JP2011172259A - データ通信ネットワークおよび通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力伝送ケーブルによりデータ信号の通信を可能にする。
【解決手段】装置は電力伝送ケーブルの導体によりデータを結合する第１の巻線と、データ信号をデータポートへ結合するため第１の巻線に誘導的に結合されている第２の巻線とを具備している。電力ラインの複数の中性ワイヤ１０５のうちの１つを識別する装置は、電力伝送ケーブルの選択された中性ワイヤから信号を感知する受信機と、信号の大きさのインジケータとを含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は電力配電システムによるデータ信号の通信、特に電力伝送ケーブルで導体を経てデータ信号を結合する誘導結合器の使用に関する。

家庭またはビジネスの領域内の低電圧（ＬＶ）電力ラインはデータ信号により高周波数（ＨＦ）搬送波が変調され電力ラインによって伝送されるいわゆる“搬送波”システムを使用して地点間或いはネットワーク通信用の媒体として使用されている。インターネットデータトランクと各住居との間の“ラストマイル”接続を必要とするインターネットアクセスはこのようなネットワークの有用性を著しく強化する。

典型的に４−６６ｋＶの中間電圧（ＭＶ）はＭＶ−ＬＶ配電変圧器により典型的に１００−５００ボルトの低電圧（ＬＶ）まで減少される。中間電圧電力配電グリッドは配電変圧器により多数の家庭およびビジネスに供給する。データが中間電圧電力グリッドに存在するならば、変圧器のサブステーションから隣接するセクション全体へブロードバンドデータ流を結合することが望ましいが、配電変圧器は高周波数エネルギを実効的に遮断し、したがってデータがＬＶドロップラインに伝達されることを妨害する。

北米のように公称上１２５ボルト以下の低電圧を使用する国では、配電変圧器から家庭またはビジネス電気負荷へのドロップラインは通常約５０メートルよりも短く維持され、それによってラインを横切る電圧降下を最少にし適切な電圧調節を維持する。典型的に、わずか１乃至１０の家庭またはビジネス設備が各配電変圧器から給電される。このような少数の潜在的なユーザでは、光ファイバまたはＴ１のような高価な高いデータレートの供給を行って、これを電力ライン通信装置を経て変圧器の低電圧側へ結合することは経済的ではない。したがって、データバックホールチャンネルとして中間電圧配電グリッドを使用するために、装置は配電変圧器を迂回することを必要とされる。

電力配電システムでは、典型的に１００−８００ｋＶの高電圧（ＨＶ）が変圧器のサブステーションのＨＶ−ＭＶステップダウン変圧器により中間電圧へステップダウンされる。配電変圧器の高周波数遮断特性は中間電圧電力配電グリッドを低電圧と高電圧（ＨＶ）ラインの両者に存在する高周波数雑音から隔離する。中間電圧グリッドはしたがって比較的静かな媒体であり、データ分配システムまたは“バックホールライン”として高速度データを通信するのに理想的である。

前述の変圧器はメガヘルツ周波数範囲の全てのエネルギを実際的に遮断する。ＭＶラインからの高周波数変調されたデータをＬＶラインへ結合するために、バイパス装置は各変圧器のサイトに設置されなければならない。その装置は現在有効であり、低周波数、低データレートデータ結合応用で使用される。このような応用はしばしば電力線通信（ＰＬＣ）と呼ばれる。これらの装置は典型的に高電圧の直列結合キャパシタを含んでおり、これは典型的に５０ｋＶの基本インパルス負荷（ＢＩＬ）電圧に耐えられなければならない。このような装置はしたがって高価で、かさばり、全体的な電力グリッドの信頼性に悪影響する。さらに幾つかのケースでは、それらの設置中に、これらはカスタマからの電力の切断を必要とする。

日本および米国のような１００−１２０ボルト範囲の公称上低い電圧を有する国では、配電変圧器の数は特に大きい。これはＭＶ−ＬＶ配電変圧器が給電抵抗を低く維持するために負荷に対して比較的近く配置されるためである。低い給電抵抗は比較的合理的なレベルの電圧調節を維持し、即ち可変の負荷電流を有する供給電圧で変動を最小するために望ましい。５０メートルを大きく超える遠距離用のＬＶ供給ラインは非実用的な厚いワイヤを必要とする。

データ結合器を効率的にするために、これはＭＶ電力ラインの高周波数特性と、変圧器、力率補正キャパシタ、ＰＬＣ結合キャパシタ、遮断スイッチ等のこれらのラインに接続される他のコンポーネントを伴って動作する構成で考慮されなければならない。これらのコンポーネントは異なる国と地域で異なる電圧で動作する。動作電圧レベルは中間電圧電力装置の構造の形状とメガヘルツ周波数でのこれらの装置の終端インピーダンスに直接影響する。ＭＶ電力ラインにおける高周波数信号に影響する他のファクタにはネットワークの形状、例えばブランチング、高インピーダンス架空電線に接続する非常に低いインピーダンスの地下ケーブルの使用、遮断スイッチの付勢による１つのネットワークをサブネットワークに分割する可能性等が含まれている。それ故、ＭＶ−ＬＶ結合装置の適切さは各国およびＭＶ電圧レベルで使用される装置の特別な特性に関連して考慮されなければならない。

架空電線伝送ラインは基本的に一定の間隔で動作する２以上のワイヤを特徴とし、それらの間には空気の誘電体が存在する。このようなラインは３００乃至５００オームの範囲の特性インピーダンスと非常に低い損失を有する。同軸地下ケーブルは誘電体に包囲されている中心導体を具備し、その上に中性導体が巻かれている。このようなケーブルは２０乃至４０オームの範囲の特性インピーダンスを有し、誘電体の損失特性に応じて百メートルの長さ当り２ｄＢ程の低さのメガヘルツ信号の損失を表す。

ＭＶ−ＬＶ配電変圧器は、単一相から中性または相から３相グリッド中の相への動作用に設計されても、１０ＭＨｚを超える周波数で４０乃至３００オームのインピーダンスを有するように見えるＭＶ側の１次巻線を有する。力率補正キャパシタは大きい公称キャパシタンス値（例えば０．０５−１ｕＦ）を有するが、それらの高周波インピーダンスは主にそれらの構造に固有の直列のインダクタンスにより決定される。ＰＬ結合キャパシタは例えば２．２−１０ｎＦの低い公称キャパシタンスを有するが、電力ケーブルの特性インピーダンスに関して比較的低い高周波インピーダンスを有する。任意の前述した装置はメガヘルツの範囲で共振を生成し、即ち複素インピーダンスの虚数部はゼロオームになるが、装置はこれらの周波数では高いＱファクタをもたず、インピーダンスの大きさは典型的に直列共振でゼロに近付かず、または並列共振で非常に高い値である。

ＭＶグリッドで使用される別の装置は特に日本では遠隔制御される３相切断スイッチである。データ信号がこのようなスイッチを通る相のラインで伝送されるとき、データの連続性はその相のラインがスイッチを通じて開かれるときでさえも維持される必要がある。

本発明の目的は電力伝送ケーブルでデータ信号を導体に結合するための改良された結合器を提供することである。

本発明の別の目的は廉価であり高いデータレート容量を有するこのような結合器を提供することである。

本発明の更に別の目的は電力の消費者へのサービスを中断せずに設置されることができるこのような結合器を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、事実上限定のないサービス寿命を有する１つだけの受動的なコンポーネントを使用してこのような結合器を提供することである。

本発明のこれらおよびその他の目的は、電力伝送ケーブルによりデータ信号の通信を可能にする装置により実現され、その装置は、（ａ）電力伝送ケーブルの導体によりデータ信号を結合するための第１の巻線と、（ｂ）データポートを通ってデータ信号を結合するために第１の巻線に誘導的に結合される第２の巻線とを具備している。

本発明にしたがった通信媒体として使用される中性ワイヤを示している典型的な地下の同軸の中間電圧配電ケーブルの図である。 本発明にしたがったデータ通信用の単一の中性ワイヤを使用しているシングルエンド伝送線装置の図である。 図２Ａの装置の概略図である。 本発明にしたがって２つの中性ワイヤがデータ信号の通信用の伝送線として使用されている電力伝送ケーブルの図である。 図３Ａに示されている装置の概略図である。 データ伝送線を形成するため複数の中性ワイヤを使用している図３Ａに示されている装置に代る装置の概略図である。 図３Ｃに示されている装置を構成する技術の説明図である。 データ信号で差動的に駆動される１対の中性導体を使用するための結合器の磁気コアトポロジの実施形態の図である。 データ信号で差動的に駆動される１対の中性導体を使用するための結合器の磁気コアトポロジの実施形態の図である。 磁気トロイドコアの配置により導入される高インピーダンスを有するケーブル装置の概略図である。 図５Ａの装置の概略図である。 本発明にしたがった２つの中性ワイヤと磁気誘導を使用している平衡した伝送線の装置の概略図である。 本発明にしたがった２つの中性ワイヤと磁気誘導を使用している平衡した伝送線の装置の概略図である。 本発明にしたがった２つの中性ワイヤと磁気誘導を使用している平衡した伝送線の装置の概略図である。 図６Ａ−６Ｃの装置の概略図である。 本発明にしたがった磁気誘導を使用している平衡伝送線の概略図である。 多数の中性ワイヤセットを備えた多数の伝送線を使用している本発明の１実施形態の概略図である。 電力伝送ケーブルの複数のワイヤの１つを識別するシステムの説明図である。 本発明にしたがってデータが電力配電システムの相導体でデータが伝播される、電力配電システムで構成されるデータ通信ネットワークの部分の概略図である。 本発明にしたがって相導体を介してデータを結合するための誘導結合器の１実施形態の説明図である。 図１１Ａに示されている実施形態の概略図である。 誘導結合器における背中合わせのモデムを有するネットワークの一部の概略図である。 本発明にしたがって電力グリッドのセグメント間で変調されたデータを受動的に結合する技術の概略図である。 背中合わせのモデムを使用して電力グリッドのセグメント間で変調されたデータを結合する技術の概略図である。 本発明にしたがって、データ通信ネットワークの構成においてデータを電力給電システムの相導体へ結合する幾つかの技術の概略図である。 本発明にしたがって伝送線のデッドエンドを終端する容量結合器と、デッドエンドへモデムを接続する容量結合器と、グリッド遮断スイッチを横切ってデータ信号の連続性を維持する容量結合器装置との概略図である。

