JP2012129809A - 電力線を用いたデータ伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気機器間のデータ通信を行うために電力線を利用するPLC通信方式が用いられる。ここではPLC通信用のキャリア信号が、電気機器が持つ高調波フィルタリング機能に吸収されて通信の不安定現象を引き起こすことがある。これを解決して安定した通信方法を提供する。
【解決手段】 電力負荷側装置から電力供給側装置にデータ配信するために、送信装置で電力線を流れる電流を変化させて受信装置に通知する。電力供給側装置から電力負荷側装置にデータ配信するため、送信側装置で電力の周波数や位相を変化させ受信側装置に通知する。
【選択図】 図１

Description

電力線を媒介して、電気機器等の間でデータ伝送を行う方法と装置に関する発明である。

ビルや工場、さらには一般の家庭の中などには、電力線から電力の供給を受けて作動する照明機器や空調機器、厨房用機器などの電気機器が多く存在する。
最近はこれらの電気機器を対象に、エネルギー診断や省エネ運転を目的として電気機器の状態を特定の場所から集中して監視や設定操作を実施する機能が望まれる様になってきた。ビルや工場では例えば専用の電気室が設けられ、また家庭の中では居間などに専用のパソコンや操作パネルが設けられて、集中監視が行われる（以下では、これらの集中監視する場所を監視センターという）。

このため、最近の多くの電気機器には、通信機能を内蔵させて監視センターなどとの間で、データの交換を行う機能を持った製品が販売されている。この場合、監視センターには電気機器の状態をリアルタイムで集中監視するための表示装置や監視制御装置が設けられ、ここでは電気機器の消費電力や故障発生情報等を含む装置の稼動状態を示すデータを収集し、電気機器の電源入り切りや出力の変更設定の操作が行われる。

データ交換のための通信手段として、電力線を用いて通信を行う方式で一般には電力線搬送通信方式（以下、ＰＬＣ方式と呼ぶ）と呼ぶ機能を持つ装置が実用化されている。これは、電力線を通じて供給を行う電力の電圧波（以下、基本波という）に、信号送信部で送信データに対応する特定の通信用信号を発生し重畳させ、信号受信部では重畳された信号を基本波から通信用信号を分離し、データを抽出する方法により装置換の通信を行う方法である。

この方式によれば、既に設けてある電力線を用いることにより特別な通信線を設けることなく装置間のデータ交換が可能になることから、簡便な通信方式として期待されている。
しかしながら、ＰＬＣ方式には、使用する場所や環境条件により通信の安定性に重大な支障が発生する場合があることが知られている。使用する環境によっては、通信そのものが機能しないこともある。
本発明は、電気機器とセンター装置間の通信のために電力線を用いるという利点を維持しつつ、安定して通信を実施することを特徴とする通信方式に関するものである。

ウィキペディア フリー百科事典 電力線搬送通信

ＰＬＣ方式が、使用する場所や環境条件により通信の安定性に重大な支障が発生する原因の多くの場合は以下の理由によることが知られている。
これは、ＰＬＣ方式では、通信に使用する信号搬送が基本波に比較して高い周波数を持つ信号搬送波が使用されることに起因する。
最近の一般家屋などで使用される電気機器にはノイズを発生するものがある。またインバータ等の多くのノイズ発生源を持つ機器では、電気機器に高調波フィルタリング機能を内蔵するものも多くなってきている。これは、電気機器が機器の内部で発生させる高調波を外部に流出させない様にするための対策をとっているためである。高調波が電力を供給する電力系統側に流れ出ることは電力系統に悪影響を及ぼすことになるからである。

一方、ＰＬＣ方式における搬送用信号を重畳する電力線にはこれらの電気機器が共に接続されており、ここではＰＬＣのデータ伝送機能が発生する搬送波信号は、電気機器が発生する高調波と区別することが難しく、結果として信号搬送波とノイズの区別が困難となることや、電気機器が持つ高調波流出防止用のフィルタリング機能により、通信の目的とする受信装置に届くまでに減衰してしまうという、現行のＰＬＣ方式にはその仕組み上、多くの避けがたい難点がある。

通信の不安定性は、電力線に接続される電気機器の起動や停止操作に伴って変動する電気機器のフィルタリング機能活殺の影響を受け、ＰＬＣ搬送信号の減衰量の変動を引き起こすことが大きな要因のひとつにもなっている。
電力線を用いて電力装置間のデータ伝送を行うという利点を生かしつつ、かつ安定してデータ伝送を実施することを可能とする方式の実用化が望まれている。

