に接続される第１電力線通信装置と、第２相電力線と中性線間に接続される第２電力線通信装置とは、等電圧で逆相の電力線に接続されるが、一次側コイルと二次側コイルの巻線比が同一の結合トランスを介して、逆相の影響を受けず、双方向に電力線通信信号が伝送される。

請求項１の発明によれば、結合トランスの対称位置に配設された対となる回路素子の回路定数を同一としながら、一方向の電力線通信信号が減衰せず、その通信帯域の高周波信号を通過させるように調整すれば、逆方向の伝送特性も同一となり、双方向で電力線通信信号を減衰させずに受信し、ノイズの影響を受けずに復調若しくは再生が可能な電力線通信結合回路の各回路定数を容易に調整できる。

これに加えて、請求項２の発明によれば、スペクトラム拡散変調信号が拡散して伝送される帯域を、第１帯域フィルタ及び第２帯域フィルタの通過帯域とすることにより、ＳＮ比が上昇し、受信側の電力線通信装置でより確実に復調できる。

以下、本発明に係る電力線通信結合回路１を、図１、図２を用いて説明する。図１は、Ｌ１相電力線２と中性線３とＬ２電力線３の３本の電力線で電力を供給する単相３線式電力線に電力線通信結合回路１を設けた回路図である。

図１において、電力線通信結合回路１は、第１相電力線であるＬ１相電力線２と中立線３間に接続される第１電力線通信装置Ａと、第２相電力線であるＬ２相電力線４と中立線２間に接続される第２電力線通信装置Ｂとの間で、双方向で電力線通信信号の伝送を可能とするものである。

一対の電力線を利用して伝送される電力線通信信号は、本実施の形態では、通信データで１５０ＫＨｚから４００ＫＨｚの帯域にスペクトラム拡散変調したスペクトラム拡散変調信号（以下、ＳＳ変調信号という）であり、第１電力線通信装置Ａと第２電力線通信装置Ｂは、通信データでＳＳ変調信号に変調し、またＳＳ変調信号から通信データを復調するスペクトラム拡散変復調回路部（図示せず）を内蔵している。

従って、第１電力線通信装置Ａは、Ｌ１相電力線２と中立線３に接続するコンセントに端末接続用プラグを差し込むことにより、通信信号で変調したＳＳ変調信号をＬ１相電力線２及び中立線３に重畳し、若しくは、Ｌ１相電力線２及び中立線３に重畳するＳＳ変調信号を分離し通信信号に復調する。

同様に、第２電力線通信装置Ｂは、Ｌ２相電力線４と中立線３に接続するコンセントに端末接続用プラグを差し込むことにより、通信信号で変調したＳＳ変調信号をＬ２相電力線４及び中立線３に重畳し、若しくは、Ｌ２相電力線４及び中立線３に重畳するＳＳ変調信号を分離し通信信号に復調する。

図中５は、位相の異なるＬ１相電力線２とＬ２相電力線４間で、高周波信号であるＳＳ変調信号（電力線通信信号）を伝達可能な結合トランスであり、その一次側コイル５ａはＬ１相電力線２と中立線３間に、二次側コイル５ｂは、Ｌ２相電力線４と中立線３間に接続される。単相３線式電力線の中立線３は、配電用変圧器の低圧巻線の中間から引き出されるので、Ｌ１相電力線２と中立線３間の電圧と、Ｌ２相電力線４と中立線３間の電圧はそれぞれ等しい。また、一次側コイル５ａと二次側コイル５ｂは、同一の巻き線比となっている。

図に示すように、電力線通信結合回路１を構成する各回路素子は、同一巻き線比の一次側コイル５ａと二次側コイル５ｂについて、一次側と二次側で対称位置に配設されるもので、一次側コイル５ａは、Ｌ１相電力線２と中立線３間で、第１帯域フィルタ６を介して第１直流遮断コンデンサ７と直列に接続され、また、二次側コイル５ｂは、Ｌ２相電力線４と中立線３間で、第２帯域フィルタ８を介して第２直流遮断コンデンサ９と直列に接続されている。