架空電線および地下の中間電圧伝送線はデジタルデータの双方向伝送に使用される。このような伝送線は電力会社の変圧器のサブステーションと、全体的に隣接して位置されている１以上のＭＶ−ＬＶ配電変圧器との間のパスをカバーする。ＭＶ−ＬＶ配電変圧器は中間電圧電力を低電圧にステップダウンし、これはその後、家庭およびビジネス用として供給される。

本発明は中間電圧グリッドの結合器における使用に関する。結合器は電力伝送ケーブルを介してデータ信号の通信を可能にする。これは電力伝送ケーブルの導体によりデータ信号を結合するための第１の巻線と、データポートより入力されたデータ信号を結合するための第１の巻線に誘導的に結合される第２の巻線とを有する。

本発明の１実施形態は１以上の中性ワイヤ、即ち同軸ケーブルに類似してケーブルの外部層をラップアラウンドする導体を有する電力伝送ケーブルで使用される。電力伝送ケーブルの１以上の中性ワイヤは１以上のデータ信号用の１つの導体の役目を行う。

別の実施形態は電力伝送ケーブルの相導体を使用する。この場合、電力伝送ケーブルの相導体は１以上のデータ信号の１つの導体の役目を行う。

図１は本発明にしたがって、誘導結合器が結合されている典型的な地下の同軸の中間電圧配電ケーブル100 を示している。ケーブル100 はコア絶縁体120 の周囲を螺旋状にラップしている多数のＮ個の中性導体105 を有し、コア絶縁体120 は相導電ワイヤ115 を包囲している。例えばPirelli Cavi e Sistemi S.p.A, Viale Sarca, 222, Milano, Italy 20126 から入手可能なPirelli Cable X-0802/4202/0692 TRXLPE 25KV 260 mils 1/0 A WG Al ケーブルでは、直径２．８ｍｍの銅の８本のストランドが周囲に巻かれている絶縁体により包囲されている相導電ワイヤが存在する。１２乃至１６の中性導体を有するケーブルも普通である。

中性導体105 はケーブルセグメント中で相互に分離され絶縁されている。ケーブル100 の端部では、各中性導体105 のストランドが露出され、接線でラップされ、ケーブルの端部から短い距離に銅ワイヤ125 のリングを形成し、端子を形成する。これらのストランドは共に単一のストランドされたワイヤ130 へ集められて、ＭＶ−ＬＶ配電変圧器で接地ポストに接続される。

結合器140 は既に相導体115 から絶縁され、相導体115 はケーブルの定格の定常状態と過渡状態の電圧に耐えることを証明される。既存の絶縁を利用することは結合器に再度それを与える無駄を省く。結合器は通常のプラスティック材料でパッケージされることができる。

結合器140 は第１の巻線（図１では図示せず）と第２の巻線（図１では図示せず）とを含んでいる。第１の巻線はケーブル自体により与えられ、第２の巻線は最小の絶縁で、ストランドされた小さい直径のフックアップワイヤの１または２の巻数を具備することができる。

ケーブル100 のような地下ケーブルでは、誘導結合器140 の使用は、中間電圧ラインから絶縁を行うために既存の絶縁体120 を使用するので、特に価格が実効的である。

本発明による誘導結合器は架空電線電力伝送ケーブルで使用されるのにも適している。誘導結合器の絶縁の厚さの増加が結合器の性能を実質上劣化せず、一方キャパシタンス中の絶縁の厚さの増加が単位領域当りのキャパシタンスを直接減少し大きなプレート面積を必要とするので、誘導結合器は通常、容量結合器よりも廉価である。それ故、容量結合器と比較して、誘導結合器は廉価に製造できる。

本発明の幾つかの代わりの実施形態が存在する。地下ケーブルでは、地下ケーブルの１以上の中性ワイヤを備えることができ、これは高周波数伝送線を形成でき、選択された中性ワイヤの電力導電機能が維持される。

図２Ａは、本発明にしたがったデータ通信用の単一の中性ワイヤを使用しているシングルエンド伝送線の装置の図である。図２Ｂは図２Ａの装置の概略図である。ケーブル200 は高電圧絶縁体40と中心相導体245 の周辺を緩やかな螺旋でラップされているフラットなデータ伝送線として考慮されることのできる多数の中性導体205 、例えばワイヤを含んでいる。

中性導体205 の１つの選択されたストランド、即ち中性導体202 はデータ信号のデータ伝送線導体として作用するように隔離され、残りの中性導体205 、中性導体202 に隣接する主として２本の中性導体205 は第２のデータ伝送線導体として役目を行う。前述のPirelli のケーブルの断面では、特性インピーダンスは１−５０ＭＨｚの周波数範囲の信号に関して約９５オームであると評価されており、そのサブレンジは典型的にデータ伝送に使用される。

図２Ａの装置を既に設置された地下ケーブルにおいて構成するために、中性導体202 は幾つかの中性導体205 から選択され、ケーブル200 の各端部の露出セクション210 に切断される。中性導体202 の導線215 はケーブル200 の各端部のリング250 に接続された状態のままである。中性導体202 と導線215 は結合器220 の第１の巻線225 に接続されている。第１の巻線225 はしたがって中性導体202 と接地電位との間に直列に接続される。結合器220 の第２の巻線235 はデータが伝送され受信されるポート255 に接続されている。したがってケーブル200 は高周波数の伝送線として使用するように設けられており、結合器220 を介してモデム（図示せず）のような通信装置に接続されることができる。

電気的な見地から、結合器220 は変圧器である。このような変圧器の１次、即ち第１の巻線225 の両端間のインピーダンスは導電電力を転送するために使用される周波数では無視できる程度である。中性導体202 と導線215 へ取付けられている第１の巻線225 は少なくとも中性導体202 の厚さであるワイヤで巻かれるべきである。これらの状態では、選択されたデータ伝送中性導体202 は全ての他の中性ワイヤと同一のインピーダンスを基本的に有する。これは他の各中性ワイヤと同一の電流を基本的に伝送し、中性回路のアンペア容量とサージ電流容量は劣化されない。

図２Ａと２Ｂでは、単一の中性導体202 の中性電流は結合器220 を通過する。８本の中性ワイヤを有する２００のアンペアケーブルでは、データを伝送するワイヤは２５アンペアｒｍｓの最大の定常状態電流を伝送する。単一の中性導体を通る最大の定常状態電流は小さいアンペア容量のケーブルおよび多数の中性導体を有するケーブルでは少ない。結合器220 はデータ結合機能を実行するために磁気コア飽和せずにこの電流によって発生される磁束を処理することができなければならない。

中性導体202 は高周波数データ信号の電流を第１の方向で伝送する。他の中性導体205 はデータ信号の帰路電流を反対方向で伝送し、消去する傾向があり、したがって変調されたデータ信号によって放射された磁界の強度を大きく減少させる。この装置はまた外部の電界からの雑音結合に対して静電気遮蔽効果を与える。

図３Ａは本発明にしたがって２つの中性ワイヤがデータ信号の通信用の伝送線として使用されている電力伝送ケーブル300 を示している。図３Ｂは図３Ａに示されている装置の概略図である。

結合器307 、例えば高周波数変圧器は、例えば２つの隣接している中性ワイヤ302 、305 と直列に設置されている。好ましくは並列に相互に隣接している中性ワイヤ302 、305 はそれらが中性接続リング330 に取付けられる点のすぐ前で切断される。

図３Ｂを参照すると、ケーブル300 から延在する中性ワイヤ302 、305 の導線は結合器307 の第１の巻線310 へ接続されている。第１の巻線310 はしたがって中性導体302 と中性導体305 との間に直列に接続されている。第１の巻線310 は中心タップ312 と磁気コア315 とを含んでいる。中心タップ312 は中性の接続リング330 に接続されている。

第１の巻線310 の部分310Aは中性ワイヤ302 に接続され、コア315 周辺に第１の方向で巻かれており、第１の巻線310 の第２の部分310Bは中性ワイヤ305 に接続され、コア315 周辺に反対の方向で巻かれている。部分310Aと310Bは電力ケーブルの中性ワイヤよりも僅かに大きい直径のワイヤから作られ、それ故、少なくとも選択されていない中性導体の定常状態およびサージ状態の電流を伝送できる。各部分310Aと310Bはそれ自体、巻線と考えられる。