はじめに、電気機器側から電力を供給する側にデータを送る方法について説明する。
一般に、電力系統側から供給される電力は、建物の外と内を区分する分電盤と呼ばれる装置で受電してここから建物内に設けられる電力線を介して電気機器に供給される。分電盤内部には電力線を流れる過電流等の異常を監視して異常検出時には自動的に電力線の回路を遮断する機能を持つブレーカが設けられている。すなわちほとんどの建物内では分電盤のブレーカを通して電気機器に電力が供給される仕組みがとられている。これは、電気機器の消費する負荷電流の変化は、電力供給元である分電盤でこれを正しく検出することができることを意味している。

例えば、電気機器側にはデータ伝送装置を設け送信データに対応する電流の変化をさせるデータ送信装置を設け、分電盤には通過する電流の変化を検知してデータ復元するデータ受信装置を設けることにより、電気機器のデータを分電盤に設けるデータ受信装置で受けることができる。

次に、分電盤側から、電気機器側にデータを送る方法について説明する。
ここでは、分電盤にデータ送信装置を設け、負荷側の電気機器に供給する電力の形態を電気機器の動作に影響させない範囲で変化させる方法である。ここでは、電気機器に供給する電力周波数を僅かに変化させ、電気機器には受信装置を設けて変化する電力周波数の変化から送信データを受信することができる。電力周波数を変化させる方法に替えて、位相の変化などを利用することも考えられる。

本発明によれば、電力線を利用するセンター装置と電気機器の間の通信が、電気機器の持つ高調波フィルターの影響を受けることなく安定して可能となる。

以下、本発明の実施例について説明する。

（請求項１に対応）
図１の構成例は、電気機器側に設ける送信装置から分電盤側に設ける装置にデータを送るためのもので、ブレーカ１００、電力線１０１、状態データ送信装置１０、状態データ受信装置２０、および表示装置２４から構成される。ここで、状態データ送信装置１０には、送信データファイル１１、信号送信部１２、信号発生用負荷１３およびスイッチ１４を備えている。状態データ受信装置２０には、受信データファイル２１、信号受信部２２およびセンサー２３を備えている。
以下では、状態データ送信装置１０の備える送信データファイル１１の記憶するデータを、電力線１０１を介して状態データ受信装置２４に配信し、表示装置２４に表示する方法について説明する。

状態データ送信装置１０では、送信データファイル１１のデータを信号送信部１２に通知する。信号送信部１２では通知されたデータに対していわゆるシリアル変換と呼ばれる処理を施して１と０で構成される数値データの羅列に変換し該データを一定時間間隔で順に取出して、信号発生用負荷１３が接続されるスイッチ１４を、取出しデータの１または０の値に連動してオンまたはオフ操作を行い、電力線１０１を流れる電流値を変化させる。
状態データ受信装置２０では、センサー２３および信号受信部２２で電力線１０１を流れる電流値を取込み、データ送信装置と同じ時間間隔で電流値の変化を検出し、該電流値の増または減に連動して１または０の値を生成する。次に、このデータにいわゆるパラレル変換処理を施して受信データを生成復元して受信データファイル２１に記憶する。これを表示装置２４に通知してデータ表示する。

ここで信号生成用負荷１３として、容量性負荷であるコンデンサーや誘導性負荷であるリアクトルを使用することが考えられる。この場合、無効電力量は増加するが有効電力である実際のエネルギー消費の増加は抑制することができる利点がある。
容量性または誘導性負荷を使用する場合は、スイッチ１４のオンまたはオフ操作に伴い電圧位相に対して電流位相の進みまたは遅れの現象が発生する。このため前記の負荷電流の増減を利用する方法に替えて、電圧位相を基準にした電流位相の進みまたは遅れを利用して通信を行う方法も考えられる。
図２は、電気機器３０の状態を送信するための送信データファイル１１の構成例である。ここでは、電気機器３０に割当てられた固有の機器アドレスおよび状態データより構成される。
送信データファイル１１の構成に機器アドレスを含むのは、複数の電気機器情報を識別を可能とするためのものである。