第１直流遮断コンデンサ７と第２直流遮断コンデンサ９の容量は、電力線の電源周波数（５０乃至６０Ｈｚ）に対して充分大きいインピーダンスで、ＳＳ変調信号の拡散通信帯域（１５０ＫＨｚから４００ＫＨｚ）で充分小さいインピーダンスとなるように設定され、ここではそれぞれ０．１μＦの容量のコンデンサを用いる。これにより、電源周波数の交流信号は大きく減衰し、ＳＳ変調信号を含む高周波信号は、ほぼ減衰することなく通過する。

第１帯域フィルタ６は、第１直流遮断コンデンサ７と一次側コイル５ａ間に直列に接続される第１コイル６ａと、一次側コイル５ａと並列に接続される第１コンデンサ６ｂとで構成される。また、第２帯域フィルタ８は、第２直流遮断コンデンサ９と二次側コイル５ｂ間に直列に接続される第２コイル８ａと、二次側コイル５ｂと並列に接続される第２コンデンサ８ｂとで構成され、第１コイル６ａと第２コイル８ａ、及び第１コンデンサ６ｂと第２コンデンサ８ｂが結合トランス５について対称位置に接続され、これにより第１帯域フィルタ６と第２帯域フィルタ８も対称位置に配設される。

第１帯域フィルタ６と第２帯域フィルタ８は、それぞれＳＳ変調信号の拡散通信帯域の高周波信号を通過させるように各回路素子の回路定数が設定され、本実施の形態では、対称位置で対となる第１コイル６ａと第２コイル８ａのインダクタンスが各４．７μＨに、第１コンデンサ６ｂと第２コンデンサ８ｂのキャパシタンスが各５０ｎＦに設定される。従って、Ｌ１相電力線２と中立線３間若しくはＬ２相電力線４と中立線３間に流れるＳＳ変調信号の通信帯域の高周波信号のみが減衰されずに結合トランス５に流れる。

結合トランス５の一次側コイル５ａと二次側コイル５ｂの巻線インダクタンスは、電力線の電源周波数に対して低いインピーダンスで、ＳＳ変調信号の通信帯域で充分大きいインピーダンスとなるように設定され、ここでは、４．７μＨのインダクタンスに設定される。これにより結合トランス５の一次側と二次側で重畳する電源周波数の交流信号は伝達されず、位相の異なるＬ１相電力線とＬ２相電力線間は、ＳＳ変調信号の通信帯域信号のみが伝達される。

尚、図１において、Ｒ１、Ｒ２は、電力線２、３、電力線４、３間の平均インピーダンスに相当する１０Ωの抵抗である。

図２は、上述したように各回路素子の回路定数を設定した電力線通信結合回路１について、Ｌ１相電力線２と中立線３間に接続された第１電力線通信装置Ａから１０Ｈｚから１ＭＨｚまでの周波数の電力線通信信号（図中実線で表示）を送信し、位相の異なるＬ２相電力線４と中立線３間に接続された第２電力線通信装置Ｂで受信される電力線通信信号（図中破線で表示）のレベルを示す伝送特性図であり、従来の電力線通信結合回路１００についての伝送特性図である図４と比較するため、同一条件で測定したものである。

図２に示すように、第２電力線通信装置Ｂでは、ＳＳ変調信号の拡散通信帯域である１５０ＫＨｚから４００ＫＨｚで、ほぼ減衰することなく第１電力線通信装置Ａから送信された電力線通信信号が受信される。また、その他の周波数帯域では急激に減衰し、第２電力線通信装置Ｂに到達しないので、Ｌ１相電力線２と中立線３間に重畳する高周波ノイズの多くは、第２電力線通信装置Ｂに到達しない。

また、電力線に流れる電源周波数の交流信号も到達しないので、接続する電力線の位相が異なる第１電力線通信装置Ａから送信されたＳＳ変調信号であっても、第２電力線通信装置Ｂにおいて確実に復調できる。従って、第２電力線通信装置Ｂを接続する電力線の極性を考慮することなく、一対のＬ２相電力線４と中立線３に接続できる。

電力線通信結合回路１を構成する各回路素子は、結合トランス５について対称であり、対称位置で対となる回路素子の回路定数が同一であるので、第２電力線通信装置Ｂから図２と同一と条件で電力線通信信号を送信し、第１電力線通信装置Ａで受信される電力線通信信号のレベルを示す伝送特性図は、図２に示す伝送特性図と同一であり、従って、第１電力線通信装置Ａと第２電力線通信装置Ｂの双方向で電源周波数の位相ずれやノイズの影響を受けずに、電力線通信信号を伝送できる。