図３Ａの装置は無視できる程度のインピーダンスが２つの中性ワイヤ302 、305 と直列に挿入されるだけで、全ての中性ワイヤの間で電力周波数電流の基本的に等しい分割を妨害しないことを確実にする。前述したPirelli ケーブルでは、並列ワイヤ伝送線として作用する並列ワイヤ302 と305 の特性インピーダンスは約１３０オームと評価される。また電力周波数では、図３ＡとＢで示されている構造では巻線310Aと310Bで反対方向に流れる中性電流のために磁束消去が行われて、その結果、コア315 を通る実質的な磁束は無視できる程度である。

別の巻線320 はデータが伝送および受信されるポート350 に接続されている。巻線320 は電力回路の中性点325 から絶縁され、したがってスプリアス雑音と誤サージをデータ回路に誘起させるグランドループを防止する。

ケーブル300 は高周波数伝送線として考えられ、これは結合器307 により通信装置へ接続されることができる。この構造では、データ信号は中性導体302 、305 を経て差動的に駆動される。このような伝送線は所定の駆動電力レベルに対して、図２Ａで示されているシングルエンド装置よりも低い電磁放射を放射する。

図３Ｃはデータ伝送線を形成するため複数の中性ワイヤを使用して図３ＡおよびＢに示されている装置に代えた装置の概略図である。ケーブル300 は相互に実質上並列である複数の中性ワイヤ330 を有し、複数の中性ワイヤ330 の個々の第１のサブセット330Aは複数の中性ワイヤ330 の個々の第２のサブセット330Bと交互にされる。第１のサブセット330Aは第１の中性導体として集合的に考えられ、第１のストランドされた導体332 を形成するため共に結合器307Aに接合される。第２のサブセット330Bは第２の中性導体として集合的に考えられ、第２のストランドされた導体333 を形成するため共に結合器307Aに接合される。好ましくは複数の中性ワイヤ330 は並列に接続されたＮ／２伝送線として構成され、Ｎは中性ワイヤ330 の数であり、Ｎ／２は各サブセット330Aと330Bの中性ワイヤ数である。このような並列接続の効果は約Ｎ／２の係数だけケーブル300 により生成される減衰を減少させ、同一の係数により特性インピーダンスを下げることである。

図３Ｄは図３Ｃの装置がどのように都合よく構成されるかを示した図である。第１のサブセット330Aの第１のストランドされた導線332 への取付けを容易にするために、第１の絶縁リング335 は全ての中性導体、即ち第１のサブセット330Aと第２のサブセット330Bにわたって結合器307Aが位置されている点に対して最も近くに位置されている。第１のサブセット330Aは第１の絶縁リング335 を覆ってラップされ、第１のストランドされた導線332 を形成するために接合される。同様に、第２のサブセット330Bは第２のリング345 上にラップされ、これは絶縁され、または絶縁されておらず、第２のストランドされた導線333 を形成するために共に接合される。改良された電流と減少された電圧レベルの幾何学形状の対称は図３Ａの２ワイヤ構造で放射されるのに比較して、さらに電磁放射を減少する。

電気会社は２つの中性ワイヤを切断し、それらを結合器を通して再度接続することに対して反対する。本発明によれば、図３Ａと３Ｂで示されている実施形態にトポロジおよび磁気的に等しい方法で２つの選択された中性ワイヤ周辺に磁気コアを“巻付ける”ことは可能である。

図４Ａと図４Ｂは、データ信号で差動的に駆動される１対の中性導体で使用するための結合器の磁気コアトポロジの実施形態を示している。このようなコアは第１の中性導体に隣接する第１の領域と、第２の中性導体に隣接する第２の領域とを有する。結合器はコアの一部の周辺に巻かれている巻線を含んでいる。コアを通って、巻線は第１の方向で第１の中性導体中に第１の電流を誘導し、第１の方向とは反対の第２の方向で第２の中性導体中に第２の電流を誘導する。

図４Ａを参照すると、コア400 は交差点で接触しないで、数字“８”の形状にされる。数字“８”はトポロジ“ツイスト”を形成する。第１の領域は数字“８”の第１のループ405 を構成している。第１の中性導体410 は第１のループ405 を通って導かれる。第２の領域は数字“８”の第２のループ415 を構成している。第１の中性導体420 は第２のループ415 を通って導かれる。コア400 は導体410 と420 が反対方向で通過する実効的に隣接する１ウィンドウコアであり、したがって、電力周波数電流により磁束を消去する。巻線425 は中性ワイヤ410 と420 中で反対の位相の高周波数信号電流を誘導する。

数字“８”の形状は中性導体を切断せずにケーブル表面に構成されることができる。図４Ｂに示されているように、コアセグメント400Aと400Bを具備しているコアは第１のループ405 の第１のギャップ430 と第２のループ415 の第２のギャップ435 で構成されている。中性導体410 は第１のギャップ430 を通して伝送され、中性導体420 は第２のギャップ435 を通して伝送される。コア400Aと400Bを中性導体410 と420 の絶縁440 に対して位置付けることにより、中性導体410 と420 は磁束のパス内に位置される。

中性ワイヤの物理的な切断を避ける別の方法は、ワイヤを切断せずにそれらと直列に高周波の高インピーダンスを挿入することである。本発明は１以上の磁気トロイドコアでケーブル全体を包囲することによりこれを実現する。

図５Ａは、ケーブル上に磁気トロイドコアを配置することにより誘起される高周波の高インピーダンスを有するケーブル装置の図である。図５Ｂは図５Ａの装置の概略図である。

１以上の磁気トロイドコア502 は電力伝送ケーブル500 の一部の周辺に配置されている。結合器515 の第１の巻線530 （図５Ｂ）は第１の中性導体510 と第２の中性導体512 との間で磁気トロイドコア502 に関してケーブル500 の内方向に接続されている。結合器515 の第２の巻線532 はモデムポート520 に対するデータパスを提供する。

第１および第２の中性導体510 、512 はケーブル500 内の複数の中性導体505 のうちの２つである。各中性導体505 は中性集合リング525 のすぐ前のチョーク502A（図５Ｂ）を実効的に観察する。したがって磁気トロイドコア502 は各中性ワイヤ505 と接地電位との間に好ましくは数マイクロヘンリー程度の大きさの隔離リアクタンスを挿入する。

磁気トロイドコア502 は、半分にされた１つの分割コアとして構成されてもよく、機械的なパッケージにより半分にされた２つのコア部分を正確に結合し、コアをケーブル500 に固定する。この実施形態の利点は中性ワイヤ505 が磁気トロイドコア502 の設置中に切断される必要がないことである。

データ信号は結合器515 のポート520 を横切って接続され中性導体510 、512 の磁気トロイドコア502 の上流に結合されるモデム（図示せず）との間で伝送または受信される。ケーブル500 はチョークとして動作するトロイドにより接地電位から部分的に隔離されている接続エンドポイント535 と540 を有する高周波数伝送線として考えられることができる。

電力周波数では、磁気トロイドコア502 を通過する実質的な電流は一方方向で流れる中心導体517 の相電流が多数の中性ワイヤ505 を流れる反対方向の中性電流により平衡され、全て磁気トロイドコア502 を流れるので、基本的にゼロである。コアの飽和はしたがって防止される。非常に小さいリアクタンスが磁気トロイドコア502 のチョーク効果により導入され、全ての中性ワイヤに同等に影響するので、中性ワイヤ505 間の電力電流分配は磁気トロイドコア502 の存在により変更されない。

図６Ａ−６Ｃは、本発明にしたがった２つの中性ワイヤと磁気の誘導を使用している平衡した伝送線の幾つかの装置を示している。図６Ｄは図６Ａ−６Ｃの装置の概略図である。ここで得られる利点は付勢されるか付勢されない回路において中性ワイヤの切断または操作を行う必要を無くすことである。

図６Ａ−６Ｄの各実施形態は１つの伝送線として２つの中性ワイヤを使用する。信号電流は接地された集合リングに隣接して中性ワイヤのセクションに磁気的に誘導される。（“Ｅ”型コアのような）開いた磁気コアは２つの中性ワイヤに隣接してそれに垂直に位置されている。

図６Ａで示されているように、開いた磁気コア605 はケーブル600 の２つのうちの一方の第１の中性ワイヤ602 に隣接してそれに垂直に位置されている第１の脚部606 と、２つのうちの他方の第２のワイヤ602 に隣接してそれに垂直に位置されている第２の脚部607 と、第１の脚部606 と第２の脚部607 との間に位置されている第３の脚部、即ち共通の脚部610 とを有する。共通の脚部610 はそれに巻付けられている巻線608 を有する。

巻線608 はケーブル600 の２つの中性ワイヤ602 間に位置されている共通の脚部610 の周囲に巻かれている。この装置は相互に反対方向で個々の中性ワイヤ602 に電流を誘導する。接地された集合リング625 （図６Ｂ）で共に終端された中性ワイヤ602 のセグメント615 （図６Ｂ）は代わりに、脚部606 と610 の磁極表面の間と、脚部607 と610 の磁極表面の間のギャップを通過する１巻コイルと考慮される。したがって巻線608 の信号電流は２つの中性ワイヤ602 で信号電流を誘導し、これらの２つの中性ワイヤ602 により形成される伝送線へ差信号を発射する。