図３は、送信データを通信するために信号送信部１２が生成する信号の構成例である。通信開始時にははじめに一定の信号パタンで構成される同期信号が生成され、次に、データファイル１１のデータ信号が生成される。その後に受信データの誤り有無を検出するためのチェック用データを生成して付加する。チェック用データはパリティーやＣＲＣと呼ばれるデータ様式を使用する。次にデータファイル１１とチェック用データを対象に、例えば、構成するデータの１、０値を全て反転させる、いわゆる反転連想照合様式のデータを生成する。
信号受信部２２では、一定パタンの同期信号を受ければ、その後に連続する信号を受信してデータチェックと反転連想照合の検定を実施して、正常データである場合に限り受信データファイル２１に記憶する。

（請求項２に対応）
図４の構成は、図１の構成要素を全て使用して、さらに電気機器３０を追加するものである。電気機器３０には電力量計算部３１を備え、電気機器３０の消費する電力量を計算し、状態データ受信装置２０に送信し表示装置２４を使用してその値を表示することを目的とするものである。ここでは、電気機器３０の消費する電力量は電力量計算部３１で計算され、送信データファイル１１に記憶され信号送信部１２に通知される。通知されたデータは、実施例１に記載する方法で状態データ受信装置２０の受信データファイル２１に記憶され、表示装置２４に通知されて電気機器３０の消費電力量として表示する。

（請求項３に対応）
図５の構成は、分電盤側に設ける送信装置から電気機器側に設ける受信装置にデータを送ることを目的とするもので、制御装置４４、制御用データ送信装置４０、制御用データ受信装置５０および電気機器３０より構成される。制御用データ送信装置４０は設定データファイル４１、信号生成部４２および電力変換部４３を備え、また、制御用データ受信装置５０は信号受信部５２および受信データファイル５１を備える。電気機器３０には電気機器３０の起動や停止、さらには出力の変更などを行う設定操作部３２を備える。
以下、制御装置４４から電気機器３０を操作するデータを配信し電気機器３０を設定操作する方法について説明する。

制御装置４４から、電気機器３０の操作を行うことを目的とする例えば機器の入りまたは切り操作用のデータが制御用データ送信装置４０に通知されると、制御用データ送信装置４０の設定データファイル４１に記憶される。信号生成部４２で該データをシリアルデータに変換し一定時間間隔で１ビット毎に１または０を電力変換部４３に引渡す。電力変換部４３では、制御用データ送信装置４０に供給される電力（以下、商用電力等という）を整流して直流に変換し再度交流電力を生成する。このとき信号生成部４２から通知されたデータに従い電力変換部４３では信号生成部から引渡しされる１ビットデータ値である１または０にしたがって、予め決められた周波数の交流電力を生成して電力線１０１に供給する。

例えば、信号生成部４２から引渡された１ビットデータ値が１であれば商用電力等の周波数より僅かに高めの周波数の交流電力を生成し、信号生成部４２から引渡された１ビットデータ値が０であれば商用電力等の周波数より僅かに低めの周波数の交流電力を生成するという具合である。制御用データ受信装置５０の信号受信部５２では一定の決められた時間間隔で、受電電力の周波数の変動を検出しこの変動に連動してデータ１または０を生成すると共に、いわゆるシリアルからパラレルにデータ変換して設定データを生成復元し、受信データファイル５１に記憶する。受信データファイル５１のデータは電気機器３０の設定操作部３２に通知され、電気機器３０に対して設定操作が行われる。
図６は、電気機器３０の設定操作データを送信するための設定データファイル４１の構成例である。ここでは、予め電気機器に割当てられた固有の機器アドレスおよび設定操作データより構成される。
設定データファイル４１の構成に機器アドレスを含むのは、複数の電気機器を対象にそれぞれ個別に設定を可能とするためのものである。

図７は、送信データを通信するために信号生成部４２が生成する信号の構成例である。通信開始時にははじめに一定の信号パタンで構成される同期信号が生成され、次に、設定データファイル４１のデータ信号が生成される。その後に受信データの誤り有無を検出するためのチェック用データを生成して付加する。チェック用データはパリティーやＣＲＣと呼ばれるデータ様式を使用する。次にデータファイル４１とチェック用データを対象に、例えば、構成するデータの１、０値を全て反転させる、いわゆる反転連想照合様式のデータを生成する。
信号受信部５２では、一定パタンの同期信号を受ければ、その後に連続する信号を受信してデータチェックと反転連想照合の検定を実施して、正常データである場合に限り受信データファイル５１に記憶する。