本実施の形態によれば、結合トランス５の対称位置に配設された対となる回路素子の回路定数を同一としながら、一方向について電力線通信信号の通信帯域の高周波信号を通過させるように調整すれば、逆方向の伝送特性も同一となるので、双方向で電力線通信信号を確実に復調する電力線通信結合回路の各回路定数を容易に設定できる。

上述の実施の形態では、単相３線式電力線を用いて電力線通信信号を伝送する例で説明したが、三相３線式電力線の位相が異なる電力線間に接続する第１電力線通信装置Ａと第２電力線通信装置Ｂ間での伝送にも同様に適用することができる。

また、上述の実施の形態では、帯域フィルタ６、８を、直流遮断コンデンサ７、９と結合トランス５の間に接続したが、直流遮断コンデンサ７、９を帯域フィルタ６、８と結合トランス５の間に接続してもよい。

更に、電力線通信信号は、ＳＳ変調信号に限らず、電力線を利用して伝送可能な信号であれば、他の変調方式による信号であってもよい。

本発明は、３線式電力線を利用して電力線通信信号を伝送する電力線通信結合回路に適している。

単相３線式電力線に本発明の実施の形態にかかる電力線通信結合回路１を設けた回路図である。 電力線通信結合回路１について、第１電力線通信装置Ａから電力線通信信号を送信し、位相の異なる第２電力線通信装置Ｂで受信される電力線通信信号のレベルを示す伝送特性図である。 従来の電力線通信結合回路１００を示す回路図である。 電力線通信結合回路１００について、通信装置Ａから通信信号を送信し、位相の異なる通信装置Ｂで受信される通信信号のレベルを示す伝送特性図である。

符号の説明

１ 電力線通信結合回路
２ Ｌ１相電力線（第１相電力線）
３ 中立線（第３電力線）
４ Ｌ２相電力線（第２相電力線）
５ 結合トランス
５ａ 一次側コイル
５ｂ 二次側コイル
６ 第１帯域フィルタ
７ 第１直流遮断コンデンサ
８ 第２帯域フィルタ
９ 第２直流遮断コンデンサ

Claims (3)

1. 第１相電力線（２）と第２相電力線（４）と第３電力線（３）とからなる３線式電力線を用いて、第１相電力線（２）と第３電力線（３）間に接続される第１電力線通信装置（Ａ）と、第２相電力線（４）と第３電力線（３）間に接続される第２電力線通信装置（Ｂ）との間で双方向に電力線通信信号を送受信する電力線通信結合回路において、
   同一巻き線比で第１相電力線（２）と第３電力線（３）間に接続する一次側コイル（５ａ）と第２相電力線（４）と第３電力線（３）間に接続する二次側コイル（５ｂ）とからなり、第１相電力線（２）と第２相電力線（４）間で電力線通信信号を伝達する結合トランス（５）と、
   第１相電力線（２）と第３電力線（３）間に一次側コイル（５ａ）と直列に接続される第１直流遮断コンデンサ（７）と、
   第１相電力線（２）と第３電力線（３）間に接続され、電力線通信信号の通信帯域の高周波信号を通過させる第１帯域フィルタ（６）と、
   第２相電力線（４）と第３電力線（３）間に二次側コイル（５ｂ）と直列に接続される第２直流遮断コンデンサ（９）と、
   第２相電力線（４）と第３電力線（３）間に接続され、電力線通信信号の通信帯域の高周波信号を通過させる第２帯域フィルタ（８）とを備え、
   結合トランス（５）の一次側に接続される第１直流遮断コンデンサ（７）及び第１帯域フィルタ（６）と二次側に接続される第２直流遮断コンデンサ（９）及び第２帯域フィルタ（８）を、結合トランス（５）についてそれぞれ対称位置に配設し、各回路素子の回路定数を、対称位置に配設された回路素子の回路定数と同一としたことを特徴とする電力線通信結合回路。
2. 電力線通信信号は、広帯域に送信電力を分散するスペクトラム拡散変調信号であることを特徴とする請求項１に記載の電力線通信結合回路。
3. ３線式電力線は、第３電力線（３）が接地された中性線の単相３線式電力線であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力線通信結合回路。

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