図６Ｃを参照すると、標準的なコア形状（例えば“Ｅ”コア）の脚部間の比較的大きいエアギャップの寸法を減少させ、結合係数を増加するために、１対の磁気トロイダルコア620 が使用されることができ、中性ワイヤ602 がそれを通って導かれるギャップ627 を有している。巻線630 は各磁気トロイダルコア620 の一部、例えば共通の脚部632 周辺に巻かれる。

図６Ａ−６Ｃの実施形態の等価回路は図６Ｄに示されている。磁束が誘導される中性ワイヤ602 のセクションは集合リング625 で共に接続されている２つの対向する相巻線635 として作用する。巻線645 はモデム（図示せず）へ接続するためにポート640 を設けられている。

電力周波数起磁力（ＭＭＦ）はコアの共通の脚部で消去されるが、各側の脚部でフルに現われる。しかしながら、中性ワイヤの直径よりも大きくなければならないエアギャップは通常、これらの側方の脚部が飽和状態になることを阻止している。

図６Ａ−６Ｄの実施形態の利点は中性ワイヤ602 の中断と物理的接触との両者を避けることである。コアのチョーク効果により誘導される非常に小さいリアクタンスはケーブルセグメント全体にわたる中性ワイヤインピーダンス全体と比較して無視できる程度のリアクタンスを導入するだけなので、電力周波数での中性ワイヤ間の電流分配は基本的に変更されない。ケーブル600 は結合器により各端子で通信装置へ接続されている高周波数伝送線として考えることができる。

図７は本発明にしたがった磁気誘導を使用している平衡した伝送ラインの概略図である。この実施形態は図６Ｄに類似しているが、単一の磁気コアまたは１対の中性ワイヤのトロイド結合対の代わりに、これは全ての中性ワイヤに結合し、対を組織する。奇数のワイヤを有するケーブルでは、１つのワイヤは使用されないで残される。これを実現するため、図６Ａ−６Ｄの任意の実施形態が使用され、結合器の数は中性ワイヤ対の数に等しく、結合器の巻線は共に接続されている。最小の放射に対して、代わりの中性ワイヤが反対の相にされるべきである。

図６Ａ−６Ｄの実施形態に類似して、図７の実施形態は電力伝送ケーブル700 の第１の中性導体702 を介してデータ信号を結合するための第１の巻線720 と、データポート760 を介してデータ信号を結合するための第１の巻線720 に誘導的に結合されている第２の巻線740 とを含んでいる。通常、図７の実施形態は電力伝送ケーブル700 の第２の中性導体705 を経てデータ信号を結合するための第３の巻線725 と、データポート760 を介してデータ信号を結合するための第３の巻線725 に誘導的に結合されている第４の巻線745 とを含むようにこれを強化する。データ信号は第１の中性導体702 、第１の巻線720 、第２の巻線740 を経て第１のパスで、および第２の中性導体705 、第３の巻線725 、第４の巻線745 を経て第２のパスで伝播する。第１のパスは第２のパスと並列している。

図７は図６Ｄの実施形態による中性ワイヤの全ての対の使用を示している。ワイヤ対702 、705 、710 、715 は図６Ｄの選択された対600 に類似の方法で、全て伝送線として構成される。コアの磁束を通過する中性ワイヤのセグメントは巻線720 、725 、730 、735 として作用し、伝送線として中性ワイヤ対を駆動する。巻線740 、745 、750 、755 は示されているように並列して、または一貫した相を与える任意の直列または並列の組合わせで接続されてもよく、それによってデータ信号をポート760 へ与える。電力ケーブル700 の中心相導体715 は結合コイルからの大きさが等しく極性が反対の相の磁束に露出されるので、相導体715 は信号伝送に影響しない。

図７の実施形態の利点を挙げると、（ａ）１対の中性導体を選択せずに、それ故セグメントの遠端でこれらの導体を識別せずに結合器の設置が行われることができ（モデムは信号全体の位相反転を許容できるので、ここでは位相の反転が可能であるが、データ流に影響しないことに留意する）、（ｂ）ケーブル700 がその動作中に損傷を受けてもデータ伝送は可能であり、幾つかの中性ワイヤは偶然的に接地され、（ｃ）外部電界と低い放射の良好な消去と、（ｄ）ケーブルセグメントにわたる低いパス損失である。

図８は多数の中性ワイヤのセットを備えた多数の伝送線を使用している本発明の１実施形態の概略図である。この実施形態は図６Ａ−６Ｄに表されている任意の実施形態を使用するが、単一の信号パスの代わりに、これは多数の独立した伝送チャンネルを与えるため多数の中性ワイヤ伝送線802 、805 、810 、815 を使用する。図８は４つの伝送チャンネルを示している。

図６Ａ−６Ｄの実施形態に類似して、図８の実施形態は、電力伝送ケーブル800 の第１の中性導体802 を介してデータ信号を結合するための第１の巻線820 と、データポート830 を介してデータ信号を結合するための第１の巻線820 に誘導的に結合されている第２の巻線825 とを含んでいる。通常、図８の実施形態は電力伝送ケーブル800 の第２の中性導体805 を経て第２のデータ信号を結合するための第３の巻線835 と、第２のデータポート845 を介して第２のデータ信号を結合するための第３の巻線825 に誘導的に結合されている第４の巻線840 とを含むようにこれを強化する。

このような多重化は（ａ）１以上のチャンネルのデータの完全な二重伝送と、（ｂ）多数の単方向または２方向チャンネル、したがって全体的な帯域幅を増加し、（ｃ）エラーを最小にするためのデータの冗長伝送と、（ｄ）別々のクロック、ストロ−クローブ、データラインを有する多ワイヤインターフェースを構成し、（ｅ）管理コマンド、エラー通知またはネットワーク管理で有効な他のデータの１チャンネルの使用を実現するために使用される。

図６Ａ−６Ｄで示されている各実施形態および図３−８で示されている強化では、ケーブルの１端部の１または２の中性ワイヤの選択は同一のワイヤがケーブルの末端で識別されなければならないことを示唆する。

図９のＡは概略図であり、図９のＢは、電力伝送ケーブルの複数のワイヤの１つを識別するシステム900 を示している。システム900 は電力伝送ケーブルの選択された中性ワイヤからの信号を感知する受信機902 と、信号の大きさのインジケータ905 とを含んでいる。信号は電力伝送ケーブルの第１の点926 の選択されたワイヤ925 へ与えられる。受信機902 は第１の点から離れた電力伝送ケーブルの第２の点927 で信号を感知する。

システム900 は選択された中性ワイヤ925 が導かれる放射スロット920 を有するフェライトトロイド915 と、フェライトトロイド915 の一部に巻付けられ、受信機902 の入力935 へ接続された巻線930 も含んでいる。信号はフェライトトロイド915 を経て選択された中性ワイヤ925 から誘導結合される。信号は誘導結合器924 を経て第１の点926 において選択された中性ワイヤ925 へ与えられる。

接続される第１のケーブル端部では、ワイヤが選択され、結合器が取付けられる。図９のＡは選択される１対の中性ワイヤを示している。結合器は低電力で典型的にはＭＨｚ範囲の高い周波数により駆動される。これによって高周波数の電流は選択されたワイヤで最も強く流れる。

末端では、無線受信機900 は同一の周波数に同調される。利得を最適にするために信号強度計905 と手動または自動利得制御装置910 が設けられているので、この無線受信機は特別である。さらに、受信機のアンテナは中性ワイヤ925 の直径よりも僅かに大きい放射状のスロット920 を有するフェライトトロイド915 と、受信機のアンテナ入力端子935 に接続されているトロイド915 に巻付けられたコイルとを具備している。好ましくはトロイド915 は受信機のケースに固定して取付けられている。

設置者はスロットが中性導体925 と方向が整列するように方向付けるように受信機を保持し、信号強度計905 上の読取を観察する。設置装置はケーブル周辺にタンジェントに受信機を移動し、順番に各ワイヤを感知する。信号強度計で最大の読取を生成するワイヤはケーブルの他の端部で直接励起されるワイヤである。

したがって、電力伝送ケーブルの複数のうちの１つの中性ワイヤを識別する方法は、（ａ）選択された中性ワイヤへ電力伝送ケーブル上の第１の点で信号を供給し、（ｂ）第１の点から離れた電力伝送ケーブル上の第２の点で複数の中性ワイヤのそれぞれの信号の相対的な大きさを感知し、（ｃ）選択された中性ワイヤを相対的な大きさから識別することを含んでいる。識別するステップは最大の相対的な大きさを有する複数のうち１つの中性ワイヤとして選択された中性ワイヤを識別する。供給するステップは信号を選択された中性ワイヤへ誘導結合することを含み、感知ステップは選択された中性ワイヤからの信号を誘導結合することを含んでいる。

これまで、本発明を多数の別々の相互に絶縁された中性ワイヤを有するケーブルについて説明した。しかしながら多数の電力配電ネットワークは相互に絶縁された中性ワイヤを有するケーブルを使用せず、導電性の銅テープにより共に接続されているメッシュまたは多数のワイヤの形態の中性ワイヤを有する。図１０のＡ、図１０のＢ、図１１Ａ、図１１Ｂとそれらの関連する説明は、架空電線で伝播されるか、または単一の中性導体を有する疑似同軸地下ケーブルで伝播されるような他の通常の中間電圧電力グリッドに対する本発明の応用に関する。