（請求項４に対応）
図８の構成は、電力線１０１を介して電気機器３０の状態データを監視制御装置４５に取込むと共に監視制御装置４５で電気機器３０の設定操作を施すことを目的とするもので、図４および図５の構成要素を全て合体させ、さらに図４の構成における表示装置２４および図５の構成における制御装置４４に替えて、監視制御装置４５を設けるものである。
はじめに、電気機器３０の消費電力が監視制御装置４５に通知される方法について説明する。

電気機器３０の消費電力は実施例１および実施例２で説明する様に、電気機器３０から状態データ送信装置１０に通知され、電力線１０１を介して状態データ受信装置２０に通知され、監視制御装置４５に通知される。監視制御装置４５では、例えば電気機器３０の消費電力が一定の限界値を超える場合またはその虞が見込まれる場合には、電気機器３０の出力低下のための操作をする場合がある。この様な場合には、監視制御装置４５では電気機器３０の出力を低下させるための設定データを生成して設定データファイル４１に記憶する。このデータは信号生成部４２を介して電力変換部４３に通知される。電力変換部４３では、実施例３に説明する動作で、制御用データ受信装置５０を介して電気機器３０の設定操作部３２に通知され、電気機器３０の出力低下等の設定操作が行われる。

以上、本発明の好ましい実施例として、ビルや工場等の建物設備の屋内に設けられる電気機器を屋内の電力線を使用して監視操作する実施形態を図示して説明したが、本発明のデータ通信方式は、例えば、発電所や変電所間などの設けられる電力線を使用してデータ通信を行うところにも適用することができる。

本発明の電気機器状態データを配信するシステムの構成を示す図 状態データファイルの構成例 状態データを通信するための信号の構成例 電気機器の消費する電力量をセンター装置に通知する構成を示す図 電気機器を設定制御するデータを配信するシステムの構成を示す図 設定データファイルの構成例 設定データを通信するための信号の構成例 電気機器の消費する電力量を収集し、電気機器を設定制御するデータを配信するシステムの構成を示す図

１０ 状態データ送信装置
１１ 送信データファイル
１２ 信号送信部
１３ 信号送信用負荷
１４ スイッチ
２０ 状態データ受信装置
２１ 受信データファイル
２２ 信号受信部
２３ センサー
２４ 表示装置
３０ 電気機器
３１ 電力量計算部
４０ 制御用データ送信装置
４１ 設定データファイル
４２ 信号生成部
４３ 電力変換部
４４ 制御装置
４５ 監視制御装置
５０ 制御用データ受信装置
５１ 受信データファイル
５２ 信号受信部
１００ ブレーカ
１０１ 電力線

Claims (5)

1. データ送信装置、データ受信装置および電気機器に電力を供給する電力線からなるデータ送受信システムにおいて、データ送信装置が電力線の電流を一定の態様で増減変化させ、データ受信装置で該電流の増減変化を検知してデータを復元することを特徴とするデータ送受信の方法。
2. 電力計算部を有する電気機器、データ送信装置、データ受信装置、表示装置および電気機器に電力を供給する電力線からなるデータ送受信システムにおいて、電気機器の消費電力または電気機器の状態をデータ送信装置に通知し、該データ伝送装置が電力線の電流を一定の態様で増減変化させ、データ受信装置で該電流の増減変化を検知してデータを復元し表示装置に通知して、電気機器のエネルギーを把握することを特徴とするデータ送受信の方法。
3. データ送信装置、データ受信装置および電気機器に電力を供給する電力線からなるデータ送信システムにおいて、データ送信装置が供給電力の周波数を一定の態様で増減させ、または位相を一定の態様で変化させて、データ受信装置で該供給電力の周波数の増減または位相の変化を一定の態様で検知してデータを復元することを特徴とするデータ送受信の方法。
4. 遠隔操作装置、データ受信装置、データ受信装置から通知する信号で電気機器の状態を設定する機能を有する電気機器および電気機器に電力を供給する電力線からなるデータ送信システムにおいて、遠隔操作装置から通知されたデータを受けたデータ送信装置が供給電力の周波数を一定の態様で増減させ、または位相を一定の態様で変化させ、データ受信装置で該供給電力の周波数の増減または位相の変化を検知してデータを復元し電気機器に通知する方法で、遠隔操作装置から電気機器の設定操作を行うことを特徴とするデータ送受信の方法。
5. 請求項１から請求項４に記載する何れかの方法を使用する装置