このような結合器は相導体の定常状態およびサージの電圧に耐える必要がなく、したがって結合器の構造を簡単にし価格を減少するので、中間電圧相導体との物理的な接触を避ける結合器が所望されている。しかしながら、現在提案された誘導結合器の使用は電流が流れる回路の連続性を前提とし、中間電圧回路はそれらの端部で物理的に開回路を含んでいるか、変圧器の巻線に接続され、巻線の無線周波数の高インピーダンスは開回路の効果を近似する。本発明によれば、誘導結合器は高周波数終端がケーブルの終端部の容量結合ポートを使用して付加されるとき中間電圧データバックホールネットワーク、および大きい配電ネットワーク、また１以上の中間位置でもまた使用されることができる。地下電力伝送線の相導体はそれらがデータ信号を伝送線へまたは伝送線から結合するための通信に使用される高周波数で実効的な負荷終端を取付けられるとき、データ伝送線として使用されることができる。

電力配電システムでは、中間電圧グリッドは高周波数の信号に対してケーブルの特性インピーダンスよりも非常に高いインピーダンスを与える装置に取付けられる。このような装置は高周波信号に対する開回路として実効的に現われる。このような開回路ケーブルへの変調されたデータパケットの結合はケーブルの端部から反射される大部分の結合された波を生じ、恐らく新しいパケットとしてデータ受信機により変換される。このような反射のさらに望ましくない特徴は、新しいパケットがケーブルを占有しているという結論にデータ受信機を誤って導き、共有されたネットワークの“キャリアセンス”タイプは有効な伝送線の損失を受けることである。

非常に高い周波数損失を有するケーブルおよびワイヤでは、これらの反射は迅速に散逸し、問題を起こさない。しかしながら、架空電線および、幾つかの地下の疑似同軸ラインとの両者では損失は低く、強力に反射された信号は直接信号と干渉する。

図１０のＡと図１０のＢは、電力配電システムによって構成されるデータ通信ネットワークの一部の概略図であり、ここではデータは電力配電システムの相導体上を伝送される。本発明は誘導および容量結合器の組合わせを使用する。以下説明するように、ネットワークは（ａ）相導体によりデータ信号を結合し、データ信号の更に別の結合のためのデータポートを有する誘導結合器と、（ｂ）相導体と接地電位との間で、電力伝送ケーブルの終端部に隣接して接続されており、データ信号の反射を吸収し、データ信号の結合のためのデータポートとして随意選択的にサービスする容量結合器とを含んでいる。

誘導結合器1002は配電変圧器1010に隣接する中間ノード1005で使用される。各誘導結合器1002は各２次配電変圧器1010から電力を与えられた低電圧ネットワークによってモデム（図示せず）への接続のためのポート1015を提供する。容量結合器1020はワイヤまたはケーブルの終端部とローカル接地点との間に接続され、反射を吸収し、信号結合ノード1025を提供する。即ち、信号結合ノード1025は、相導体との間でデータ信号を結合し、データ信号用の別のデータポートを与えるために容量結合器1020と接地点との間に位置されている。

“ワイヤまたはケーブルの終端部”は電力が高電圧から中間電圧変圧器までのケーブルへ供給される点1018を含んでいる。ループトポロジでは、ケーブルはこの位置へ戻るがデッドエンドへ到達する。容量結合器1020はこのような“デッドエンド”に含まれている。Ｔブランチ1030が電力ネットワーク中でスタブ1035を発生するならば、容量結合器1020はスタブ1035の末端で終端するために使用される。

図１１Ａは本発明にしたがって相導体を介してデータを結合するための誘導結合器1102の１実施形態を示しており、図１１Ｂは図１１Ａに示されている実施形態の概略図である。

誘導結合器1102は相導体1110を介してデータ信号を結合するための第１の巻線1104と、データポート1145を介してデータ信号を結合するための第１の巻線1104に誘導結合されている第２の巻線1115とを含んでいる。誘導結合器1102は相導体1110が導かれているコア1105を含んでいる。コア1105を通る相導体1110のこの構造は第１の巻線1104、即ち１回巻の巻線として機能する。第２の巻線1115はコア1105の一部の周囲に巻かれている。

誘導結合器1102は相導体1110のセグメント上に位置されている電流変成器である。誘導結合器1102は中性導体のシースによってカバーされていない地下ケーブルのセグメント上にコア1105を位置付けることにより地下ケーブルによって使用され、１回巻の巻線としてコア1105を通過する電力ケーブルの相ワイヤで使用されることもできる。

コア1105は変調されたデータで必要な周波数範囲で実質的な透磁率と比較的低い損失を有するフェライトまたは他のソフトな磁気材料から作られる。コア1105は、相導体1110を通る電流が導体が定格の最大の電流程の高さ、例えば２００アンペアｒｍｓであるときでさえも、飽和せずに誘導結合器1102の動作を可能にするのに十分なエアギャップ1120を有する。

誘導結合器1102は、関連する周波数範囲にわたって相当の高周波数インピーダンスであるが電力分配周波数では無視できる程度のインピーダンスをモデム伝送機へ与えるのに十分な１次磁気インダクタンスを有する。誘導結合器1102は漏洩インダクタンスと、相導体110 がコンポーネントである伝送線の特性インピーダンスよりも非常に低い反射された１次インピーダンスとの両者を関連する周波数範囲にわたって有する。

誘導結合器1102は第２の巻線1115およびデータポート1145と直列の高電圧キャパシタ1125を有し、第２の巻線1115が低電圧電力回路1135を短絡することを防止するために低電圧出力、即ち配電変圧器1130の電力ライン出力に接続する。したがってキャパシタ1125は第２の巻線1115と電力ライン出力との間でデータ信号を結合する。

誘導結合器1102は、第２の巻線1115と並列に接続されるサージプロテクタ1140も含んでおり、それによって低電圧回路1135とそこに取付けられた任意の電子通信装置が、相導体1110に現れ、誘導結合器1102により低電圧ラインに結合される高振幅パルスによる影響を受けないようにする。

１つのＬＶ位相ライン1150とＬＶ中性ライン1155しか結合器1102に接続されていないが、他の相ライン1160がＬＶドロップラインの長さにわたって容量および誘導結合を経て僅かに減衰された信号を受信することに注意すべきである。

重要な考察と所望の目的は、データ伝送に使用されるためにワイヤおよびケーブルからの電磁放射を最小にすることである。これらのラインは数フィートの地下に埋設されていても、電磁干渉を放射する。スプリアス共振もまたある狭い周波数帯域にわたる伝送を妨害する。

１以上の技術が放射、許容共振を最小にするために使用され、頑丈で信頼性のあるデータチャンネルを提供する。放射を最少にする選択肢には次のものが含まれる。
（Ａ）中間電圧グリッドへ接続またはそこから接続されるモデムの拡散スペクトル変調を使用する。拡散スペクトル変調は比較的低いスペクトル電力密度（例えば−５５ｄＢｍ／Ｈｚ）を使用する。
（Ｂ）変調されたデータの電力レベルを最少にする。電力レベルはライン上の任意の雑音、任意の自己発生する装置の雑音、例えば内部雑音、増幅器雑音等を克服するのに十分な高さであるべきである。雑音のある低電圧と高電圧グリッドからの中間電圧ラインの相対的な隔離を利用するために、ライン雑音は最小にされることができる。これは各誘導結合器で背中合せのモデムを位置付けることにより実現されることができる。背中合せのモデムはビット流の再生と、付加的な媒体にわたるデータ伝送の再変調を目的としている。
図１２は誘導結合器で背中合わせのモデムを有するネットワークの一部の概略図である。第１のモデム1202は変調されたデータ信号の伝送および受信のための誘導結合器1102の第２の巻線のデータポートに結合された第１のポート1225と、デジタルデータの別の結合のための第２のポート1210とを有する。第２のモデム1205は第１のモデム1202の第２のポート1210に結合された第１のデジタルデータポート1230と、変調されたデータ信号のさらに別の結合のための第２のポート1235とを有する。随意選択的に、ルータ1220は第１のモデム1202と第２のモデム1205との間に挿入されている。

前述の装置の利点は次のとおりである。
（Ａ）ＬＶグリッドの雑音はＭＶグリッドに到達しない。分離はデータ補正1210と直列に接続した光アイソレータによりさらに強化されることができる。
（Ｂ）ＭＶモデムとは異なる技術またはパラメータを使用する拡散スペクトルまたは他のモデムはＬＶグリッドに対して最適化されることができる。誘導結合器はワイヤまたはケーブルの特性インピーダンスに関して小さい結合ノードにおける付加的な直列インピーダンスを導入し、したがって反射と電力吸収との両者を最小にする。この場合、変調されたデータは多数の中間ノードを適切に横切る。好ましくは磁化および漏洩インダクタンスはインピーダンス妨害を最小にするのに十分小さいものであるが、十分な結合を与えるのに十分な大きさである。ここではモデムと、結合器により与えられたインピーダンスとの間の故意的なインピーダンス不一致が暗示される。
（Ｃ）ルータと他のネットワーク装置1220は家庭と外部ネットワークとの間に介在するために使用されることができる。

放射を最小にするための問題となる１つのパラメータは、中間電圧電力ラインの信号レベルがこの減衰を克服するのに十分な強さでなければならないので、ラインと結合器との間の方向での信号レベルの減衰である。結合器とラインとの間の方向の減衰は、最大の許容された放射レベルの要求に一貫した最大の許容可能な伝送電力レベルを設定するためにラインを駆動する結合器へさらに多くの電力を与えることによって付加的な放射なしに容易に克服される。

例えば、各結合器が１０ｄＢ結合損失に対して、設計されるならば、伝送された電力は補償するために１０ｄＢだけ増加され、第２の結合器の１０ｄＢだけがモデムの損失バジェットから導出される。

図１３は、本発明にしたがって電力グリッドのセグメント間の変調されたデータを受動的に結合する技術の概略図である。図１３は第１の中性導体1320を有する第１のセグメント1302と、第２の中性導体1330を有する第２のセグメント1303とを有する電力配電システムで構成されるデータ通信ネットワーク1300を示している。ネットワーク1300は第１の中性導体1320を経てデータ信号を誘導結合し、データ信号をさらに結合するためのデータポート1335を有する第１の結合器1306と、第１の誘導結合器1306のデータポート1335に結合されるデータポート1340を有し第２の中性導体1330を介してデータ信号を誘導結合する第２の結合器1307とを含んでいる。

第１のセグメント1302は電力配電変圧器1345の第１の側に第１の電力配電ケーブル1315を含んでいる。第２のセグメント1303は電力配電変圧器1345の第２の側に第２の電力配電ケーブル1325を含んでいる。電力配電変圧器1345は電力ライン1350に対する出力を有する。ネットワーク1300は第１の誘導結合器1306のデータポート1335と、データ信号を出力電力ライン1350へ結合するための出力電力ライン1350との間にキャパシタ1310をさらに具備している。

各変圧器と変圧器のセグメントは多リンクチェーンの別々のリンクになる。結合器は各ケーブル終端に取付けられ、したがってデッドエンドセグメントの最後の変圧器を除いて、１変圧器当り２つの結合器を必要とする。

セグメントの受動的なチェーンニングは変圧器のそれぞれの側の２つの結合器のデータポート1335と1340を相互に接続することにより実現される。ＬＶライン1350に取付けられた通信装置への受動的な接続が直列結合のキャパシタ1310により行われる。類似のモデムは電力サブステーションのようなネットワーク供給点、ユーザ構内の低電圧アウトレットに取付けられる。

図１４は背中合わせのモデムを使用して電力グリッドのセグメント間の変調されたデータを結合する技術の概略図である。図１４は第１の中性導体1420を有する第１のセグメント1402と、第２の中性導体1430を有する第２のセグメント1403とを有する電力配電システムにわたって構成されるデータ通信ネットワーク1400を示している。ネットワーク1400は、第１の中性導体1420を経てデータ信号を誘導結合し、データ信号をさらに結合するためのデータポート1435を有する第１の結合器1406と、第１の誘導結合器1406のデータポート1435に結合されるデータポート1440を有し、第２の中性導体1430を介してデータ信号を誘導結合する第２の結合器1407を含んでいる。

第１のモデム1460は第１の結合器1406のデータポート1435へ結合される変調されたデータ信号1465用の第１のポートと、データ信号をさらに結合するためのデジタルデータ1470用の第２のポートを含んでいる。第２のモデム1480は第１のモデム1460の第２のポート1470へ結合されるデジタルデータ1475用の第１のポートと、さらに変調されたデータ信号を結合するための第２のポート1485とを含んでいる。

電力配電システムは出力電力ライン1450を有する電力配電変圧器1445を含んでいる。ネットワーク1400はさらに変調された信号を出力電力ライン1450へ結合するため、第２のモデム1480の第２のポート1485と出力電力ライン1450との間にキャパシタ1410を具備している。

中間電圧ケーブルは例えばサブステーションからループ中の第１の配電変圧器への長いケーブルセグメントを含んでいる。設置とサービスを容易にするために、長いセクションはセグメント化され、各ノードにアクセスマンホールを有している。これらの点で、ケーブルセグメントは接地されている中性ワイヤコレクタリングと共に（中心導体の）中間電圧コネクタで終端される。これは１以上の中性ワイヤで伝送されるデータ伝送線に不連続性を導入する。この不連続性をバイパスするために、１対の結合器が設置され、片方は接地側であり、相互に接続する基本素子を有し、ブリッジ接続を生成する。

本発明は電力配電システムのセグメントを横切って相導体を使用するデータ通信ネットワークの構成を提供する。

図１５は本発明にしたがって、データの通信ネットワーク1500の構成においてデータを電力配電システムの相導体へ結合する幾つかの技術を示している概略図である。

容量結合器はＨＶ−ＭＶステップダウン変圧器により供給される架空電線に配置される。変圧器の２次インピーダンスは架空電線の大きさと同程度かそれ以上の大きさである。ターミネータ−結合器、例えばデータポートを有する容量結合器が使用されてもよく、ここでは（ａ）モデムをラインに結合するために使用され、（ｂ）（モデムまたはダミー抵抗インピーダンスがその変圧器を通して反射されるとき）電力伝送ケーブルの特性インピーダンスにほぼ等しい抵抗を有するラインを終端する。したがって図１５は電力配電システムがサブステーションＨＶ−ＭＶの電圧ステップダウン変圧器1502を含んでいることを示している。容量結合器1535、即ちターミネータ−結合器は電圧ステップダウン変圧器1502の２次巻線近くに位置されている。モデム1525のようなコンポーネントは、容量結合器1535を通って反射されるとき、電力伝送ケーブルの特性インピーダンスにほぼ等しいインピーダンスを有する。

日本のような、架空電線グリッドの最初まで数百メートルまでの長さの非常に低いインピーダンスの同軸地下ケーブルを動作することが慣例のシステムでは、誘導結合器の好ましい位置は地下ケーブルと架空電線の転移点の架空電線側になる。ここでは、地下ケーブルの低インピーダンスは架空電線の最後で短絡回路のように動作し、閉電流ループが形成される。したがって、電力配電システムは架空電線1515、1516と地下ケーブル1510との間に転移部1545を含んでおり、ここで地下ケーブル1510は架空ケーブル1515よりも非常に低い特性インピーダンスを有する。１以上の誘導結合器1540と1541は転移部1545に近くの架空ケーブル1515、1516に位置される。

３相の架空ケーブル1515、1516上の誘導結合器1540と1541の位置付けは反対の位相の電流で駆動される結合器対の各素子で対称的に行われる。このような駆動装置は遠視野の電磁放射を実質上消去し、任意の調整標準との調整を容易にする。したがって、ネットワーク1500は１対の誘導結合器1540、1541を含み、それによって例えばその対の第１の誘導結合器1540は例えば1515の相導体で第１の方向の第１の電流を誘起し、その対の1541の第２の誘導結合器は例えば1516の第２の相導体で第１の電流と反対方向の第２の電流を誘起する。

その代わりに、単一の相は誘導結合器から１波長を超える距離で他の相で誘起された大きさが等しい反対の電流で駆動され、再度多くの遠フィールドの放射を消去する。例えば１つの誘導結合器1540が使用され、伝送線の誘導効果はラインの１波長後に電流を平衡するのに依存する。

幾つかのタイプの配電変圧器の１次インピーダンスは架空電線のインピーダンスの大きさと同程度であり、閉ループが形成されるので、誘導結合器は主として配電変圧器に供給する給電ライン上に配置されることができる。このループは典型的に２−８アンペア範囲の比較的低電力周波数電流を伝播するので、結合器のコアが飽和になる傾向はほとんどなく、結合器のコアはエアギャップがほとんどないか全くない状態で作られる。図１５に示されているように、誘導結合器1550は電力配電システムの配電変圧器の１次巻線1555に給電するライン上に位置される。

誘導結合器1550により見られる回路インピーダンスの大きさは数百オーム程度の高さである。誘導結合器1550に取付けられた伝送線の長さに沿ったモデム1560は典型的に５０オームのインピーダンスを有するので、実質上インピーダンスの不整合が生じる。

図１５に示されているように、電力配電システム1500はＰＬＣキャパシタおよび／または力率補正キャパシタ、例えばキャパシタ1565を相導体、例えば1516と接地点との間に含んでいる。キャパシタ1565は電力伝送ケーブル1516のインピーダンスよりも低いインピーダンスを有する。ＰＬＣと力率キャパシタは高いＲＦインピーダンスを有し、この場合、これらは電力グリッドを通過するＨＦ信号をあまり妨害しない。キャパシタ1565のような電力ラインの特性インピーダンスと同意程度以下の大きさのＲＦインピーダンスを有するこれらの装置では、直列のチョーク1570がキャパシタ1565と直列に挿入されてもよい。直列のチョーク1570は１以上のスナップオンスプリット磁気コアを導線ワイヤ1575上に配置することによりキャパシタ1565への既存の導線ワイヤ1575を具備してもよい。

電力周波数電流は比較的低く、それ故コアの飽和は問題ではない。マイクロヘンリーの大きさのこれらのチョークの誘導インピーダンスはキャパシタの電力周波数機能に影響しない。損失性コアはチョークの高周波数インピーダンスを単に増加しキャパシタの隔離へ付加するだけであるので、これも使用されてもよい。

伝送線の反射の効果はこれらがデータ流中にエラーを生成するエコーを発生するので考慮されなければならない。拡散スペクトル変調は、狭い帯域の周波数吸収と狭い帯域の雑音に許容性があり、その低いスペクトル電力密度により放出される電磁放射を最小にするので、このようなエコーを有する伝送の最も可能性のある候補である。拡散スペクトルモデムに対しては、直接信号レベルよりも６−１０ｄＢ、またはそれ以下の低い反射されたパケット間信号はデータ受信に影響しない。パケット間の反射された信号はもとのパケットの直接受信中に到着する反射として規定される。

電力ライン上のインピーダンス妨害は、（ａ）誘導結合器のインピーダンスが付加されているか付加されていない配電変圧器により、（ｂ）典型的にラインインピーダンスに対してかなり良好に整合するように設計されたライン終端により、（ｃ）Ｔブランチにより、（ｄ）ＰＬＣまたは力率補正キャパシタにより生じる。これらのインピーダンスの不連続性の反射係数は通常０．５を超えず、反射された信号はライン自体の出力および帰還損失、即ち吸収損失および放射損失を受け、反射された信号の振幅は６−１０ｄＢだけ直接信号よりも弱いことが予測される。したがって、データパケット期間に到着する反射された信号は低い振幅雑音として現われ、意図するデータ信号が正確に受信されることを阻止する。

転移部1545等の高インピーダンスラインへの低いインピーダンス供給点に位置される結合器では、インピーダンスの不整合による損失および反射は望ましくない。非常に重い電力ワイヤは結合器のコア周辺に巻かれることができないので、２次巻線ワイヤは一回の巻数を有し、１次巻線は一回の巻数にすぎない。それ故、電力ラインに影響するインピーダンスは巻線の比に応じており、モデムのインピーダンスの４分の１以下に等しい。５０オームの終端インピーダンスを有するモデムでは、この反射されたインピーダンスはそれらの特性インピーダンスよりも非常に低い。インピーダンスの整合を改良する１つの解決策は数百オームの出力インピーダンスを有するモデムを作ることである。

別の解決策は結合器の位相−逆位相対を１次巻線と並列に接続することである。２次巻線（ＭＶライン）は必然的に直列である。したがって５０オームのモデムインピーダンスは位相−逆位相の誘導結合器対により１００オームの反射されたインピーダンスへ変換される。この原理は並列した１次巻線を有する多数の結合器を使用し、電力ライン側の変圧器（結合器）の巻線の直列接続とモデム側の並列接続を実現することによりさらに実行されることができる。

例えば、図１５には第１の誘導結合器1540と第２の誘導結合器1541が示されている。第１の誘導結合器1540は第１の巻線1540A を経て相導体1515で第１の方向の第１の電流を誘導し、第２の誘導結合器1541は第２の巻線1541A を経て相導体1516で反対方向の第２の電流を誘導する。第１の巻線1540A と第２の巻線1541A は相互に並列である。図１５では、第１の巻線1540A と第２の巻線1541A はこの相関係を示すため点でマークされている。

架空電線給電点の誘導結合器は数百アンペアに達する供給電流全体の影響に耐えるように設計されなければならない。このような電流を伝送する一回の巻数のコイルでさえも高周波数動作に適切である現在有効な磁気材料のコアを飽和させるので、この“主線”結合器は通常その磁気回路にエアギャップを含まなければならない。十分な大きさの磁気インダクタンスを得るために、このような結合器は電力ワイヤ方向で非常に厚さのある１つのコアに等しいコアを形成する多数のコアを必要とする。

図１６のＡ−Ｃは、電力配電システムで構成される通信ネットワークの容量結合器の幾つかの使用を表している概略図である。これらの容量結合器はネットワークのノードで使用され、そこでは誘導結合器は例えばＲＦ電流に対して実効的な開回路が存在する点では実効的ではない。

図１０のＡおよびＢで使用されるような容量結合器1020は図１６のＡで容量結合器1600としてマークされて示されている。容量結合器1600はＩＥＥＥ仕様386 により、相導体により供給される動作電圧と、直列のＢＩＬパルス、例えば１５ｋＶの動作電圧で１２５ｋＶに連続的に耐えることができなければならない。容量結合器1600はまた前述の仕様によりコロナブレークダウンを除去するように構成される必要がある。

容量結合器1600は例えば１０ｎＦの高電圧キャパシタを介してＭＶラインへ接続し、その最低の関連周波数におけるインピーダンスは電力伝送ケーブルの特性インピーダンスの一部である。随意であるが、容量結合器1600は短絡回路の場合の中間電圧ラインの故障を防止するためキャパシタ1620と直列の安全ヒューズ1625を含んでもよい。

高抵抗のブリーダ抵抗1605は付勢回路に接続されていないときにそれらを放電するために各キャパシタ1620と並列接続されている。充電されたキャパシタは人員に危険である。データポート1630をＭＶラインからさらに隔離するために、インピーダンス変換で、必要ならば選択的な１ではない巻線比で、高周波隔離変圧器1615が使用される。

データポート1630へ接続される装置を保護するために、金属酸化物のバリスタ（ＭＯＶ）等のサージ保護装置1632はＭＶラインから装置へ結合されるパルスの振幅を制限するように、データポート1630の端子を横切って接続されてもよい。

好ましくは、キャパシタが設置されるネットワークでは、容量結合器1600の１端子は中間電圧の相ラインに接続され、他方の端子は（単一の位相ラインでは）中性ラインへまたは（多位相ラインでは）第２の相ラインへ接続される。

伝送線のデッドエンドを終端するために使用されるとき、容量結合器1600は電力伝送ケーブルの特性インピーダンスと整合するためにデータポート1630へ接続された終端抵抗1635と共に使用されてもよい。

図１６のＢはモデム1636を電力伝送ケーブルのデッドエンドへ結合するための容量結合器1600の使用を示している。モデム1636はデータポート1630へ接続されている。

図１６のＣはグリッド切断スイッチを横切ったデータ信号の連続性を維持するための容量結合器の装置の概略図である。図１６のＣは、スイッチ1602の第１の側に第１のセグメント1601を、スイッチ1602の第２の側に第２のセグメント1603を有する相導体を具備した電力配電システムを示している。第１の容量結合器1650は第１のセグメント1601を介してデータ信号を結合し、さらにデータ信号を結合するためのデータポート1635を有する。第２の容量結合器1660は第１の容量結合器1650のデータポート1635へ結合されたデータポート1665を有し、第２のセグメント1603を介してデータ信号を結合する。したがって第１のセグメント1601と第２のセグメント1603との間のデータ信号の伝送はスイッチ1602が開かれているときに維持される。

本発明は物理的な範囲を拡張し、確実性を改良するために種々のネットワークプロトコルを使用する。誘導結合器を通過しインピーダンスの不一致、ティー接合、放射損失に遭遇した後、モデムの受信機に利用可能な信号の振幅は非常に弱くなる。これがモデムの内部雑音または中間電圧ライン上の周囲電気雑音に関しても弱くなったとき、信号が検出されることができず、受入れ可能に低いエラーレートを有するデータへ変調されることのできない物理的な点が存在する。

高インピーダンスチョークがまた独立したセグメントへ中間電圧グリッドを隔離するために使用されるならば、双方向性のモデムが信号を再生し、強化するために付加されてもよい。

データ通信ネットワークはノードからノードへのデータトークンの通過を含んでいる通信プロトコルを使用できる。各ノードで、信号発信または制御を行うかペイロードとしてデータパケットを含んでいるトークンが記憶され、変換され、モデムのローカルデータユーザまたはネットワーク上の次のノードへ伝送される。トークンを記憶し、変換し、再伝送するのに必要な時間は各ノードが常にオンラインであるならば、このようなネットワークの実効的なデータレートを顕著に減少させる。

本発明にしたがって、あるノード、即ちトークンがアドレスされるノードと、ネットワークの全ての点で最小の信号振幅を維持するのに必要なネットワークに沿って配電されるノードの最小の固定したサブセットだけが任意の所定の瞬間にアクチブであるようにプログラムされる。このノードのサブセットがアクチブであるとき、増加された物理的距離と改良されたエラーレートの見返りとして、時間遅延と、減少された実質的なデータレートとの有効な妥協が存在する。

永久的にアクチブなノードメンバーのアイデンティティの決定は中間電圧ネットワークの全てのノード間の減衰の手作業による測定により行われることができる。好ましくは、モデムは電圧振幅および／または信号対雑音比を測定する回路を備え、ネットワーク媒体アクセス制御層により質問される。ノードはまたそれらにアドレスされていないトークンまたはパケットにおいてさえもそれらを永久的にアクチブな中継モードに維持するコマンドを受取るようにプログラムされるべきである。

その後、永久的にアクチブに設定されるべきノードを決定し、適切なノードを永久的にアクチブに設定するためのコマンド流を全てのノードへ発生するアルゴリズムが実行されることができる。このアルゴリズムは中間電圧グリッドの構造が変更される度に動作されるが、これは比較的稀なことである。

近接した間隔のノードは、より多くの距離のノードが低いデータレートで、確実な低いエラーレートサービスにより依然としてサービスされながら、最大のネットワークレートに等しいデータレートを享受する。原理上、説明した装置は中間電圧通信から全ての距離の限定を除去することが要求される。

選択された導体とその近傍により形成される伝送線は固有の広い帯域幅で、低損失の低い分散媒体である。架空ラインでは、損失は表皮効果と放射によるものであり、ラインはほとんどの周波数で共振ではないので後者は比較的実効的ではない。地下のラインでは、損失は表皮効果と絶縁損失、例えば半導体材料のプラスティックの外部層または内部層によるものである。

本発明は、特に拡散スペクトル技術で使用されるとき、低い電磁放射を生成して、外部雑音に対する感応も低い。低いケーブル対結合器損失であるため、電力レベルも低く維持される。外部雑音ソースに対する感受性は放射に比例し、最低の電磁干渉（ＥＭＩ）を有するモードはまた相互原理に基づいて外部雑音の受信に対して最も耐性がある。

シングルエンドモード（図２Ａ参照）では、選択された２つの近傍の導体は電気および磁気放射モードの両者に対して中心導体に対して逆位相で動作する。遠距離の観察者はフィールドの実質的な消去を観察する。

平衡されたモードに対しては、遠視野消去と、接地された近傍の遮蔽効果との両者が存在する。変圧器の終端（図２Ｂ参照）では、結合損失は最低であり、駆動電力レベルは比較的低く維持され、最低のＥＭＩレベルを与える。チョーク終端では、駆動電力レベルは僅かに高い。

モデムが中継器として動作するならば、駆動電力レベルは単一のセグメントに対して必要とされる最小に保持されることができ、さらに放射を減少させる。

本発明によるデータ通信ネットワークは例えば１０Ｍｂｐｓを超える非常に高いデータレートに対して容量を提供する。結合器は高周波数磁気および誘電材料が使用されるならば、全て少なくとも数十メガヘルツに到達できる帯域幅を有する磁気および静電気装置である。非常に損失が多く、最小の分散を有する伝送線ならば２０ＭＨｚを超える周波数で動作することができる。このような周波数は種々の変調方式を使用するモデムで使用され、１ヘルツ当り１ビットのような高いデータレートを得ることができる。

データのコード化が全て１と全て０の長いストリングを除去するならばベースバンドのシグナリングも使用されることができる。再発生（リピータ）を含むセグメント間接続により、帯域幅はセグメントの受動的な連結により獲得可能であるよりも非常に大きくなる。

本発明の結合器はカスタマへの電力サービスの中断がほとんどないか全くなく設置されることができる。設置はまた高電圧に露出せずに実現されることができる。グローブをしたラインマンを使用して、当局はケーブルが使用中でありながらケーブル周辺に誘導結合器の配置を可能にする。当局は作業員が付勢されたケーブルで作業しないように主張するときでも、近傍の中間電圧グリッドのループアーキテクチャはカスタマへのサービスを中断せずに単一のケーブルセグメントの遮断を可能にする。比較的少量の容量結合器では、単一の短い電力の休止が必要とされる。

本発明は電力の休止中でさえもデータ通信ネットワークの連続的な動作を許容する。動作は中間電圧電力の中断中でさえも継続する。

本発明は電気グリッドの信頼性にほとんどまたは全く影響しない。誘導結合器は電力流に影響する故障モードをもたない。少しの容量結合器もそれらのヒューズと共にラインの故障を起こさない。

図２ＡとＢの実施形態では、厚いワイヤで結合器を巻くことは過電流による故障を防止し、選択された中性線と結合器との産業標準の接続を使用することは接続の故障を最小にする。開回路が生じるならば、電流を伝送する容量の（Ｎ−１）／Ｎをそのままの状態にするか、説明したケースでは８７．５％の状態にする。ケーブルは通常２００Ａの容量よりもはるかに下で動作するので、このような故障は影響がない。

結合器の短絡回路はデータ通信に影響するが、これはそのもとの状態に中性導体を単に回復する。したがって電力グリッドは悪影響も受けない。

中性の短絡回路または地への結合器の任意の他の部分は、その中性が接地ロッドに近接して接続されるのでＭＶラインに影響しない。磁気回路、開回路、短絡回路または飽和はシステムの電力供給または安全性に影響しない。

結合器は受動的なコンポーネントだけを使用し、サービスの実質上の限定された寿命を暗示する。誘導結合器は任意の適切な変圧器またはインダクタであってもよい。

受動的な構造では、誘導結合器は受動的なコンポーネントだけ、即ち磁気コア周辺に巻かれたワイヤだけを使用し、これらは摩耗機構をもたない。容量結合器も摩耗機構をもたない。

受動的な構造と、誘導結合器の設置の容易さは中間電圧電力配電ラインへの結合とそれらをバックホールデータチャンネルに使用する問題に対して廉価な解決策を与える。設置時間は一般に普及している誘導装置に対して１５分よりも少なく、設置価格は最小である。

データの伝送のために中間電圧導体を使用する容量バイパス結合器と比較するとき中性ラインを使用する実施形態には明白な利点が存在する。後者は少なくとも各変圧器で一度、中間電圧ラインと接触を行い、十分な故障電圧に耐えなければならない。例えば１５ｋＶ ｒｍｓの相対接地ケーブルに対する結合器は１２５ｋＶ ＢＩＬで試験されなければならない。これは容量結合器を非常にバルクで高価にし、システムに対する故障の多数のより多くの潜在的な点を付加する。

種々の代りの手段と変形が当業者により行われる。本発明は特許請求の範囲の技術的範囲内に入るこのような全ての置換、変形、変更を含むことを意図している。

Claims (14)

1. 変成器の１次側の相の第１の導体と、変成器の２次側の相の第２の導体とを有する電力伝送ケーブルを備えた電力配電システムによって構成されているデータ通信ネットワークにおいて、
   前記第１の導体を介してデータ信号を誘導的に結合する第１の結合器と、
   前記第２の導体を介してデータ信号を誘導的に結合する第２の結合器とを具備し、
   前記１次巻線は前記電力配電システムの配電周波数において無視できる小さなインピーダンスを有しており、
   前記データ信号は、前記変成器をバイパスし前記第１の結合器および前記第２の結合器を介して前記第１の導体と前記第２の導体との間に結合されているデータ通信ネットワーク。
2. 前記データ通信ネットワークはさらに、前記第２の結合器と前記第２の導体との間で前記データ信号を結合するキャパシタを具備している請求項１記載のデータ通信ネットワーク。
3. 前記第１の導体は前記電力配電システムの中間電圧グリッドの一部分である請求項１記載のデータ通信ネットワーク。
4. 前記第１の結合器は、
   前記第１の導体が通過するコアと、
   前記コアの一部に巻かれた巻線とを具備し、
   前記第１の導体は前記電力配電システムの配電周波数において無視できる程度の小さいインピーダンスを有しており、
   前記結合器は１乃至５０ＭＨｚの周波数範囲にわたって前記第１の導体の特性インピーダンスよりも低い反射インピーダンスを有しており、
   前記データ信号は前記コアと前記巻線を通って前記第１の導体を介して誘導的に結合されている請求項１記載のデータ通信ネットワーク。
5. さらに、前記第１の結合器によって前記データ信号を結合する第１のポートと、記データ信号のさらに別の結合のための第２のポートとを有する第１のモデムと、
   前記第１のモデムの前記第２のポートに結合された第１のポートと、前記第２の結合器を介するデータ信号のための第２のポートとを有する第２のモデムとを具備している請求項１記載のデータ通信ネットワーク。
6. 前記第１の結合器は無線周波数変成器を具備している請求項１記載のデータ通信ネットワーク。
7. 前記変成器は、電圧ステップダウン変成器により構成され、
   前記データ通信ネットワークはさらに、前記第２の導体と接地点との間に接続されている容量性結合器と、その容量性結合器を通って反射されたとき電力伝送ケーブルの特性インピーダンスにほぼ等しいインピーダンスを有しているコンポーネントとを具備している請求項１記載のデータ通信ネットワーク。
8. 前記コンポーネントは、モデムである請求項７記載のデータ通信ネットワーク。
9. 前記電力配電システムは、架空ケーブルと地下ケーブルとの間の転移部を含み、
   前記地下ケーブルは前記架空ケーブルよりも低い特性インピーダンスを有しており、
   前記第１の結合器は前記転移部に近い位置の架空ケーブル上に設けられている請求項１記載のデータ通信ネットワーク。
10. 前記電力配電システムは、前記第１の導体と接地点との間に設けられているコンポーネントを含み、
    そのコンポーネントは電力伝送ケーブルのインピーダンスよりも低いインピーダンス０有しており、
    データ通信ネットワークはさらに前記コンポーネントと直列に接続されたチョークを具備している請求項１記載のデータ通信ネットワーク。
11. 前記コンポーネントは、力率補正キャパシタを具備している請求項１０記載のデータ通信ネットワーク。
12. 前記チョークは、前記第１の導体に前記コンポーネントを接続するワイヤを囲んで配置された磁気コアを具備している請求項１０記載のデータ通信ネットワーク。
13. さらに、前記第１の結合器を介して前記データ信号を供給される第１のポートと、前記データ信号のさらに別の結合のための第２のポートを有する第１のモ
    デムと、
    前記第１のモデムの前記第２のポートを介して前記データ信号を結合する第１のポートと、前記データ信号のさらに別の結合のための第２のポートとを有するルータと、
    前記ルータの前記第２のポートに結合された第１のポートと、前記第２の結合器を介するデータ信号の結合のための第２のポートとを有する第２のモデムとを具備している請求項１記載のデータ通信ネットワーク。
14. 変成器の１次側の相の第１の導体と、変成器の２次側の相の第２の導体とを有する電力伝送ケーブルを備えた電力配電システムによってデータ信号の通信を行う方法において、
    前記第１の導体を介して前記データ信号を誘導的に結合する第１の結合器を配置し、
    前記第２の導体を介して前記データ信号を誘導的に結合する第２の結合器を配置し、
    前記データ信号を前記変成器をバイパスさせて前記第１の結合器および前記第２の結合器を介して前記第１の導体と前記第２の導体との間に結合させるデータ信号の通信方法。

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